事故性泄漏动力学过程的理论与实验研究

潘旭海  

【摘要】：在过程工业及相关行业中,易燃易爆及有毒有害物质在生产、储存和运输过 程中经常发生事故性泄漏。泄漏发生后,泄漏物质在地面上形成液池,挥发出有 毒有害蒸气;或直接进入大气,扩散开去。所有这些都严重危害了附近人员的身 体健康,其所带来的严重后果和环境与社会问题远远超过了事故本身,严重地影 响了当代过程工业及相关行业的顺利与健康发展。因此,开展危险性物质事故性 泄漏动力学过程研究,对于科学预防事故性泄漏的发生以及指导紧急救灾具有重 要理论价值和实践意义。 本文对自 1949 年 10 月至 1999 年 12 月我国化工系统内所发生的重(特)大、 典型事故性泄漏进行了统计分析。根据事故发生频率和造成的伤亡人数,统计得 到在我国应优先考虑并控制的 8 种危险化学品依次是:液氯、液氨、液化石油气、 氯乙烯、苯、一甲胺、一氧化碳和硫化氢。通过对事故进行分析,总结了 7 种影 响泄漏扩散的主要因素,建立了 16 种事故性泄漏模式。 针对有毒有害液体泄漏后在地面上的蔓延和蒸发,从动力学角度入手,对其 进行了理论研究和分析。根据质量守恒定律,将液池蔓延过程和蒸发过程进行了 有机地结合,推导建立了动态液池蒸发模型。对液池蒸发中的热量传递进行了较 详细地分析,在此基础上,建立了液池蒸发的传热传质耦合计算模型。根据边界 层理论,推导建立了层流和湍流环境下的液池蒸发理论模型。为了研究纯液体和 混合液体蒸发机理上的不同,设计建立了液池蒸发风洞实验装置,分别对纯液体 (包括苯、甲苯和乙醇)、两组分混合液体(苯与甲苯混合溶液、苯与乙醇混合 溶液)以及多组分混合溶液(石脑油和原油)进行了较为全面的研究。实验研究 结果表明,纯液体和两组分液体的蒸发是受边界层蒸发控制的;而石脑油的蒸发 在一定程度上受边界层蒸发控制;原油的蒸发则不受边界层蒸发控制,而是受基 本蒸发控制。在蒸发质量随时间变化规律方面,纯液体的蒸发质量与时间 t 呈正 比,石脑油的蒸发质量与 t0.7呈正比,原油的蒸发质量则与 t0.55呈正比。对于两 组分混合溶液的蒸发,其蒸发质量与时间的关系随组分物质和组分比例的不同而 不同,但却有规律可循,即:⑴两组分之间的蒸发性能或体积百分比越接近、蒸 发质量与时间越容易表现出乘幂的变化关系,⑵环境风速越大或液池蒸发面积越 I WP=5 大,蒸发质量与时间越容易表现出乘幂的变化关系。根据实验数据,拟合得到了 新的液池蒸发计算关系模型,该模型的预测结果比常用的 Mackay Matsugu 模 型的预测结果更接近实验测量值。为了进一步考察太阳辐射对蒸发过程的影响, 进行了开放空间现场蒸发实验。实验结果表明,太阳辐射对液体的蒸发影响很大, 计算过程中必须考虑热量传递。通过将本文新建的蒸发关系模型以及 Mackay Matsugu 模型的预测结果同现场实验数据进行比较,表明 Mackay Matsugu 模 型更适合于太阳辐射较强场合的蒸发计算,其预测平均偏差为 16%。本文新建的 模型则更适合于太阳辐射较弱或不存在太阳辐射场合的蒸发计算,其预测偏差在 ±5%以内。根据纯液体和两组分混合液体的蒸发实验数据,对本文建立的蒸发 过程传热传质耦合计算模型进行了验证,结果表明该模型能够比较准确地预测液 体的蒸发质量和液体温度随时间的变化。另外,对基于边界层理论的蒸发模型进 行了实验验证,并将新建的理论模型的预测偏差同 Mackay Matsugu 模型, GRAY 模型,BAU 模型、SUBTEC 模型、EPA 模型、NIOH-1 模型和 NIOH-2 模型的预测偏差进行了比较。结果表明,本文基于层流边界层理论建立的蒸发计 算模型的模拟计算结果与实验值的平均偏差约为 33.5%,模拟计算精度仅次于 Mackay Matsugu 模型、NIOH-1 模型和 SUBTEC 模型。 针对物质泄漏后所形成的气云绝大多数属于重气云,本文着重开展了重气云 扩散理论的研究。通过将真实气体状态方程和气体混合规则引入到箱模型中,对 现有的箱模型进行了改进。根据 Thorney Island Trial No. 008 试验的实验数据, 对改进后的箱模型进行了验证,并同 IIT Heavy Gas Models 模型的预测结果进行 了比较。结果表明,改进后的箱模型的模拟结果平均比实验值偏大 8.93%,从安 全的角度来看是有利的。在模拟准确度方面,采用改进后的箱模型的预测结果与 试验观测值的平均偏差为 21%,低于采用 IIT Heavy Gas Models 模型预测结果与 试验观测值之间 25.67%的平均偏差,其模拟精度比 IIT Heavy Gas Models 模型 高。为了进一步简化模拟计算过程,避免求解微分方程,提高计算速度,本文在 总结现有重气扩散模型的基础上,建立了 LTA-HGDM 模型(Heavy Gas Dispersion Model in Laminar and Turbulent Atmosphere,即层流及湍流大气环境中的重气扩 散模型)。并将该模型的模拟计算结果同 Thorney Island Trials 系列试验结果及其 它数值模型(如 IIT Heavy Gas Model 、HEGADAS 模型、MARIAH 模型、Eidsvik 模型和 Cox 模型)的模拟结果进行了比较。结果表明,LTA-HGDM 模型的模拟 II WP=6 计算精度与这些模型相当,但却避免了求解微分方程,提高了计算速度。 最后,结合本研究工作所取得的成果和前人的研究成果,研制开发了事

【关键词】：事故性泄漏 泄漏模式 液池蒸发 重气扩散 模拟计算 软件开发
【学位授予单位】：南京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X937
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2004.128982
【目录】：

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