基于MATLAB的钼化工企业中液氨储罐泄漏扩散及爆炸危险区域研究

2017-04-26赵江平

中国钼业 2017年2期

关键词：液氨蒸气稳定度

潘东，赵江平

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西西安 710055)(2.金堆城钼业股份有限公司化学分公司，陕西渭南 714000)

基于MATLAB的钼化工企业中液氨储罐泄漏扩散及爆炸危险区域研究

潘东1，2，赵江平1

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西西安 710055)(2.金堆城钼业股份有限公司化学分公司，陕西渭南 714000)

液氨储罐是钼化工企业安全管理的重点。本文运用MATLAB模拟仿真软件，采用高斯羽流模型和蒸气云爆炸模型，研究液氨储罐的泄漏扩散影响因素和爆炸过程，确定液氨的扩散中毒危险区域和爆炸伤害危险区域。

液氨；高斯模型；蒸气云爆炸；危险区域

0 前言

钼化工企业生产多钼酸铵，主要辅料就包括液氨等危险化学品。近年来，随着钼化工企业的技术改造升级，产业规模不断扩大，液氨用量也逐年增加。由于液氨属于有毒、易燃、易爆物质，若发生泄漏，挥发扩散后会造成一定区域内人员的急性中毒。当短时间大量液氨在空气中扩散，与空气混合形成爆炸性混合气体，遇火源，就有可能发生蒸气云爆炸。

近几年来就发生了多起液氨泄漏中毒、火灾爆炸事故，造成了严重的人员伤亡和经济财产损失。如2013年6月3日，吉林宝源丰禽业有限公司发生特别重大火灾爆炸事故，同时引发液氨管道爆炸，共造成121人死亡；2013年8月31日，上海翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏事故，导致15人死亡。所以，液氨的安全使用和储存不容轻视。本文运用MATLAB模拟仿真软件，采用高斯羽流模型研究液氨泄漏扩散的影响，确定扩散中毒危险区域，同时利用蒸气云爆炸模型研究液氨爆炸过程，确定爆炸冲击波伤害的危险区域。

1 液氨的性质

1.1 理化性质

液氨，又称无水氨，是一种有特殊强烈刺激气味的无色液体，极易溶于水。分子量为17，通常是将气态的氨气通过加压或冷却的方式得到液态氨，沸点为-33.42 ℃。液氨具有强挥发性，气化挥发会吸收大量的热量，使周围环境温度急剧降低。爆炸极限为15.7%～27.4%，与空气混合能形成爆炸性气体，最易引燃浓度为17%，产生最大爆炸压力时的浓度为22.5%。

1.2 毒害特性

氨在常温下呈气态，比空气轻，对人体上呼吸道有刺激和腐蚀作用。《危险化学品目录(2015版)》中将氨定为：易燃气体、急性毒性、皮肤腐蚀/刺激、严重眼损伤/眼刺激等。不同浓度氨气对人体健康的危害情况见表1[1]。

表1 不同浓度氨气对人体的危害

2 研究对象与事故模拟

2.1 研究对象

本文以某企业的常温液氨储罐作为研究对象进行模拟。该企业所处地区主导风向为东北风，最大风速15.3 m/s，平均风速1.93 m/s，该地区一般白天大气稳定度为A，夜间大气稳定度为D[2]。

该企业危险化学品库区设置有2台60 m3液氨卧式常温储罐，几何尺寸均为φ2 800 mm×1 0952 mm，设计压力2.16 MPa，设计温度50 ℃，液氨的密度为0.603 kg/L(25 ℃)，罐体日常最大充装系数为0.8。储罐上方顶棚采用轻质彩钢瓦顶棚，四周开放式存放。由于两台储罐交替使用，本文模拟一台储罐在事故状态下，研究其泄漏扩散和爆炸危险区域。

2.2 储罐泄漏扩散模拟

液化气体泄漏分为两种方式:瞬时泄漏扩散和连续泄漏扩散。高斯模型分为烟团模型和烟羽模型，烟团模型适用于瞬时泄漏扩散，如容器突然爆炸导致其内部介质瞬间释放出来的情况；而烟羽模型适用于连续泄漏扩散。本文主要采用高斯烟羽模型对液氨储罐泄漏扩散进行研究。

2.2.1 确定泄漏速率

小孔泄露公式如下：

式中:Q为泄漏速率，kg/s；Cdg为泄漏系数，取1.00；A为泄漏面积，m2；P为储罐内的压力，Pa；M为气体分子量,kg/mL；R是气体常数，取8.314 J/(mol·K)；k是绝热指数；T为气体绝对温度，K；常见的罐装气体具体的绝热指数和临界压力见表2[3]。

表2 常见的罐装气体具体的绝热指数和临界压力

本文模拟储罐顶部泄漏，泄漏口为半径为25 mm的圆形，面积为0.001 96 m2。储罐内压力为1.2 MPa，泄漏时的温度为年平均气温，13.7 ℃。将相关数据代入，计算泄漏速率为：Q=4.28 kg/s。

2.2.2 液氨扩散烟羽模型

在泄漏过程中，储罐的压力和液氨密度将随着泄漏量的增加而改变，为了简化计算，假设储罐的密度和液氨的压力不变。模拟不同大气稳定度和不同风速下连续泄漏扩散的情况,选择高斯烟羽模型[4]，公式如下：

式中：C为气云中危险物质浓度，mg/m3；Q为连续泄漏速率，mg/s；μ为风速，m/s；σx为x方向的扩散系数，m；σy为y方向的扩散系数，m；z为浓度测量点高度，m；x、y为观察对象距离液氨储罐的下风向和横风向距离，m； H为有效源高，m。对于连续泄漏的情况，所采用的城市扩散系数见表3[5]。

表3 城市不同大气稳定度下的扩散系数

2.2.3 危险区域划分

根据氨气阈值和国家卫生标准，参照表1可得出：360～1 390 mg/m3为轻度伤害区；1 390～3 500 mg/m3为重度伤害区；>3 500 mg/m3为立即致死区。故本文取360 mg/m3、1 390 mg/m3和3 500 mg/m3作为观测对象。

2.2.4 模拟过程

在以上模拟条件的基础上，采用高斯烟羽模型，使用MATLAB软件进行编程，先进行泄漏速率、扩散范围的数值计算，然后模拟液氨泄漏导致人员轻伤、重伤、死亡的区域范围。主要分析了距地面1.5 m(正常人口鼻距离地面的平均高度)，白天(大气稳定度为A)、夜间(大气稳定度为D)及静风(0.1 m/s)、平均风速(1.93 m/s)、最大风速(15.3 m/s)的等浓度曲线，MATLAB分析结果见图1。

图1 不同条件下液氨泄漏危险区域等浓度图

2.3 蒸气云爆炸模拟

2.3.1 爆炸介质TNT当量计算

计算公式如下：

WTNT=(1.8αWHC)/QTNT

式中：WTNT—爆炸介质的TNT当量，kg；

α—爆炸系数，取0.04；

W—爆炸介质的质量，kg；

HC—爆炸介质的燃烧热，kJ/kg；

QTNT—TNT的爆炸热，kJ/kg，QTNT=4.52×103kJ/kg。

2.3.2 爆炸后危害程度分析

若储罐内的液氨全部泄漏并发生蒸气云爆炸[6]，其危险性可以通过计冲击波造成的死亡半径、重伤半径和轻伤半径来计算，公式如下：

(1)死亡区域：外径为R0.5，死亡半径与爆炸量间的关系如下：

(2)重伤区域：内径即死亡半径R0.5，外径为Rd0.5。在这种情况下，重伤半径可以用以下公式进行计算：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(3)轻伤区域：内径则是重伤半径Rd0.5，外径为Rd0.01，轻伤半径可用以下公式进行计算：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

用MATLAB软件计算得到：WTNT=10 445.4 kg；死亡半径R0.5=32.4 m，重伤半径Rd0.5=84.4 m，轻伤半径Rd0.01=151.7 m。

3 结论

本文以某钼化工企业液氨储罐作为模拟对象，使用MATLAB软件进行泄漏扩散和蒸气云爆炸模拟分析。一方面模拟了气相连续扩散过程，划分其泄漏扩散造成的危险区域，并对不同大气稳定度、不同风速的扩散情况进行了对比。另一方面模拟了单个储罐全部泄漏发生蒸气云爆炸，计算了伤亡半径。通过分析可以得到以下结论：

(1)白天和夜间的日照差异造成大气稳定度不同，在风速和泄漏速率相同的情况下，夜间较白天，泄漏扩散所造成的致死区、重伤区、轻伤区面积更大。

(2)空气流动速度增加导致大气趋向稳定，有效减小泄漏源的扩散面积，因此当风速增大时，对于同一泄漏源强和相同大气稳定度，其泄漏扩散所造成的危险区域面积变小。

(3)单个液氨储罐内的液氨全部泄漏，发生蒸气云爆炸：死亡半径R0.5=32.4 m，重伤半径：Rd0.5=84.4 m，轻伤半径：Rd0.01=151.7 m。

(4)通过以上分析，形象、直观模拟了储罐事故状态下的危险区域，MATLAB模拟结果可以为事故状态下企业、政府的应急救援和组织人员疏散提供参考数据，能够更好地指导钼化工企业做好重大危险源的安全管理工作。

[1] 中华人民共和国卫生部.GBZ1 2002 工业企业设计卫生标准[S].2010.

[2] 王丹,赵江平,刘冬华,等.基于高斯模型的液氨储罐泄漏扩散仿真分析[J].环境工程,2016, 34(7):140-144.

[3] 刘新星,刘忠熳.液氨泄漏事故的污染扩散模拟研究[J].黑龙江水利科技,2014(12):34-36.

[4] 刘茂.事故风险分析理论与方法[M].北京大学出版社:2015:5.

[5] HJ/2. 2-2011 环境影响评价技术导则—大气环境[S].[6] 吕奎.液化石油气储罐爆炸模拟与应急决策研究[D].中国地质大学(武汉)，2012.

更正声明

本刊2017年第1期第56页，徐爱华、高海亮撰写的“2016年全球钼市场回顾及后市展望”一文中的图1和图2内容有误，现更正如下，特向本文作者和广大读者致歉！

RESEARCH ON DANGEROUS AREA OF THE LEAKAGE AND EXPLOSION FROM LIQUID AMMONIA TANK OF MOLYBDENUM CHEMICAL ENTERPRISES BASED ON MATLAB

PAN Dong1，2，ZHAO Jiang-ping1

(1.College of Materials & Mineral Resources, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, Shaanxi,China)(2. Chemistry Branch, Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Weinan 714000, Shaanxi, China)

Liquid ammonia tank is the key point of safety management in molybdenum chemical enterprises. Using the MATLAB software， the Gaussian plume model and Vapor cloud explosion model, the liquid ammonia leakage and diffusion effect factors and explosion process were studied and diffusion of liquid ammonia poisoning dangerous area and explosion damage dangerous area were determined.

liquid ammonia; Gaussian plume model; vapor cloud explosion model; dangerous zone