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你不能不知道的有害气体运动特性
作者:苏州美科尔克电子科技有限公司 | 发布时间:2018-02-14 | 载入中...

一、从漆醉现象谈起
油漆师傅常提醒新学徒:若在地下室工作,应从空间低处开始油漆,然后再逐步向上推进,否则容易吸入过量有机溶剂蒸气,发生类似宿醉的症状(漆醉现象)。不信邪的新手往往存疑,直觉地认为有机溶剂蒸气既然是气体,应该不会累积于低处空间,而是往四面八方扩散才对吧?
利用纹影摄影术(Schlieren Photography),能以肉眼直接观察原本透明无色的有害气体,并解答了前述问题。研究结果显示,大多数密度大于空气的有害气体(含蒸气),于离开发生源后,并未往四面八方自由扩散,其运动特性同时受到四种因素的影响。现场管理人员若能充分掌握该四种因素(重力分离、受热上升、随风飘散、浓度扩散),则可借以加强保障工人健康,这就是本文的重点。四种有害气体的运动特性详述如下:
二、气体的重力分离
若把甲、乙两种气体装填于图1所示的恒温密闭容器,则随着时间流逝,两种气体受重力影响而逐渐分离。如图1的案例A,甲气体分子量远低于乙气体,因此重力分离发生得较快,两种气体的界面也较容易辨认;至于案例 B,甲、乙两种气体的分子量很接近,重力分离发生得较慢,且两种气体的界面模糊不清。在相同温度下,有害气体的分子量若大于空气,则容易受重力影响而沉降。如图2所示,污水槽等近似恒温的容器,从液面持续释放有害气体。若有害气体为高分子量的硫化氢、二氧化碳,则先沉降于液面上方,然后向上逐渐累积;至于甲烷、一氧化碳等低分子量气体,则由上方人孔盖缝隙散逸。经过一段时间后,槽内空间充满了高分子量的有害气体,此时接近液面的气体中含氧量严重不足,工人若贸然进入,可能因此窒息。

为了佐证图2的模型 ,我们做了以下实验:将装有液态甲苯的开口容器静置于升降台,任由甲苯蒸气挥发,并以纹影摄影术拍得画面如图3。于图3可看见甲苯蒸气自上方开口溢出后,并未向四面八方自由扩散,反而先贴著容器表面向下滑落,堆积于升降台上,后乘着低于0.1m/s的室内微风往左下方飘散。在此过程中,甲苯蒸气始终在沉降,证明有害气体的「重力分离」现象确实存在。
三、有害气体受热上升
即使有害气体的平均分子量大于空气,只要温度够高、密度够低,还是能自动上升。高温有害气体的上升趋势不宜阻止,反而要设法导引,使其顺利排放,否则容易因气体积聚而造成问题。举实例说明如下。



图4为某「楼中楼」出租住宅的立剖面图,房东在阳台加装密闭铝窗,但未将瓦斯热水器更换的类型。事故发生时天气很冷,两位租屋工人为了御寒而将阳台铝窗紧闭,其中一位进入浴室洗热水澡。热水器点火后,高温燃烧废气快速填满阳台空间,由窗户开口流入室内,再从楼梯开口窜升,逐渐累积于上层空间。位于上层的遇难者吸入积聚于此的缺氧燃烧废气,首先昏迷倒地,下层洗澡的劳工听到异响而上楼查看,但打完求救电话后也陷入昏迷。
四、有害气体随风飘散
有害气体远比烟雾更容易随风飘散。如图 5所示,一块浸过甲醇的海绵,原本在无风环境中持续向下挥发甲醇蒸气,但上方气罩若提供0.2m/s的捕集风速,甲醇蒸气立即反转向上流动。一般而言,只要风速达0.5m/s,就能驱动绝大多数密度大于空气的室温气态有害物(含蒸气),使其朝风速方向飘散。



虽然大部分有害气体能轻易随风飘散,但我们必须强调:飘散后的有害气体可能发生「二次沉降」。我们曾于实验后,发现离地0.1米、离地1米等两个高度的空气样本中,六氟化硫(检测用示踪气体)的残留浓度差异达五千倍之多,其中近地面空气中的残留六氟化硫,几乎都是「二次沉降」的堆积结果。
五、有害气体的浓度扩散
与环境空气直接接触时,有害气体分子受「浓度梯度力」的驱使,会不断试图均匀扩散在环境空气裡。浓度扩散的速度与浓度差异约略成正比,有害气体与环境空气接触时,初期的扩散速度很快,但由于工人作业场所同时存在重力、加热或冷却、环境侧风等干扰因素,浓度扩散进行到一定程度时,就逐渐受到前述三种因素的干扰,因此有害气体的「均匀扩散」通常很难达成。
举例而言,图1所示的两种气体进入容器后,初的扩散混合速度很快,但经过一段时间后,甲、乙两种气体虽然还是试图朝对方扩散,「浓度梯度力」敌不过重力,两种气体逐渐分离。当这两种因素的影响达到平衡状态时,两种气体的界面便呈现为一段模糊的垂直浓度过渡范围。
六、应用案例
谈完「重力分离、受热上升、随风飘散、浓度扩散」这四种有害气体的运动特性后,后举以下的综合应用案例供工人朋友参考。
1、某厂房新进电热设备一部,此设备大量产生废热空气 。为了避免厂房气温过高,电热设备正上方设有接收型气罩,利用受热上升原理接收废热空气,然后由排气机排放到户外。
2、厂房负责人指派一名工人对大型机件喷漆,此时厂房内有风向稳定的微风。为了使溶剂蒸气朝下风方向飘散(远离工人身体),因此先于机件下风侧喷漆,后才在机件上风侧喷漆。
3、由于厂房空气原本不含油漆溶剂,机件表面喷漆后,初期溶剂浓度扩散速度很快,因此虽然已谨慎选择施工顺序,工人还是闻得到油漆味。幸好溶剂的空气中容许浓度远高于嗅觉可侦测极限,因此不至于危害劳工健康。
4、工人于傍晚下班前将厂房的各个铁门逐一拉下,但刻意保留足够的离地间隙,并未完全关闭铁门。
5、大型机件于夜间持续对厂房内部空气挥发油漆溶剂。溶剂蒸气先依重力分离原理沉降堆积于地面,然后由铁门与地面之间的间隙扩散到户外,因此次日开门上班时,厂房空气中的油漆味已不明显。

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