Transport and dispersion of non-neutral toxic industrial chemicals in an urban environment

Abstract

The main focus in this study was to investigate the difference between the dispersion and transport process of non-neutral and passive gas release, respectively, in an urban area. The method used was the LES approach, which previously has shown good results for urban dispersion of neutral gas. Chlorine and ammonia were chosen as non-neutral gases, where chlorine is a heavierthan- air gas while ammonia is a lighter-than-air gas. Both chemicals are usually stored and transported in their respective liquid form in pressurized tanks. Hence, the source was estimated to imitate a rupture from that kind of container. That means that both the liquid and vapor state of the chemicals were released, and that the subsequent evaporation process was included in the calculations. The results yielded a significant difference between the evaporation of chlorine and ammonia, where chlorine evaporated quickly whereas liquid ammonia did not. A possible explanation for this lies in the latent heat of evaporation. This difference led to a considerable disparity between the sources where chlorine could be assumed to be released from a point source, while ammonia gas evaporated from a much larger area. This affected the subsequent transport and made it hard to compare the two cases of non-neutral gases with each other. Since the neutral case only considers release of gas from a point source, the dispersion of neutral gas can only be compared to transport of chlorine in this study. The results also indicate that the heavier-than-air gas is not as affected by vertical mixing as the neutral gas. This gives a plume that do not reach as high, but as time progresses spread more horizontally as compared to the passive scalar. The latter is most likely due to the channeling effects caused by building structures. An analysis of the temperature field confirms a rapid evaporation of the liquid chlorine. No liquid pool was observed and the vaporized chlorine quickly reached the same temperature as the surrounding air. In the ammonia case, not only the gaseous phase, but also the liquid droplets were transported. Liquid ammonia covered a large area around the original source, which gave rise to a secondary evaporation and, hence, a larger release area for ammonia gas. Due to a density lower than the density of air, an increased wind velocity was seen where the concentration of vapor ammonia was high. This also increased the mixing yielding a higher, but also a more diluted, plume. The dispersed ammonia stayed cold for a longer period of time compared to chlorine, and the temperature in a larger area was affected.

Målet med denne studien var å undersøke forskjellen mellom spredningsprosessen av ikke-nøytral og passiv gass i et urbant område. Metoden som ble brukt var LES-modellen, som tidligere er vist å gi gode resultater for urban spredning av nøytral gass. Industrikjemikaliene klor og ammoniakk ble valgt som ikke-nøytrale gasser, der klor er tyngre enn luft mens ammoniakk er lettere enn luft. Begge kjemikaliene oppbevares og transporteres vanligvis i flytende form i trykksatte tanker. Kilden til utslippet ble derfor valgt å være et brudd i en slik beholder, hvilket betyr at både væske og damp ble sluppet ut, og at fordamping ble inkludert i beregningene. Resultatene viste en betydelig forskjell mellom fordamping av klor og ammoniakk, der klor fordampet raskt mens flytende ammoniakk ikke gjorde det. En mulig forklaring til det kan være ulikheten i latent varme. Denne forskjellen førte videre til at kildene til gassutslippet ble ulikt i de to scenarioene. Klorgass kan antas å bli sluppet fra en punktkilde mens ammoniakk fordampet fra væskeansamling over et mye større område. Dette påvirket den videre transporten og gjorde det vanskelig å sammenligne de to tilfellene av ikke-nøytral spredning. Siden nøytral gass bare slippes fra en punktkilde i disse simuleringene, kan den her bare sammenlignes med spredningen av klor. Resultatene indikerte også at gass som er tyngre enn luft ikke påvirkes like mye av den vertikale miksingen som nøytral gass. Dette gir en sky som ikke når like høyt, men som etterhvert spres mer i horisontalplanet i forhold til en passiv skalar. Det sistnevnte er mest sannsynlig på grunn av kanaliseringseffekter forårsaket av bygningene. En analyse av temperaturfeltet bekrefter en rask fordamping av flytende klor. Det ble heller ikke observert noen væskeansamling på bakken, og klor i gassform nådde raskt samme temperatur som luften rundt. I tilfellet med ammoniakk ble både gassfasen og væskefasen transportert. Flytende ammoniakk dekket et stort område rundt den opprinnelige kilden og ga opphav til en sekundær fordamping og dermed et større utslippsområde for ammoniakkgass. En økt vindhastighet er observert i områdene der konsentrasjonen av ammoniakkdamp er høy, hvilket også innebærer at tettheten er lavere enn tettheten for luft. Dette gir en økt miksing, som igjen leder til en høyere, men også en mer fortynnet sky. Ammoniakken holder seg kald en lengre periode sammenlignet med klor, og temperaturen er påvirket i et større område.