鄧祥國(guó)

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京　100083)

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煤化工企業(yè)甲醇泄漏擴(kuò)散事故分析

鄧祥國(guó)

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京100083)

針對(duì)煤化工企業(yè)甲醇罐的泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在不考慮揮發(fā)的情況下，小孔泄漏將在在泄漏口處產(chǎn)生集中滲漏，從而在防火堤內(nèi)形成小面積液池，隨著泄漏時(shí)間的增加，靠近地面區(qū)域的甲醇濃度降低；大面積泄漏時(shí)，罐體從泄漏口開始崩壞，形成湍流后進(jìn)一步發(fā)展成液池，泄漏發(fā)生2～5 min是應(yīng)急救援的關(guān)鍵時(shí)期，超過此時(shí)間段，泄漏即進(jìn)入不受控狀態(tài)。

甲醇; 小孔泄漏; 大面積泄漏；應(yīng)急救援

煤炭作為我國(guó)的支柱性能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，對(duì)煤炭的綜合性利用已成為能源布局中重要的一環(huán)，煤制油、煤制烯烴、煤制甲醇、煤制氣等煤化工技術(shù)的蓬勃發(fā)展使我國(guó)擁有世界上最大的煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是煤化工產(chǎn)業(yè)中伴隨著大量危險(xiǎn)化學(xué)品的生產(chǎn)、使用及運(yùn)輸，存在著極大的安全隱患，因此對(duì)各項(xiàng)危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故機(jī)理進(jìn)行研究，從而為事故預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急救援體系的建立提供理論支持刻不容緩。

本文結(jié)合煤化工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，根據(jù)不同的泄漏方式，著重研究甲醇儲(chǔ)罐區(qū)甲醇泄漏后的擴(kuò)散規(guī)律，為甲醇泄漏事故應(yīng)急救援決策提供理論依據(jù)。

1　甲醇罐泄漏的類型分析

甲醇罐泄漏既有瞬時(shí)泄漏，又有連續(xù)泄漏[1-3]；泄漏源的幾何形狀極可能是圓形孔，也可能是罐體脆裂形成的不規(guī)則裂紋，還可能是物體擊穿容器形成的其他形狀。正確分析泄漏源的特征，據(jù)此建立適當(dāng)?shù)男孤┠Ｐ?，是進(jìn)行泄漏擴(kuò)散分析的前提和基礎(chǔ)。絕大部分泄漏模式主要是容器和設(shè)備上的各種管道、接頭、閥門、法蘭、儀表接口等，由于密封不嚴(yán)、腐蝕、疲勞裂紋、振動(dòng)、加工缺陷、物體擊穿、泄壓釋放或者人為失誤、管理不足等原因產(chǎn)生的“跑、冒、滴、漏”，以及局部破裂、全尺寸斷裂等情況[4-5]，在此我們對(duì)甲醇罐泄漏模式分小孔液相泄漏和大面積液相泄漏兩種情況進(jìn)行討論。

2　甲醇罐泄漏數(shù)值分析

本文使用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，該數(shù)值模擬存在以下幾個(gè)假設(shè)條件[6]：

(1)假設(shè)甲醇的泄漏速度與初始速度一致，不發(fā)生變化；

(2)在整個(gè)液相擴(kuò)散過程中，不考慮化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生；

(3)泄漏環(huán)境中空氣質(zhì)量穩(wěn)定，風(fēng)速為水平方向；

(4)在整個(gè)液相擴(kuò)散過程中，甲醇不與外界發(fā)生熱量交換。

2.1甲醇罐的小孔液相泄漏分析

當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生過裝事故時(shí)，甲醇將會(huì)從罐頂?shù)目锥窗l(fā)生泄漏，由于煤化工工廠集中在陜北、內(nèi)蒙一帶，平均氣溫較低，在不考慮氣態(tài)揮發(fā)的情況下，模擬結(jié)果見圖1和圖2。

圖1　甲醇發(fā)生小孔泄漏的速度云圖

圖2　甲醇泄漏后濃度分布云圖

如圖1和圖2所示，甲醇罐發(fā)生小孔泄漏后，將在在泄漏口處產(chǎn)生集中滲漏，甲醇會(huì)以一定的沖力沖刷罐壁，從而在罐壁的接觸邊界形成沉積通道的薄弱環(huán)節(jié)，使泄漏出來(lái)的甲醇沿罐壁發(fā)生沉積，并在防火堤內(nèi)形成小面積液池。隨著泄漏時(shí)間的增加，甲醇有更多的時(shí)間氣化，同時(shí)殘留在罐壁上的甲醇使流動(dòng)阻力增大[7]，從而導(dǎo)致泄漏速度降低，導(dǎo)致靠近地面區(qū)域的甲醇濃度降低。

2.2甲醇的大面積液相泄漏數(shù)值模擬

當(dāng)罐體由于罐體缺陷或機(jī)械損壞而發(fā)生大面積破裂時(shí)，假設(shè)氣溫較低，則事故狀態(tài)下的泄漏為單相液態(tài)泄漏，則模擬結(jié)果見圖3～圖5。

圖3　初始時(shí)刻甲醇體積分?jǐn)?shù)分布

圖4　2 min時(shí)甲醇的體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖5　2 min時(shí)甲醇的速度矢量圖

罐體破裂2 min后的甲醇體積分?jǐn)?shù)和速度矢量如圖4、圖5所示，在這個(gè)階段，罐體前緣甲醇的下部分變形量會(huì)很大，部分已經(jīng)發(fā)生滑動(dòng)破壞，罐體內(nèi)的壓力達(dá)不到平衡。從速度矢量來(lái)看，罐體附近呈現(xiàn)出上陡下緩之勢(shì), 此時(shí)破裂口不是很大，對(duì)于應(yīng)急搶險(xiǎn)工作來(lái)說，尚屬于可控范圍之內(nèi)。

圖6　5 min時(shí)甲醇的體積分?jǐn)?shù)分布

圖7　5 min時(shí)甲醇的速度矢量圖

如圖6、圖7所示，泄漏發(fā)生5 min后，罐體內(nèi)的甲醇液位出現(xiàn)下降，其力學(xué)性質(zhì)降低，直接會(huì)導(dǎo)致罐體前部的水平方向上的位移量較大，而垂直方向上位移變化不大。其部分較大的位移分布在罐體表層,向沖積層底部的變形量逐漸減小。這樣罐體在該狀態(tài)下的破壞形式為：泄漏口邊緣會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的位移,首先滑移，隨后牽引中部堆積體滑動(dòng)，從而發(fā)生局部的牽引式逐級(jí)滑動(dòng)。并在靠近地表方向出現(xiàn)速度的最大值。

圖8　10 min時(shí)甲醇的體積分?jǐn)?shù)分布

圖9　10 min時(shí)甲醇的速度矢量圖

如圖8、圖9所示，當(dāng)泄漏發(fā)生10 min后，隨著罐內(nèi)甲醇的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，塑性破壞都會(huì)沿著剪應(yīng)變最大的部位—泄漏口發(fā)生，即被視為局部化剪切引起的變形破壞[8]，整個(gè)罐體出現(xiàn)大面積破裂，此時(shí)甲醇的液位劇烈下降，其垂直方向上的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水平方向上的動(dòng)能，并在沿地表的水平方向上出現(xiàn)極大值。

如圖10、圖11所示，隨著變形破壞沿大面積破裂口的發(fā)生，整個(gè)儲(chǔ)罐完全解體，甲醇所具有的重力勢(shì)能，全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而在堤內(nèi)傳播，地表形成液池，垂直方向上的速度矢量完全轉(zhuǎn)變成水平方向上的速度矢量。

圖10　20 min時(shí)甲醇的體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖11　20 min時(shí)甲醇的速度矢量圖

綜上所述，當(dāng)未遇點(diǎn)火源時(shí)，罐體的破裂并不是瞬時(shí)的，而是存在一個(gè)短暫的過程，罐體從泄漏口開始崩壞，罐內(nèi)的液面高度隨之下降，最后成為湍流，進(jìn)一步形成液池。泄漏形成的液池由于液體的自由擴(kuò)散特性，不斷向周圍蔓延。如果周圍環(huán)境平坦，不存在防液堤，則液池將在地面呈圓形分布，當(dāng)然液池也不會(huì)無(wú)限制地蔓延下去。對(duì)于不同的地面類型，對(duì)應(yīng)1個(gè)最小液層厚度，即對(duì)于不同類型的地面，都對(duì)應(yīng)1個(gè)最大液池面積。如果泄漏源周圍存在防液堤，則液池在地面的蔓延過程要復(fù)雜一些。開始階段，液池如同周圍不存在防液堤一樣以圓形向周圍蔓延；遇到防液堤后，液池停止徑向蔓延，同時(shí)其形狀將發(fā)生改變；之后，隨著泄漏的不斷進(jìn)行，液池圍繞儲(chǔ)罐蔓延，直至包圍整個(gè)儲(chǔ)罐；隨后液面開始上升。

3　結(jié)　論

(1) 當(dāng)甲醇罐發(fā)生小孔泄漏后，將在在泄漏口處產(chǎn)生集中滲漏，從而在防火堤內(nèi)形成小面積液池，隨著泄漏時(shí)間的增加，甲醇有更多的時(shí)間氣化，靠近地面區(qū)域的甲醇濃度降低。

(2)當(dāng)甲醇罐發(fā)生大面積泄漏時(shí)，罐體從泄漏口開始崩壞，成為湍流后進(jìn)一步形成液池。

(3)對(duì)于甲醇罐的大面積泄漏事故而言，泄漏發(fā)生2～5 min 的時(shí)間段內(nèi)是應(yīng)急救援的關(guān)鍵時(shí)期，超過此時(shí)間段，泄漏即進(jìn)入不受控狀態(tài)。

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Analysis on the Leakage and Diffusion of Methanol in Coal Chemical Industry

DENGXiang-guo

(Beijing Engineering Company, China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd., Beijing 100083, China)

The leakage of methanol tanks in coal chemical industry was simulated. The results showed that ifvolatilization was not considered, concentrated leakage would happen,liquidpool was made up by hole leakage in fire dike,the methanol concentration near the ground area decreased, tank began to collapse and became turbulent further after the formation of liquid pool when large leakage happened, the key period of emergency rescue was when leakage occurred 2 min to 5 min, leakage can not be controlled over this period.

methanol；hole leakage；large leakage；emergency rescue

X93

A

1001-9677(2016)03-0200-03