Toxic Release and Dispersion Models CHAPTER 5 – Chemical Process Safety, Fundamental with Application (Daniel A. Crowl/ Joseph F.Louvar) Toxic Release and Dispersion Models Prepared by : Ellen Resia Hutagalung (1006735460) Magister Manajemen Gas Fakultas Teknik Kimia – Universitas Indonesia 2011 – (Kelas Salemba)

Introduction about Toxic Release and Dispersion Models Pada saat kecelakaan, proses equipment dapat melepaskan bahan beracun secara cepat dan dalam jumlah yang cukup signifikan, dalam penyebarannya (melalui media angin) cukup berbahaya pada area kejadian dan lingkungan setempat. Contoh kasus : Pecahnya vessel dalam proses yang menimbulkan ledakan, akibat dari tekanan yang berlebihan karena disebabkan oleh reaksi runaway. Pecahnya pipa dalam jalurnya di mana pipa mengandung bahan beracun bertekanan tinggi. Pecahnya tangki yang mengandung bahan beracun yang tersimpan pada titik didih di atas atmosfer. Pecahnya train atau truk tangki transportasi karena suatu kecelakaan.

Continued… Kecelakaan serius (seperti Tragedi di Bhopal) menegaskan pentingnya perencanaan dalam kondisi darurat dan merancang pabrik untuk meminimalisasi suatu kejadian dan konsekuensi dari racun yang terlepas. Model Racun yang tersebar secara rutin dirancang untuk memperkirakan efek dari penyebarannya pada area kejadian dan lingkungan masyarakat setempat. Model ini merupakan sebuah program keamanan yang sangat baik, di mana berusaha untuk mengidentifikasi masalah sebelum terjadi. Diharapkan para Chemical Engineer memahami semua aspek yang terdapat dalam model tersebut baik dalam pencegahannya dan mengurangi dampak dari penyebaran racun jika terjadi. Dalam hal ini dirancang suatu model untuk meyiasati pemyebaran racun.

Toxic mixed with fresh air Environment was contaminated Model Dispersi Sumber (lubang tabung) yang melepaskan Racun Source : http://www.stevequayle.com/News.alert/04_Global/040820.gas.explosion.html Toxic mixed with fresh air Wind everywhere Wind everywhere Environment was contaminated

Sequences Incident of Bhopal Tragedy

Selection of Source Model to Describe Release Incident

Continued … Penyebaran racun dan model dispersi merupakan bagian penting pada prosedur pemodelan ini (Figure 4-1). Terdapat 3 langkah dalam prosedur pemodelan penyebaran racun, diantaranya : Identifikasi kejadian penyebaran racun ( Dalam situasi proses bagaimana yang menyebabkan racun tersebut menyebar?) Kembangkan sumber model untuk menjelaskan bagaimana karakteristik material yang yang membuat pencemaran dan bagaimana tingkat pencemarannya (dijelaskan dalam Bab 4), dan Estimasi konsentrasi angin dari material beracun dengan menggunakan model dispersi (beberapa kriteria dapat memperkirakan dampak atau efeknya) . Beberapa opsi yang dibuat berdasarkan prediksi dari model dispersi ini: Kembangkan rencana emergency response dengan masyarakat sekitar, Kembangkan modifikasi rekayasa untuk menghilangkan sumber racun yang menyebar, Lampirkan potensi penyebaran dan tambahkan vent scrubber atau Equipment vapor removal lainnya dengan sesuai, Kurangi persediaan material berbahaya untuk mengurangi kuantitas penyebaran, dan Tambahkan area untuk memonitor yang mendeteksi terjadinya kebocoran baru dan sediakan blok valve dalam mengontrol sistem rekayasa untuk menghilangkan tingkat pencemaran tumpahan dan kebocoran.

Dispersi Parameter yang mempengaruhi dispersi ini diantaranya : kecepatan angin, stabilitas atmosfer, kondisi tanah atau permukaan (bangunan, air, pohon), panjang dan ketebalan penyebaran di atas permukaan tanah, momentum dan daya apung dari material awal yang terlepas.

Kestabilan Udara (Atmospheric Stability) DITENTUKAN OLEH SUHU GRADIEN VERTIKAL + keseimbangan panas & radiasi dari troposfer dan permukaannya - konveksi arus angin yaitu : sinar matahari, jangkauan awan, kecepatan angin

Case 1 – 15

Case 1 : Keadaan Stabil, Penyebaran continu terjadi dengan tidak ada angin Kondisi Berlaku jika : - Constant mass release rate, Qm = bernilai tetap, - Tidak ada angin, <uj> = 0, - Steady state, <C>/t = 0, dan - Pusaran difusifitas konstan, Kj = K* ke segala arah. Dalam Case ini, Equation 5.9 tereduksi menjadi : (5.10)

Equation 5.10 lebih mudah dikerjakan dengan menetapkan radius r ² = x ² + y ² + z ². Mengubah Equation 5.10 dan mendapatkan nilai r. (5.11) Secara continu, penyebaran dalam keadaan tenang (steady state), konsentrasi nilai flux pada setiap point r, dari asal harus sama dengan kecepatan penyebaran, Qm (unit dari mass/time). Ini mewakili persamaan secara matematis pada kondisi batasan flux. (5.12) Dimana sisa kondisi batasannya (5.13)

Penyelesaian Equation 5.14 untuk mencari nilai <C>, (5.15) Equation 5.12 dipisahkan dan diintergrasikan diantara point r dan r =. (5.14) Penyelesaian Equation 5.14 untuk mencari nilai <C>, (5.15) Sangat mudah untuk memeriksa substitusi persamaan 5.15 yang merupakan penyelesaian dari Equation 5.11, penyelesaian untuk kasus ini, Equation 5.15 ditransformasikan pada koordinat bujur sangkar sehingga didapat persamaan sebagai berikut : (5.16)

Case 2 : Asap (Puff) Terlepas Tanpa Ada Arah Angin Kondisi berlaku jika : Puff terlepas, massa material terlepas seketika, Qm* (unit massa) Tidak ada angin, <uj> = 0, dan Pusaran difusifitas konstan, Kj = K*, berlaku ke segala arah. Equation 5.9 tereduksi, untuk case ini menjadi (5.17)

Kondisi awal yang diperlukan untuk menyelesaikan Equation 5.17 adalah (5.18) Penyelesaian pada Equation 5.17 dalam koordinat bola (5.19) Dan pada koordinat bujur sangkar (5.20)

Case 3 : Keadaan tidak Stabil, Penyebaran continu terjadi dengan tidak ada angin Kondisi awal berlaku jika - Constant mass release rate, Qm = bernilai tetap, - Tidak ada arah angin, <uj> = 0, dan - Pusaran difusifitas konstan, Kj = K* berlaku ke segala arah. Untuk kasus ini, Equation 5.9 tereduksi menjadi Equation 5.17. Pada kondisi awal Equation 5.18, dan dibatasi pada kondisi dengan Equation 5.13. Penyelesaiannya yantu dengan mengintegrasikan Equation 5.19 atau 5.20 terhadap variable waktu. Maka hasil dalam koordinat bola menjadi (5.21) Pada koordinat bujur sangkar : (5.22) dimana t , Equations 5.21 dan 5.22 mereduksi keadaan stabil sesuai dengan penyelesaiannya pada, Equations 5.15 and 5.16.

Case 4 : Keadaan stabil, Penyebaran continu terjadi dengan adanya arah angin Dalam kasus ini digambarkan pada gambar 5.7, Kondisi yang berlaku - Penyebaran terjadi terus-menerus, Qm = bernilai tetap, Arah angin hanya pada arah x, <uj> = <ux> = u = bernilai tetap Pusaran diffusifitas konstan, Kj = K* dalam segala arah. Pada case ini, Equation 5.9 tereduksi menjadi (5.23) Equation 5.23 diselesaikan bersama dengan keterbatasan kondisi pada Equation 5.12 dan 5.13. Penyelesaian untuk konsentrasi rata-rata dalam segala titik adalah (5.24)

Jika segumpal asap diasumsikan (asap panjang dan ketebalannya tipis dan tidak jauh dari sumbu x-axis) : (5.25) Dan dengan persamman , maka Equation 5.24 disederhanakan menjadi (5.26) Terpusat pada sepanjang asap y = z = 0 dan (5.27)

Case 5 : Asap (Puff) tanpa adanya angin, pusaran difusifitas merupakan fungsi dari arah pusaran Sama seperti case 2, yang membedakan pusaran difusifitasnya merupakan fungsi dari arah pusaran. Kondisi yang berlaku : - Puff dilepaskan, Qm* = bernilai tetap, - Tidak ada arah angin, <uj> = 0, dan - Tiap-tiap kordinar berbeda, tetapi pusaran difusifitas bernilai tetap, Kx, Ky and Kz. Untuk Case ini Equation 5.9 tereduksi menjadi persamaan di bawah ini. (5.28) Penyelesaiannya adalah : (5.29)

Case 6 : Keadaan Stabil, sumber titik pelepasan berkesinambungan, Pusaran difusifitas merupakan fungsi dari arah pusaran Sama seperti case 4, yang membedakan pusaran difusifitasnya merupakan fungsi dari arah pusaran. Kondisi yang berlaku : - Puff dilepaskan, Qm* = bernilai tetap, - Steady state, <C>/t = o, - Arah angin pada arah x saja, <uj> = <ux> = u = bernilai tetap - Tiap-tiap kordinar berbeda, tetapi pusaran difusifitas bernilai tetap, Kx, Ky and Kz. - Perkiraan ketipisan asap , seperti pada Equation 5.25.

Pada Case ini, Equation 5.9 tereduksi menjadi persamaan berikut : (5.30) Penyelesaiannya (5.31) Selama Asap sepanjang sumbu ini, y = z = 0 maka rata-rata konsentrasi diberikan pada persamaan : (5.32)

Case 7: Asap (Puff) dengan arah angin Sama seperti Case 5, tetapi dengan arah angin. Gambar 8 menunjukan geometri, dimana kondisi yang berlaku : -Puff terlepas, Qm* = nilai tetap, Arah angin pada arah x saja, <uj> = <ux> = u = bernilai tetap Tiap-tiap kordinar berbeda, tetapi pusaran difusifitas bernilai tetap, Kx, Ky dan Kz. Penyelesaian untuk masalah ini diselesaikan dengan cara transformasi koordinat sederhana. Penyelesaian untuk Case 5 mencerminkan puff yang tetap disekitar titik pelepasan. Jika puff bergerak dengan angin disepanjang sumbu x, penyelesaian Case ini diselesaikan dengan mengganti koordinat x yang ada dengan sistem kordinat, x – ut bergerak dengan kecepatan angin. Variabel t adalah waktu pada saat puff terlepas, dan u adalah kecepatan angin. Equation 5,29 merubah ke dalam sistem koordinat yang baru. (5.33)

Case 8: Asap (Puff) telepas tanpa arah angin dengan sumber pada Tanah (groundnya) Sama seperti Case 5, akan tetapi dengan sumber puff pada groundnya. Tanah mempengaruhi perbatasan. Akibatnya, dibutuhkan dua kalinya konsentrasi seperti Case 5 dan penyelesaiannya dua kali dari Equation 5.29 (5.34)

Case 9: Asap (Plume) keadaan stabil, perlepasan bersumber pada tanah (groundnya) Sama seperti Case 6, tetapi dengan sumber terlepas di tanah, seperti yang ditunjukan pada gambar 9. Tanah mempengaruhi area perbatasan. Akibatnya, dibutuhkan dua kalinya konsentrasi seperti Case 6 dimana penyelesaiannya dua kali dari Equation 5.31 (5.35)

Gambar 9 Steady-state plume with source at ground level Gambar 9 Steady-state plume with source at ground level. The concentration is twice the concentration of a plume without the ground.

Case 10: Continu, Sumber pada Keadaan Stabil, Sumber pada ketinggian (Ht), di atas permuakaan Tanah Dalam hal ini tanah bertindak sebagai perbatasan tanah dengan jarak H dari sumber. Penyelesaiannya : (5.36)

Model Pasquill - Gifford Dari Case 1 – 10 yang dibahas sebelumnya, semua case tersebut tergantung pada spesifikasi nilai pusaran difusifitas, Kj. Secara umum, perubahan Kj dipengaruhi oleh posisi (arah), waktu, kecepatan angin, dan kondisi cuaca yang berlaku. Sementara pendekatan pusaran difusifitas hanya berguna secara teoritis, tetapi tidak mudah diapplikasikan dalam experimen dan tidak memberikan kerangka yang berguna dalam korelasinya. Sutton menyelesaikan kesulitan masalah ini dengan mendefinisikan sebuah koefisien dispesi (5.37) Berkaitan dengan hubungan yang sama pada sy dan sz . Koefisien dispesi sx, sy, dan sz merupakan standar deviasi dari konsentrasi crosswind

Berkaitan dengan hubungan yang sama diberikan dalam sy dan sz Berkaitan dengan hubungan yang sama diberikan dalam sy dan sz. Koefisien dispersi, sx, sy, dan sz merupakan standar deviasi konsentrasi berlawanan dengan arah angin, crosswind, dan masing-masing berarah vertikal (x, y, z). Nilai untuk koefisien dispersi jauh lebih mudah didapatkan secara eksperimen daripada pusaran difusivitas. Koefisien dispersi merupakan fungsi dari kondisi atmosfer dan jarak arah angin dari pelepasan. Kondisi atmosfer diklasifikasikan terbagi kedalam 6 kelompok stabilitas yang berbeda (Tabel 2). Kelompok stabilitas tergantung pada kecepatan angin dan kuantitas sinar matahari. Di siang hari, semakin meningkatnya kecepatan angin maka stabilitas atmosfernya semakin besar, sedangkan di malam hari sebaliknya. Hal ini disebabkan oleh perubahan profil suhu vertikal pada siang ke malam hari. Koefisien dispersi, sy dan sz pada sumber yang continu yang dikembangkan oleh Gifford (Gambar 10 dan 11), dengan kesesuaian korelasi (Tabel 3). Nilai sx tidak ada karena diasumsikan sx = sy . Koefisien dispersi sy dan sz pada asap (puff) yang terlepas diberikan pada Gambar 12 dan 13. Koefisien dispersi asap (puff) ini berdasarkan data terbatas (pada Tabel 3) dan tidak harus dianggap tepat. Persamaan untuk Kasus 1 sampai 10 diturunkan kembali dengan Pasquill menggunakan bentuk dari Equation 5.37. Pada persamaan ini, korelasi pada koefisien dispersi dikenal sebagai model Pasquill-Gifford.

Tabel 2. Atmospheric Stability Classes for Use with the Pasquill-Gifford Dispersion Model Stability class for puff model : A,B : unstable C,D : neutral E,F : stable

Gambar 10 Horizontal dispersion coefficient for Pasquill-Gifford plume model. The dispersion coefficient is a function of distance downwind and the atmospheric stability class.

Gambar 11 Vertical dispersion coefficient for Pasquill-Gifford plume model. The dispersion coefficient is a function of distance downwind and the atmospheric stability class.

Gambar 12 Horizontal dispersion coefficient for puff model Gambar 12 Horizontal dispersion coefficient for puff model. This data is based only on the data points shown and should not be considered reliable at other distances.

Gambar 13 Vertical dispersion coefficient for puff model Gambar 13 Vertical dispersion coefficient for puff model. This data is based only on the data points shown and should not be considered reliable at other distances.

Tabel 3 Equations and data for Pasquill-Gifford Dispersion Coefficients

Case 11 : Puff with Instantaneous Point Source at Ground Level, Coordinates Fixed at Release Point. Constant Wind in x Direction Only with Constant Velocity u Case ini identik dengan Case 7. Penyelesaiannya sama seperti Persamaan 5. 33. (5.38) Level konsentrasi permukaan tanah diberikan pada z = 0. (5.39)

Level konsentrasi permukaan tanah sepanjang sumbu x diberikan pada y = z= 0. (5.40) Pusat awan ditentukan pada koordinat (ut,0,0). Konsentrasi ditengah-tengah awan ditentukan dengan persamaan : (5.41) Integrasinya, Dtid dijabarkan oleh masing-masing koordinate tetap (x,y,z), di mana merupakan konsentrasi integral terhadap waktu. (5.42)

Jumlah Integrasi pada permukaan tanah ditentukan dengan mengintegrasi persamaan 5.39 berdasarkan persamaan 5.42. hasil persamaannya adalah : (5.43) Jumlah Integrasi disepanjang sumbu x pada permukaan tanah : (5.44) Frekuensi batasan awan ditentukan oleh konsentrasi tetap yang diperlukan. Garis yang menghubungkan titik konsentrasi yang sama di sekitar batas awan disebut isopleth.

Pada konsentrasi tertentu, <C> Pada konsentrasi tertentu, <C> *, isopleth pada permukaan tanah ditentukan dengan membagi persamaan terhadap konsentrasi sumbu Equation 5.40, yaitu dari persamaan untuk konsentrasi tingkat dasar secara general, Equation 5.39. Persamaan ini diselesaikan untuk mencari y. (4.45) Prosedurnya: 1. Tentukan <C>*, u, dan t. 2. Tentukan Konsentrasi, <C> (x,0,0,t), sepanjang sumbu-x menggunakan Equation 5.40. Tentukan batas awan sepanjang sumbu-x. 3. Tentukan <C> (x,y,0,t) = <C>* dalam Equation 5.45 dan tentukan nilai y disetiap titik sumbu yang telah ditentukan pada poin 2. Ulangi prosedur ini untuk setiap nilai t yang dibutuhkan.

Case 12 : Plume with Continuous Steady-State Source at Ground Level and Wind Moving in x Direction at Constant Velocity u Case ini identik dengan Case 9. Penyelesaiannya sama seperti Persamaan 5. 35. (5-46) Level konsentrasi permukaan tanah diberikan pada z = 0. (5-47) Level konsentrasi permukaan tanah sepanjang sumbu x diberikan pada y = z= 0. (5-48)

Case 13 : Plume with Continuous Steady-State Source at Height Ht above Ground Level and Wind Moving in x Direction at Constant Velocity u Case ini identik dengan Case 10. Penyelesaiannya sama seperti Persamaan 5. 36 Level konsentrasi permukaan tanah diberikan pada z = 0. Konsentrasi pada tingkat bawah sumbu ditemukan dengan menetapkan y = z = 0.

Konsentrasi tingkatmaximum tanah disepanjang sumbu x <C>max, ditemukan menggunakan Jarak arah angin di mana konsentrasi tanah tingkat maksimum terjadi ditemukan dari Prosedur pada konsentrasi maksimum dan jarak arah angin menggunakan Equation 5-53 untuk menentukan jarak, dan Equation 5-52 untuk menentukan maksimum konsentrasi.

Case 14 : Puff with Instantaneous Point Source at Height Ht above Ground Level and a Coordinate System on Ground That Moves with Puff Dalam hal ini pusat puff pada x = ut. Konsentrasi rata-rata diberikan dari Variasi waktu dicapai melalui koefisien dispersi, karena nilai-nilai mereka berubah sebagai puff bergerak melawan arah angin dari titik pelepasan. Jika angin tidak ada (u = 0), Persamaan 5-54 tidak memprediksi hasil yang benar

Pada tingkat dasar, z = 0, dan konsentrasi dihitung dengan persamaan Konsentrasi dasar sepanjang sumbu tersebut diberikan pada y = z= 0 : Jumlah yang terintegrasi pada permukaan dasar dengan menerapkan Equation 5-42 sampai dengan Equation 5-55 , maka hasilnya :

Case 15 : Puff with Instantaneous Point Source at Height Ht above Ground Level and a Coordinate System Fixed on Ground at the Release Point Untuk Case ini dengan menstransformasi koordinat sama dengan transformasi yang digunakan pada Case 7 sebelumnya. Maka Hasilnya : dimana t = waktu pada pelepasan puff ini.

Worst Case Pada Permukaan Tanah – Asap (Plume dan Puff) Mengharapkan maximum <C> dari downwind Plume : Centerline (garis pusat), Permukaan Dasar, Hr = 0 Puff : berpusat pada permukaan puff, Hr = 0 Dengan ketentuan : - Qm dan maximum - σ΄s bernilai minimum dengan nilai F stabil - u bernilai minimum pada kelompok stabil  2 m/s (dari sumber EPA 1.5 m/s)

Dispersi Gas Pekat Model Dispersi Gas Pekat Britter-Mc Quaid : berdasarkan dimensi kelompok dan experimental data yang tersedia (lihat hlm 195 – 199)  dispersi gas pekat lebih berat dari udara

Dispersi Gas Pekat Daya apung awang pertama didefinisikan sebagai - Pada jarak pendek apabila hanya terdapat gas pekat. - Pada jarak lebih jauh jika gas pekat disertai dengan Dispersi Gaussian.

Toxic Effect Criteria Konsentrasi apa yang harus digunakan untuk emergency pelepasan toxic? Tidak dapat menggunakan PEL atau TWA karena ini untuk risiko kerja yang continu - nilai terlalu rendah hanya digunakan untuk risiko jangka pendek. ERPGs – Emergency Response Planning Guidelines diterbitkan oleh Asosiasi Industri Kebersihan Amerika EEGLs – Emergency Response Guidance Levels diterbitkan oleh Academy National of Sciences / National Research Council. IDLH – Immediately Dangerous to Life and Health ditetapkan oleh NIOSH. TLVs dibentuk oleh ACGIH, termasuk batas risiko jangka pendek (TLV-STELs) dan konsentrasi (TLV-Cs). PELs dikeluarkan oleh OSHA Toxicity Dispersion (TXDS), metode yang digunakan New Jersey Department of Environmental Protection LOC - Level of Concern (Tingkat Kepedulian) dari EPA Toxic point yang diumumkan secara resmi oleh EPA sebagai bagian dari RMP

ERPG: Emergency Response Planning Guideline ERPG-1: max. konsentrasi udara ringan dan diyakini hampir semua orang bisa terkena sampai 1 jam tanpa mengalami efek ringan sementara kecuali efek kesehatan yang merugikan atau mengamati bau (aroma racun) yang jelas. ERPG-2: max. konsentrasi udara ringan dan diyakini hampir semua orang bisa terkena hingga 1 jam tanpa mengalami atau mengembangkan efek irreversible atau efek kesehatan serius atau gejala yang bisa mengganggu kemampuan mereka untuk mengambil tindakan protektif. ERPG-3: max. konsentrasi udara ringan dan diyakini hampir semua orang bisa terkena hingga 1 jam tanpa mengalami efek kesehatan yang mengancam jiwa.

Tabel ERPGs

EEGL : Emergency Exposure Guidance Levels Konsentrasi gas, uap, atau aerosol yang dinilai dapat diterima dan memungkinkan jika terkena dapat melakukan tugas tertentu selama kondisi darurat berlangsung 1 sampai dengan 24 jam.

Tabel EEGL

IDLH: Immediately Dangerous to Life and Health Konsentrasi yang dapat menimbulkan risiko yaitu ancaman apabila terkontaminasi, risikonya dapat menyebabkan kematian langsung atau tertunda efek buruk kesehatan yang permanen, dimana cara pencegahannya melarikan diri dari lingkungan tersebut.

LOC & Toxic Endpoints LOC : Level of Concern Konsentrasi Maximum zat yang sangat berbahaya di udara yang tidak menyebabkan efek kesehatan yang serius bersifat irreversible pada populasi umum, apabila terkena zat tersebut untuk jangka waktu relatif singkat. Lihat EPA untuk nilai. Toxic Endpoints Digunakan untuk pemodelan dispersi yang diperlukan RMP EPA. Nilainya dalam urutan preferensi, ERPG-2 atau LOC.

Tabel Nilai EPA

Recommended Hierarchy of Alternative Concentration Guidelines

Thank You