（化工过程机械专业论文）事故性泄漏动力学过程的理论与实验研究.pdf

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，对弼 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。r 本文对自1 9 4 9 年1 0 月至1 9 9 9 年1 2 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1 6 种事故性泄漏模式。 ( ，钎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 f 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晃层蒸发控制，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，里正 比，石脑油的蒸发质量与f o7 呈正比，原油的蒸发质量则与t o5 5 呈j 下比。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：( 1 ) 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，( 2 ) 环境风速越大或液池蒸发面积越 陕，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m a c k a y & m a t s u g u 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m a c k a y & m a t s u g u 模型的预测结果问现场实验数据进行比较，表明m a c k a y & m a t s u g u 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1 6 。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问的变化。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m a c k a y & m a t s u g u 模型， g r a y 模型。b a u 模型、s u b t e c 模型、e p a 模型、n i o h 一1 模型和n i o h 一2 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3 3 5 ，模拟计算精度仅次于 m a c k a y & m a t s u g u 模型、n i o h 1 模型和s u b t e c 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t h o m e yi s l a n dt 6 a ln o 0 0 8 试验的实验数据， 对改进后的箱模型进行了验证。并同l i th e a v yg a sm o d e l s 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 9 3 ，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2 1 ，低于采用l i t h e a v y g a s m o d e l s 模型预测结果与 试验观测值之间2 5 6 7 的平均偏差，其模拟精度比l i th e a v yg a sm o d e l s 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l t a h g d m 模型( h e a v yo a sd i s p e r s i o n m o d e li nl a m i n a ra n dt u r b u l e n ta t m o s p h e r e ，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t h o m e yi s l a n dt r i a l s 系列试验结果及其 它数值模型( 如i i th e a v y g a s m o d e l 、h e g a d a s 模型、m a r i a h 模型、e i d s v i k 模型和c o x 模型) 的模拟结果进行了比较。结果表明，l t a h g d m 模型的模拟 j f 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0 、 最后，结合本研究工作所取得的成果和前人的研究成果，研制开发了事故性 泄漏过程模拟软件系统r d s h m1 0 ( r e l e a s ea n dd i s p e r s i o ns i m u l a t i o n f o r h a z a r d o u sm a t e r i a l s1 o ) 。该系统分为泄漏模拟系统、扩散模拟系统、数据库系 统、系统工具及帮助系统五个部分。结合某化工厂液氨储罐的泄漏。介绍了该软 件系统在安全评价领域的应用。 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 i j a b s t r a c t t h e r ea r ea m o u n t so fh a z a r d o u sm a t e r i a l si np r o c e s si n d u s t r i e s o n c e t h e s e h a z a r d o u sm a t e r i a l sw e r er e l e a s e dd u et oa c e i d e n t s ，t h e yc o u l de n t e ri n t oa t m o s p h e r e a n dd oh a r mt oh u m a n b e i n g s a n de n v i r o n m e n t s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp r e v e n t i n g a c c i d e n to fr e l e a s ea n dd i r e c t i n gr e s c u ei ne m e r g e n c yt os t u d yd y n a m i cp r o c e s so f a c c i d e n to f r e l e a s ef o rh a z a r d o u sm a t e r i a l s t h eg r a v ea n dt y p i c a la c c i d e n t so fr e l e a s eh a p p e n e di nb e t w e e n1 9 4 9a n d1 9 9 9 i nc h e m i c a l p l a n t i nc h i n aw e r e a n a l y z e ds t a t i s t i c a l l y a c c o r d i n g t oa c c i d e n t f r e q u e n c ya n d t h en u m b e ro fp e o p l ek i l l e do ri n j u r e d ，t h e f o l l o w i n g h a z a r d o u s m a t e r i a l ss h o u l db ec o n t r o l l e df w s t l y ：l i q u e f i e dc h l o r i n e ，l i q u e f i e da m m o n i a ，l i q u e f i e d p e t r o l e u mg a s e s ，c h l o r o e t h y l e n e ，b e n z e n e ，m e t h y l a m i n e ，c a r b o n m o n o x i d ea n d s u l f u r e t e dh y d r o g e n s e v e nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep r o c e s so fa c c i d e n to fr e l e a s ew e r e s u m m a r i z e da n ds i x t e e nr e l e a s em o d e sw e r ee s t a b l i s h e d p o o ls p r e a d i n ga n de v a p o r a t i n gp r o c e s s e sw e r er e s e a r c h e db a s e do nd y n a m i c s a c c o r d i n g t om a s sc o n s e r v a t i o nl a w , t h e yw e r ec o m b i n e dw i t he a c ho t h e ro r g a n i c a l l y a n dt h ed y n a m i ce v a p o r a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，h e a tt r a n s f e ri nt h e p r o c e s s o f e v a p o r a t i o n w a s a n a l y z e d i nd e t a i l ，a n dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc o u p l i n g m o d e lw a sd e v e l o p e d m o r e o v e r , a ne v a p o r a t i o nm o d e lb a s e do nb o u n d a r yl a y e r t h e o r y w a se s t a b l i s h e d i no r d e rt or e s e a r c he v a p o r a t i o nm e c h a n i s m ，w i n dt u n n e l e v a p o r a t i o ne x p e r i m e n t sa b o u tp u r el i q u i d s ( s u c ha sb e n z e n e ，t o l u e n ea n de t h a n 0 1 ) a n dm u l t i c o m p o n e n tl i q u i d s ( s u c ha sb e n z e n e t o l u e n es o l u t i o n ，b e n z e n e e t h a n o l s o l u t i o n ，n a p h t h a a n dc r u d eo i l ) w e r ec o n d u c t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e e v a p o r a t i o no fp u r el i q u i d sa n d s o l u t i o n sc o n t a i n e dt w oc o m p o n e n t sw e r ec o n t r o l l e d b yb o u n d a r yl a y e re v a p o r a t i o n a n d t h e e v a p o r a t i o no fn a p h t h a w a s r e g u l a t e d i n c o m p l e t e l yb yb o u n d a r yl a y e re v a p o r a t i o n a s w i n ds p e e do re v a p o r a t i o na r e a i n c r e a s e d ，t h ee v a p o r a t i o no fn a p h t h at e n d st ob er e g u l a t e db y b a s i ce v a p o r a t i o n a n d t h ee v a p o r a t i o no fc r u d eo i lw a sn o tr e g u l a t e db yb o u n d a r yl a y e re v a p o r a t i o n ，b u tb y b a s i ce v a p o r a t i o n t h ee v a p o r a t e dm a s sv a r i e dw i t htf o rp u r el i q u i d s ，t o 7 f o rn a p h t h a a n dt o 一5 5f o rc r u d eo i l a sf o rt h eb e n z e n e t o l u e n es o l u t i o na n db e n z e n e e t h a n o l s o l u t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v a p o r a t e dm a s sa n dt i m ev a r i e dw i t hc o m p o n e n t s a n dm o l ef r a c t i o n b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ed r a w n ： ( i ) t h em o r es i m i l a ro ft h e e v a p o r a t i o nc a p a b i l i t y o rm o l ef r a c t i o no ft h et w o c o m p o n e n t s ，t h ee a s i e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v a p o r a t e dm a s sa n dt i m et o o ko n p o w e rl a w ( 2 ) t h eh i g h e ro f t h e w i n ds p e e do rt h eb i g g e ro f t h e p o o la r e a ，t h ee a s i e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v a p o r a t e dm a s sa n dt i m et o o ko np o w e rl a w b a s e do n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n e we x p e r i e n t i a lm o d e lp r e d i c t i n g e v a p o r a t i o n r a t ew a s d e v e l o p e d t h ee r r o r b e t w e e nt h ee v a p o r a t i o nr a t ep r e d i c t e d b y t h ee x p e r i e n t i a lm o d e l a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a sl e s st h a nt h a tb e t w e e nm a c k a y & m a t s u g um o d e la n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i no r d e rt o s t u d yt h ee f f e c to fs o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yo n e v a p o r a t i o n ，o u t d o o re x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee f f e c to f s o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yo n e v a p o r a t i o nw a sv e r yg r e a te n di ts h o u l db ec o n s i d e r e d d u r i n gt h ee v a p o r a t i o nc a l c u l a t i o n i nt h i ss i t u a t i o n ，t h ee v a p o r a t i o nr a t ep r e d i c t e db y t h en e we x p e r i e n t i a lm o d e la n dm a c k a y & m a t s u g um o d e lw e r ec o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t ss h o w t h a tm a c k a y & m a t s u g um o d e ls h o u l db eu s e d w h e ns o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yw a ss t r o n g t h e a v e r a g ee r r o ro fe v a p o r a t i o n r a t e p r e d i c t e db ym a c k a y & m a t s u g um o d e lw a sl e s st h a n1 6 t h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e rc o u p l i n gm o d e lw a sv a l i d a t e db a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em o d e lc o u l dp r e d i c tt h ee v a p o r a t i o nr a t ea n dl i q u i dt e m p e r a t u r ew e l l m o r e o v e r , t h et h e o r e t i c a lm o d e lb a s e do nb o u n d a r yl a y e rt h e o r yw a sa l s ov a l i d a t e d t h e p r e d i c t e de v a p o r a t i o nr a t e w a sc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e e v a p o r a t i o nr a t ep r e d i c t e db ym a c k a y & m a t s u g um o d e l ，g r a ym o d e l ，b a um o d e l ， s u b t e cm o d e l ，e p am o d e l ，n i o h 一1m o d e la n dn i o h 一2m o d e l t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ee l r o rb e t w e e nt h ee v a p o r a t i o nr a t ep r e d i c t e d b yt h em o d e lb a s e do n l a m i n a r b o u n d a r yl a y e rt h e o r ya n d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a s 3 3 5 t h ep r e d i c t i o n v e r a c i t yw a sp o o r e rt h a nm a c k a y & m a t s u g um o d e l n i o h 一1m o d e la n ds u b t e c m o d e l a f t e rh a z a r d o u sm a t e r i a l sw e r er e l e a s e d ，h e a v yg a sc l o u dm i g h tb ef o r m e d s o r e s e a r c ho nh e a v y g a s c l o u dd i s p e r s i o nw a sd o n ei nt h i s p a p e nc o m b i n i n gt h e e q u a t i o no f s t a t ea n dm i x i n gr u l e ，t h eb o xm o d e lw a si m p r o v e d a n dt h ei m p r o v e d b o xm o d e lw a sv a l i d a t e db yt h o m e yi s l a n dt r i a ln o 0 0 8e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d c o m p a r e dw i t hr e s u l t sp r e d i c t e db yi i th e a v yg a sm o d e l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t c o n c e n t r a t i o n s p r e d i c t e db yt h ei m p r o v e db o xm o d e lw e r em o r et h a nm e a s u r e d c o n c e n t r a t i o n sa b o u t8 9 3 c o n s i d e r i n gs a f e t y , i ti s v e r ya d v a n t a g e d a tt h ea s p e c t o f v e r a c i t y , t h ea v e r a g ee r r o rb e t w e e nc o n c e n t r a t i o n sp r e d i c t e db yt h ei m p r o v e db o x m o d e la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a s2 1 。a n di tw a sl o w e rt h a nt h a tb e t w e e n c o n c e n t r a t i o n sp r e d i c t e db yi i th e a v yg a sm o d e la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i no r d e r t os i m p l i f yc a l c u l a t i o na n da v o i ds o l v i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，l t a h g d mm o d e l ( h e a v yg a sd i s p e r s i o n m o d e li nl a m i n a ra n dt u r b u l e n ta t m o s p h e r e ) w a se s t a b l i s h e d b a s e do ns o m e h e a v yg a s d i s p e r s i o n m o d e l s c o n c e n t r a t i o n s p r e d i c t e db y l t a h g d mm o d e lw e r e c o m p a r e d w i t l lt h o s e p r e d i c t e db y o t h e r h e a v yg a s d i s p e r s i o nm o d e l s ( s u c ha s l i th e a v yg a sm o d e l ，h e g a d a sm o d e l ，m a r i a h m o d e l ，e i d s v i km o d e la n dc o xm o d e l ) a n dm e a s u r e dr e s u l t si nt h o m e yi s l a n dt r i a l s ， t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r e c i s i o no fl t a - h g d mm o d e lw a ss i m i l a rt ot h o s e m o d e l s ，b u tt h em o d e lc o u l da v o i ds o l v i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n dc o u l di m p r o v e c a l c u l a t i o ns p e e d b a s e do na b o v er e s e a r c h ，s o f t w a r en a m e d r d s h m l 0 ( r e l e a s ea n dd i s p e r s i o n s i m u l a t i o nf o rh a z a r d o u sm a t e r i a l s1 0 ) w a sd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r ew a s c o n s i s t e d o fr e l e a s es i m u l a t i o n ，d i s p e r s i o ns i m u l a t i o n ，h a z a r d o u sm a t e r i a l sd a t a b a s e ，t o o l sa n d s y s t e mh e l p o nt h ea s s u m p t i o no f t h er e l e a s ef o rt h et a n ko f l i q u e f i e da m m o n i a i na c h e m i c a l p l a n t ，a p p l i c a t i o n o ft h es o f t w a r ei nt h ef i e l do fs a f e t ye v a l u a t i o nw a s i n t r o d b c e d k e y w o r d s ：a c c i d e n to fr e l e a s e ，r e l e a s em o d e ，p o o le v a p o r a t i o n ，h e a v yg a s d i s p e r s i o n ，s i m u l a t i o n ，s o f t w a r e 南京工业尢学博士学位论丈 第一章概述 1 1 引言 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。事故的发生不仅会导致巨大的经济损失，还可能导致 灾难性的后果，不仅厂区内部，而且邻近地区人员的生命与财产都将遭受巨大损 失和危害，尤其是对生态环境的不可逆性损害将无法挽回。例如，1 9 8 4 年印度 博帕尔市郊的联合碳化物公司农药厂4 5 吨剧毒液体异氰酸甲脂储罐事故性 泄漏，致使3 1 5 0 人死亡，5 万人失明，2 0 多万人受到严重毒害，1 5 多万人接受 治疗。1 9 8 7 年1 0 月3 0 日，位于美国德克萨斯州德克萨斯市的马拉松石油公司 炼油厂发生大量氢氟酸事故性泄漏，造成约1 3 0 m 3 的氢氟酸泄漏，并形成蒸汽扩 散于大气中，污染范围约达1 3 平方公里，迫使约4 0 0 0 名居民避难，使2 3 0 人眼 睛痛疼和呼吸困难被送进医院，其中约5 0 人伤势严重而住院治疗【2 】a1 9 9 1 年9 月3 日，江西省贵溪农药厂一甲胺运输车在行至江西上饶沙溪镇时，一甲胺储罐 阀前短管根部与法兰焊接处断裂，发生一甲胺严重泄漏，污染面积达2 3 万平方 米，1 2 6 户居民受害，中毒5 9 5 人，1 5 6 人重度中毒而住院，其中死亡4 2 人眠 1 9 9 8 年，西安市煤气公司液化气管理所储罐区发生了一起因液化气泄漏而引发 的恶性火灾爆炸事故。事故从3 月5 日1 6 ：o o 时左右开始一直持续到3 月7 同 1 9 ：0 5 ，其间共发生4 次爆炸。这次恶性爆炸事故造成1 1 人死亡( 其中消防人 员7 名，罐区工作人员4 名) 、1 人失踪、3 3 人受伤( 烧伤者多数已终身残废) 。 炸毁4 0 0 m 3 球罐2 个，l o o m 3 卧式储罐4 个，烧毁气罐车1 0 余辆，经济损失惨 重【4 】。此类恶性事故不胜枚举，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健康发展。这些严酷 的事实表明，深入开展危险性物质事故性泄漏过程理论研究，建立描述泄漏扩散 过程的动力学模型，对于科学预防事故性泄漏的发生、指导紧急救灾具有重要理 论价值和实践意义。 国外有关物质泄漏扩散过程的研究开展得较早，然而开展危险性物质事故性 泄漏动力学过程理论的研究却是在最近二、三十年。2 0 世纪7 0 年代以来，随着 石油化工生产规模越来越大，危险性物质被频繁、大量地使用，这也导致重大事 第一章概述 故性泄漏的频繁发生，引起了世界各国的广泛关注。国际上相继通过了1 9 9 0 年 化学制品公约、1 9 9 3 年预防重大工业事故公约等，敦促世界各国实旌相应的政 策及预防保护措施，发展基础研究和重大灾害防治应用技术研究。美国、加拿大、 欧共体等许多工业发达国家先后投入了大量的人力、物力和财力开展事故性泄漏 基础理论和相关控制技术的研究工作，取得了较高水平的研究成果。 我国政府非常重视危险性物质的泄漏扩散研究工作。近些年来，国内部分高 校和科研单位相继开展了此方面的研究工作，并取得了一定的进展。 目前，国内外在危险性物质事故性泄漏基础研究方面的发展趋势是：重视事 故性泄漏动力学演化机理和规律的研究，建立准确描述事故性泄漏过程的理论模 型，研制开发能够模拟事故性泄漏动力学过程的大型数值模拟软件，并将其应用 于事故后果分析和环境风险评价，同时为事故应急预案的制订提供参考。 正是基于上述研究背景，本文重点对液态危险化学品事故性泄漏后在地面上 所形成的液池的动力学蔓延、蒸发过程以及蒸发出的有毒有害蒸气在大气环境中 的扩散过程进行了理论与实验研究。在此基础上，建立了描述液体蒸发及有毒有 害气体或蒸气扩散的动力学模型，并结合目前国内外学者在该领域的研究成果， 研制开发了危险性物质事故性泄漏扩散过程模拟软件系统一一r d s h m 1 0 ( r e l e a s ea n dd i s p e r s i o ns i m u l a t i o nf o rh a z a r d o u sm a t e f i a l s ) 。本文的主要研究内 容同时也是国家自然科学基金重点项目“典型化工过程灾害性事故预测与防治技 术基础研究( n o 2 9 9 3 6 1 1 0 ) ”、教育部骨干教师资助计划项目“可燃及毒性气体 泄漏扩散灾害模拟研究”和江苏省青年科学基金项目“化工装置爆炸灾害模拟与 评价及防灾决策系统研究( n o b q 9 8 0 2 9 ) ”的重要组成部分。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 危险性物质事故性泄漏国内外研究现状 事故性泄漏模式直接影响泄漏后危险性物质在大气中的运移扩散，开展事故 性泄漏模式的研究，建立相应的泄漏源模型，对于开展扩散研究具有重要意义。 根据泄漏物质的组成，可以将事故性泄漏分为单组分泄漏和多组分泄漏两种 形式。根据泄漏物质的状态，可以将事故性泄漏分为气相泄漏、液相泄漏、气液 两相泄漏和液池蒸发四种形式。 南京：r - 业a 学博士学位论文 1 2 1 1 国外研究现状 国外对事故性泄漏源模型的研究开展的很早，尤其在单相单组分泄漏领域取 得了众多成果 5 ，6 一。d a n i e l 根据泄漏物质的存储状态( 气体、液体) 、存储容器 ( 储罐、管道输送) 以及泄漏形式( 气相泄漏、液相泄漏、两相泄漏) 的不同分 别进行了总结，给出了相应的泄漏源模型【5 】。 关于两相泄漏的研究始于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，并且一开始是针对核反应装 置的两相流泄漏，后来才慢慢转向了化学工业。 在两相泄漏研究方面存在着两种观点。c o k e r _ 【8 和e p s t e i n 9 1 等人认为泄漏流 动过程是等熵过程。假设两相混合物为均匀的单相可压缩流体，两相具有相同的 温度和速度，两相平衡。e r i s t e i n 通过引入“”这个无量纲参数，使问题得到 了简化。而m o o d y 1 0 ，1 1 1 和v e r l i c c h i 1 2 1 等人则认为泄漏流动过程不是等熵过程。 为了更准确地计算两相泄漏率，m o o d y 认为气相与液相之间存在速度差，进而 引入了滑移率( t h e s l i pr a t i o ) 的概念。v e r l i e c h i 认为在临界流产生处，整个系统 的熵最大，并且提出滑移率是两相流流动模式的函数。正因为观点上存在分歧， 至今仍没有通用的两相流泄漏模型。 关于液池蒸发的研究最早源于气象及水文工作者对湖泊和水库中水蒸发的 研究，只是在最近二、三十年才开始成为职业卫生与安全评价领域的研究重点。 过去对液池蒸发的研究主要集中在对水的研究上。自从1 9 世纪初d a l t o n 首 次公开发表他的实验研究结果以来众多学者建立了大量描述水蒸发速率的经验 模型 1 3 1 。 2 0 世纪7 0 年代起，人们的安全环保意识得到了加强，人们迫切需要知道自 己工作场所的环境卫生状况和潜在危险性，以及当发生有毒有害物质泄漏时，应 该怎样选择紧急处理措施来消除这些危险。因此，对蒸发过程机理的研究逐渐成 为职业卫生及安全评价领域的熟点。 最初，人们根据水的蒸发速率模型，只是进行了简单的修正就直接用于预测 危险性物质的蒸发。后来，m a c k a y & m a t s u g u 通过异丙基苯的蒸发实验对模型 进行了修正【，而修正后的模型则成为后来人们研究蒸发的基础。r e i j n h a r t 0 5 ，6 】 等人通过理论和实验研究，在前人研究的基础上第一次较为系统地对蒸发进行了 研究，建立了半经验模型。目前广泛使用的蒸发模型主要有g r a y m o d e l ，m a c k a y & m a t s u g um o d e l ，b a um o d e l ，s u b t e cm o d e l ，e p am o d e l ，n i o h 1m o d e 和 第一章概述 n i o h 一2m o d e l 。 多组分液体的蒸发过程比单组分液体复杂，主要表现在多组分液体的蒸发速 率随着液体中易挥发组分的蒸发而逐渐减小，并且各组分的含量也是不断变化 的。对于多组分液体蒸发的研究主要集中在石油和烃类混合物上，同时也建立了 相应的数学模型，这些模型在m f f i n g a s l l 7 , 1 s , 1 9 和m r e e d 2 0 】的有关论文中进行 了介绍。 另外，除了通过实验分析得出的经验和半经验模型以外，s u t t o n 2 ”， b r i g h t o n 翻，k u n s c h 2 3 1 ，b o y a d j i e v l 2 4 1 等人还根据扩散理论、边界层理论对蒸发过程 进行了研究，建立了描述蒸发过程的偏微分方程。 1 2 1 2 国内研究现状 国内对事故性泄漏过程的研究起步较晚。近些年来，国内部分高校和科研单 位相继开展了此方面的研究工作，取得了一定的进展。如大连理工大学针对非闪 蒸两相流泄放，采用经典的均相平衡模型，应用热力学和流体力学理论，对存在 部分不凝性气体时的两相流紧急泄放进行理论分析。采用”国法”对定解方程进行 近似简化，得到了解析解【2 5 】。原化工部劳动保护研究所在“八五”期间对有毒物 质的事故性泄漏进行了研究，结合我国的实际情况和建国后所发生的重大事故性 泄漏，总结和建立了事故性泄漏模式及泄漏源模型，归纳出8 种泄放型和5 种可 能的潜在泄放型1 2 6 。南京工业大学对事故性泄漏发生发展过程、机理和泄漏源形 式进行了总结性研究分析，建立了多种事故性泄漏模式并给出了各种模式下泄 漏源强化量模型印】。针对两相临界泄漏，在f a u s k e 模型的基础上，引入l e v y 空 泡份额计算式，建立了两相l | 岛界流泄漏模型。通过在所研制的气液两相临界流试 验台上进行的试验研究，验证了模型的合理性。并将模型应用于压力容器与管道 的先漏后爆分析中【2 ”。此外，苏州城建环保学院对泄漏源强的不确定性进行了分 析讨论，并提出了相应的估算方法【2 9 , 3 0 。南京工业大学针对由于密封失效、密封 元件设计不合理或安装不正确造成的密封元件的渗漏进行了研究。主要研究了气 泡在毛细管端形成的基本规律，探讨了物性、压力及加载方式对气泡形成的影响， 从而为进一步研究密封元件的渗漏模型提供了理论基础【3 i i 。 在液池蒸发机理研究方面，大连海事大学针对原油泄漏后在海面上的蒸发进 行了初步的实验研究【3 2 1 。此外，宇德明在“熏大危险源的评价及火灾爆炸事故严 南京工业大学博士学位论文 重度的若干研究博士论文中对国外的研究成果进行了归纳总结3 3 1 。 1 2 1 3 存在的不足 有关单相单组分的事故性泄漏研究已经比较成熟，建立了各种针对不同泄漏 情况的源模型。而对气液两相泄漏，由于在研究中存在着分歧，至今还没有令人 满意的通用公式。因此，该领域的研究将仍然是目前和今后一段时间研究的热点。 此外，在液池蒸发研究方面，现有的大部分模型都没有考虑热量传递对蒸发的影 响。另外，针对事故性泄漏所特有的动态液池，还没有现成的模型对其进行描述。 多组分溶液的蒸发机理不同于单组分，至今还没有建立起令人满意的多组分蒸发 计算模型。 由于投入不足，国内在物质事故性泄漏领域很少开展实验研究，大多数研究 工作均是在国外公开发表的实验数据基础上进行的。 1 2 2 有毒有害气体或蒸气扩散国内外研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 国外学者对于事故性泄漏后物质在大气中的扩散研究始于二十世纪七、八十 年代，并且一开始主要是针对核尘埃和大气污染的研究口6 1 ，后来才慢慢转向了化 学工业。根据物质泄漏后所形成的气云的物理性质的不同，可以将描述气云扩散 的模型分为中性气云模型( 非重气云模型) 和重气云模型两种。 高斯( g a u s s ) 模型属于非重气扩散模型。高斯模型只适用于与空气密度相 差不多的气体扩散。模型简单，易于理解，运算量小，且由于提出的时间比较早， 实验数据多，因而较为成熟。例如，美国环境保护协会( e p a ) 所采用的许多标 准都是以高斯模型为基础而制定的【3 引。但是，大多数危险性物质一旦泄漏到大气 环境中就会由于较