侯超 王永辉
中国核电工程有限公司郑州分公司 郑州 450052
摘要：针对液氨的化学特点，对50kg液氨瓶泄漏后所产生的氨气团扩展范围及其危险半径进行了定量模拟计算。计算结果表明，本项目的事故泄漏危害是较为严重的，液氨泄漏速度为13.6kg／s，泄漏时间3.7s。其中闪蒸蒸发速度约为2.6kg／s，热量蒸发速度为约 1.86kg／s，质量蒸发速度约为 0.053kg／s，距液氨瓶 15 m 范围内均应撤离人群。
关键词：液氨；蒸发；扩散
1、物料性质
已知：某液氨瓶容积100L，装液氨50kg。工作压力：3.0MPa
容器破裂前液氨温度：t0=25℃，
液氨比热为4.609 kJ/（kg·K）。
2、液氨泄漏速率和泄漏时间
液氨泄漏速率可用流体力学伯努利方程计算：
式中：Q——液体泄漏速率，kg/s；
Cd——液体泄漏系数，见表1；
A——裂口面积，m2；
ρ——泄漏液体密度，取820kg/m3；
P——罐内介质压力，取3×106 Pa；
P0——环境压力，取1.01×105Pa
g——重力加速度，取9.8m2/s
h——裂口之上液体高度，取1.2m
常压下液体的泄漏速率取决于开裂口之上液体的高度。假设裂口形状为φ20mm的圆形孔，则裂口面积A=3.14×0.022/4=3.14×10-4 m2
考虑最不利的情况，按公式（1）计算
可知液氨的泄漏速率：Q=13.6kg/s
100L液氨罐泄漏时间：t=50/13.6=3.7s
3 泄漏液氨蒸发速率：
泄漏液体蒸发分为闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发三种。
液氨泄漏到大气中，因其压力瞬间变为常压，一部分液体会迅速变为气体，从高压气液平衡状态转变为常压气液平衡状态，即闪蒸。这种直接蒸发的比值，又称为闪蒸率Fvap，其与温度有关。
剩余的液体如细小液滴扩散那样保留在云团中，有一部分将随空气在环境温度下和液体喷雾混合而蒸发。如果空气传热不足以蒸发所有液体。有一些液滴会在地面形成液池，液池吸收地面热量而气化，称为热量蒸发。这会在液池表面形成蒸汽向空气中扩散，从而危害作业人员的安全。
当热量蒸发结束，由于液池表面气流运动导致液体蒸发，称为质量蒸发。
（1）闪蒸蒸发：
当液氨罐破裂时，内部压力瞬间降至1atm（101kPa），处于过热状态的液氨温度迅速降至标准沸点（t0=-33℃），在此过程中释放出来的热量Q1：
Q放=WC（t- t0）=50×4.6×（25+33）=13340kJ
式中：W——罐内液氨总质量，50kg；
C——液氨的平均比热，4.6kJ/（kg K）
t——环境温度，取25℃；
t0——1atm大气压下液氨标准沸点
假设这些热量完全用于罐内泄漏液氨气化（液氨汽化热：q=1370kJ/kg），则其气化液氨质量W闪蒸
泄漏液氨闪蒸速率：u= W闪蒸/t=9.7/3.7=2.6kg/s
（2）热量蒸发
泄漏液氨热量蒸发速率u按下式计算：
式中：Q2——地面热量蒸发速率，kg/s；
——表面热导系数，W/m K；
A——液池面积，m2；
T0——环境温度，25℃；
Tb——沸点温度，-33℃；
H——液体汽化热，1.37×106J/kg；
a——表面热扩散系数，
t——蒸发时间
（3）质量蒸发
当热量蒸发结束，由于液池表面气流运动使液体蒸发，称为质量蒸发。
质量蒸发速率按下式计算，
Q3=
=0.053kg/s
式中：Q3——质量蒸发速度，kg/s；
a，n——大气稳定性系数；
m——液池质量，kg；
p——液体表面蒸汽压；
To——环境温度，K；
u——风速，室内取0.2~0.5m/s
r——液池半径
液池最大直径取决于泄漏点附近的地域构型、泄漏的连续性或瞬时性。有围堰时，以围堰最大等效半径为液池半径；无围堰时，设定液体瞬间扩散到最小厚度时，推算液池等效半径。
假设液池最小厚度为1mm，则液池面积A=（50-9.7）/820/0.001=49m2
r=7m
（4）液体蒸发总量的计算
泄漏液氨的蒸发主要以闪蒸蒸发和质量蒸发为主
式中：ＷP——液体蒸发总量，kg；
Ｑ1——闪蒸蒸发速率，kg/s；
Ｑ2——热量蒸发速率，kg/s；
Ｑ3——质量蒸发速率，kg/s；
t1——闪蒸蒸发时间，ｓ；
t2——热量蒸发时间，ｓ；
t3——从液体泄漏到液体全部处理完毕的时间，s。
4 环境事故分析计算
液氨泄漏后会造成大面积的毒害区域，会在较大范围内对环境造成破坏，致人中毒、死亡。根据不同的事故类型、氨气泄漏扩散模型，危险区域会有所不同。
已知氨的危险浓度，则可求出其危险浓度下的有毒空气体积。氨在空气中的浓度达到0.5%时，人吸入5-10min即致死，则Vg（m3）的氨可以产生令人致死的有毒空气体积为：
表5 氨气的危险程度
假设这些有毒空气以半球形进行扩散，则可求出该有毒气体的扩散半径为：
=15m
参考文献
[1] HJ/T 169-2004 建设项目环境风险评价技术导则；
[2]彭林，液氨储罐事故泄漏环境风险评价探讨，广东化工，2009年 第4期，第36卷，总第192期；
[3]严明亮，液氨钢瓶泄漏毒害区域估算与应急措施，危险化学品管理，2006年第6卷第5期；
论文作者:侯超,王永辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/8
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