輕苯罐車泄漏大氣擴散模擬分析和探討

俞勇

（杭州鋼鐵集團公司安全環保處 浙江 杭州 310022）

0 前言

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

1 苯（輕苯）的理化性質

苯在常溫下是一種無色透明、帶有芳香味的液體。常壓下，沸點為80.1℃，閃點為10～12℃，燃點為562.2℃。苯易揮發易燃，屬于3.2類中閃點易燃液體，其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，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。苯具有毒性，可經呼吸道和消化道吸收，吸入高濃度苯后對中樞神經有麻醉作用，引起急性中毒；長期接觸苯對造血系統有損害，引起白細胞和血小板減少，重者導致再生障礙性貧血，可引起白血病；皮膚接觸苯會產生脫脂、干燥、皸裂和皮炎損害。

2 泄漏事故情景分析

某焦化廠運輸輕苯的罐車型號為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，罐體充裝系數取80%。假定輕苯在裝卸站裝車完成后，罐體因結構失效發生破裂，產生裂縫，造成罐體中的輕苯連續發生泄漏。泄漏裂縫為有限孔泄漏，不發生擴展，面積A=0.002m2，泄漏發生在白天，日照強度為中等，風速為2m/s,環境溫度為26.1℃，大氣壓為1.01×105Pa，大氣穩定度為D類。

3 泄漏源強的確定

輕苯泄漏速率可根據流體力學中的柏努力方程計算，當裂口不規則時，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；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。

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

經過計算，確定此時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形成液池，經液池表面氣流運動使苯液體蒸發。設輕苯在地面上形成半徑10m的圓形液池。苯的質量蒸發速率可按式⑵計算，確定輕苯向大氣中的釋放蒸發速率為0.26千克/秒。：

式中:Q為質量蒸發速度，kg/s；u為平均風速，m/s；p為液體表面蒸汽壓，Pa；R為氣體常數，J/mol·K；T0為環境溫度，K；r為液池半徑，m；α，n為大氣穩定度系數。

4 擴散模型

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

基于以上假設，可建立輕苯重氣云羽擴散坐標系，如圖1所示。 x、y軸確定水平面，x軸的方向為風速的方向，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，矩形移動的速度為風速，并沿x軸正向移動。

圖1 輕苯重氣云羽擴散坐標系

在輕苯重氣云羽的擴散過程中，下風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向距離間的關系由下式確定：

任意下風向重氣云羽中危險物質濃度的計算公式為：

式中:b為重氣云羽的橫風向半寬，m；b0為泄露源點重氣云羽的橫風向半寬，m；h0為泄露源點重氣云羽高度，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。

5 計算結果分析

5.1 評價標準

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

表1 苯不同濃度閥值對人體的急性危害

5.1.2 苯的職業接觸標準

苯在空氣中的職業健康接觸限制濃度見表2所示。

表2 苯在工作場所的職業接觸限值

經過計算，輕苯罐車泄漏事故下風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，在泄露事故下風向，存在人體苯中毒的可能性。引起人體嚴重中毒、一般中毒、身體不適，即苯濃度分別達到4800mg/m3,1600mg/m3,160mg/m3的下風向影響半徑為31m、94m和507m。按照工作場所短時間職業接觸濃度限值，事故下風向最遠影響半徑則達到了2829m。由于模擬過程中假設泄漏源周圍地勢平坦，因此模擬結果得出的輕苯濃度影響范圍偏大，但這對于指導今后的輕苯緊急泄漏事故應急處理方案是有益的。

根據輕苯下風向影響半徑，對輕苯云團的地面危害面積進行計算。

L為毒氣云的初始直徑，km；x為危害影響半徑，km。

根據各危害影響半徑的x點，計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

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

圖2 輕苯擴散覆蓋圖

圖2中x軸正方向為風向，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域范圍。在泄漏事故發生后，區域內沒有穿戴安全防護用品的人員，必須迅速撤離該區域。大圓陰影代表的區域范圍中，空氣中苯的濃度超過了《工作場所有害因素職業接觸限值化學有害因素》（GBZ2.1-2007）規定的短時間接觸濃度10mg/m3（15min），應根據應急監測結果，組織專業人員對該區域的人員指導緊急撤離和疏散。

6 結論

本文首先建立了輕苯事故性泄漏和擴散模型，運用數學方法進行模擬，對可能發生的輕苯泄漏事故擴散范圍進行了預測和分析，并繪制了簡明擴散示意圖。預測結果基本能夠客觀的反映出輕苯泄漏擴散范圍的趨勢和范圍，可為輕苯罐車泄漏事故應急救援提供緊急決策依據和技術參考。但數學分析僅建立在理想狀態的基礎上，實際泄漏事故的輕苯擴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，其擴散趨勢和范圍還需進一步研究。

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