低温容器的蒸汽爆炸现象初探

低温容器的蒸汽爆炸现象初探①林文胜,顾安忠,鲁雪生(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海　200030)摘要:拟讨论的蒸汽爆炸现象定义为液体因处于较大的过热度而急剧汽化,介质所处空间因大量气体得不到及时释放而使压力骤然升高引发的一种物理爆炸。

在低温容器中,液氧、液氮等介质可能处于数兆帕的压力下。

如果容器的某一位置因某种外在原因出现裂口,则其内部的压力会迅速降低,导致液体过热。

如果过热度较大,则不能排除低温容器发生蒸汽爆炸的可能性。

本文从介绍蒸汽爆炸的机理入手,建立了过热液体中产生均匀核化时汽泡的形成、生长模型,并利用该模型对低温容器内的介质发生蒸汽爆炸的可能性进行了探讨。

关键词:低温容器;蒸汽爆炸;过热液体中图分类号:TB6 文献标识码:A 文章编号:100727804(2002)022*******A Prel i m i nary Ana lysis of Vapor Explosion of Cryogen ic VesselsL I N W en2sheng,GU A n2zhong,LU Xue2sheng(In stitu te of R efrigerati on and C ryogen ics,Shanghai J iao tong U n iversity,Shanghai200030,Ch ina) Abstract:T he vapo r exp lo si on discu ssed in th is paper is defined as a k ind of physical exp lo si on that takes p lace w hen liqu id is vi o len tly gasified under large superheat,cau sing the rap id increase of p ressu re.In cryogen ic vessels con tain ing liqu id n itrogen,liqu id oxygen,etc.,the con tam inates m ay be under p ressu re of several m ega Pascal.If a crack is sudden ly opened on the w all of the vessel,the p ressu re in the vessel w ill decrease qu ick ly,and the liqu id becom es superheated.If the superheat is large enough,a vapo r exp lo si on m ay take p lace.In th is paper,the m echan is m of vapo r exp lo si on is firstly in troduced b riefly,a model dealing w ith the bubb le generati on and grow th du ring homogeneou s nucleati on in superheated liqu id is p ropo sed,and the po ssib ility of vapo r exp lo si on in cryogen ic vessels is analyzed w ith the model.Key W ords:cryogen ic tank s;vapo r exp lo si on;superheated liqu id 多种化工设备的实际运行经验表明,涉及带压力的液化气体的反应或储存设备不但可能发生化学爆炸,也可能发生某种形式的物理爆炸,即蒸汽爆炸。

这类爆炸在液化石油气、液氨、液体氟利昂等介质的储运过程中时有发生。

那么,在低温容器中是否存在发生蒸汽爆炸的可能呢?本文将在简单介绍蒸汽爆炸的机理后对这一问题做出分析。

1　液化气体的蒸汽爆炸现象液化气体在容器中一般是在其沸点温度下储存的。

储存方式有以下三种:11低温常压储存;21常温压力储存;31低温压力储存。

第一种储存方式,无论容器液相或汽相空间的容器壁产生裂缝,也不管裂缝有多大,均不会使容器内液体处于过热状态,因此,不会发生蒸汽爆炸。

后两种储存方式具备一定条件时,容器就可能发生蒸汽爆炸。

从导致液化气体蒸汽爆炸的起因来看,可以将其分为两种类型:热爆炸型和冷爆炸型。

当容器受其它火焰加热或受热辐射时,容器内液化气体受热气化,蒸汽压异常升高。

此时,容器液面以下的容器壁温度不会有明显升高,而容器液面以上汽相空间的容器壁温度很容易升高。

当温度升高致使容器壁板材强度降低,就会发生延伸性变形而减薄,乃至产生裂缝,高压气体从裂缝喷出,容器内压力急剧下降,破坏了液化气体的相平衡而使液体处于过热状态。

瞬时,容器内液化气体急剧沸　第20卷第2期低温与特气V o l120,N o12　2002年4月L ow T emperatu re and Specialty Gases A p r1,2002 ①收稿日期:2001206203腾,已气化的气体及被其卷携的液体以极大的冲击力撞击容器壁,致使裂缝扩展,继而大量气体和剩余液体一并喷向外部空间,这就发生了蒸汽爆炸。

冷爆炸型蒸汽爆炸的发生根本不需要着火,其引发原因可归纳如下:11容器由于设计时选材不当或板材本身存在缺陷;21容器制造、组装、焊接和热处理过程中造成缺陷,运行中受介质腐蚀;31运行时因误操作使容器过量充装或完全充满液体;41外部机械损伤。

由以上原因造成容器破裂后,都可能因容器内液体急剧汽化引发蒸汽爆炸。

不论是这里提到的冷爆炸或热爆炸,它们一个共同的特点是:最终剧烈的爆炸是在某种较轻微的爆炸(或开裂)后发生的,属“二次爆炸”。

国外对这一类蒸汽爆炸有一个特定术语,称为沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(Bo iling L iqu id Exp anding V apo r Exp lo si on,简称BL EV E)。

由于液化气体包含的巨大能量(液体汽化时,体积往往数百倍膨胀),一旦发生蒸汽爆炸事故将会对人员生命和财产构成重大威胁。

相关的事故国内外都有多次报道。

如国外广泛报道并激发众多研究人员投入研究的1984年11月9日发生在墨西哥城的爆炸事故,装有3000t丙烷的容器发生爆炸(其中确认的蒸汽爆炸有4起,并由此引发连锁化学爆炸),死亡人数达500人,伤7000人。

液化气体蒸汽爆炸的主要危害在于:11爆炸压力波;21容器爆炸碎片;31后继气体爆炸形成火球及其强烈的辐射作用;41有毒气体的毒性。

这些都会对周围人员造成伤害,并对设备和建筑物形成破坏。

而且,虽然蒸汽爆炸属物理爆炸,但也因介质的可燃或助燃性质,事故经常会以化学过程(燃烧或气体爆炸)结束,其危害就更为严重。

在很多情况下,低温容器是在常压下运行,只是通过容器的良好绝热性能来维持介质处于液体状态。

这样的容器不可能因为压力突降而使液体处于过热状态,因而也不可能发生蒸汽爆炸现象。

但在另外一些情况下,容器因各种原因必须保持零排放(如介质有毒、易燃、特殊使用条件不允许排放等)。

这时,随着外界热量的不断渗入(不论多么优良的绝热手段都不可能完全隔绝传热),容器内的部分液体的汽化会使其压力不断升高。

当压力高达一定程度时,低温容器发生蒸汽爆炸的可能性也就具备了。

2　低温容器蒸汽爆炸理论模型本文以下部分将通过建立一个低温容器中液化气体蒸汽爆炸的理论模型,来探讨其发生蒸汽爆炸的可能性。

作为简化,本文讨论的对象为一立式筒形容器。

假设容器因某种原因顶部突然出现面积为S0的小孔。

对系统做如下假设:11不考虑压力波的传播速度,即系统内介质在任一时刻各点压力相等;21不考虑热流传播速度,气相空间和液相空间内各点分别具有相同的温度;31气相空间的气体为理想气体;41低温介质分别假设为纯净的液氧和液氮两种情况。

211　过热液体中气泡的成长一般液体内部都包含一定量的气泡核,只要气泡核的半径大于某一临界半径R C,当液体过热时就会生长成较大的气泡。

临界半径R C=2Ρ p l(1)降压波传播到液体空间内,原有的气泡将增大。

气泡增大的机理受力学和传热两种因素支配。

单纯的力学原因可从求解气泡的动量方程中得到,在简化计算中气泡半径随时间t的变化规律可利用下列的公式[1,2]:R in=110929∃p Θl t(2)传热原因是由于液体压力下降后,过热的液体向气泡传输热量与质量,进而促进气泡增大。

目前关于过热液体向气泡的传热过程尚未成熟的模型,常把包围气泡的液体作为半无穷大物体,按非稳态导热计算得简化的模型,用下列的公式:R t=2∃T3Θl c p l k t Θv r(3)式中,r为蒸发潜热。

液体过热度达到一定的极限后,液体内会产生新的气泡,其生长率从下式中可求得[3]:J=N2Ρ ΠM B exp(-16ΠΡ3 3kT∃p2)(4)式中,Ρ为液体表面张力,N为阿伏加德罗常数,k 为玻尔兹曼常数,M为单个分子质量,B是常数。

212　泄放过程的压力变化容器泄放时气相的质量变化为m・v=d m v d t=2Θv S0v+m・lv(4)式中,m・lv为从液相传入气相的质量流率[4],m・lv=Θvs u bΑA(5)气泡离开液面的速度u b=c gΡ(Θl-Θv) Θl0125(6) A为筒体横截面积,Α为空隙率,Θvs为饱和蒸汽密12第2期 林文胜,等:低温容器的蒸汽爆炸现象初探 度,系数c 取1140～1153。

气相能量变化d Q v d t =q v -m ・v h v +m ・lv h v =m v c p v d T v d t (7)液相的质量变化为d m l d t =m・lv(8)液相质量由两部分组成:m l =ΑΘvs V l +(1-Α)Θl V l(9)液相能量变化d Q l d t =q l -m ・lv h v =m l c p l d T l d t (10)液相体积变化d V l d t =4ΠR 3J3-u b A (11)气体密度和压力Θv =m v V v(12)p v =Θv R T v (13)3　模拟结果及分析311　典型算例本文取下列初始条件作为一个典型算例:一直径014m 、高015m 的立式圆柱形容器,盛有压力215M Pa ,G (216M Pa ,ab s )的液氮或液氧,并且容器内汽液两相处于平衡状态。

容器内初始液位高度为0125m 。

在t =0时,容器上端面中心处出现一直径0102m 的开口。

随着开口的出现,容器内介质开始泄放,各热力参数也随之发生剧烈变化。