水幕稀釋氨氣泄漏擴(kuò)散機(jī)理研究.pdf

1、隨著工業(yè)發(fā)展，氨氣在化學(xué)和食品工業(yè)中用量不斷增大，因氨氣泄漏導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的事故案例也呈逐年上升趨勢(shì)。水幕作為一種有效的氣體泄漏處置措施得到了高度重視，但水幕稀釋氨氣云團(tuán)過(guò)程的作用機(jī)理尚不明晰，尤其是水幕液滴與氨氣云團(tuán)之間存在的質(zhì)量傳遞機(jī)理研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。因此研究水幕在稀釋氨氣泄漏云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程中的作用機(jī)理，系統(tǒng)研究水幕關(guān)鍵參數(shù)對(duì)稀釋效率的影響規(guī)律，構(gòu)建水幕稀釋氨氣濃度分布預(yù)測(cè)模型，是安全工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)問(wèn)題，也是過(guò)程工業(yè)關(guān)注

2、的重點(diǎn)問(wèn)題，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以氣液間傳質(zhì)的雙膜理論為基礎(chǔ)，考慮液滴吸收氨氣傳質(zhì)特性，建立了液滴吸收氨氣理論計(jì)算方程。在此基礎(chǔ)上，采用用戶自定義方式將液滴吸收氨氣傳質(zhì)計(jì)算方程寫入CFD軟件中，建立了水幕稀釋氨氣擴(kuò)散數(shù)值模型，并以Dandrieux水幕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：RNG k-?湍流方程比標(biāo)準(zhǔn)k-?湍流方程能更準(zhǔn)確地模擬氨氣云團(tuán)自然及強(qiáng)制擴(kuò)散行為；不考慮液滴吸收氨氣的水幕稀釋效率明顯低于實(shí)驗(yàn)的水幕

3、稀釋效率，說(shuō)明液滴吸收氨氣對(duì)于水幕稀釋效率的貢獻(xiàn)不可忽視。本文構(gòu)建的水幕稀釋氨氣擴(kuò)散數(shù)值計(jì)算模型可以全面地反映水幕與氨氣云團(tuán)間的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞行為，相比之前的數(shù)值模擬研究具有一定的優(yōu)越性。
　　利用建立的數(shù)值計(jì)算模型研究氨氣自然擴(kuò)散及強(qiáng)制擴(kuò)散，得到了不同風(fēng)速下氨氣自然擴(kuò)散下風(fēng)向濃度分布及水幕液滴與氨氣云團(tuán)的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的作用規(guī)律。結(jié)果表明：氨氣自然擴(kuò)散的危險(xiǎn)風(fēng)速為2m s。水幕對(duì)氨氣云團(tuán)的動(dòng)量作用是在水幕液滴形成的屏障導(dǎo)

4、致氨氣云團(tuán)向上和向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，水幕屏障后方存在一個(gè)旋渦回流，空氣向水幕內(nèi)的卷吸作用抑制了云團(tuán)向下風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到水幕稀釋的效果；水幕對(duì)氨氣云團(tuán)的熱量作用規(guī)律是水幕液滴溫度提高了云團(tuán)溫度，降低云團(tuán)密度，增加了云團(tuán)向上和向兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，降低下風(fēng)向氨氣濃度；水幕對(duì)氨氣的質(zhì)量作用規(guī)律是主要通過(guò)液滴運(yùn)動(dòng)軌跡的前半段的吸收作用降低氣相氨氣濃度。另外定量研究結(jié)果表明，液滴吸收氨氣可為水幕稀釋效率提供約25％的貢獻(xiàn)。進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的

5、方法研究了水幕系統(tǒng)的液滴溫度、供水量和安裝位置等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)水幕稀釋效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明，較高的水幕液滴溫度將熱量傳遞給氨氣泄漏云團(tuán)，降低云團(tuán)密度，強(qiáng)化了水幕的提升效應(yīng)，抑制云團(tuán)下風(fēng)向的擴(kuò)散；水幕供水流量對(duì)水幕稀釋效果的影響規(guī)律是，隨著供水流量增加，水幕稀釋效果快速上升到一穩(wěn)定值，之后不再顯著提高；供水流量變化也影響液滴吸收氨氣濃度和吸收總量，隨供水流量的增加，液滴吸收氨氣濃度和吸收總量快速增加到一最高值，之后呈減小趨勢(shì)；安裝距離對(duì)水

6、幕稀釋
　　效果的影響規(guī)律是總體上稀釋效果隨安裝距離增大而減小，但安裝距離不能過(guò)小，否則可能導(dǎo)致具有泄漏初始動(dòng)量的氨氣穿過(guò)水幕間隙泄漏到下方區(qū)域。
　　以水幕稀釋氯氣濃度分布預(yù)測(cè)的RED模型為基礎(chǔ)，嵌入水幕液滴吸收氨氣傳質(zhì)計(jì)算方程，建立了水幕稀釋氨氣濃度分布預(yù)測(cè)模型，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)建立的水幕稀釋氨氣濃度預(yù)測(cè)模型的評(píng)估，結(jié)果表明該預(yù)測(cè)模型可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算不同條件下的氨氣自然及強(qiáng)制擴(kuò)散的

7、濃度影響區(qū)，可為氨氣泄漏事故后果和水幕稀釋效果預(yù)測(cè)提供了計(jì)算方法和依據(jù)。另外，采用氣體泄漏后果的概率函數(shù)法計(jì)算了水幕系統(tǒng)供水流量和安裝距離對(duì)水幕減災(zāi)效果的影響，結(jié)果表明，供水流量增大有利于減小水幕稀釋后氨氣濃度，但過(guò)大的流量減災(zāi)效果不再明顯；水幕安裝距離應(yīng)該放置在氨氣被動(dòng)擴(kuò)散的區(qū)域。
　　本文建立的液滴吸收氨氣的傳質(zhì)計(jì)算方程，理論上發(fā)展了水幕稀釋氨氣泄漏云團(tuán)擴(kuò)散作用機(jī)理。建立的數(shù)值模型提高了數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性，具有一定的優(yōu)越性。