贮存条件下偏二甲肼蒸发特性.pdf

2 0 1 1 年第1 期导弹与航天运载技术N o 12 0 1 1 总第3 l l 期 M I S S I L E SA N DS P A C EV E H I C L E S S u mN o 3 】l 文章编号j1 0 0 4 7 1 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 8 - 0 4 贮存条件下偏二甲肼蒸发特性 黄智勇，陈兴，平燕兵，王煊军 ( 第二炮兵工程学院，西安，7 1 0 0 2 5 ) 摘要：模拟了偏二甲肼筘存环境下泄漏后形成液池，设计蒸发实验研究系统；研究了贮存条件下液池面积、风速， 温度、湿度等单因素对偏二甲肼蒸发速率的影响结果表明随着这些影响因素值的增大，偏二甲肼的蒸发速率相应增大， 并建立了贮存条件下偏二甲肼蒸发模型通过试验验证表明，该模型能较好地预测偏二甲肼的蒸发速率，为研究液体推 进剂贮存中泄漏事故后形成有害气体环境的安全处置提供依据 关键词：偏二甲肼；蒸发速率；影响因素；蒸发模型 中图分类号：V 5 l l文献标识码：A E v a p o r a t i o nC h a r a c t e r i s t i co fU n s y m m e t r i c a lD i m e t h y l h y d r a z i n e P r o p e l l a n ti nS t o r a g e H u a n gZ h i y o n g ，C h e nX i n g ，P i n gY a n b i n g ，W a n gX u a n j u n ( T h eS e c o n dA r t i l l e r yE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，X i a l l ，7 1 0 0 2 5 ) A b s t r a c t ：T h ee x p e r i m e n ti su s e dt os i m u l a t et h eU D M Hl e a k a g ew h i c hf o r m e dal i q u i dp o o li ns t o r a g e T h ef a c t o r s ，s u c h 豁p o o la r e a , w i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t yw h i c hi n f l u e n c ee v a p o r a t i o nr a t e ，a r ed i s c u s s e d T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t a p p r o p r i a t ei n c r e a s eo ft h e s ef a c t o r sc a ni n c r e a s ee v a p o r a t i o nr a t e A ne v a p o r a t i o nm o d e lo ft h eU D M Hi sd e v e l o p e df o rs t o r a g e T h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o d e lc 4 mp r e d i c tt h ee v a p o r a t i o nr a t e ，a n dg i v e sb a s i sf o rt h es a f e t ys e t t l e m e n to ft h eh a z a r dg a si n t h el e a k a g ea c c i d e n t so ft h el i q u i dp r o p e l l a n ts t o r a g e K e yW o r d s ：U n s y m m e t r i c a ld i m e t h y l h y d r a z i n e ；E v a p o r a t i o nr a t e ；I n f l u e n c ef a c t o r s ；E v a p o r a t i o nm o d e l 0 引言 偏二甲肼是一种易燃、易爆、有毒且具有较强吸附 能力的无色透明液体，由于其具有较高热值而被广泛 应用于航天领域。当偏二甲肼贮存量超过10 0 0t 时， 该贮存场地属重大危险源【1 1 。在偏二甲肼突然泄漏、操 作失控或发生自然灾害等情况下，偏二甲肼燃料库存 在火灾、爆炸、人员中毒等重大安全事故发生的风险。 研究偏二甲肼泄漏蒸发特点，对于有效防范偏二甲肼 贮存库发生重大着火、爆炸和中毒危险具有蓖要意义。 从文献【2 】美国解密的航天发射场液体推进剂毒性 实验研究资料看，美国曾进行过对联氨心2 I - 1 4 ) 、戊硼烷 5 H 9 ) 、三氟化氯( C I F 3 ) 等液体推进剂的蒸发扩散的研 究 3 4 1 ，然而对偏二甲肼蒸发扩散的研究资料却较少。 文献【5 】为在航天发射场情况下研究了液体推进剂的蒸 发特性，测量在大气环境下液体推进剂偏二甲肼和四 氧化二氮的蒸发速率，研究出液体推进剂在实际地面 工况下的蒸发规律。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 研究推进剂的贮存安全有一定应用局限。 影响液体蒸发的因素主要有压强、温度、湿度、 风速、液体蒸发面积等，本文模拟贮存环境条件，设 计一套进行液体推进剂蒸发机理研究的实验系统，分 别从蒸发面积、温度、湿度、风速等4 个方面实验研 究了这些因素对偏二甲肼蒸发速率的影响，建立了偏 二甲肼蒸发模型，并以此为处置偏二甲肼的意外泄露 扩散和确保人员环境安全提供了依据。 l 偏二甲肼蒸发实验设计 用称重法测试偏二甲肼挥发量的试验中使用的主 要仪器有M E T T L E RT O L E D O 电子天平、蒸发皿、 T E S T O4 0 5 V I 型风速计、2 7 2 一A 型于湿计、秒表等， 收稿日期：2 0 1 00 4 - 1 0 ：修回日期：2 0 1 0 = 0 8 - 2 0 作者简介：黄智勇( 1 9 6 8 - ) 男。副教授，主要从事特种环境监测及安全与环境l ：控研究 万方数据 第1 期乩 l 乃竹妒r ，条什F 偏i l f I J | J f 熊发特。r f ： 5 9 1 一1 置I偏二甲肼浓度为9 8 1 5 。 关系如图2 所示。 将偏二甲肼定最注入蒸发皿中，置于固定高度，偏甲肼蒸发速率随面积的增大而加快，这是因 每隔一段时间用电子天平测定试样霞最变化。本实验为当推进剂温度、湿度、风速、大气压一定时，偏二 主要模拟偏二甲肼贮存时发生泄漏，残留于地面的推 甲肼蒸发速率主要取决于大气与偏二甲肼蒸发表面之 进剂形成液池后其蒸发过程，由于实际贮存环境中大间的传热与传质，同时对于单组分物质蒸发，其传质 气压变化幅度在相对比较小的范围内，实验中假定环过程几乎不存在液相阻力1 6 J 。蒸发皿面积增大，推进剂 境大气压恒定，不发生变化。实验测最的主要参数有：与环境的对流换热面积增大，单位时间内从蒸发皿向 蒸发皿中偏二甲肼随时间的变化，偏二甲肼蒸发速率空气中逃逸的偏二甲肼的分子增多1 7 J ，蒸发速率加快， 随环境温度、湿度、风速、面积中单一因素的变化等。蒸发速率与面积近似成正比关系，拟合得到蒸发速率 速率计算公式为与面积的公式：+ y ：兰i 二旦1 0 0 0( 1 ) ( 彳) = 1 2 5 3 , 1 0 8 2 6 ( 2 ) 月f f 式中 厂( 彳) 为蒸发速率，m g ( c m 2 m i n ) 。 式中G 为挥发起适量：G 为f 时刻的残余量；A 为2 2 温度对蒸发速率的影响 挥发面积，c m 2 ：y 为挥发速率，m g ( c m ：r a i n ) 。 在分析温度对蒸发速率的影响时，蒸发皿直径8 6c n l ， 保持环境相对湿度5 3 0 ，风速0 0 6m s 。图3 是不同 2实验结果分析 温度条件下偏二甲肼残余量与时间的关系，图4 是蒸 2 1面积对蒸发速率的影响 发速率与温度关系图。 在分析面积对蒸发速率的影响时，保持环境温度 1 8 ，相对湿度4 5 0 ，风速0 0 6m s 。将纯度9 8 1 5 的偏二甲肼分别置入直径为9 4c m 、8 6c m 、6 5c m 、 5 8c m 的蒸发皿中，间隔5m i n 称量其重量。图l 为不 同面积条件下偏二甲肼残余量与时间的关系，图2 为 蒸发速率与面积的关系。 图l不同面积下偏= 甲肼残余与时间的关系 拿 目 目 一 目 p 目 t 图2 蒸发速率与面积的关系 图l 为模拟偏二甲肼贮存时发生泄漏后残留于地 面，形成不同液池面积的偏二甲肼残余景与时间的关 系。图l 中直线斜率值的绝对值为该I f u 干j 下偏二甲肼 的蒸发速率。通过比较发现，蒸发皿I n J 杉 增大，单位 时间内蒸发皿中偏二甲肼挥发罱增大，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 5 4 5 3 鼍5 2 o 5 l 5 0 Ol O2 03 0 t r a i n 图3 不同温度下偏二甲肼残余量与时间的关系 9 1 2 0 看l O O 刍8 0 矗6 0 量4 0 l O1 52 02 5 1 ， 图4 蒸发速率与温度关系图 图3 为模拟偏二甲肼在贮存时发生意外泄漏，5 种 环境温度分别为1 2 ，1 5 ，1 8 ，2 l ，2 4 的 情况F ，偏二甲肼残余鼍与时间的关系。图3 中直线 斜率值的绝对值为该温度条件下偏二甲肼的蒸发速 率。通过图中比较可以看出，温度增高，单位时间内 蒸发皿中偏二甲肼的挥发鼍增大，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 ( 图4 ) 。 偏二甲肼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，偏二 甲肼蒸发速率主要取决于蒸发表面上蒸气质量浓度， 万方数据 6 0 导弹j 航天运载技术2 0 1 1 年 而蒸气质量浓度与偏二甲肼的饱和蒸气压有关，温度 升高，饱和蒸气压增大，蒸发速率也就加大。对于偏 二甲肼，常压下沸点为6 3 1 ，只有当环境温度高于 该值时，饱和蒸气压会接近大气压，蒸发速率趋于一 固定值。偏二甲肼规定的贮存条件低于该值，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公式： 烈r ) = 0 1 1 2 T 2 + 1 1 0 3 T + 2 9 7 3 ( 3 ) 式中 烈7 ) 为蒸发速率，m g ( c m 2 m i n ) ；T 为温度，。 2 3 风速对蒸发速率的影响 在分析风速对蒸发速率的影响时，蒸发皿直径 8 6c m ，保持环境温度1 5 ，相对湿度4 5 0 。图5 为不同风速条件下偏二甲肼残余量与时间的关系，图6 为蒸发速率与风速关系图。 5 6 5 4 5 2 5 0 鼍4 8 o4 6 4 4 4 2 4 0 _ 0 0 6 m s _ h0 5 m s ，- l m s - - - t t - - 1 5 m s - - I I - 2 m s 图5 不同风速条件下偏二甲肼残余量与时间的关系 ，4 0 0 看3 0 0 名2 0 0 盎1 0 0 图6 蒸发速率与风速关系图 图5 为模拟偏二甲肼在贮存时，5 种风速分别为 0 0 6m s ，0 5m s ，1 0m s ，1 5m s ，2 0m s 的情况下， 发生意外泄漏，其溅落于地面的偏二甲肼残余量与时 间的关系。图5 中直线斜率值的绝对值为该风速条件 下偏二甲肼的蒸发速率。通过图中比较发现，风速加 大，单位时间内蒸发皿中偏二甲肼的挥发量增大，即 蒸发速率增大。对蒸发速率数据进行处理得到蒸发速 率与风速的关系，如图6 所示。 偏