氯气泄漏事故三种模型的定量模拟分析南通其昌镍矿精选有限公司何咏昆【关键词】：氯气泄漏三种模型定量模拟分析【内容提要】：本文针对化工企业实际情况，对氯气泄漏的三种模型，提出重气扩散简化的定量模拟分析方法，得出：液氯泄漏情况会比较严重；而气体氯气泄漏，其速度往往是比较慢的。
但它们都是泄漏时间的函数，毒害范围将随着时间的延误而不断扩大。
在发生氯气泄漏时，我们指挥人员首先应搞清楚是什么类型的泄漏源，然后按照应急程序组织止漏，组织人员撤离。
在防止泄漏方面，我们更应预先做好液氯泄漏应急器材、用品的准备，以便在发生泄漏时，有条不紊的开展施救工作。
1 问题的提出：《危险化学品建设项目安全评价细则（试行）》（安监总危化[2007]255）的颁布实施，对危险化学品建设项目安全评价的风险定量分析提出了更高的要求，建立合理的泄漏模型，科学准确的定量计算，对指导化学事故进行紧急救援，显得十分重要。
在化工企业中，使用氯气的形式，不外于两种，即使用压力钢瓶，或直接使用低压输送的氯气管道。
根据这一情况，可能发生的氯气泄漏模型有三种：（1）、压力钢瓶的液氯泄漏；（2）、压力钢瓶的气氯泄漏；（3）、低压管道输送的气氯泄漏。
本文就氯气泄漏事故的最常见的三种后果模型进行分析，与同行商榷。
2 泄漏模型的简化与建立：由于氯气的密度比空气重得多，通常为2.48倍，在泄漏时间少于30分钟的情况下，其系统可近似作为“稳定泄漏源”。
以喷射状泄漏出来的氯气，无论是气态或液态，很快会在地面成为“黄绿色”烟雾，这些烟雾在空气中属于“重气扩散”。
其扩散程度会受到大气风力、风速、云量、云状和日照等天气资料的影响，国内外学者建立了多种“模型”，最著名的有Pasqyull-Gifford模型和Britter&McQcauid模型。
假设的条件很多，计算的方式也很复杂。
但无论采用哪一种模型均有很大的“时效性”。
如氯气泄漏，开始适用Britter&McQcauid 模型，然后经空气充分稀释以后，通常的大气湍流超过了重力的影响，占支配地位，典型的高斯扩散特征便显示出来，此时则更符合“高斯扩散模型”。
鉴于上述原理，我们有理由对氯气泄漏模型采用简化形式，以满足安全评价工作的需要。
本文采用“蘑菇顶扩散模型”，即考虑了“重气扩散”。
当氯气发生泄漏后，假设地面无风，不考虑天气因素，而且向地面扩散的速度大于向上扩散的速度，即Vx=1/2Vy ，Vg 为泄漏液氯的体积，浓度为c ，则扩散形成半径R 的计算公式为：3.3cVgR π=………………………………………………① R′ 向上扩散3 三种模型的模拟计算 3.1 压力钢瓶的液氯泄漏3.1.1伯努利方程计算液氯泄漏流速假设液氯钢瓶发生易熔塞泄漏，瓶内压力为P=1,100,000(Pa)，大气压为P 0 =100,000Pa ，环境温度为25℃，易熔塞泄漏点面积A=(0.006/2)2×3.14=2.826×10-5 (m 2)。
在无风条件下，泄漏的液氯在环境温度和自身过热状态下快速气化，并成“蘑菇顶型”扩散。
此时，液氯可使用伯努利方程计算泄漏流速：gh P P A C d 2)(200+-=ρρω ……………………………………②式中：ω0—液氯的泄漏流速kg/s ；查资料得C d =0.65；A=(0.006/2)2×3.14=2.826×10-5 (m 2)； 液氯ρ=1470(kg/m 3 ) ； P=1,100,000(Pa)；P 0 =100,000Pa ；为了计算方便 2gh ＝0考虑；那么：)/(996.001470100000)-(1100000214705-102.8260.652)(200s kg ghP P A C d =+⨯⨯⨯⨯=+-=ρρω则，泄漏量与时间的函数表达式：Q=f （t ）=ω0 t =0.996 t (kg) …………………………………③ 体积泄漏量与时间的函数关系泄漏后液氯一部分直接汽化，一部分吸收空气中的热量进行气化；氯气的分子量为70.9，则在沸点-34℃时蒸发蒸气的体积Vg （m 3）为：t t t 275.0273342739.704.22273273M W 22.4Vg 00=-⨯⨯=+⨯⨯=ω（m 3） 则，体积泄漏量与时间的函数表达式：Vg =f v （t ）=0.275 t （m 3） …………………………………④ 3.1.2液氯泄漏伤害范围的计算： 查资料得氯气的危险浓度取值，见表1：表1 氯气的危险浓度由此可写出该模型的致死半径和致病半径：3319467.6/6707.0t c t R ==死…………………………………⑤ 3237088.24/6707.0t c t R ==病 ………………………………⑥ 依据表1中浓度取值，按⑤、⑥式即可计算出伤害范围（半径R ）与泄漏时间t 的关系，列成表2（未考虑风速、风向及扩散速度因素）：表2 压力钢瓶液氯泄漏时间与中毒致死半径对照表3.2 压力钢瓶的气体氯气泄漏 3.2.1判定泄漏速度：在实际使用时，许多企业由于工艺需要，均是直接使用气氯进行氯化，因此，当卧放的压力钢瓶发生上侧易熔塞泄漏时，泄漏的物质为“气体氯气”，根据气体泄漏模型，符合如下等式成立时，该泄漏为超音速流动：1012-⎪⎭⎫⎝⎛+≤k k k p p …………………………………………⑦查资料得：氯气的绝热指数k=1.35，经计算⑦式成立，（0.091＜0.537)。
所以，本模型为“超音速液氯泄漏”。
3.2.2建立泄漏量与时间的函数关系 （1）计算泄漏流速超音速泄漏，可按下式计算：)/(301.235.22298341.835.19.70101.110826.265.0)12(35.035.265110s g k RT Mk ApC k k d =⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=--+ω则，泄漏量与时间的函数表达式：Q=f （t ）=ω0 t =2.301t (g) …………………………………⑧ （2）体积泄漏量与时间的函数关系常温常压下，近视取氯气密度ρ=3.2kg/m 3，于是体积流量ω体可表示为： ω体 =2.301 / 3.2=0.721（升/s ）。
则，体积泄漏量与时间的函数表达式：Vg =f v （t ）=ω体t =0.721×10-3 t （m 3）……………………………⑨ 3.2.3伤害范围的计算：同样，假设泄漏的氯气，向上扩散的速度是地面的50％，浓度为c ，则扩散半径公式为：33333/0883.0/000688.0.10721.03.3c t c t ct c Vg R ==⨯⨯==-ππ……………○10由此可写出该模型的致死半径和致病半径：3319146.0/0883.0t c t R ==死……………………………………○11332253.3/0883.0t c t R ==病…………………………………○12 依据表1中浓度取值，按○11、○12式即可计算出伤害范围（半径R ）与泄漏时间t 的关系，列成表3（未考虑风速及风向因素）：表3 压力钢瓶气氯泄漏时间与中毒致死半径对照表3.3氯气管道的泄漏 3.3.1泄漏模型某企业氯化工段，使用管道氯气，管道中压力为0.015MPa （表压0.5kg/cm 2），温度为298K （25℃），管道为Ф25mm 的圆管，发生断开，裂口呈圆形，面积设为4.9×10-4（m 2），假定压力气体通常以射流的方式泄漏，在无风条件下，沉降到地面，然后成“蘑菇顶状”向四周扩散。
查得，氯气的绝热指数K=1.35，P 0=100,000Pa ，P=150,000 Pa ，P 0/ P= 100,000÷150,000=0.67112-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+k kk =[2/(1+1.35)]1.35/(1.35-1) =0.530.67＞0.53计算符合1012-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+>k kk p p 式，即气体泄漏时呈亚音速流动。
3.3.2模拟计算各数据取值：C d =1.0；A=4.9×10-4m 2；P=150000 Pa ；M=70.9；k=1.35；t=298k ；R=8.314 J mol -1K -1；按Y=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+K K KK K P P P P K K 10201112111 式求得气体膨胀因子Y=0.68。
（1） 建立泄漏量与时间的函数关系11012-+⎪⎭⎫⎝⎛+=k k d k RT Mk APYC ω=0.68×1.0×4.9×10-4×1.5×10535.035.235.22298314.835.19.70⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=5.72 ( g/s)则，泄漏量与时间的函数表达式：Q=f （t ）=ω0 t =5.72 t (g) …………………………………○13 （2）体积泄漏量与时间的函数关系常温常压下，近视取氯气密度ρ=3.2kg/m 3，于是体积流量ω体可表示为： ω体 =5.72 / 3.2=1.78×10-3（m 3/s ）。
则，体积泄漏量与时间的函数表达式：Vg =f v （t ）=ω体t =1.78×10-3 t （m 3）……………………………○14 （3）伤害范围的计算：同样，假设泄漏的氯气，向上扩散的速度是地面的50％，浓度为c ，则扩散半径公式为：3333-33/119.0/107.1.101.783.3c t c t ct c Vg R =⨯=⨯⨯==-ππ………………○15由此可写出该模型的致死半径和致病半径：33123.1/119.0t c t R ==死 ……………………………………○1633238.4/119.0t c t R ==病……………………………………○17 依据表1中浓度取值，按○16、○17式即可计算出伤害范围（半径R ）与泄漏时间t 的关系，列成表4（未考虑风速及风向因素）：表4 管道氯气泄漏时间与中毒致死半径对照表4 讨论与结束语 （1）讨论：上述计算是我们多种假设条件下的结果，但实际上，无风的假设是很难成立的，所以一旦有风，模型就不实用了。
在有风的条件下其扩散模型示意如下：如地面上为连续稳态源态烟羽，风向沿X 轴，风速恒定为u ，则模型方程为：这一模型，为我们在发生氯气泄漏时，如何施救具有方向性的指导意义。
（2）结束语：通过以上的模拟分析，我们可以看出：液氯泄漏情况会比较严重；而气体氯气泄漏，其速度往往是比较慢的。
但它们都是泄漏时间的函数，毒害范围将随着时间的延误而不断扩大。