Simulations of the release and dispersion of chlorine and comparison with the Jack Rabbit field trials

Abstract

The release and dispersion of toxic industrial chemicals as a result of accidents, terrorism or sabotage, represents a possible hazard. Such chemicals are often transported and stored as condensed liquids in pressurized tanks. There is a significant gap of knowledge and a lack of reliable models for calculating the release and dispersion of dense gases, like for example chlorine, and thus on calculating the resulting hazard areas. This knowledge gap is assumed to be relatedto a poor understanding of the source term, especially for massive releases. In order to address this issue, a series of experiments in which two tons of chlorine and ammonia respectively were released from a pressurized tank, were conducted at Dugway Proving Ground, Utah, USA, during spring 2010. FFI assisted in the planning of the experimental setup by conducting numerical simulations of the release of chlorine. In addition, FFI participated in these experiments, as the only non-American institute, and has access to all the experimental data. This report describes simulations of one of the releases with an advanced Large Eddy Simulation model developed by Cascade Inc., and with the faster hazard prediction tool ARGOS and the dense gas dispersion model SLAB. The results from these are compared with the experimental results. The goal is to gain insight about massive releases of pressurized toxic industrial chemicals and the effectiveness of the fast hazard prediction tools to predict the dispersion and consequences of the release. Some simplifications and assumptions had to be made in order to use the LES software for simulating the experiment. Even so, near the source, where the dynamics are to a large extent driven by the release jet, good agreement with the experiment is found. The fast hazard prediction tools cannot resolve the source characterisations of the experiment. A method where the source is specified as anevaporating pool, instead of a two-phase jet from a pressurized tank, was tested. Good agreements with the experiment can be found, however it is quite dependent on the evaporation rate and it is not obvious how to specify this rate a priori.

Utslipp og spredning av giftige industrikjemikalier som følge av uhell, terror eller sabotasje, representerer en fare. Slike kjemikalier transporteres og oppbevares ofte som væsker i trykksatte tanker. Det er et betydelig kunnskapsgap og mangel på pålitelige modeller for å modellere utslipp og spredning av tunge gasser, som for eksempel klor, og dermed for å beregne fareområdet ved slike hendelser. Det er antatt at forskjellene i stor grad er relatert til mangelfull kildemodellering, spesielt for store utslipp. For å studere kildetermen ved massive utslipp av tunge gasser ble en serie felttester, der to tonn av henholdsvis klor og ammoniakk ble sluppet ut, gjennomført ved Dugway Proving Ground, Utah, i perioden 27. april - 21. mai 2010. FFI deltok i planleggingsfasen av feltforsøkene med to-fase utslippsberegninger av klor for å bidra til å definere forsøksoppsettet. Denne rapporten beskriver beregninger av utslippene med en avansert Large Eddy Simulationmodell utviklet ved Cascade Inc., USA, og med de raskere fareprediksjonsverktøyene ARGOS og SLAB. Hensikten er å erverve økt kunnskap om store utslipp over kort tid av trykk-kondenserte toksiske industrikjemikalier, samt å undersøke de raske fareprediksjonsverktøyenes evne til å forutsi spredning av gass og konsekvensene etter et utslipp. Noen forenklinger og antagelser var nødvendige for å kunne bruke LES-koden til å simulere utslip pet i eksperimentet. Likevel er det god overenstemmelse mellom eksperimentet og simuleringen nær utslippet, der dynamikken til stor grad er styrt av utslippsstrømmen fra tanken. De raske fareprediksjonsverktøyene kan ikke simulere utslippsmekanismen i eksperimentet direkte. En metode der kilden spesifiseres som en dam som fordamper i stedet for en tofasestrøm fra en trykksatt tank ble forsøkt. God overensstemmelse med de eksperimentelle målingene kan oppnås, men resultatene er nokså avhengig av fordampingsraten fra dammen, og det er ikke åpenbart hvordan denne raten bør spesifiseres.