液氯鋼瓶泄漏擴散模型簡化及定量分析

摘要 液氯泄漏是常見的化學事故之一。通過對氯氣的理化性質、危險特性和泄漏簡化模型分析，估算氯氣泄漏的擴散半徑。同時以擴散半徑作參考，為氯氣泄漏事故應急處理提供技術支持。

關鍵詞 液氯 泄漏 擴散

0 引言

氯氣是我國化學事故發生率較高的危險化學品之一，氯氣泄漏事故往往會導致眾多人員中毒或死亡，不僅給公眾的生命健康和環境造成非常嚴重的影響，給人民的生命財產造成了損失，而且也給搶險救援工作帶來極大的困難。其重要原因之一就是人們對氯氣泄漏擴散規律不甚了解，尤其是氯氣泄漏擴散后中毒傷害范圍的變化、安全警戒疏散距離的確定等信息不能及時獲得，從而延誤了中毒區域內人員的最佳救援時機。本文對液氯泄漏擴散規律進行風險分析。采用簡化模型對液氯泄漏擴散進行定量分析，估算出泄漏氣體擴散的傷亡半徑，從而為現場警戒、人員緊急疏散，以及采取必要的補救措施提供科學的依據，有助于指導企業在發生液氯泄漏事故后，及時了解氯氣的擴散范圍，指導遇險人員正確逃生，避免因吸入氯氣而中毒或窒息，減少傷亡事故的發生。

1 氯氣的理化性質

氯氣屬于《危險化學品名錄（2002年版）》中的2.3類有毒氣體、《危險貨物品名表》（GB12268-2005）中的危險物質、《劇毒化學品目錄（2002年版）》中的劇毒品、《高毒物品目錄（2003年版）》的高毒品及首批重點監管的危險化學品。氯氣在室溫下為黃綠色氣體，危害主要表現為毒性危害、腐蝕性危害、燃爆性危害和環境危害，其中毒性危害是氯氣的首要危害。其部分理化性質及毒性指標見表1。

2 泄漏模型的簡化與建立

氯氣泄漏的形式主要有三類：壓力鋼瓶或儲罐的液氯泄漏、壓力鋼瓶的氣氯泄漏和氯氣管道泄漏。其中以壓力鋼瓶或儲罐液氯泄漏的后果最為嚴重，危害最大。

液氯泄漏時，部分液氯立即閃蒸為氣體擴散，一些未立即閃蒸的液氯液滴也被帶走，未被帶走的部分液滴形成液池，等吸收外界的熱量后蒸發為氯氣擴散。由于氯氣的密度比空氣重，相對密度為2.48，在泄漏時間少于30分鐘的情況下，其系統可近似認為穩定泄漏源。以噴射狀泄漏出來的氯氣，無論是氣態或液態，會很快在地面成為黃綠色煙霧。這些煙霧在空氣中屬于重氣擴散，其擴散程度會受到大氣風力、風速、云量、云狀和日照等天氣狀況的影響。國內外學者建立了多種模型，最著名的有Pasqyull-Gifford模型和BritterMcQ-cauid模型，假設的條件很多，計算的方式也很復雜。但無論采用哪一種模型均有很大的時效性。如氯氣泄漏，開始適用BritterMcQcauid模型，然后經空氣充分稀釋以后，通常的大氣湍流超過了重力的影響，典型的高斯擴散特征便顯示出來，此時則更符合高斯擴散模型。

太復雜的模型在實際處理事故中并不實用。實際工作中，一旦遇到氯氣泄漏，比較有用的數據是確定隔離半徑和疏散范圍。因此，我們可以對氯氣泄漏模型進行簡化，以滿足安全生產及安全評價工作的需要。本文采用“球缺型擴散模型”，即考慮了重氣重力的影響，而暫時忽略了天氣的影響。

當氯氣發生泄漏后，假設地面無風，不考慮天氣因素，氯氣在地面上向四周擴散。重氣受重力影響，向地面擴散的速度將大于向上擴散的速度，如圖1所示。

設定R=2R′，V為含氯氣的有毒空氣體積，則擴散形成半徑R的計算公式為：

R=（48V/13π）^1/3………………①

式①是根據球缺體積公式V=πh²（r-h/3）推導出，過程略去。

3 擴散事故模擬計算

假設有一個液氯鋼瓶發生泄漏。氯的質量為W（kg）。這時瓶內壓力降至大氣壓，處于過熱狀態的液氯溫度迅速降至標準狀態下的沸點t₀=-34.5℃。取鋼瓶破裂前容器內介質的溫度t=20℃，液氯平均比熱C^p=0.96kJ/（kg·℃），平均汽化熱q=289kJ/kg。則其蒸發量W′為：

W′=WC^p（t-t₀）/q…………②

氯的分子量M=71，則蒸發后產生的蒸氣體積Vg（m³）為：

Vg=（22.4W′/M）[（273+t₀）/273]………………………③

氯在空氣中的濃度C′=0.09%時，人吸入5～10min即致死，則Vg（m³）的氯氣可以產生的令人致死的有毒空氣體積V（m³）為：

V=Vg/C′……………………④

根據公式①②③④，得到計算過程如下：

一個含1t液氯的鋼瓶破裂時，液氯的蒸發量：

W′=WC^p（t-_o）/q=1000×0.96×[20-（-34.5）]÷289=181.038kg

蒸發后產生的蒸氣體積Vg為：

Vg=（22.4W′/M）[（273+t₀）/273]=（22.4×181.038÷71）[273+（-34.5）]÷273=49.898m³

則Vg（m³）的氯氣可以產生的令人在5～10min內致死的有毒空氣體積V₁為：

V₁=Vg/C₁′=49.898/0.09%=55442.479m³

吸入5～10min的致死擴散半徑為：

R₁=（48V₁/13π）^1/3=（48×55442.479÷3.1416÷13）^1/3=40.24≈40m

即1t液氯鋼瓶破裂時以鋼瓶所在位置為源點，半徑約40m的半球形區域內的人員如果沒有及時疏散或采取防護措施，將在5～10min內死亡。

同理可以計算出，吸入0.5～1h致死的擴散半徑和吸入0.5～1h致重病的擴散半徑：

V₂=Vg/C₂′=49.898/0.0035%=1425657.143m³

R₂=（48V₂/13π）^1/3=（48×1425657.143÷3.1416÷13）^1/3=118.77≈119m

V₃=Vg/C₃′=49.898/0.0014%=3564142.857m³

R₃=（48V₃/13π）^1/3=（48×3564142.857÷3.1416÷13）^1/3=161.20≈161m

于是可以整理出1噸液氯鋼瓶泄漏擴散的影響半徑，如表2所示。

4 討論

（1）以上擴散分析是在靜風狀態下得出的大致數據。而在實際上，風速一般是存在的，風速的存在將對處于下風側的員工或居民造成更廣的影響。

（2）如果考慮被閃蒸氯氣一起帶走的液氯液滴，液氯液滴會在擴散中不斷的氣化。情況將更嚴重。

（3）隨著時間的進展，如果形成的液氯液池未得到及時處理，將繼續吸收周圍的熱量后形成氯氣擴散到空氣中，危害情況將持續。

（4）如果發生1t液氯鋼瓶泄漏，隔離距離至少要160m。夜間或處于下風側的位置要隔離得更遠點。

5 結束語

通過以上的模擬分析，我們可以看出：1t液氯泄漏造成的傷亡范圍比較大。企業應做好預防工作，如設置氯氣泄漏報警儀、配備漏氯自動吸收裝置等，盡量達到本質安全的效果。同時也要嚴格按照《生產經營單位安全生產事故應急預案編制導則》（AQ/T9002-2006）的要求，制定操作性強的應急救援預案，并適時進行預案的演練。在生產實踐中，一旦發生氯氣泄漏，要有統一的指揮領導，制定緊急隔離距離，封鎖現場，處理事故源，及時做好周圍人員及居民的緊急疏散工作。

（編輯/黃征）