Сарбасова Г.А., Кокаев О.Ш, Болысбекова С.Т.

М.Х. Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті, Тараз қаласы

Шығарылым газдарының таралу бағыты бойындағы концентрациясының өзгерілу динамикасы

Газдардың ауа кеңістігіне ығыстырылып таралу үрдісінде, оның концентрациясының өзгерілу сипаттамасы орнықты және құбылмалы болып бөлінеді. Газдардың сыйымдылықтар арматуралар саңлауларының, бұрғылау алаңдарындағы дизельді қозғалтқыштардың шығарылым газдары атмосфераның аэродинамикалық ретінің тұрақтылығында орнықты үрдіс, ал тасымалдау құбырының тозығы жеткендегі газдың төтенше шығарылуы, ұңғымаларды сынақтан өткізуде, ұңғымадан өнім алу барысында газдардың апатты шығарылу және т.б. құбылмалы үрдісіне қатысты.

Газдардың ауа ағымындағы таралуы таза ауамен молекулярлы турбулентті араласуымен конвективті, молекулярлы және диффузиялы негізінде ыдырап таралады. Молекулярлы және турбулентті ыдырап таралуы шығарылым көзінен бастап барлық бағытта жүргізіледі. Шығарылым көзінен бастап ауа қозғалысының бағытында газ түріндегі қоспаларды шығарылуына әсер ететін конвективті ағындату негізгі үрдіс және ауа қозғалысының негізгі бағытында ығысады. Газдың ығыстырылып алуы үрдістердің әртүрлі меншікті мөлшері сол аймақтың аэродинамикалық көрсеткіштеріне байланысты. Ауаның жоғары жылдамдықта қозғалысына конвективті ығыстыру болады да, ал төменгі жалдамдығында турбулентті ығыстыру болады. Желсіз ауа райында молекулярлы ығыстыру, инверсияның төменгі қабатында жүргізіледі.

Заттың сақталу заңының дифференциальды қалпындағы конвективті диффузияның сипаттамасы келесідей [12]:

(1)

мұндағы: с–х,y,z координаттарына сәйкес белгілі бір нүктедегі газдың концентрациясы; u, υ, w–О_х, О_у,О_z осьтері бағытарына сай компоненттердің жылдамдығы; D_τх, D_ту, D_тz–координаттар бағыттарына сәйкес турбулентті диффузия коэффициенті; D_м –молекулярлы диффузия коэффициенті; t – уақыт.

Турбулентті диффузияның коэффициенттері ағымның жеделдік турбуленттілігіне және газдың қасиетіне, ал молекулярлы диффузия коэффициенті – газдың қасиеті мен оның концентрациясына байланысты. Сонымен қатар диффузиялық үрдістер жер бетінің рельефіне, атмосфералық ауаның тығыздығына, зиянды заттардың белгілі бір жылдамдықтағы шығарылым биіктігіне , ауа ағымындағы газдардың тығыздығына Н_Т байланысты. Әрине, осы көрсеткіштердің әрқайсысы турбулентті диффузиясының коэффициентін өзгертуіне өз үлестерін қосады. Мысалы, газдың қарқынды диффузиясы нәтижесінде көмірқышқыл газының (СО₂) тығыздығы ауамен салыстырғанда 1,52 тең «ауыр» газ болғандықтан ауаның турбулизациялануын азайтады, оның жоғарғы қабатына ығыстырылмайды, соған сәйкес, улы газдар: азоттың қос тотығы (NO₂) – 1,5 рет, күкіртті газ (SO₂ ) – 2,3 рет, күкіртті сутегі (H₂S) – 1,19 рет, акролеин (CH₂CHCOH) – 1,9 рет ауамен салыстырғанда салмақты. Атмосфераның турбулентілігі аз болған сайын ауыр газдың әсері ұлғая түседі, соғұрлым оның атмосфераның жоғарғы қабатына диффузиясы қиындай түседі. Керісінше жеңіл газдардың турбулентті және молекулярлы диффузиялары арта түседі де жоғары көтеріле түседі. Мысалы, көміртегі тотығының тығыздығы жеңіл ауамен салыстырғанда (0,97) болғандықтан ауаның жоғарғы қабатына тез арада ығысады, алысқа ыдырап таралады.

Шығарылымның сыртқы әсер ету факторларына және бастапқы концентрациясына сәйкес шығару көзінен ауа кеңістігіне таралу сүлбесі келесі суретте келтірілген.

С – әрбір ара қашықтықтағы газ концентрациясының мәндері;
φ – ыстық лепті шығарылымының таралу бағытының орта түзуінен алшақтану бұрышы;
Н_Т – ыстық лепті шығарылым биіктігі, м;
Н_S – алаулы шырақ қондырғысының биіктігі, м;

Сурет 1 – Ыстық лепті газ қоспаларының ауа қозғалысы бағытындағы таралу сүлбесі

Дегенмен, шығарылым газдарының жер беті бағытында таралуы әр түрлі деңгейде болады.

Газдардың концентрациясы газды ауа қоспасының көлденең қиылысының орташенді бағытында болады, ілгері ығыстырылып таралуы, шығарылымның кинетикалық энергиясы мен Е_к шығарылым газының жану температурасының әсерінен энергия туындайтын энергиясына байланысты [8-12].

Газды ауа қоспасының шығарылу көзінен биікке көтеріліп ілгері жылжуының жалпы энергия шамасы :

Е_ж.э.= Е_к + Е_а , Вт (2)

Эжекция (ілестіру) әсерімен енгізілген ауа ағымының мөлшері кинетикалық энергиясы келесідей

(3)

мұндағы: М - эжекция әсерімен жану ортасына сорылып енгізілген ауаның массалық шығыны, м³

(4)

мұндағы: Q - эжекция әсерімен сорылып енгізілген ауа көлемінің шыңарылу екпінділігі, м³/с.

Адиабатты жағдайына қатысты алаулы шырақтан ыстық лепті ауалы газ қоспасының шығарылу энергиясын келесі формуламен анықтаймыз.

(5)

мұндағы: g – еркін түсу үдеуі, м/с²; Т_а – алаулы шырақ қондырғысынан шығарылатын ласты газдың абсолютті температурасы, ⁰С, Т – ауа кеңістігінің абсолютті температурасы, ⁰С; Н_т – алаулы шырақ шығарылған ыстық лепті газ қоспасының биіктігі.

Ыстық лепті газ қоспасының адиабатты шығарылу энергиясы жоғары болады, егер ауаның тығыздығы мен ластаушы газ шығарылымының адиабатты жағдайында салыстырмалы айырмашылығы жоғары болғанда, белгілі бір жылдамдықпен ластаушы шығарылымның үстіңгі қабатындағы жылжитын ауаның шығынына жел ағымының меншікті кинетикалық энергиясы сәйкес келеді[45].

(6)

Сонымен шығарылым газдарының кинетикалық және температура ықпалымен шығарылу адиабатты энергиясын анықтауға жоғарыдағы (4) және (5), (6) теңдеулерді бірге қарастырып түрлендіреміз:

(7)

Бұл теңдеуден ыстық лепті шығарылымның биіктігінің формуласын шығарамыз:

, м (8)

Шығарылым газдарын алаулы шырақ қондырғысында жандырудан түзілген ыстық лепті ауалы газ қоспасы биіктігін әртүрлі мәніндегі ауа қозғалысы жылдамдықтарына байланыстылығын анықтаймыз. Берілген көрсеткіштер:

Е_ж.э. = 1,055∙10³ Вт = 1,055∙10³ ∙ 0,102 = 107,6 кгс/м – ыстық лепті шығарылымның қоршаған ауа кеңістігіне қатысты қуаттылығы (энергиясы);

G_a- ыстық лепті қоспаның шығарылу қарқындылығы, м³/с;

Т_а = 924,3 ⁰С – ауаның адиабатты қозғалысының температурасы (есептелген);

Т_а = 16,7 ⁰С – ауа кеңістігінің абсолютті температурасы (өлшенген);

ρ_а = 0,09 кг/м³ – ыстық лепті шығарылымның адиабатты тығыздығы / /;

ρ₀ = 1,2 кг/м³ – кеңістіктегі ауаның тығыздығы.

Ыстық лепті шығарылым биіктігін ауа қозғалысының әртүрлі жылдамдықтары негізінде анықтаймыз: и = 0,5 м/с, и = 1 м/с, и = 2 м/с, и = 3 м/с, и = 4 м/с, и = 5 м/с.

Жоғарыда келтірілген газдар қоспасын алаулы шырақта жандырудан шығарылатын зиянды заттардың қоршаған ортаға ығыстырылып таралуы газ қоспаларының көлемді шығынына, температурасына, жылдамдығына ауа кеңістігінің температурасына, адиабатты тығыздығына тәуелділігі бағаланады.

Газдың концентрациясы шығарылу көзінен алыстаған сайын, ағыстың көлденең қиылысында сапалы өзгереді, бағыт ортасында жоғары мәні болады да, шегіне қарай азаяды.

Шығарылым газдарының негізгі сипаттамасының бірі Ох бағытындағы газ қоспаларының ыдырап таралуының бұрышы φ ыстық лепті газ қоспасының шығарылым көзінен алыстаған сайын ұлғая түседі, ал газдың концентрациясы азая түседі де, ауа кеңістігінің, жер бетінің ластануы ШРК деңгейіне жеткенше өсе береді. Керісінше желдің жылдамдығы ұлғайған сайын ұлғайу бұрышы азаяды, соған сәйкес газдың концентрациясы төмендейді.

Шығарылым газдарының ыдырап таралуы ауа кеңістігінде барлық Ох, Оу, Оz бағыттарында болатындығы белгілі. Соған сәйкес газдың бастапқы концентрациясы белгілі болған жағдайында ауа кеңістігіндегі таралу енінің шегін анықтауға мүмкін болады.

Талдау барысында анықталғаны, ағыстың көлденең қиылысындағы газдардың концентрациясының өзгерілуі экспоненциальды түрінде келесідей сипатталады [9].

(9)

немесе

(10)

мұндағы: С₀-шығарылымның орта бағытындағы концентрациясы (сурет 1); х,у,z–шығарылымның белгілі бір нүктесінің концентрациясының координат-тары–шығарылым көзінің биіктігіне (алаулы шырақ қондырғысы, биіктігі 30м), орналасу жағдайына ортаның температурасына, желдің жылдамдығына, ауаның ылғалдығына (өндіріс аумағы құрғақ болғандықтан есепке алынбайды).

Жоғарыдағы формуладағы экспоненциалды тәуелділікті β коэффициенті арқылы белгілейміз.

(11)

Сурет-2 - β коэффициентінің ауалы газ қоспасының кеңістікте ыдырап таралу қашықтығына байланыстылығы

Коэффициенттің мәнімен тек қана газ қоспаларының кеңістікке ыдырап таралу механизмін анықтауға мүмкін болады, яғни шығарылым газдарының бастапқы концентрациясының (С) ауа қозғалысының Ох бағытындағы өзгерілуін анықтауға регрессивті талдауға мүмкін болады. Мұндағы апроксимациясы келесі экспоненциальды функцияны пайдалануда нәтижелі анықтауға мүмкін болады β=0,7 е^-0,0024х.

Компьютерлік бағдарлама көмегімен есептеулерде коррекция коэффициентіне байланысты мәні 0,89 болды, ал,

.

Алаулы шырақ қондырғысынан шығарылған алаулы түтінді газ қоспасының құрамындағы зиянды заттардың ауа кеңістігіне Ох бағытында ыдырап таралу концентрациясының С бастапқы концентрациясына С_б тәуелділігін анықтау үшін регрессивті талдау жасалынды. Жоғары апроксимациясы логарифмді түріндегі функцияны пайдалануда өте нәтижелі болады [8-12].

β = 0,7e-0,0024x

R² = 0,868

♦ 1 қатар –экспоненциальды қатар

Сурет-3 – Газ концентрацияларының Ох бағытындағы ауа қозғалысы жылдамдығына байланысты экспоненциальды өзгерілуі

Бұл сипаттамада газ концентрациясының өзгерілуінің негізгі көрсеткіштері ескерілмейді. Сондықтан, газ қоспаларының шығарылу көзінен бастап ыдырап таралу бағытының көлденең қиылысындағы орта аумағындағы газ концентрациясының өзгерілуіне келесі көрсеткіштер функциональды тәуелді болады, яғни

(12)

Зерттеу нысанасы ГКДҚ – ның алаулы шырақ шығарылым көзі жер бетінен Н_s–биіктікте болғандықтан, турбулентті коэффициент мәні К=3,0; G-ластаушы заттардың шығарылу қарқындылығы, м³/с; φ–жел жылдамдығының өлшемсіз көрсеткіші,

(13)

мұндағы: k^/ – түзу сызықтан тангенс ауытқу бұрышының мәні;

(14)

мұндағы: u_min-аэродинамикалық күштердің температура әсерінен туындайтын ауа ағымының төменгі жылдамдығы; в^/–температура әсерімен туындайтын атмосфераның турбулентігін сипаттайтын коэффициент.

Олардың мәндері: R¹ = 0,05, в¹ = 0,05.

Алау шырағы, құбырынан шығарылғаннан кейінгі газ қоспалары ағымының х,y,z – координаттарында белгілі бір қимасындағы газ концентрациясының бастапқы концентрациясына байланыстылығы келесі формуламен анықталады[12]:

(15)

(13), (14) және (15) теңдеулерін бірге қарастырып, қосымша шығарылым газдарының тығыздығы мәнін енгіземіз, яғни:

(16)

және

(17)

мұндағы: С_ф – газдың фоналық концентрациясы, ол өте аз болғандықтан есептеуде ескерілмейді.

Сонымен, анықтамаларда келтірілген, өлшенген және есептелген мәндерін пайдаланып, шығарылым газдарын алаулы шырақ қондырғысында жандырудан түзілген ыстық лепті газ қоспаларының құрамындағы зиянды заттар концентрацияларының бастапқы концентрациясына байланысты, ауа кеңістігінде ыдырап таралу бағытындағы қимасының белгілі бір ара қашықтығындағы өзгерілуін компьютерлік бағдарлама негізінде есептеп анықтаймыз. Бастапқы көрсеткіштерін пайдаланумен компьютерлік бағдарламалар негізінде есептелген нәтижелер келесі кестеде келтірілген.

- v = 0,1м/с; - v = 0,2 м/с; - v = 0,5 м/с х- v = 1,0 м/с

Сурет-4 – Әртүрлі ауа қозғалысы жылдамдықтарында газ концентрацияларының Ох бағытындағы өзгерілуі

Бұл суретте шығарылым газдарын алаулы шырақ қондырғысында жандырудан түзілген ыстық лепті зиянды заттар концентрациясының ауа қозғалысының жылдамдығына байланыстылығы сипатталған. Ауа қозғалысының жылдамдығы төмен болғанда, (Ох) бағытындағы алаулы газ қоспасының белгілі қиылысындағы газ концентрациясы, оның жоғары жылдамдығындағы концентрациясымен салыстырғанда жоғары болады (и =0,1; 0,0; 0,5; 1,0 м/с). Мысалы, х = 400 м арақашықтықта, ауа қозғалысы жылдамдығы и =0,1 м/с, С = 3,006 мг/м³, ал и =0,5 м/с, С = 0,601266 мг/м³.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. С. Степановских. Охрана окружающей среды. Москва, 2000. -242 с.

2. Тілегенов И.С. Обоснование и разработка способов и средств предотвращения техногенных выбросов в окружающую среду: Дисс. на соис. учен. степени докт. техн. Наук. –Тараз. 2003. -255 с.

3. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. -М.: Химия. 1981. -616 с.

4. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час. –Санкт-Петербург: «Интеграл». 1999. – 44с.

5. «КазМунайГаз»: Материалы V семинара-совещания по охране труда, окружающей среды и промышленной безопасности. – Астана, ИД «Сарыарка». 2005. - 180 с.

6. Геоздев Б.П., Грущенко А.Н., Корнилов А.Е. Эксплуатация газовых и газоконденсаттых месторождений.: Справочное пособие. – М.: недра, 1988. -575 с.

7. Амняк А.В., Васильева М.А. Добыча газа. М.: Недра. 1973 -215 с.

8 Коротаев Ю.П. Эксплуатация гаовых месторожений. –М.: Недра. 1975. -415 с.

9. Шмыгля П.Т. Разработка газовых и газоконденсатных месторождений –М.: Недра, 1967. -210 с.

10. Зайцев В.А. Промышленная экология: учебное пособие / РХТУ им. Д.И.Менделеева. М.: 1998.- 140 с.

11. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Высшая школа. –М.: Ғылым. 1996. -22 с.

12. Қуатбеков М.Қ., Ақынбеков Е.Қ. Жылу техникасы курсының есептер жинағы. –Алматы. 1995. – 240 б.