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液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析术


液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析术 液氨是化工企业常用的原料, 用途广泛,而每年因为液氨的泄漏造成的事故也十 分频繁,由于其毒性很大,吸入毒性指数(Index of Potential Inhalation Toxicity,Prr)<300,危险等级 2,属于高度危险物质,一旦泄漏极可能造成严 重的事故后果。决定液氨泄漏状况的因素多而复杂,与其理化性质、闪蒸系数、 泄漏

源的压力和几何形状、 泄漏地的地貌情况和气象条件、储存运输的操作程序 等都有密切关系。因此,综合考虑各种因素,建立液氨泄漏和扩散膜性,运用数 学方法进行模拟,分析其泄漏和扩散的规律,对于救灾、重大危险源编制应急事 故预案以及对新建项目进行危险性预评价都具有一定 程度的指导意义。 1 数学模型 通常情况下,液氨在常温下加压压缩,液化储存,一旦泄漏到空气中会在常压下 迅速膨胀,大量气化,并扩散到大的空间范围。 1.1 泄漏模型 对于灾难性破坏引起的液氨泄漏, 可保守地认为容器内所有的贮存物质瞬间 全部泄漏, 全部泄漏时一般有爆炸发生,对其发生爆炸后的状况再运用数值模拟 进行预测意义不大。因此,文中所研究的是液氨储罐连续性泄漏的数值模拟。 通过对建国 50 年以来我国化工系统所发生的重(特)大、典型事故性泄漏 的统计分析表明[1],阀门或法兰处的密封失效及阀门或管道断裂是造成事故 性泄漏的主要原因, 因而可以确定液氨储罐下方的液氨出口接管、储罐上方的气 氨出口接管以及安全阀为主要泄漏源。 1.1.1 液氨泄漏模型[2] · 液氨通过其出口接管泄漏可等效为液体通过受压储罐上的孔洞泄漏。虽然

氨在常温常压下为气体,但是由于泄漏发生在液相空间,流动阻力较大,故系统 内压下降缓慢,不会发生因大量液氨闪蒸而造成的蒸气爆炸。另外,由于泄漏路 径较短,来不及形成汽化核心而使部分液氨在池漏管道中汽化而形 成闪蒸两相流。因此,其泄漏速率可采用式(1)计 算[3]:

Qm=PACo[2 (P0/p+ghr)]1/2

(1)

式中:Qm 为质量泄漏速率,kg/s;Co 为泄漏系数;A 为裂口面积,㎡;PO 为储罐内压,Pa;hr 是泄漏处与液面之间的距离,m。根据式(1),随着储罐渐渐 变空,液体高度减少,流速和质量流速也随之减少。 泄漏的液氨会发生闪蒸,其闪蒸率的大小可由式(2)计算: =(H1-H2)/Hv 式中:Mv,为闪蒸蒸气的质量,kg; Mo 为泄漏液体的总质量,kg;H1 为液体 储存温度时的焓,J/kg; H2 为常压下液体沸点 Tb 时的焓,J/kg:Hv 为泄漏液体 的蒸发热,J/kg;泄漏所造成的气氨在空气中的浓度分布只是空间的函数。 通常情况下,当闪蒸率 Mv/Mo ≥ 0.2 时,则泄漏的液氨全部闪蒸,当 Mv/Mo<o.2 时,则泄漏的液氨会在地面形成液池。 1.1.2 气氨泄漏模型

对于气氨通过其出口接管的泄漏, 情况较复杂。 由于出口接管处于气相空间, 其泄漏形式主要与泄漏面积的大小有关。在泄漏面积较大的情况下,高 压蒸气通过裂缝或孔洞喷出,储罐内压急剧下降,直到环境压力(常温)。由于 内压急剧下降,气液平衡遭到破坏,储罐内液氨处于过热状态,过热状态的液 氨为了再次恢复平衡,内部会均匀地产生沸腾核,同时产生大量气泡,液氨体积 急剧膨胀,最终导致爆炸;当泄漏面积不大时,即使有蒸气喷出,但由于储罐内 压下降不急剧,液氨不会达到过热状态,因此不会发生蒸气爆炸,其泄漏速率可 采用下式计算: Qm=

CoAPo{2rM/RgTo(r-1)[(P/Po)2/r-(P/Po)r+1/r]}1/2
式中:Q 为质量泄漏速率,kg/s; Co 为泄漏系数;A 为裂口面积,m2; PO 为储罐内压,Pa;M 为气体或蒸气的摩尔质量,kg/mol; Rg 为理想气体常数; To 为泄漏源温度,K;P 为泄漏处压力,Pa;r 为绝热指数。 1.2 扩散模型 1.2.1 液氨扩散模型

液氨泄漏后发生闪蒸的氨由于夹带有氨的液滴, 因此其密度比周围空气的密 度大,在一段时间内其扩散行为受到重力沉降的作用,表现为重气的扩散。重气 扩散模式可采用式(4)计算:

b=bo{1+1.5[gho( p- pa)/pa]1/21/vbo}

式中:b 为重气云羽的横风向半宽,m;bo 为泄漏源点重气云羽的横风向半宽, m;ho 为泄漏源点重气云羽高度,m; pa 为空气密度,kg/m3;v 为重气云羽的 轴向蔓延速度,m/s;h 为重气云羽高度,m;we 为空气卷吸系数。 泄漏后的液氨在空气中稀释后表现为非重气云的扩散, 此时其扩散模式为气 氨扩散模式。 1.2 2 气氨扩散模型 气态氨在大气中的扩散, 可以用高斯模型来计算其危害范围。高斯模型包括 高斯烟羽模型和高斯烟团模型。其中,高斯烟羽模型适用于连续源的气体扩散, 而高斯烟团模型适用于瞬时源的气体扩散[4]。 在泄漏发生的初始一段时间内,其浓度分布是不稳定的,是空间和时间的函 数,此时采用高斯烟团迭加模型(高斯烟羽模型与高斯烟团模型的结合)进 行描述[6],其数学表达式如下:

式中: C′为泄漏介质在大气中的摩尔百分比浓度 Q′m。 为质量泄漏速率, kg/s; u 为环境平均风速,m/s;t 为泄漏时间,s;Hr 为有效源高,m;óx、óy、óz 为 预测点坐标,m;Ox,q,o 分别为下风向、横风向和竖直风向的扩散系数,m。

式中:Qm 为源的泄放速率,kg/s。óx、óy、óz 是高斯模型的重要参数,óx、óy、

óz 呸是由排放源到计算点的下风向距离和大气稳定度的函数,也与烟羽的 排放高度及地面粗糙度有关。 1.3 毒负荷 氨气为毒性物质。 人类对毒物的反应不仅与所接触的毒物的浓度有关,而且 还与暴露在该浓度下的时间有关,因此,为了同时反映毒物浓度和暴露时间对中 毒反应的影响,人们提出了毒负荷的概念,其定义如下:

式中:TL 为毒物的毒负荷,它决定中毒程度;t1、t2 分别为开始暴露时刻和结 束暴露时刻,min;C 为 t 时刻暴露环境中毒物的浓度;n 为幂指数,对于 氨气,n 取 2。 2 模拟分析 针对某市化学园区某化工公司液氨储罐工程建设项目应用以上数学模型进 行计算机模拟, 假设液氨储罐底部由于法兰接头处垫片腐蚀破裂而发生连续性泄 漏,泄漏当量直径为 2cm,模拟计算的基础数据如表 1、袁 2、表 3 所示,得到 计算结果如图 1~图 10 所示。 表1 液氨理化特性

3 模拟分析结果 图 1 为液氨连续泄漏影响区域示意图, 图中阴影部分表示氨气浓度大于空气 中允许最高浓度,即 30mg/ m3。由图 1 可见,液氨泄漏后其最远影响范围已经达 到下风向 3200m 处,横风向的最大影响距离也达到 250m。由于模拟过程中假设 泄漏工厂周围地势平坦, 因此由模拟结果得出的氨气影响范围偏大:一但这对于 指导今后的紧急泄漏事故应急处理方案是有益的。 图 1 中阴影部分外围的虚线表 示氨气云团有可能影响到的区域,主要是风向改变的影响。 液氨连续泄漏时,下风向 100m、200m、500m 及 1000m 处室内、外氨气浓度 随时间的变化分别见图 2、图 4、图 6 和图 8。图中 LOC 线代表空气中的最高 允许浓度(3mg/m3),虚线代表室内浓度随时间的变化,实线代表室外浓度随时 间的变化。 从图中可以看出, 室外浓度在某一段时间内很高, 远远超过 LOC 浓度, 而室内浓度在泄漏一段时间后才高于 LOC 浓度, 且这一时间随下风向距离的增大 而增大。

下风向 100m、200m、500m 及 1000m 处室内、外氨气毒负荷随时间酌变化分 别见图 3、图 5、图 7 和图 9。由图.9 中可以看出,由于氨气的毒负荷主要受其 浓度的控制,因此对于全密闭的建筑,由于其室内的氨气浓度很低,小于 LOC 浓度,因此,室内的毒负荷要比室外小的多。 液氨连续泄漏时的泄漏速率随着时间的推移是逐渐减小的, 其随时间的变化 曲线如图 10。由图 10 可知,储罐内的液氨在泄漏发生 48min 内完全泄漏完,最 大泄漏速率为 324kg/ min。


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