【word】 四氧化二氮推进剂贮存条件下蒸发模型研究

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1、四氧化二氮推进剂贮存条件下蒸发模型研究56化学推进剂与高分子材料ChemicalPropellants&PolymericMaterials2011年第9卷第2期四氧化二氮推进剂贮存条件下蒸发模型研究黄智勇,陈兴,王煊军,罗锋,平燕兵(第二炮兵T程学院,陕西西安710025)摘要:模拟存环境下四氧化二氮泄漏形成液池的蒸发环境,设计了研究实验.研究了贮存条件下风速,液池面积,温度,湿度等单一因素对四氧化二氮蒸发速率的影响,结果表明随着影响因素值增大,四氧化_氮的蒸发速率也相应增大.建专了预测贮存条件下四氧化二氮蒸发速率模型,为研究四氧化二氮推进剂贮存过程中泄漏事故发生后形成有害气体环境的

2、安全处置和人员防护提供依据.关键词:四氧化二氮;蒸发模型;影响因素;液体推进剂中图分类号:V513文献标识码:A文章编号:16722191(2011)020056-04四氧化二氮(NO)是一种有毒且具有强烈刺激臭味的红棕色液体(纯四氧化二氮为无色透明液体),由于其为强氧化剂,且具有很好的助燃能力而被广泛应用于航空航天领域.四氧化二氮与多种有机物蒸气混合易发生着火,爆炸等危险,如和含体积分数9%偏二甲肼(UDMH)蒸气的空气混合物接触,会发生爆燃.在四氧化二氮突然泄漏,操作失控或发生自然灾害等情况下,四氧化二氮存库会发生火灾,爆炸,人员中毒等重大安全事故风险.研究四氧化二氮泄漏蒸发的特点,对于有

3、效防范四氧化二氮贮存库发生重大着火,爆炸和中毒危险具有重要意义.从车着名编译美国解密的航天发射场液体推进剂毒性实验研究资料看,美围曾进行过对戊硼烷,三氟化氯,联氨等液体推进剂的蒸发扩散研究3】,但四氧化二氮在贮存条件下蒸发扩散研究成果在资料中未见相关报道.陈新华等在航天发射场情况下研究了液体推进剂的蒸发特性,测量在自然大气环境下液体推进剂UDMH和NO的蒸发速率,研究在实际地面工况下液体推进剂的蒸发规律.由于液体推进剂的理化性质对贮存条件提出了苛刻的要求,在贮存中温度,湿度等因素都保持在一定范围内,因此上述的研究成果对于研究推进剂的存安伞有一定应用局限.影响液体蒸发因素主要有风速,温度,湿度,

4、液体蒸发面积,压强等,笔者模拟贮存环境条件,设计一套进行液体推进剂蒸发机理研究的实验系统,分别从风速,蒸发面积,温度,湿度4个方面实验研究了这些因素对四氧化二氮蒸发速率的影响,并以此为处置四氧化二氮的意外泄漏扩散和确保人员环境等安全提供依据.1N,O蒸发实验设计称重法测试N:O挥发量,实验中N0质量分数不低于98%.实验中使用的主要仪器有蒸发皿,METTLERTOLEDO电子天平,272一A型干湿计,TESTO405一V1型风速计和秒表等.主要模拟四氧化二氮贮存时发生泄漏,残留于地面的推进剂形成液池后其蒸发过程.由于实际存环境中大气压变化幅度在相对比较小的范围内,实验中假定环境大气压恒定,不发

5、生变化.将NO定量注人蒸发皿中,置于固定高度,每隔一段时间用电子天平测定试样质量变化.实验测量的主要参数有:蒸发皿中N0的质量随时间的变化,N0蒸发速率随风速,面积,环境温度,湿度中单一因素的变化等.速率计算公式:式中,m为NO挥发起始质量,g;m为t时刻N:O4残余质量,g;t为时间,min;v为挥发速率,mg/min.2实验结果分析2.1风速对蒸发速率的影响在分析风速对蒸发速率的影响时,蒸发皿直收稿日期:20101116作者简介:黄智勇(1968一),男,副教授,在读博上,研究方向为特种污染检测与防治.电子信箱:cheFlX1226sina.corn黄智勇等.四氧化二氮推进剂贮存条件下蒸发

6、模型研究57径4.70cm,保持环境温度11.5,相对湿度为88.0%.图1为模拟四氧化二氮在贮存时,5种风速分别为0.06,0.5,0.9,1.5,2.0m/s的情况下,发生意外泄漏,其溅落于地面的四氧化二氮残余量与时间的关系.图1中直线斜率的绝对值为不同风速条件下四氧化二氮的蒸发速率.1241221201181161141121l0036912l5t/min图1不同风速条件下N:o残余量与时间的关系Fig.1RelationshipbetweenremainsofN204andtimeatdifferentwindspeeds由图1可知,风速加大,单位时间内蒸发皿中四氧化二氮的挥发量增大,

7、即蒸发速率增大.对蒸发速率数据进行处理得到蒸发速率g()与风速(7)的关系,如图2所示.5O呈403020:10000.5l1.5225/min图2蒸发速率与风速关系Fig.2Relationshipbetweenevaporationrateandwindspeed从图2可知,四氧化二氮蒸发速率随风速的增大而加快,这是因为当推进剂泄漏面积,湿度,温度,大气压一定时,四氧化二氮蒸发速率主要取决于大气与四氧化二氮蒸发表面之间的传热与传质,风速增大,对流传热与传质作用增强,传质系数增大,从而蒸发速率增大.从图2还可看出,蒸发速率的变化率出现了一个拐点,在蒸发过程中,四氧化二氮蒸发速率的变化率并不是

8、恒定的,这有可能是因为当风速比较小时,四氧化二氮蒸发动力来自于自然对流和受迫对流传质与传热;当风速达到一定值时,四氧化二氮的蒸发主要取决于受迫对流传质与传热,自然对流传质与传热可忽略不计.拟合得到蒸发速率与风速的粗略计算公式:g()=27.8.(2)式中,g()为蒸发速率,mg/(cm2.min);为风速,m/s.方程的相关系数r为0.9989.2.2面积对蒸发速率的影响在分析面积对蒸发速率的影响时,保持环境温度14oC,相对湿度86.0%,风速0.06m/S.将四氧化二氮分别置人直径为4.70,4.14,3.71,2.67cm的蒸发皿中,间隔3min称其质量.图3为模拟四氧化二氮贮存时发生泄

9、漏后残留于地面,形成不同液池面积的四氧化二氮残余量与时间的关系.图3中直线斜率的绝对值为该面积下四氧化二氮的蒸发速率.O51Ol5f/m1n20图3不同面积下N:0残余量与时间的关系Fig.3RelationshipbetweenremainsofN204andtimeindifferentevaporationareas由图3可知,蒸发皿面积增大,单位时间内蒸发皿中四氧化二氮挥发量增大,即蒸发速率增大.对蒸发速率数据进行处理得到蒸发速率与面积的关系,如图4所示.5l0l520A/cm图4蒸发速率与面积的关系Fig.4Relationshipbetweenevaporationrateande

10、vaporationarea由图4可知,四氧化二氮蒸发速率随面积的增大而加快,这是因为当推进剂温度,湿度,风速,大气压一定时,四氧化二氮蒸发速率主要取决于大气与四氧化二氮蒸发表面之间的传热与传质,同时对于单组分物质蒸发,其传质过程几乎不存在液相阻力61.所以蒸发皿面积增大,推进42O8642O86莲蛐如如化学推进剂与高分子材料58ChemicalPropellants&PolymericMaterials2011午第9卷第2期剂与环境的对流换热面积增大,单位时间内从蒸发皿向空气中逃逸的四氧化二氮分子增多,蒸发速率加快,蒸发速率与面积近似成正比关系,拟合得到蒸发速率与面积的粗略计算公式:

11、f(A)=5.303A(3)式中,厂()为蒸发速率,mg/min;A为挥发面积,cmz.方程的相关系数为,为0.9994.2.3温度对蒸发速率的影响在分析温度对蒸发速率的影响时,蒸发皿直径4.70cm,保持环境相对湿度为56.0%,风速0.06m/s.图5为模拟四氧化二氮在贮存时发生意外泄漏,5种环境温度分别为10.2,12,14,16,18.9oc的情况下,四氧化二氮残余量与时间的关系.图5中直线斜率的绝对值为该温度条件下四氧化二氮的蒸发速率.89589.0bD885,88.087.5870369l21518t/min图5不同温度下N0残余量与时间的关系Fig.5Relationshipbe

12、tweenremainsofN204andtimeatdifferenttemperatures由图5可知,温度增高,单位时间内蒸发皿中四氧化二氮的挥发量增大,即蒸发速率增大.对蒸发速率数据进行处理得到蒸发速率与温度的关系,结果见图6.8C主7g6554e310I2l4l6l820图6蒸发速率与温度关系Fig.6Relationshipbetweenevaporationrateandtemperature由图6可知,四氧化二氮蒸发速率随温度的升高而加大,这是因为当推进剂面积,湿度,风速,大气压一定时,四氧化二氮蒸发速率主要取决于蒸发表面卜蒸气质量浓度,而蒸气质量浓度与四氧化二氮的饱和蒸气压有

13、关,温度升高,饱和蒸气压增大,蒸发速率也就加快.对于四氧化二氮,常压下其沸点为21.5cc,只有当环境温度高于该值时,饱和蒸气压会接近大气压,蒸发速率趋于恒定值.四氧化二氮规定的贮存条件低于其沸点,因此其蒸发速率随着环境温度升高,蒸发速率增大.拟合得到蒸发速率与温度的粗略计算公式:()=O.004207T+0.228768+1.145858(4)式中,(T)为蒸发速率,mg/(cm2.min);T为温度,.方程的相关系数,为0.9979.2.4湿度对蒸发速率的影晌在分析湿度对蒸发速率的影响时,蒸发皿直径4.7cm,保持环境温度14,风速0.06m/s.图7为模拟四氧化二氮贮存时,5种相对湿度分

14、别为54%,60%,67%,75%,86%的情况下,发生意外泄漏,其溅落于地面的四氧化二氮残余量与时间的关系.网7中直线斜率的绝对值为该湿度条件下四氧化二氮的蒸发速率.O5101520t/min图7不同湿度条件下N0残余量与时间的关系Fig.7RelationshipbetweenremainsofN204andtimeunderdifferentrelativehumidity由图7可知,湿度加大,单位时间内蒸发皿中四氧化二氮的挥发量增大,即蒸发速率增大.对蒸发速率数据进行处理得到蒸发速率与相对湿度的关系,如图8所示.O5O6O.7O.80.9H图8蒸发速率与湿度关系Fig.8Relatio

15、nshipbetweenevaporationrateandrelativehumidity黄智勇等?四氧化二氮推进剂贮存条件下蒸发模型研究59由图8可知,四氧化二氮蒸发速率随湿度的增大而加快,这是因为四氧化二氮易吸收空气中水分,与水作用生成硝酸并放热.汽化的四氧化二氮分子在大气中与水蒸气迅速结合生成硝酸和一氧化氮后,增大了四氧化二氮在蒸发表面与大气中二者之间的浓度差.同时,大气中四氧化二氮分子的扩散速度也随着浓度差增大而加快,使停留在液体表面的四氧化二氮分子能以更快的速率挥发到大气中,增大了四氧化二氮的蒸发速率.拟合得到蒸发速率与相对湿度的关系式:妒()=4.5H一1.625+4.6079(

16、5)式中,()为蒸发速率,mg/(cm2.min);H为相对湿度.方程的相关系数,为0.9945.3四氧化二氮蒸发模型的建立3.1蒸发模型的设计液体蒸发可以看作是自由对流蒸发与受迫对流蒸发的总和,同时按照事物普遍联系的观点,应当认为在蒸发过程中自由对流与强迫对流是互相影响的,国外多数学者也如此认为.所以笔者认为在四氧化二氮蒸发过程中,蒸发与影响因素之间,影响因素与影响因素之间是互相影响的.文中将单因素函数进行非线性组合,作为多因素复合函数,令F(A,T,I厂)?g()?()?(,得到如下形式的液体推进剂蒸发模型:v=k?f(a)?g(Y)?()?()(6)式中,v为蒸发速率,mg/(cm.mi

17、n),k为待定系数.3.2模型参数的确定与检验将标准化后得到的单位面积下各因素的蒸发速率关系式代人(6)式,得到蒸发模型方程式:v=k?A?70.610?fO.004207+0.228768+1.145858)?(4.5H1.625H+4.6079)(7)将NA(面积),NT(温度),NW(风速),NH(湿度)4组系列的数据代人(6)式,可求得多组的k值,结果如表1所示.表1N2O各系列所对应的值Tab.1CorrespondingvalueofeachseriesofN204结果表明,这些k值在一个较小的区间波动,为了使模型达到效果最优化,取这些k值的平均值作为公式的待定系数,即尼:(8)尼

18、古()经计算k为1.0336,把k代入(7)式,即得到四氧化二氮贮存条件下的蒸发模型:v=1.0336.A.(0.004207+0.228768+1.145858).(4.5H1.625H+4.6079)(9)3.3模型参数的检验为了检验模型的可靠性,另做2组实验,将实验值与模型计算值进行比较,并计算其绝对误差和相对误差,结果如表2所示.表2试验值与计算值的比较以及误差计算Tab.2Comparisonbetweencalculationvaluesandexperimentvaluesaswellaserrorcalculation由表2可知,文中提出的四氧化二氮蒸发模型,对于四氧化二氮蒸发

19、速率其计算值与实验值比较接近,拟合的误差也较小,表明该模型对贮存条件下四氧化二氮蒸发速率的模拟效果较好,能较客观,真实地反映四氧化二氮蒸发情况.4结论设计模拟了四氧化二氮贮存中泄漏形成液池后的蒸发实验研究系统,分别从风速,液池面积,温度,湿度4个方面,实验研究了这些因素单方面对四氧化二氮蒸发速率的影响,获得了蒸发速率与影响因素之间的关系,并分析了其中原因.建立了四氧化二氮贮存条件下蒸发模型,通过实验验证了模型的可靠性.若贮存中推进剂发生泄漏事故,所得实验研究结果可以用于分析推进剂贮存场所中有毒有害气体的形成及预测危险区域,从而为采取必要的安全防护措施和处置对策提供理论依据.(下转第63页)刘海

20、蓉等?MDI吸湿性的机理研究63此,MDI产品用户需要非常注意采取防潮措施,以保证生产的顺利进行.4参考文献i2【3CastroEA,MoodieRB,SansomPJ.ThekineticsofhydrolysisofmethylandphenylisocyanatesJ.JChemSoePerkinTrans,1985(2):737742.RaspoetG,NguyenMT.ExperimentalandtheoreticalevidenceforaconcertedcatalysisbywaterclustersinthehydrolysisofisocyanatesJ.JOrgChem

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22、greeofPhasescParationinPo1yetherPolyurethanecopolymerswithdifferentchemicalstructuresofhardsegmentsJ.Polymer,1992,33:4347-4351.ColemanMM,SkrovanekDJ,PainterPC,eta1.Hydrogenbondinginpolymers.4:infraredtemperaturestudiesofasimplepolyurethaneJ.Macromolecules,1986.19(81:21492157.LIUHairong,ZHOUQing,LISh

23、ujie,DINGJiansheng建立的四氧化二氮蒸发模型只适用于贮存2008?篓件!萎篓=裹佟麓,N2204/,U2DMH”5/Y-1J的,对于模型推广应用到其他更广泛的条件需要5威尔特l上,CE,.E:,进一步的深入研究.量,质量传递原理M.李伟正,叶路,译.北京:国参考文献防工业出版社,1984.1丛继信,龚时雨,张光友,等.发射场液体推进剂毒性6】DonaldMackey,RonaldSMatsugu?Evaporationrates危险性的定量分析J.上海航天,2003(4):38-41.ofliquidhydrocarbonspillsonlandandwaterJ.The2】车

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25、hysica1Research.冷却译文专辑(Og力),198O(2):97112.ResearchonEvaporationModelofN204PropellantDuringStoreHuANGZhiyong,CHENXing,wANGXuanjun,LuOFeng,PINGYanbing(eSecondArtilleryEngineeringCollege,Xian710025,China)Abstract:Theresearchexperimentwasdesignedbysimulatingtheevaporationenvironmentofnitrogentetroxide(N

26、204)leakingtoformaliquidpoolduringstore,Theaffectingfactorssuchaswindspeed,liquidpoolarea,temperature,humidityontheevaporationrateofN2O4werestudied.TheresultsshowthattheevaporationrateofN204correspondinglyincreaseswiththeincreaseofoneofthesefactorvalues.AmodeloftheN204wasestablishedtopredictevaporationrateunderstorecondition.TheexperimentresultsprovidereliabledatafortheresearchonthesafetreatmentandpersonalprotectionofharmfulgasenvironmentformedafterN204propellantleakingduringstore.Keywords:nitrogentetroxide;evaporationmodel;affectingfactor;liquidpropellant