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数学模型在氮气危害防治的应用

 论文栏目:数学模型论文     更新时间:2020/9/16 16:31:20   

摘要:受限空间内窒息性气体泄漏将产生低氧环境,甚至危害人员的生命,而能否顺利逃生取决于受限空间内氧气的含量及可用于逃生的时间。ALOHA软件可根据危险化学品的泄漏和气象条件对事故进行模拟,并用图像、文字的方式描述不同程度危害范围的大小和区域。本文利用ALOHA软件计算氮气泄漏速率的功能,建立一个数学模型来模拟受限空间内发生氮气泄漏时氧气含量的变化速率,从而帮助应急管理者建立科学预警机制,指导受威胁人员顺利逃生。

关键词:数学模型;ALOHA;受限空间;低氧窒息;应急逃生

我们每天呼吸的空气由78%的氮气,21%的氧和其他气体组成。但是只有氧气对人类的呼吸与生存是至关重要的。没有足够的氧气,也就是说,如果氧气含量低于16%[1],我们就会死于窒息。氮气在大气中表现得有点像稀释剂或缓冲气体。氮气本身是惰性的、稳定的、无反应的、无毒的,且无色、无味、无刺激性。但是过多的氮气会降低大气中的氧含量,造成一种看不见的缺氧环境,从而导致死亡,因此,它被称为隐形杀手,是炼油、化工厂中发现的最危险的气体之一,在世界各地的化学工厂造成了许多死亡。氮气在化学工业中经常被用作“安全”工具,例如:制药工厂洁净区(一种特殊的受限空间)内的装置由于工艺防火防爆要求而接入氮气作为保护气。因此,评估氮气泄漏导致缺氧危害是安全管理的重要工作之一。

1.缺氧的危害

富含氮气的空气会因为吸入气体中氧气含量的减少而窒息,表1列出了不同程度缺氧的典型生理效应。如果氮气浓度超过84%(即只有16%的氧气),人体就不能正常工作,判断能力可能会下降,并且可能无法意识到自己身处危险!如果氮气浓度达94%,那么只要吸几口气就可能会致命[3]。

2.缺氧的可接受标准

缺氧报警设定值为19.5%[4],在此报警浓度水平下短时间内对人的自由活动没有明显的影响,人员具备较清晰的判断力,具备逃生能力。当环境中氧气含量低至16%时,人的生命会受到威胁,此浓度可认为致死浓度。考虑到有1%的检测误差,缺氧危险区域的操作人员应该在氧气浓度降低至17.0%(大于此浓度,操作人员还具备应急逃生能力)之前安全撤离。

3.数学模型的建立

在一个相对密闭的受限空间中发生氮气泄漏,泄漏进入受限空间的氮气会置换其中的空气,逐渐降低受限空间内的氧气含量,形成缺氧环境,严重时将导致人员窒息,甚至死亡。因此,我们需要建立一个数学模型来计算和评估氮气泄漏时形成可能导致严重后果的缺氧环境所需的时间,用于指导应急逃生。具体的方法是:(1)通过ALOHA软件[5]计算氮气泄漏的速率。(2)为计算方便,假定泄漏的氮气浓度为100%,并且任一时候,受限空间内的气体浓度是均匀分布的。第一种情形:受限空间内没有通风系统,发生氮气泄漏。假定受限空间的空气体积为:A(可以通过测量得到);初始氧气体积为:O0,O0=20.9%A;氮气管道的氮气泄漏的速率(0.2MPa,DN20,常见的氮气管道工程设计参数,通过ALOHA软件计算得到):V=1.5m3/min;t分钟时氧气体积为:Ot;当h很小时,可认为[t,t+h]内混合气体浓度不变时,所以:Ot+h≈Ot-V×h×Ot/AOt=O0×e-Vt/A;则t分钟时氧气浓度为:Ot/A=O0/A•e-Vt/A;可以得到时间t的计算公式:t=AVln(Ot/O0)(1)第二种情形:受限空间内有通风装置,发生氮气泄漏,此时进入受限空间的氧气浓度看作R(氮气流量与通风量形成的混合气体中氧气的浓度)。假定操作室内的空气体积为:A;t时氧气变化率为:Ot';流进操作室气体中氧气百分比例为:R;操作室初始氧气浓度为:O0/A=20.9%;t时受限空间内氧气浓度为:Ot/A;t时氧气流进速率为:VR;t时氧气流出速率为:VOt/A;Ot'=V•R-VOt/A=V(R-Ot/A);令ht=Ot/A-R;则ht'=Ot'/A=(R-Ot/A)•V/A=-ht•V/Aht=h0e-Vt/A;Ot/A=ht+R=R+h0e-Vt/A;O0/A=R+h0h0=O0/A-R;Ot/A=R+(O0/A-R)•e-Vt/A;可以得到时间t的计算公式:t=A/Vln[(Ot/A-R)/(O0/A-R)](2)

4.实例应用

在一个制药工厂洁净区的某一个操作室中,氮气阀门误开,氮气管线压力0.2MPa,管径为20mm,利用ALOHA软件计算,氮气泄漏速率为1.5m3/min,分两种情形来模拟:第一种情形:操作室内没有通风的情形下,参考公式(1)。从泄漏开始到氧含量监测仪报警(19.5%)所需要的时间为:从开始泄漏至氧含量探测仪报警需要的时间为5.5min。从氧含量探测仪开始报警到氧含量探测仪显示读数17.0%所需要的时间为11.0min,这也是最佳的逃生时间。第二种情形:操作室内通风良好(制药GMP要求洁净区的每小时换气次数不少于15次,即0.25次/min)的情形下,参考公式(2)。从上述计算可以知道,洁净区的换气次数为0.25次/min,氮气最大泄漏速率为1.5m3/min(ALOHA软件的模拟计算值),在当前的条件下进入洁净区的气体中氧含量约19.9%,大于公认的人体所需的最小氧气浓度19.5%,因此,在通风良好(换气次数不小于15次/小时)的条件下发生氮气泄漏不会对室内的操作人员形成健康危害。

5.总结

本文建立的数学模型可以快速评估受限空间内的窒息风险,指导应急管理者在窒息危险区域设置合理的安全报警系统,建立应急反应指南。当然,基于ALOHA软件的计算,以及气体理想混合分布的假设都会影响风险评估结果的准确性,但仍不失为一种有效的快速简便的危害评估方法。

【参考文献】[1]BP工艺安全系列《HazardsofNitrogenandCatalystHandling》.

[2]宋福元.生产作业环境中缺氧和纯氧的危害及预防.上海劳动保护技术,1993年第2期.

[3]《氮气的危险及防范》工艺安全警示灯,CCPS,2012年6月.[4]GB8958-2006缺氧危险作业安全规程.

[5]张建文,安宇,魏利军.化学危险品事故应急响应大气扩散模型评述.中国安全科学学报.2007,17(6):12-17.

作者:王群 单位:台州赛福安全科技有限公司

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