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基于ALOHA软件的丙烯储罐泄漏扩散模拟摘要：基于重气扩散模型，用ALOHA软件模拟研究了大气温度、环境风速、泄漏口直径、泄漏口高度和储罐充填率对丙烯储罐丙烯泄漏扩散事故的影响范围，并分析了事故场景对丙烯储罐下风向1300m处敏感点的影响。结果表明：丙烯蒸气云的最大扩散距离会随着大气温度和储罐泄漏口直径的增加而增大，且线性相关；随着环境风速增加而减小；储罐泄漏口高度和储罐充填率对丙烯毒气的最大扩散距离无显著影响；丙烯储罐泄漏导致的丙烯气体扩散事故可能对敏感点处人员健康造成影响。研究结果可为丙烯储罐的安全管理及事故预防提供参考。关键词：丙烯；储罐；泄漏；事故；模拟中图分类号：X936文献标识码：A文章编号：2095-0438（2023）06-0145-04（1.蚌埠学院功能粉体材料蚌埠市实验室安徽蚌埠233030；2.安徽祥源科技股份有限公司安徽蚌埠233030；3.南京理工大学化工学院江苏南京210094）丙烯是三大合成材料的重要原料之一，国内丙烯的需求量较大，且逐渐增加1。丙烯在石油化工行业大量应用，因此，大量的丙烯常储存于大型球罐，一旦发生泄漏，极易燃的丙烯有燃烧爆炸风险，进而对人员和建筑物造成危害，为此，应强化对丙烯储罐的安全管理。目前已有学者开展了丙烯储罐泄漏事故问题的研究，并取得一些进展。Qiao W等结合函数共振分析法（FRAM）和贝叶斯网络（BN）评估了丙烯泄漏的应急响应2。Yang R等基于ALOHA模拟研究了50m3丙烯储罐泄漏中毒事故和蒸汽云爆炸事故，随着丙烯工业规模的不断扩大，较小的丙烯储罐容量不足以反映化工实际3。有研究者利用PHAST、FLACS软件探讨了丙烯球罐泄漏扩散后果，但较为单一的影响因素致使研究不全面4，5。ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres）软件可有效综合评估易燃液体、易燃气体等危险化学品泄漏事故风险6，7。本文在前人研究基础上，基于ALOHA软件对大型丙烯储罐（容积2000m3）泄露影响因素及事故后果进行模拟研究，为丙烯储罐安全管理及相关事故预防和应急响应提供可靠的依据。一、丙烯的理化性质及泄漏事故模型（一）丙烯的理化性质及其危险性。丙烯是无色、无臭气体，是甲类火灾危险性物质，具有易燃、易爆、低毒的危害特性。丙烯为单纯窒息剂和轻度麻醉剂，高浓度丙烯可使人头晕、恶心甚至昏迷丧失意识8，9。丙烯安全储存要求很高，为重点监管危险化学品。丙烯的基本理化性质列于表中。表丙烯的基本理化性质及PACs值化学式CH分子量（g/mol）42.08相对空气密度1.48饱和蒸气压（kPa,0）602.88沸点（）-47.7闪点（）-108爆炸极限（V/V）1%15%PAC值（ppm)PAC-11500PAC-22800PAC-317000（二）影响范围划分。本文以丙烯储罐泄漏后丙烯扩散造成的中毒危害为研究对象，用ALOHA5.4.7软件提供的化学品泄漏事故保护措施标准值（PACs）划分毒性影响范围。PACs是由美国后果评估和保护行动委员会（The Subcommittee onConsequence Assessment and Protective Actions，SCAPA）提出。可用于评估危险化学品泄漏事件，PAC分为3个等级：PAC-1，造成轻微、暂时性的健康影响；PAC-2，造成不可恢复健康影李席1，2，3赵培2周密1，2王若宇2许晓光2收稿日期：2022-11-26作者简介：李席（1989-），男，蚌埠学院功能粉体材料蚌埠市实验室副教授，博士，研究方向：化工安全。通信作者：许晓光（1964-），男，安徽祥源科技股份有限公司教授级高级工程师，研究方向：节能环保、安全生产、职业健康。基金项目：安徽省高校协同创新项目“超薄压延玻璃或成型工艺及装置理论研究（GXXT-2019-023）”；蚌埠学院一流课程培育项目“工业锅炉DCS控制和3D虚拟仿真实验”（2021ylkcpy12）；蚌埠市科技创新指导类项目“含酚废水降解的非贵金属催化剂及其作用机理（20210349）。第43卷第6期绥 化 学 院 学 报2023年6月Vol.43No.6Journal of Suihua UniversityJun.2023145响；PAC-3，威胁生命健康。丙烯的PACs值详见表110。（三）丙烯储罐泄漏扩散模型。1.丙烯储罐模型。某化工企业丙烯储罐参数：公称容积2000m3，罐体高度15.7m，设计压力1.8MPa，常温，为典型的压力容器。气象条件：多云，2001-2020年多年主导风向ENE，多年平均风速1.8m/s，多年平均相对湿度约73%。距离该储罐下风向1300m处为人口聚集的敏感点。2.丙烯气体泄漏扩散模型。ALOHA计算模型分为高斯扩散（Gaussian dispersion）模型和重气扩散（Heavy Gas dispersion）模型两类。鉴于丙烯气体相对空气密度为1.48，比空气重，因此丙烯泄漏扩散后受重力影响将形成重气云团，故本次丙烯储罐泄漏模拟选用重气扩散模型，其表达式如下：ALOHA计算模型分为高斯扩散（Gaussian dispersion）模型和重气扩散（Heavy Gas dispersion）模型两类。鉴于丙烯气体相对空气密度为1.48，比空气重，因此丙烯泄漏扩散后受重力影响将形成重气云团，故本次丙烯储罐泄漏模拟选用重气扩散模型，其表达式如下：c（x，y，z）=c（x）exp-()|y-b(x)Sy(x)2-()zSz1+n|y b(x)c（x，y，z）=c（x）exp-()zSz1+n|y b(x)ux=u0()zz02式中：c、c0分别为任一点、表面中心处泄漏气体的质量浓度（kg/m3）；b（X）为水平范围半宽度（m）；Sy（x）、Sz分别为水平方向、垂直方向气体扩散浓度比率；n为风速常数，z0为水平方向和垂直方向风力图基准高度（m），u0为z0高度上的实际风速（m/s），ux为x方向的风速（m/s）11。结合丙烯气体PACs值及实际情况，对丙烯气体泄漏扩散中毒事故后果的环境及储罐工艺过程因素进行分析，环境因素包括大气温度和环境风速，储罐工艺过程因素包括储罐泄漏口直径、储罐温度、储罐充填率和储罐泄漏口高度。各影响因素的取值范围见表2。表2影响因素的取值范围影响因素取值大气温度（）-10,0,10,25,35,40风速（m/s）1,1.8,10,15,20储罐泄漏口直径（mm）5,10,25,50,70,80,100储罐泄漏口高度（m）0,2,4,6,8,10储罐充填率（%）30,50,70,90,100二、结果与讨论（一）环境因素的影响。1.大气温度。保持风速1.8m/s，储罐温度25，储罐泄漏口直径25mm，泄漏高度4m和储罐充填率90%参数不变，研究大气温度对丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离的影响，结果见图1。由图1知，随着大气温度增加，丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离逐渐增加，大气温度由-10增加至40时，丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离由289m增加至462m，增加幅度59.86%。通过数据拟合发现，丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离与大气温度呈线性相关，线性方程为：y=323.45+3.46x，拟合度R2=0.99993。分析认为，大气温度增加，大气的对流与湍流程度增强，有利于丙烯气体扩散，增大了丙烯扩散蒸气云扩散面积，扩大了丙烯蒸气扩散范围，增加了危险性。图1大气温度对丙烯蒸气云最大扩散距离的影响2.环境风速。保持大气温度25，储罐温度25，储罐泄漏口直径25mm，泄漏高度4m和储罐充填率90%参数不变，研究环境风速对丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离的影响，结果见图2。由图2知，其他因素恒定，环境风速增加，丙烯蒸气云的最大扩散距离减小，环境风速由1m/s增加至20m/s时，丙烯蒸气云的最大扩散距离由546m降低至182m，降低幅度66.67%。这说明环境风速增大，大气湍流度更加明显，垂直方向的混合程度加强，对丙烯蒸气云的垂直方向稀释作用越强12，丙烯蒸气云水平方向扩散范围越小，降低了危险性。图2环境风速对丙烯蒸气云最大扩散距离的影响（二)储罐工艺过程因素。1.泄漏口直径。保持大气温度25，环境风速1.8m/s，储罐温度25，泄漏高度4m和储罐充填率90%参数不变，研究泄漏口直径对丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离的影响，结果见图3。由图3可见，丙烯储罐泄漏口直径增加，单位时间内丙烯泄漏量则会越多，丙烯蒸气云向更远处扩散，丙烯泄漏危险性越大。泄漏口直径由5mm增加至100mm，丙烯蒸气云最大扩散距离由77m增加值1900m，增加幅度333.88%。丙烯蒸气云最大扩散146距离与泄漏口直径呈线性相关，线性方程为：y=-49.636+19.347x，拟合度R2=0.99899。图3泄漏口直径对丙烯蒸气云最大扩散距离的影响2.泄漏口高度和储罐充填率。保持大气温度25，环境风速1.8m/s，储罐温度 25，泄漏口直径 25mm 和储罐充填率90%参数不变，研究泄漏口高度和储罐充填率对丙烯扩散的蒸气云最大扩散距离的影响，结果见图 4。由图 4 可见，丙烯储罐泄漏口高度和储罐充填率增加，丙烯蒸气云扩散范围变化幅度较小。泄漏口高度由 0m 增加至 12m，丙烯蒸气云最大扩散距离由 412m 降低至 407m，降低幅度仅有0.97%，丙烯储罐充填率由20%增加至100%；丙烯蒸气云最大扩散距离由 405m 增加至 411m，增加幅度仅有 1.48%，泄漏口高度和储罐充填率对丙烯有毒蒸气云最大扩散距离没有显著影响。（a）泄漏口高度（b）储罐充填率图4泄漏口高度和储罐充填率对丙烯蒸气云最大扩散距离的影响3.丙烯储罐泄漏对下风向敏感点的影响。本文取风速1.8m/s，泄漏高度4m，环境温度25，储罐温度25，储罐充填率90%，泄漏口直径分别为70mm、95mm时，考查丙烯储罐丙烯泄漏对下风向1300m处人员密集的敏感点的影响，影响范围及敏感点大气中丙烯含量变化情况见图5-6。由图5知，丙烯储罐下风向1300m处的大气中不会出现导致人员死亡的丙烯浓度。由图6可见，丙烯储罐泄漏口直径分别为70mm、95mm时，从泄漏开始的10min到18min内敏感点处室外大气中的丙烯浓度急剧上升，并分别接近1500ppm、超过2800ppm，将对人分别造成轻微、暂时性的健康影响和不可恢复健康影响。敏感点处室内的丙烯浓度随着时间增加不断上升，在大约60min内始终未达到PAC-1值，将不会对影响该处人员身体健康。因此，丙烯储罐泄漏时，处于敏感点地区的人群应减少外出13，以减少丙烯气体所造成的伤害影响。（a）泄漏口直径70mm（b）泄漏口直径95mm图5丙烯储罐丙烯扩散时的毒性影响范围（a）泄漏口直径70mm（b）泄漏口直径95mm图6丙烯储罐下风向1300m敏感点处丙烯浓度变化情况三、结语基于重气扩散模型，用ALOHA软件对丙烯储罐泄漏后丙烯扩散范围的影响因素（环境和储罐工艺过程参数）进行了模拟分析。结果表明：（一）在环境因素中，大气温度的升高可扩大丙烯蒸气云的扩散范围，且二者线性相关；风速增加可降低丙烯有毒蒸气云的最大扩散距离。（二）在储罐工艺过程因素中，储罐泄漏口直径的增加会加速丙烯气体向更远处扩散，且二者线性相关；而储罐泄漏口高度和储罐充填率对丙烯有毒蒸气云最大扩散距离无显著影响。（三）丙烯储罐丙烯气体扩散可能对下风向1300m敏感点处人员健康造成影响，因此要加强丙烯罐区的安全管理，定期检查，加强从业人员培训，以防止发生事故。参考文献：1陈旭杰,郑磊,胡健,等.3000m3丙烯球形储罐焊缝裂纹原因分析与预防措施J.电焊机,2022,52（9):66-71.2Qiao W,Ma X,Liu Y,et al.Resilience evaluation ofmaritime liquid cargo emergency response by integrating FRAM anda BN:A case study of a propylene leakage emergency scenarioJ.OceanEngineering,2022,247:110584.3Yang R,Gai K,Yang F,et al.Simulation analysis ofpropylene storage tank leakage based on ALOHA softwareC/IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScience.IOPPublishing,2019,267（4):042038.4冯禹,马凯,廖志国.基于PHAST 软件的丙烯球罐泄漏模拟J.安全.健康和环境,2015,15（3):46-49.1475唐平,邵万骏.丙烯罐区球罐火灾后果模拟分析C/.2016中国工程防火技术与灭火救援大会文集,2016:230-233.6朱云峰,孙峰,金满平,等.基于ALOHA 软件模拟环氧丙烷储罐泄漏事故J.安全.健康和环境,2017,17（8):5-9.7Polorecka M,Kubas J,Danihelka P,et al.Use of software onmodeling hazardous substance release as a support tool for crisismanagementJ.Sustainability,2021,13（1):438.8杨风雨.急性丙烯中毒致肝脏损害1例报告J.中国工业医学杂志,1994（1):54-55.9冯爱珍.急性丙烯中毒1例报告J.职业与健康,2004（9):38.10董业斌,张秀青,王伟,等.有毒有害气体危害阈值的探讨J.广州化工,2014,42（11):151-153.11成诚,夏天,庞奇志.夏冬季场景下环氧乙烷储罐泄漏事故后果模拟J.安全与环境工程,2022,29（4):156-162.12葛安然,何中其.采用 ALOHA 软件对甲醇储罐泄漏扩散范围影响因素的敏感性分析J.安全与环境工程,2017,24（6):155-161.13吴萍,饶国宁.基于ALOHA软件的氯乙烯储罐泄漏事故模拟与分析J.安全与环境工程,2017,24（1):162-167.责任编辑郑丽娟为鼓励科技人员开展科学技术研究，及时刊登最新研究成果，促进学术交流，绥化学院学报“自然科学与工程技术”栏目特面向全国高校教师和社会科技人员征集该栏目各研究方向具有创新性或实用性的学术论文，欢迎大家投稿。投稿信箱：电话：[phone]绥化学院学报编辑部“自然科学与工程技术”栏目征稿启事Simulation of Leakage Accidents of Propylene Tank by ALOHALi Xi1,2,3Zhao Pei2Zhou Mi1,2Wang Ruoyu2Xu Xiaoguang2*（1.Bengbu Laboratory of Functional Powder Materials,Bengbu University,Bengbu,Anhui 233030;2.Anhui Xiangyuan Technology Co.,Ltd.,Bengbu,Anhui 233030;3.School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 210094）Abstract:Based on the heavy gas diffusion model,the influence range of atmospheric temperature,ambient windspeed,leak diameter,leak height and storage tank filling rate on the propylene leakage and diffusion accidents ofpropylene storage tanks was simulated and studied by ALOHA software,and the impact of accident scenarios onpropylene leakage and diffusion accidents was analyzed.The influence of the sensitive point at 1300m downwind of thepropylene storage tank.The results show that the maximum diffusion distance of the propylene vapor cloud increaseswith the increase of the atmospheric temperature and the diameter of the tank leak,and it is linearly correlated;itdecreases with the increase of the ambient wind speed;the height of the tank leak and the filling rate of the tank haveno significant effect on the maximum diffusion distance of propylene poisonous gas;the propylene gas diffusionaccident caused by the leakage of propylene storage tank may affect the health of personnel at sensitive points.Theresearch results can provide reference for the safety management and accident prevention of propylene storage tanks.Key words:propylene;storage tank;leakage;accident;simulation148