氯气泄漏扩散计算模拟
氯气扩散影响因素的数值模拟
不变 ， 氯气的扩散是 关 于 ｚ 则 面 对 称 的 ， 此 只 需 考 虑 因
一
半 的 计 算 区域 ， 而 可 以减 少 模 拟 时 问 。选 取 计 算 区 从
重气 在边 界 层 中 的 传送 和 扩 散 过 程 都 是 通 过 湍 流 输
送 来 实现 的 。 由 于 低 层 大 气 中 的 风 速 比声 速 小 得 多 ， 可
蔷 ＋ 一 ＋ ｃ ＋ ＋ ｃ ｃ 一
（ Ｐ“ Ｍ ） ｐ 一 ＋ ｇ （ ２
式 中 为 、 ２三 个 坐 标 方 向 的 速 度 ， ｓ 毋 为 重 力 、 ｍ／ ； 加 速度 ， ／ ； 混 合 气 体 密 度 ， ｇ ｍ： 户为 绝 对 压 力 ， ｍ。 ｓｐ为 ｋ／ ；
域 为 ６ ０ ｍ× ７ ０ ５ ｍ×５ 将 泄 漏 源 假 定 为 一 个 １ ． ｎ ０ ｍ， ２ ４ ｒ ×１ ． ｎ ３ｍ 的 长 方 体 ， 标 为 （ ０， ） 将 大 小 为 ９ ２ ４ｒ ×１ 坐 ０， ０ ，
以 把 空气 中质 点 的 平 均 运 动 看 作 不 可 压 缩 流 体 的 运 动 ，
（） ５
关 键 词 ： 气扩 散 ；数 值 模 拟 ；泄 漏 速 率 氯
中图分类号 ： １． Ｘ９ ３ ４，ＴＱ １ ４ ４ ２ ． 文献标志码 ： Ａ
式 中 ： 应 的 Ｐ ａ ｄｌ ， 般 取 值 一 １ ０ 一 １ ３ 对 ｒｎ ｔ数 一 ．； ．；
表 示 由 层 流 速 度 梯 度 产 生 的 湍 流 动 能 ， 一 Ｓ （ 。 Ｓ一
消防理论研究＿ ＿
氯 气 扩 散 影 响 因 素 的数 值 模 拟
岳 士 凯 ，杨 以 湖 ，王 ｔ华 （ 安 市消 防 支队 ， 苏 淮安 ２ １０ ） 淮 江 １ ６ ０
箱模型中的重气云团盒子模型作为氯气扩散
液氯泄漏事故定量分析评价氯气中毒事件时有发生，威胁着人们的生命与财产安全。
从以往的事故案例中可以看出，发生氯气泄漏所涉及的主要方面有：疏散任务紧急、人数多、距离远，事故应急救援牵扯部门多，给毒害区域人们生活带来影响恶劣，造成的环境破坏和财产损失大。
现对项目的生产、储存单元中的氯钢瓶泄漏事故进行模拟，定量分析其对周围企业、村庄的影响。
根据事故发生泄漏的特点，选用箱模型中的重气云团盒子模型作为氯气扩散过程模拟模型。
一、初始状态的确定初始状态参数包括：（1）物质进入云团蒸气质量；（2）重气云团初始体积（包括泄漏物质体积和重气云团夹带的干空气、水蒸气体积），利用重气云团中夹带的水蒸气、空气的质量及其密度算出体积；（3）重气云团初始密度和泄漏物质在重气云团中的初始浓度计算过程如下图所示。
重气云团瞬时泄漏初始状态参数计算流程1．泄漏蒸气物质氯质量计算F vap＜0.2时按下式计算m=5F vap G式中，m——泄漏物质氯进入云团的蒸气质量，kg；G——物质储存质量，取值为1000kg；F vap——闪蒸率，经计算取值0.189。
2.云团总质量计算云团的总重量由云团泄漏物质氯总量（气、液）和初始夹带的空气总量（含水蒸气）构成。
（1）空气总量计算m airo＝am F vap式中，m airo——初始重气云团中的空气质量，kg；a ——初始重气云团中泄漏物质气态含量与夹带空气质量的关系系数，泄漏物质为氯时，取值为5.5。
（2）水蒸气含量计算m wo＝m airo K wK w ＝ρw/ρaHR/100exp（14.4144－5328/ T a）式中，m wo——初始重气云团中的水蒸气量，kg；Kw——与温度、相对湿度有关的系数；ρw——水蒸气密度，kg/m3；ρa——空气密度，kg/m3；HR——相对湿度，％；Ta——气温，K。
（3）干空气质量计算m airdo＝m airo－m wo式中，m airdo——初始重气云团中干空气质量，kg；3．初始体积计算V airdo＝0.082×T o×m airdo/ m aV wo＝0.082×T o×m wo/ m w，T o≥273KρcwV co＝0.0 82×T o×m co×F vap/ m c+(1- F vap) m co/ρcw 式中，V airdo——干燥空气体积，m3；V wo——水蒸气体积，m3；V co ——泄漏物质体积，m3；m c 、mwo、ma——分别为泄漏物质液氯、水蒸气、空气的分子量；To、F vap——云团的初始温度（K）和闪蒸率；ρcw ——泄漏物质的液态密度，kg/m3，取值为1.40×103 kg/m3。
事故后果模拟计算
事故后果模拟中毒有毒物质泄漏后生成有毒蒸气云，它在空气中飘移、扩散，直接影响现场人员，并可能波及居民区。
大量剧毒物质泄漏可能带来严重的人员伤亡和环境污染。
毒物对人员的危害程度取决于毒物的性质、毒物的浓度和人员与毒物接触时间等因素。
有毒物质泄漏初期，其毒气形成气团密集在泄漏源周围，随后由于环境温度、地形、风力和湍流等影响气团飘移、扩散，扩散范围变大，浓度减小。
在后果分析中，往往不考虑毒物泄漏的初期情况，即工厂范围内的现场情况，主要计算毒气气团在空气中飘移、扩散的范围、浓度、接触毒物的人数等。
有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算液化介质在容器破裂时会发生蒸气爆炸。
当液化介质为有毒物质，如液氯、液氨、二氧化硫、硫化氢、氢氰酸等，爆炸后若不燃烧，会造成大面积的毒害区域。
设有毒液化气体质量为W(单位：kg)，容器破裂前器内介质温度为t(单位：℃)，液体介质比热为C[单位：kJ／(kg·℃)。
当容器破裂时，器内压力降至大气压，处于过热状态的液化气温度迅速降至标准沸点t0(单位：℃)，此时全部液体所放出的热量为：Q=W·C(t—t0)设这些热量全部用于器内液体的蒸发，如它的气化热为g(单位：kJ／kg)，则其蒸发量：q t t C W q Q W )(0-⋅=='如介质的分子量为M ，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg(单位：m 3)为：273273)(4.222732734.22000t M t t C W t M W V q g +⋅-⋅=+⋅=为便于计算，现将压力容器最常用的液氨、液氯、氢氰酸等的有关物理化学性能列于表2-3中。
关于一些有毒气体的危险浓度见表2-4。
若已知某种有毒物质的危险浓度，则可求出其危险浓度下的有毒空气体积。
如二氧化硫在空气中的浓度达到0．05％时，人吸入5～10min 即致死，则Vg 的二氧化硫可以产生令人致死的有毒空气体积为：V=Vg ×100／0．05=2000 Vg 。
液氯钢瓶泄露中毒事故后果模拟分析
1、液氯钢瓶泄漏中毒事故后果模拟 1）液氯钢瓶泄漏计算。
氯的分子量为71；沸点为-34℃；液体平均比热0.96kJ/kg ·℃-1；汽化热289kJ/kg ；取当地年平均气温13.5℃。
假设一个液氯钢瓶发生爆炸，则在瞬间泄漏在空气中的有毒物质量约为W=1000kg （以一个液氯钢瓶容量计），假如泄漏后液氯全部气化，则在沸点下一个液氯钢瓶全部泄漏后蒸发蒸气的体积Vg(m 3)为：Vg ＝273273)(4.2200t q M t t C W +∙∙-∙ ＝()()()2733427328971342596.010004.22-+∙⨯--⨯⨯≈54.1（m 3）式中：w 一介质重量，kg ，取最大质量1000kg 。
t ：容器破裂前介质温度，℃，25℃C ：介质比热，kJ/(kg ·℃），0.96kJ/(kg ·℃） t o ：介质标准沸点，℃，-34℃ q ：介质汽化热，kJ/kg ，289kJ/kg M ：介质分子量，71查表得到氯气在空气中的浓度达到0.09%，人吸入5-10min 即致死，则Vg(m 3)的氯气可以产生令人致死的有毒空气体积为： V = V g÷0.09%=1111Vg(m 3)则一个液氯钢瓶在5-10min 使人致死的有毒气体扩散半径为：R 瓶 ={V/[(1/2)×4π/3]}1/3 ={1111×54.1/2.0944}1/3 ≈30.62（m ）如果泄漏的氯气不能得到及时处理,人员可能造成0.5-1.0h 的吸入，查表知,人吸入0.5-1.0h 致死浓度为0.0035-0.005%,取0.005%计算,则有毒气体体积为:V= V g÷0.005%=20000Vg(m3)则一个液氯钢瓶在0.5-1.0h内使人致死的有毒气体扩散半径为：R瓶={V/[(1/2)×4π/3]}1/3 ={20000×54.1/2.0944}1/3≈80.2（m）人吸入0.5-1.0h致重病的浓度为0.0014-0.0021%,取0.0014%计算,则有毒气体体积为:V= V g÷0.0014%=71428.6Vg(m3)则一个液氯钢瓶在0.5-1.0h内致人重病的有毒气体扩散半径为：R ={V/[(1/2)×4π/3]}1/3 ={71428.6×54.1/2.0944}1/3≈122.7（m）通过上述氯气泄漏区域计算可知，1000kg液氯钢瓶泄漏后，毒气的扩散半径及对人的伤害半径见下表。
化工厂火灾-泄漏耦合作用下氯气扩散的数值模拟
Abstract: The paper makes a numerical simulation of the diffusion of chlorine gas leakage in a chemical plant under chlorine gas leakage,fire and fire-leakage coupling conditions by Fire dynamic simulator (FDS) to investigate gas diffusion properties. The paper investigates effects of parameters, including fire power and leakage rate»on the distribution o£ temperature and chlorine concentration・ The results show that under the leak condition,the chlorine gas diffuses downwind rapidly along the ground mainly under the action of the wind. Under fire conditions, the temperature in the workshop is mainly reduced with the increase of the distance centering on the fire source. Under the fire-leakage coupling, the leakage of chlorine gas and the temperature field of the fire will change significantly. On one hand,the high temperature and hot air flow caused by the fire will lead a part of chlorine gas around the fire source to spread upward near the fire source・ And the fire show certain blocking effect on the diffusion of chlorine gas. It will slow the spread of chlorine to the outlet. On the other hand? the leaked chlorine gas absorbs a part of the heat in the air to lower the temperature near the leak. The simulation results can provide some reference for the division of dangerous areas and the rescue・ Key words: chemical plant ； fire-leakage coupling ； chlorine gas diffusion ； numerical simulation
液氯泄漏事故预测、模拟计算分析
液氯泄漏事故预测、模拟计算分析
不属于以上四种原因之一。
从以上统计可以看出，泄漏事故的发生主要是因为设备等产品的质量不过关，职工不按操作规程进行操作和安全生产意识不强等主要原因造成的。
针对这些原因，有关部门应加强产品质量的检查和验收，积极开展安全生产及岗位操作技能教育，真正做到岗前培训，持证上岗。
3）液氯泄漏的模拟计算
（1）气体泄漏量
钢瓶内的液氯总量为500kg，如果钢瓶受热超压、受损破裂，液体将迅速气化。
如果泄漏不能及时发现，最大泄漏量为钢瓶内液化气体量即500kg。
（2）液体挥发后的总体积
液氨泄漏将全部挥发，其挥发后的总体积可以用下面的公式计算：
V—挥发后的总体积，m3；
m—液体质量，kg；
M—气体的摩尔质量，kg /mol（液氯为0.071kg/mol）。
泄漏出的液氯全部挥发后的总体积为：
（4）最大中毒扩散体积
根据有毒气体的危险浓度液氯吸入5～10min致死的浓度为0.09%（v/v），吸入0.5～1h致死的浓度为0.0035～0.005%（v/v），吸入0.5～1h致重病的浓度为0.0014～0.002%（v/v）。
液氯泄漏出来，吸入5～10min致死中毒区域体积为：
液氯泄漏出来，吸入0.5～1h致死的区域体积为：。
氯气泄漏扩散模型的初步研究
氯气泄漏扩散模型的初步研究孙兰会 庞奇志 周德红(中国地质大学(武汉)工程学院 武汉430071) 摘 要 根据京沪液氯泄漏的一些数据,选取液氯泄漏的瞬间为研究范围,设定液氯泄漏的瞬间为2min ,大气压力为10.1325kPa ,温度为15℃,风速为6m/s ,假设液氯泄漏后全部变成蒸气,重气云团半径为10m ,利用重气云扩散模型盒子模型,对氯气云团扩散后果进行定量计算,得到氯气泄漏瞬间的伤害范围分别是致死区0.0429km 2,重伤区0.0979km 2,轻伤区1.067km 2。
据此判断,氯气泄漏事故后果非常严重。
提出了该模型的不足和需要改进的地方。
关键词 液氯泄漏 扩散 危险区域 盒子模型Preliminary Study on the Model of Leak age and Diffusion of ChlorineS UN Lan hui PANG Qi zhi ZH OU Dehong(Dept.o f Safety Engineering ,School o f Engineering ,China University o f G eosciences Wuhan 430071)Abstract According to s ome data of liquid chlorine leakage in Beijing and Shanghai ,the transient time of the leakage is selected as the study area ,assuming that the transient time of the leakage is 2min ,air pressure is 10.1325kPa ,the tem perature is 15℃and the wind speed is 6m/s.I f the liquid chlorine all changes into vapor after the leakage ,the radius of heavy cloud lum ps is 10m ,diffusion m odel of heavy cloudbox m odel is used to conduct quantitative calculations on the consequences of the diffusion ,finding out the hazard area ofthe transient time of the leakage ,dead area 0.0429km 2,severe injury area 0.0979km 2and light injury area 1.06km 2.Judging from it ,the consequences of the leakage are serious.The shortcomings and the places needed to be im proved are als o put forward.K eyw ords leakage of liquid chlorine diffusion hazardous area box m odel 在现代石油化工和其他相关行业中,生产、储存和使用,这些物质一旦由于人为因素、设备因素、生产管理和环境因素发生泄漏事故,则可能向空中释放大量有毒气体,扩散而与空气混合形成气云,使得泄漏区附近来不及疏散或未采取有效措施的人员发生中毒。
液氯瞬时泄漏扩散的数值模拟
液氯瞬时泄漏扩散的数值模拟
丁丽霞;吴芳萍;周玉飞
【期刊名称】《化工安全与环境》
【年(卷),期】2010(023)004
【摘要】在箱模型的基础上,用适当简化方式对高压常温液化贮存的液氯泄漏扩散进行了数值模拟,充分说明了重气效应的影响;通过数值模拟,认为云团液滴汽化、温度变化的这一短暂过程可近似看成是云团在泄漏源处的重力沉降,以一合适的初始半径高度比,作常态氯气泄漏扩散考虑,使得计算简化.这种近似模拟结果与液氯泄漏扩散模拟结果基本相近,如下风向距离浓度等.以常态氯气泄漏扩散近似高压液化贮存氯气扩散,其初始半径高度比取决于风速,与泄漏介质的量及大气稳定度无关.【总页数】4页(P7-10)
【作者】丁丽霞;吴芳萍;周玉飞
【作者单位】浙江天为企业评价咨询有限公司,浙江杭州,310004;浙江天为企业评价咨询有限公司,浙江杭州,310004;浙江天为企业评价咨询有限公司,浙江杭
州,310004
【正文语种】中文
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氯气泄漏扩散计算模拟
（1）氯气泄漏扩散过程
氯气管道、阀门、压力表或液氯钢瓶的材质、焊缝以及腐蚀造成的强度下降等设备缺陷原因都可能引起容器破裂从而引发氯气泄漏，使氯气迅速扩展。
氯气属于重气，它泄漏时的扩散机理与一般烟囱热污染性烟羽的扩散完全不同，它在地表的释放可分为三个过程。
初始阶段：气云刚形成的阶段，主导其运动的作用力为释放的惯性及外界的平均风速。
重力扩展阶段：初始的动量消失后，主导作用为重力及外界的湍流扰动，由于重力使气团下降到地表拓展范围，而且稀释作用主要靠大气湍流以及气云下降引起的湍流卷增作用引入外界空气。
被动扩散阶段：当气云经一段时间混合稀释后，其密度和温度或浓度逐渐接近外界空气，主要靠大气的湍流。
（2）氯气危害浓度
根据有关资料，氯气的半数致死浓度，即引起实验染毒动物半数死亡的毒物浓度为850mg/m3。
氯的最高允许浓度为1mg/m3，即在一个工作日内任何时间都不应超过的浓度。
选取浓度850mg/m3（283ppm）、300mg/m3（100ppm）、90mg/m3（30ppm）、30－90mg/m3（10－30ppm）、15mg/m3（5ppm）、5mg/m3（1.7ppm）和1mg/m3（0.3ppm）7种浓度分别计算氯气泄漏的影响范围。
浓度
伤害分区危害程度Mg/m3ppm
850283深吸入少量可能危及生命
300100致死区（A区）可能造成致命性损害
9030重伤区（B区）引起剧咳
（3）液氯泄漏量计算
流体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算。
其泄漏速度为：
()
gh p p A Cd Q 220+-••=ρ
ρ
（7-1）
式中Q 0——液体泄漏速度，kg/s ； Cd ——液体泄漏系数； A ——裂口面积，m 2; ρ——泄漏液体密度，kg/m 3; P ——容器内介质压力，Pa ； P 0——环境压力，Pa; g ——重力加速度，9.8m/s 2; h ——裂口之上液位高度，m 。
对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于内介质压力与环境压力之差和液位高低。
（4）液氯容器破裂形成毒害区半径估算
液化介质液氯在容器破裂时会发生蒸气扩散，从而造成大面积的毒害区域，其毒害区按如下方法估算。
设液氯质量为W （单位：kg ）,容器破裂前器内温度为t （单位：℃），液体介质比热为C[单位：KJ/（kg •℃）]当容器破裂时，器内压力降至大气压，处于过热状态的液化气温度迅速降至标准沸点t 0（单位：℃），此时全部液体所吸收的热量为：
()0t t C W Q -••= （7-2）
设这些热量全部用于器内液体的蒸发，如它的汽化热为q （单位：kJ/kg ），则其蒸发量：
()q
t t C W q Q W 0'-•==
（7-3）
如介质的分子量为M ，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg （单位：m 3）为：
()273
2734.222732734.220
00t q M t t C W t M W Vg +••-••=+•=
（7-4）
假设这些带有氯气的空气以半球形向地面扩散,则可求出该氯气扩散半径为:
30
3
00994.2/3
421/C Vg C Vg R =
⨯=
π （7-5） 式中R ——有毒气体的半径，m ； Vg ——有毒介质的蒸气体积，m 3； C O ——有毒介质在空气中的危险浓度，%; （5）气体连续扩散高斯分布
采用世界银行提供的中等密度云连续扩散模型（高斯扩散模型），分析时，根据分析源周边的实际情况，考虑地面有效粗糙度并进行修正。
连续排放：
()⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+-=222221exp ,,z y z y Z y u Q
z y x c σσσπσ （7-6）
式中c （ x,y,z ）——连续排放时，给定地点的污染物浓度，mg/m 3；
Q ——连续排放的物料流量，mg/s ； u ——平均风速，m/s;
x ——下风向距离，m; y ——横风向距离，m ； z ——离地面的距离，m;
σx ,σy ,σz ——x,y,z 方向扩散参数，按下表选择：
表2 不同大气稳定度下的扩散参数
有效粗糙度Z 0＞0.1m 的粗糙地形扩散参数按如下计算（地面有效粗糙度长度按下表选取）：
y yo y f σσ=
z z z f 0σσ=
(
)0001Z Z f y α+=
()()()x g f z Z x e d x c b Z x f ln 01
0000000ln ln ,--+-=
上式中，大气稳定度为D ，各参数按下表选择：
表4 不同大气稳定度下的系数值
（6）气体瞬时扩散高斯分布
采用世界银行提供的中等密度云瞬时扩散模型（高斯扩散模型）。
()()()⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧++--=22222
22/321exp 22,,,z y x z y x Z y ut x Q
t z y x c σσσμσσσπ （6-7） 式中c （ x,y,z,t ）——瞬时排放时，给定地点（ x,y,z ）和时间t 的污染物浓度，mg/m 3；
Q ——瞬时排放的物料流量，mg/s ； t ——瞬时排放时，污染物运行的时间，s ； u ——平均风速，m/s ； x ——下风向距离，m ； y ——横风向距离，m ； z ——离地面的距离，m ；
σx ,σy ,σz ——x,y,z 方向扩散参数，地面有效粗糙度修正等因素的修正方法同上。
瞬时源时，给定取样时间t （ s ），则按下式修正：
()()2.0min 10600/t y y σσ=
氯气管道连续泄漏模拟计算
（1)事故模式设定
选取氯气从液氯钢瓶连接管到真空加氯机之间的管道、阀门和压力表泄漏事故进行分析，按管道内径DN8计算:
压力：0.1MPa
泄漏裂口设定：设裂口直径为DN=8mm，
则裂口面积为5.027X10-5m2
（2)泄漏模拟计算结果
选取裂口面积为A ＝5.027X10-5m2，压力：0.1Mpa，
Cd＝0.65；ρ=1.468kg/m3;
P=202660Pa；P0=101330Pa; H=0m。
输入相关参数代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件计算，泄漏模型选择：气体泄漏；扩散模型选择：连续排放；得计算结果如下：
泄漏速度=0.0376 kg/s；
气体流动情况分析：音速流动。
按泄漏时间15分钟计，得泄漏量为33.84 kg。
（3)风速为1.6m/s时，中毒危害距离
取xx市年平均风速：U＝1.6m/s; 代入软件计算，得扩散模拟计算结果详见下表。
（4)风速为1.0m/s时，中毒危害距离
取风速：U＝1.0m/s; 代入软件计算，得扩散模拟计算结果详见下表。
表5 在1.6m/s风速下，管道泄漏氯气扩散的中毒危害距离
液氯钢瓶阀门或易熔塞破损时连续泄漏模拟分析
1）事故模式设定
选取液氯瓶在起吊、装卸、使用过程中，更换瓶头接管、易熔塞针阀损坏等无法及时抢修，导致液氯连续泄漏事故模式进行分析，根据xx水厂液氯仓库的实际操作情况，选取单个液氯实瓶作为事故模式进行分析。
型号规格：800L 储存温度：计算时取293K
储存压力：0.6MPa 液氯密度：1470kg/m3
单瓶液氯重量：1吨
2）分析模型简介
按连续扩散浓度分布模型进行分析。
详见7.1所述。
3）单个氯实瓶连续泄漏
单个氯实瓶液氯最大存量为1000kg，以准静风和平均风速分别为1.0和1.6m/s，大气稳定度为D级进行计算分析，模拟出氯气在空间中的浓度分布。
将有关数据代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件进行计算，7种空间浓度计算结果如下表所示。
①单个氯实瓶发生单个阀连续泄漏时的计算结果见下表。
②单个氯实瓶2个针阀和1个易熔塞同时发生连续泄漏时的计算结果见下表。
4）6个氯实瓶连续泄漏
以准静风和平均风速分别为1.0和1.6m/s，大气稳定度为D级进行计算分析，模拟出氯气在空间中的浓度分布。
将有关数据代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件进行计算，7种空间浓度计算结果如下表所示。
①6个氯实瓶的6个针阀同时发生连续泄漏时的计算结果见下
.
表。
②6个氯实瓶的12个针阀和6个易熔塞同时发生连续泄漏时的计算结果见下表。
.。