輕苯罐車泄漏大氣擴(kuò)散模擬分析和探討

俞勇

（杭州鋼鐵集團(tuán)公司安全環(huán)保處 浙江 杭州 310022）

0 前言

輕苯是焦炭生產(chǎn)過程中的重要副產(chǎn)品，是由苯、甲苯、二甲苯等多種芳烴和其他化合物組成的復(fù)雜混合物。組成成分中，根據(jù)工藝和條件的不同，純苯的含量占了55%～80%以上。因此，輕苯理化性質(zhì)與純苯相近。輕苯是一種重要的化工材料，具有易揮發(fā)易燃、有毒有害的特性，如果發(fā)生大量泄漏，造成有毒氣體擴(kuò)散，極易引發(fā)人員中毒、燃燒、爆炸事故。因此，分析輕苯泄露有毒氣體擴(kuò)散有重要意義。

1 苯（輕苯）的理化性質(zhì)

苯在常溫下是一種無色透明、帶有芳香味的液體。常壓下，沸點(diǎn)為80.1℃，閃點(diǎn)為10～12℃，燃點(diǎn)為562.2℃。苯易揮發(fā)易燃，屬于3.2類中閃點(diǎn)易燃液體，其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，能與空氣形成爆炸性混合物，在空氣中的爆炸極限為1.4～8.0%，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。苯具有毒性，可經(jīng)呼吸道和消化道吸收，吸入高濃度苯后對(duì)中樞神經(jīng)有麻醉作用，引起急性中毒；長期接觸苯對(duì)造血系統(tǒng)有損害，引起白細(xì)胞和血小板減少，重者導(dǎo)致再生障礙性貧血，可引起白血病；皮膚接觸苯會(huì)產(chǎn)生脫脂、干燥、皸裂和皮炎損害。

2 泄漏事故情景分析

某焦化廠運(yùn)輸輕苯的罐車型號(hào)為G60K，罐車有效容積60m3，尺寸為Φ2.8m×10.41m，核定載重52噸，罐體工作壓力為0.15MPa，罐體充裝系數(shù)取80%。假定輕苯在裝卸站裝車完成后，罐體因結(jié)構(gòu)失效發(fā)生破裂，產(chǎn)生裂縫，造成罐體中的輕苯連續(xù)發(fā)生泄漏。泄漏裂縫為有限孔泄漏，不發(fā)生擴(kuò)展，面積A=0.002m2，泄漏發(fā)生在白天，日照強(qiáng)度為中等，風(fēng)速為2m/s,環(huán)境溫度為26.1℃，大氣壓為1.01×105Pa，大氣穩(wěn)定度為D類。

3 泄漏源強(qiáng)的確定

輕苯泄漏速率可根據(jù)流體力學(xué)中的柏努力方程計(jì)算，當(dāng)裂口不規(guī)則時(shí)，可采取等效尺寸代替。

式中，Q為液體泄漏速率，kg/s；Cd為無量綱泄漏系數(shù)；ρ是液體密度，kg/m3；A是泄漏孔面積，m2；P為罐壓，Pa；P0為大氣壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；h為裂口上方液面高度，m。

根據(jù)式⑴，隨著罐車漸漸變空，相對(duì)罐壓降低，液體高度減小，其泄露速率也隨之減小。本文計(jì)算目的是考慮在一定時(shí)間內(nèi)事故條件下的最大可能泄漏量，因此計(jì)算得出的泄漏速率是保守的最大可能泄漏速率。

經(jīng)過計(jì)算，確定此時(shí)輕苯罐車的每秒泄漏速率為6.06kg。

泄漏的輕苯在地面低洼處或圍堰內(nèi)形成液池，經(jīng)液池表面氣流運(yùn)動(dòng)使苯液體蒸發(fā)。設(shè)輕苯在地面上形成半徑10m的圓形液池。苯的質(zhì)量蒸發(fā)速率可按式⑵計(jì)算，確定輕苯向大氣中的釋放蒸發(fā)速率為0.26千克/秒。：

式中:Q為質(zhì)量蒸發(fā)速度，kg/s；u為平均風(fēng)速，m/s；p為液體表面蒸汽壓，Pa；R為氣體常數(shù)，J/mol·K；T0為環(huán)境溫度，K；r為液池半徑，m；α，n為大氣穩(wěn)定度系數(shù)。

4 擴(kuò)散模型

苯泄露后產(chǎn)生的蒸氣密度比周圍的空氣密度大，在一段時(shí)間里其擴(kuò)散行為受到重力沉降的作用，表現(xiàn)為重氣云羽的擴(kuò)散。重氣云羽的擴(kuò)散模型分為盒子模型擴(kuò)散和平板模型兩類，本文主要考慮事故條件下通常是連續(xù)泄露形成的重氣云羽擴(kuò)散，故采用平板模型擴(kuò)散，平板模型假設(shè)條件如下：重氣云羽橫截面為矩形，在泄漏源點(diǎn)處橫風(fēng)向云羽半寬b0為垂直方向高度h0的兩倍；云羽橫截面內(nèi)，濃度、溫度、密度等參數(shù)均勻分布；云羽的軸向蔓延速度等于風(fēng)速。

基于以上假設(shè)，可建立輕苯重氣云羽擴(kuò)散坐標(biāo)系，如圖1所示。 x、y軸確定水平面，x軸的方向?yàn)轱L(fēng)速的方向，y軸垂直x軸，z軸垂直水平面方向向上。重氣云的初始矩形的中心為原點(diǎn)，矩形移動(dòng)的速度為風(fēng)速，并沿x軸正向移動(dòng)。

圖1 輕苯重氣云羽擴(kuò)散坐標(biāo)系

在輕苯重氣云羽的擴(kuò)散過程中，下風(fēng)向橫截面半寬長度的由下式確定：

重氣云羽高度的變化與下風(fēng)向距離間的關(guān)系由下式確定：

任意下風(fēng)向重氣云羽中危險(xiǎn)物質(zhì)濃度的計(jì)算公式為：

式中:b為重氣云羽的橫風(fēng)向半寬，m；b0為泄露源點(diǎn)重氣云羽的橫風(fēng)向半寬，m；h0為泄露源點(diǎn)重氣云羽高度，m；ρα為空氣密度，kg/m3；V為重氣云羽的軸向蔓延速度，m/s;h為重氣云羽高度，m；We為空氣卷吸系數(shù)。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5.1.1 苯的急性危害濃度苯在空氣中的濃度對(duì)接觸人體健康的急性危害見表1所示。

表1 苯不同濃度閥值對(duì)人體的急性危害

5.1.2 苯的職業(yè)接觸標(biāo)準(zhǔn)

苯在空氣中的職業(yè)健康接觸限制濃度見表2所示。

表2 苯在工作場所的職業(yè)接觸限值

經(jīng)過計(jì)算，輕苯罐車泄漏事故下風(fēng)向空氣中苯警戒濃度的分布距離見表3所示。

表3 輕苯泄漏警戒濃度及范圍

從表3可見，在泄露事故下風(fēng)向，存在人體苯中毒的可能性。引起人體嚴(yán)重中毒、一般中毒、身體不適，即苯濃度分別達(dá)到4800mg/m3,1600mg/m3,160mg/m3的下風(fēng)向影響半徑為31m、94m和507m。按照工作場所短時(shí)間職業(yè)接觸濃度限值，事故下風(fēng)向最遠(yuǎn)影響半徑則達(dá)到了2829m。由于模擬過程中假設(shè)泄漏源周圍地勢(shì)平坦，因此模擬結(jié)果得出的輕苯濃度影響范圍偏大，但這對(duì)于指導(dǎo)今后的輕苯緊急泄漏事故應(yīng)急處理方案是有益的。

根據(jù)輕苯下風(fēng)向影響半徑，對(duì)輕苯云團(tuán)的地面危害面積進(jìn)行計(jì)算。

L為毒氣云的初始直徑，km；x為危害影響半徑，km。

根據(jù)各危害影響半徑的x點(diǎn)，計(jì)算地面危害面積并匯總成表2。

表4 中毒急性影響影響面積

輕苯在空氣擴(kuò)散過程中由于風(fēng)的擺動(dòng)、地形的影響，擴(kuò)散軌跡為擺動(dòng)的帶型，其外接扇形區(qū)即為危害地域。扇形的擴(kuò)散角一般取400,但實(shí)際危害面積要小的多，約為一個(gè)120夾角的帶形區(qū)，通過影響面積計(jì)算，模擬輕苯擴(kuò)散范圍的簡明示意圖，如圖2所示。

圖2 輕苯擴(kuò)散覆蓋圖

圖2中x軸正方向?yàn)轱L(fēng)向，小圓陰影部分代表可能造成人員中毒或者身體不適的緊急影響區(qū)域范圍。在泄漏事故發(fā)生后，區(qū)域內(nèi)沒有穿戴安全防護(hù)用品的人員，必須迅速撤離該區(qū)域。大圓陰影代表的區(qū)域范圍中，空氣中苯的濃度超過了《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》（GBZ2.1-2007）規(guī)定的短時(shí)間接觸濃度10mg/m3（15min），應(yīng)根據(jù)應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果，組織專業(yè)人員對(duì)該區(qū)域的人員指導(dǎo)緊急撤離和疏散。

6 結(jié)論

本文首先建立了輕苯事故性泄漏和擴(kuò)散模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬，對(duì)可能發(fā)生的輕苯泄漏事故擴(kuò)散范圍進(jìn)行了預(yù)測和分析，并繪制了簡明擴(kuò)散示意圖。預(yù)測結(jié)果基本能夠客觀的反映出輕苯泄漏擴(kuò)散范圍的趨勢(shì)和范圍，可為輕苯罐車泄漏事故應(yīng)急救援提供緊急決策依據(jù)和技術(shù)參考。但數(shù)學(xué)分析僅建立在理想狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)際泄漏事故的輕苯擴(kuò)散范圍還受建筑高度、地面阻力、周圍植被等多方面因素影響，其擴(kuò)散趨勢(shì)和范圍還需進(jìn)一步研究。

［1］鄭華，王金萍等編著。苯系物中毒及預(yù)防。北京：中國石化出版社，2008.

［2］姜威編著。城市危險(xiǎn)化學(xué)品事故應(yīng)急管理。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］國家安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心，國家安全監(jiān)管總局化學(xué)品登記中心編譯。危險(xiǎn)化學(xué)品應(yīng)急處置手冊(cè)。北京：中國石化出版社，2009.

［4］王自齊，趙金垣編著。化學(xué)事故與應(yīng)急救援。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［5］宇德明.易燃、易爆、有毒危險(xiǎn)品儲(chǔ)運(yùn)過程定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。北京：中國鐵道出版社，2000.