氯氣泄漏事故三種模型

PAGEPAGE6氯氣泄漏事故三種模型的定量模擬分析南通其昌鎳礦精選有限公司何詠昆【關(guān)鍵詞】：氯氣泄漏三種模型定量模擬分析【內(nèi)容提要】：本文針對(duì)化工企業(yè)實(shí)際情況，對(duì)氯氣泄漏的三種模型，提出重氣擴(kuò)散簡化的定量模擬分析方法，得出：液氯泄漏情況會(huì)比較嚴(yán)重；而氣體氯氣泄漏，其速度往往是比較慢的。但它們都是泄漏時(shí)間的函數(shù)，毒害范圍將隨著時(shí)間的延誤而不斷擴(kuò)大。在發(fā)生氯氣泄漏時(shí)，我們指揮人員首先應(yīng)搞清楚是什么類型的泄漏源，然后按照應(yīng)急程序組織止漏，組織人員撤離。在防止泄漏方面，我們更應(yīng)預(yù)先做好液氯泄漏應(yīng)急器材、用品的準(zhǔn)備，以便在發(fā)生泄漏時(shí)，有條不紊的開展施救工作。1問題的提出：《危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)細(xì)則（試行）》（安監(jiān)總危化[2007]255）的頒布實(shí)施，對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)定量分析提出了更高的要求，建立合理的泄漏模型，科學(xué)準(zhǔn)確的定量計(jì)算，對(duì)指導(dǎo)化學(xué)事故進(jìn)行緊急救援，顯得十分重要。在化工企業(yè)中，使用氯氣的形式，不外于兩種，即使用壓力鋼瓶，或直接使用低壓輸送的氯氣管道。根據(jù)這一情況，可能發(fā)生的氯氣泄漏模型有三種：（1）、壓力鋼瓶的液氯泄漏；（2）、壓力鋼瓶的氣氯泄漏；（3）、低壓管道輸送的氣氯泄漏。本文就氯氣泄漏事故的最常見的三種后果模型進(jìn)行分析，與同行商榷。2泄漏模型的簡化與建立：由于氯氣的密度比空氣重得多，通常為2.48倍，在泄漏時(shí)間少于30分鐘的情況下，其系統(tǒng)可近似作為“穩(wěn)定泄漏源”。以噴射狀泄漏出來的氯氣，無論是氣態(tài)或液態(tài)，很快會(huì)在地面成為“黃綠色”煙霧，這些煙霧在空氣中屬于“重氣擴(kuò)散”。其擴(kuò)散程度會(huì)受到大氣風(fēng)力、風(fēng)速、云量、云狀和日照等天氣資料的影響，國內(nèi)外學(xué)者建立了多種“模型”，最著名的有Pasqyull-Gifford模型和Britter&McQcauid模型。假設(shè)的條件很多，計(jì)算的方式也很復(fù)雜。但無論采用哪一種模型均有很大的“時(shí)效性”。如氯氣泄漏，開始適用Britter&McQcauid模型，然后經(jīng)空氣充分稀釋以后，通常的大氣湍流超過了重力的影響，占支配地位，典型的高斯擴(kuò)散特征便顯示出來，此時(shí)則更符合“高斯擴(kuò)散模型”。鑒于上述原理，我們有理由對(duì)氯氣泄漏模型采用簡化形式，以滿足安全評(píng)價(jià)工作的需要。本文采用“蘑菇頂擴(kuò)散模型”，即考慮了“重氣擴(kuò)散”。當(dāng)氯氣發(fā)生泄漏后，假設(shè)地面無風(fēng)，不考慮天氣因素，而且向地面擴(kuò)散的速度大于向上擴(kuò)散的速度，即Vx=1/2Vy，Vg為泄漏液氯的體積，濃度為c，則擴(kuò)散形成半徑R的計(jì)算公式為：………………①R′向上擴(kuò)散泄漏源泄漏源沿地面擴(kuò)散RR3三種模型的模擬計(jì)算3.1壓力鋼瓶的液氯泄漏3.1.1伯努利方程計(jì)算假設(shè)液氯鋼瓶發(fā)生易熔塞泄漏，瓶內(nèi)壓力為P=1,100,000(Pa)，大氣壓為P0=100,000Pa，環(huán)境溫度為25℃，易熔塞泄漏點(diǎn)面積A=(0.006/2)2×3.14=2.826×10-5(m2)。在無風(fēng)條件下，泄漏的液氯在環(huán)境溫度和自身過熱狀態(tài)下快速氣化，并成“蘑菇頂型”擴(kuò)散。此時(shí)，液氯可使用伯努利方程……②式中：ω0—液氯的泄漏流速kg/s；查資料得Cd=0.65；A=(0.006/2)2×3.14=2.826×10-5(m2)；液氯ρ=1470(kg/m3)；P=1,100,000(Pa)；P0=100,000Pa；為了計(jì)算方便2gh＝0考慮；那么：則，泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Q=f（t）=ω0t=0.996t(kg)…………………③體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系泄漏后液氯一部分直接汽化，一部分吸收空氣中的熱量進(jìn)行氣化；氯氣的分子量為70.9，則在沸點(diǎn)-34℃時(shí)蒸發(fā)蒸氣的體積Vg（m3）為：（m3）則，體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Vg=fv（t）=0.275t（m3）…………………④3.1.2液氯泄漏查資料得氯氣的危險(xiǎn)濃度取值，見表1：表1氯氣的危險(xiǎn)濃度吸入氯氣時(shí)間吸入5-10min吸入0.5-1h危險(xiǎn)濃度（%）及后果0.09致死（c1）0.002致重病（c2）由此可寫出該模型的致死半徑和致病半徑：…………………⑤………………⑥依據(jù)表1中濃度取值，按⑤、⑥式即可計(jì)算出傷害范圍（半徑R）與泄漏時(shí)間t的關(guān)系，列成表2（未考慮風(fēng)速、風(fēng)向及擴(kuò)散速度因素）：表2壓力鋼瓶液氯泄漏時(shí)間與中毒致死半徑對(duì)照表泄漏時(shí)間t（min）15103.9156.6948.434吸入5-10min致死半徑R（m）27.246.558.6吸入0.5-1h致重病半徑R（m）96.7165.3208.33.2壓力鋼瓶的氣體氯氣泄漏3.2在實(shí)際使用時(shí)，許多企業(yè)由于工藝需要，均是直接使用氣氯進(jìn)行氯化，因此，當(dāng)臥放的壓力鋼瓶發(fā)生上側(cè)易熔塞泄漏時(shí)，泄漏的物質(zhì)為“氣體氯氣”，根據(jù)氣體泄漏模型，符合如下等式成立時(shí)，該泄漏為超音速流動(dòng)：…………⑦查資料得：氯氣的絕熱指數(shù)k=1.35，經(jīng)計(jì)算⑦式成立，（0.091＜0.537)。所以，本模型為“超音速液氯泄漏”。3.（1）計(jì)算泄漏流速超音速泄漏，可按下式計(jì)算：則，泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Q=f（t）=ω0t=2.301t(g)…………………⑧（2）體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系常溫常壓下，近視取氯氣密度ρ=3.2kg/m3，于是體積流量ω體可表示為：ω體=2.301/3.2=0.721（升/s）。則，體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Vg=fv（t）=ω體t=0.721×10-3t（m3）……………⑨3.同樣，假設(shè)泄漏的氯氣，向上擴(kuò)散的速度是地面的50％，濃度為c，則擴(kuò)散半徑公式為：……………eq\o\ac(○,10)由此可寫出該模型的致死半徑和致病半徑：……eq\o\ac(○,11)…………………eq\o\ac(○,12)依據(jù)表1中濃度取值，按eq\o\ac(○,11)、eq\o\ac(○,12)式即可計(jì)算出傷害范圍（半徑R）與泄漏時(shí)間t的關(guān)系，列成表3（未考慮風(fēng)速及風(fēng)向因素）：表3壓力鋼瓶氣氯泄漏時(shí)間與中毒致死半徑對(duì)照表泄漏時(shí)間t（min）15103.9156.6948.434吸入5-10min致死半徑R（m）3.66.17.7吸入0.5-1h致重病半徑R（m）12.721.827.43.3氯氣管道的泄漏3.某企業(yè)氯化工段，使用管道氯氣，管道中壓力為0.015MPa（表壓0.5kg/cm2），溫度為298K（25℃），管道為Ф25mm的圓管，發(fā)生斷開，裂口呈圓形，面積設(shè)為4.9×10-4（m2），假定壓力氣體通常以射流的方式泄漏，在無風(fēng)條件下，沉降到地面，然后成“蘑菇頂狀”向四周擴(kuò)散查得，氯氣的絕熱指數(shù)K=1.35，P0=100,000Pa，P=150,000Pa，P0/P=100,000÷150,000=0.67=[2/(1+1.35)]1.35/(1.35-1)=0.530.67＞0.53計(jì)算符合式，即氣體泄漏時(shí)呈亞音速流動(dòng)。3.各數(shù)據(jù)取值：Cd=1.0；A=4.9×10-4m2；P=150000Pa；M=70.9；k=1.35；t=298k；R=8.314Jmol-1K-1；按Y=式求得氣體膨脹因子Y=0.6建立泄漏量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系=0.68×1.0×4.9×10-4×1.5×105=5.72(g/s)則，泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Q=f（t）=ω0t=5.72t(g)…………………eq\o\ac(○,13)（2）體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系常溫常壓下，近視取氯氣密度ρ=3.2kg/m3，于是體積流量ω體可表示為：ω體=5.72/3.2=1.78×10-3（m3/s）。則，體積泄漏量與時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：Vg=fv（t）=ω體t=1.78×10-3t（m3）……………eq\o\ac(○,14)（3）傷害范圍的計(jì)算：同樣，假設(shè)泄漏的氯氣，向上擴(kuò)散的速度是地面的50％，濃度為c，則擴(kuò)散半徑公式為：………………eq\o\ac(○,15)由此可寫出該模型的致死半徑和致病半徑：……eq\o\ac(○,16)……eq\o\ac(○,17)依據(jù)表1中濃度取值，按eq\o\ac(○,16)、eq\o\ac(○,17)式即可計(jì)算出傷害范圍（半徑R）與泄漏時(shí)間t的關(guān)系，列成表4（未考慮風(fēng)速及風(fēng)向因素）：表4管道氯氣泄漏時(shí)間與中毒致死半徑對(duì)照表泄漏時(shí)間t（min）15103.9156.6948.434吸入5-10min致死半徑R（m）4.88.210.4吸入0.5-1h致重病半徑R（m）17.229.336.9討論與結(jié)束語（1）討論：上述計(jì)算是我們多種假設(shè)條件下的結(jié)果，但實(shí)際上，無風(fēng)的假設(shè)是很難成立的，所以一旦有風(fēng)，模型就不實(shí)用了。在有風(fēng)的條件下其擴(kuò)散模型示意如下：yyx區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域2V風(fēng)速如地面上為連續(xù)穩(wěn)態(tài)源態(tài)煙羽，風(fēng)向沿X軸，風(fēng)速恒定為u，則模型方程為：這一模型，為我們?cè)诎l(fā)生氯氣泄漏時(shí)，如何施救具有方向性的指導(dǎo)意義。（2）結(jié)束語：通過以上的模擬分析，我們可以看出：液氯泄漏情況會(huì)比較嚴(yán)重；而氣