06.06.2025
Simulazione avanzata della dispersione atmosferica di ammoniaca da spazio di testa di serbatoi

La dispersione atmosferica di sostanze tossiche come l’ammoniaca rappresenta un rischio significativo per la sicurezza industriale e ambientale, specialmente quando il rilascio avviene da serbatoi di stoccaggio in condizioni meteorologiche variabili.

Il recente studio “LES of Atmospheric Dispersion of Ammonia from Storage Tank Ullage Space Under Real Meandering Wind Currents” propone un approccio innovativo basato sulle simulazioni Large Eddy Simulation (LES) per descrivere il comportamento della nube di ammoniaca rilasciata dalla zona di testa (ullage) di un serbatoio, sfruttando dati meteorologici reali di vento e turbolenza meandrante.

Attraverso la validazione sperimentale con il Test No. 1 condotto da INERIS (Bouet et al., 2005), la ricerca ha dimostrato l’efficacia del modello nell’impiegare dati in tempo reale di direzione e velocità del vento, combinati con un modello di turbolenza sub-grid Smagorinsky-Lilly, per riprodurre fedelmente le concentrazioni misurate di ammoniaca fino a 800 m a valle del punto di rilascio

L’ammoniaca è ampiamente utilizzata nei settori chimico, agricolo e industriale, ma la sua tossicità e la potenziale infiammabilità ne fanno una delle sostanze più pericolose in caso di rilascio accidentale. Tradizionalmente, le analisi di dispersione atmosferica si basano su modelli Gaussiani semplificati che non tengono pienamente conto delle complesse interazioni tra turbolenza atmosferica e rilascio intermittente o continuo da serbatoi. In particolare, le correnti di vento “meandranti”(ovvero con direzione e velocità oscillanti nel tempo) possono alterare significativamente la forma e l’estensione della nube tossica, rendendo necessarie simulazioni ad alta risoluzione come le LES per catturare fenomeni di mesoscala.

La zona di testa (ullage) di un serbatoio è lo spazio superiore dove si accumulano vapori e gas non liquefatti; in caso di rilascio accidentale attraverso le tubazioni, l’ammoniaca fuoriesce con turbolenza intrinseca, generando un flusso iniziale convettivo che interagisce immediatamente con la turbolenza atmosferica circostante: analizzare correttamente questo processo è cruciale per stimare le distanze di pericolo (infiammabilità, tossicità) e pianificare misure di mitigazione efficaci.

Le LES rappresentano una classe di modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) che risolvono direttamente le grandi scale di turbolenza e modellano le scale inferiori (sub-grid) con appositi parametri di viscosità turbolenta.

Nel caso specifico, il modello utilizza lo schema sub-grid basato sul metodo Smagorinsky-Lilly, che impiega un coefficiente di Smagorinsky modificato per tenere conto del taglio di turbolenza su piccola scala: questo approccio consente di rappresentare con maggiore fedeltà la diffusione dei vortici di grandezza intermedia e la combustione della nuvola in caso di infiammabilità del gas, garantendo stime accurate delle concentrazioni lungo tutto il dominio di calcolo.

Lo studio definisce un ampio dominio di calcolo fino a 800 m in direzione prevalente del vento, con condizioni al contorno aperte per consentire il transito della nube senza riflessioni non fisiche sulle pareti virtuali; la fonte di rilascio è rappresentata da un ugello collegato alla zona di testa del serbatoio, con un flusso di ammoniaca a temperatura e portata costante per 460 s, riprodotto esattamente come nel Test No. 1 sperimentale di INERIS. I parametri di input includono profili verticali di velocità e direzione del vento, misurati da stazioni meteorologiche sperimentali durante la prova INERIS, permettendo di integrare oscillazioni reali nel tempo nel modello.

Per valutare l’accuratezza delle LES, i risultati numerici sono stati comparati con i dati sperimentali del Test No. 1 di INERIS (Bouet et al., 2005), in cui un rilascio controllato di ammoniaca è durato 460 s, e le concentrazioni sono state misurate a varie distanze (20 m, 50 m, 100 m, fino a 800 m) dal punto di emissione: le misurazioni includono sia la distribuzione istantanea in prossimità del rilascio sia la decadenza temporale media delle concentrazioni a valle.

Le simulazioni hanno riprodotto con elevata precisione il picco di concentrazione a 20 m durante la fase iniziale di rilascio, nonché la curva di decadimento media osservata sperimentalmente fino a 800 m: il risultato convalida l’efficacia del modello nel catturare la turbolenza atmosferica e gli effetti di meandering del vento.

Nella prima fase del rilascio, la nube di ammoniaca presenta un’intensa concentrazione di picco a circa 20 m dal punto di emissione: il confronto tra esperienza e simulazione mostra come la LES riesca a riprodurre fedelmente l’ampiezza e la forma del profilo di concentrazione temporale .

La presenza di turbolenza meandrante, cioè con variazioni di direzione del vento intorno a un valore medio, provoca fluttuazioni veloci nell’andamento della concentrazione. Grazie al modello Smagorinsky-Lilly, il calcolo è in grado di rappresentare queste fluttuazioni su scala sub-grid, riducendo l’errore tra valori simulati e misurati a meno del 10% nelle fasi transitorie.

Man mano che la nube si espande, l’ammoniaca si miscela con l’aria ambientale e le concentrazioni medie decrescono esponenzialmente in funzione della distanza. Le simulazioni LES catturano la curva di decadenza delle concentrazioni medie misurate, mostrando un errore relativo inferiore al 5% fino a 800 m di distanza: in particolare, la latenza introdotta dalle oscillazioni di direzione del vento (meandering) è responsabile di leggere deviazioni sulla traiettoria centrale della nube, fenomeno che i modelli tradizionali Gaussiani non riescono a riprodurre in modo altrettanto preciso.

Uno degli obiettivi principali dello studio è determinare le distanze di pericolo legate all’infiammabilità e alla tossicità dell’ammoniaca. Basandosi sui limiti di infiammabilità (15–28% in aria) e sulla concentrazione letale LC50 (1500 ppm per esposizione breve), le LES hanno stimato le seguenti distanze di pericolo:
– Zona di infiammabilità: il modello calcola che la miscela ammoniaca-aria rientra nei limiti di infiammabilità fino a 13,2 m dal punto di rilascio, un dato fondamentale per prevenire scoppio in presenza di sorgenti di ignizione.
– Zona di esposizione letale (LC50): la nube tossica raggiunge concentrazioni letali a 205 m di distanza, con un’estensione trasversale di 21,3 m e un’altezza di 9,5 m nell’istante di picco, suggerendo che la comunità a valle del rilascio debba evacuare o tutelarsi entro questi limiti per evitare effetti acuti mortali.
– Zona di pericolo per gravi lesioni: al di sotto della soglia di LC50 ma comunque sopra 300 ppm, il modello evidenzia che la nube può provocare danni lievi o moderati fino a 837 m di distanza, confermando che anche concentrazioni ridotte possono avere effetti significativi sulla salute in aree densamente popolate o con attività all’aperto.

L’efficacia delle LES nel riprodurre la dispersione reale di ammoniaca consente di progettare sistemi di contenimento più aderenti alle condizioni operative, riducendo l’uso eccessivo di reti di barriere o di vasche di contenimento troppo estese. Conoscere con precisione la forma della nube in funzione della turbolenza meandrante permette di posizionare sensori di rilevamento adibiti all’allerta precoce nei punti più critici identificati dalle simulazioni; inoltre, la stima puntuale delle distanze letali e di pericolo facilita la redazione di piani di evacuazione e di gestione delle emergenze basati non su modelli conservativi, ma su calcoli realisticamente calibrati.

In fase di emergenza, disporre in tempo reale di previsioni affidabili sulla traiettoria della nube di ammoniaca è cruciale per stabilire zone di evacuazione, bloccare le vie di accesso e informare la popolazione. Integrando i dati meteo in tempo reale (direzione e velocità del vento) nel modello LES, è possibile aggiornare costantemente le mappe delle zone di pericolo e fornire supporto decisionale alle autorità competenti. L’approccio può essere esteso ad altre sostanze pericolose, purché si disponga di misure sperimentali analoghe per la taratura del modello.

Lo studio ha dimostrato che le LES, quando alimentate da dati sperimentali reali di turbolenza atmosferica e meandering del vento, permettono di simulare con elevata precisione la dispersione di ammoniaca da serbatoi di stoccaggio, riproducendo sia le fasi transitorie vicine alla sorgente sia la decadenza media delle concentrazioni fino a 800 m a valle.

Il risultato apre nuove prospettive per la gestione del rischio industriale, consentendo di ottimizzare le misure di prevenzione, progettare sensori di allerta in posizioni strategiche e pianificare evacuazioni basate su dati di simulazione realistici anziché su stime conservative di modelli più semplici.

Per il futuro, si auspica di estendere questo approccio ad altri scenari complessi, come il rilascio in aree urbane con presenza di edifici che alterino ulteriormente il campo di vento, oppure di integrare la modellazione chimico-fisica dello stato dell’ammoniaca (effetto della temperatura o miscelazione con umidità) per simulazioni ancora più accurate in condizioni estreme.

Infine, l’adozione di sensori di monitoraggio continuo e l’uso di tecniche di machine learning per predire la turbolenza potrebbero rendere le previsioni LES più rapide e accessibili in tempo reale, migliorando ulteriormente la capacità di risposta a emergenze industriali.