第三章泄漏與擴(kuò)散925

1、第三章 泄漏與擴(kuò)散本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 1了解化工企業(yè)中的常見(jiàn)泄漏源。 2熟悉液體、氣體和蒸氣泄漏的泄漏速率計(jì)算方法。 3掌握液體閃蒸率及兩相泄漏速率的計(jì)算方法。 4掌握液體蒸發(fā)（沸騰）速率的計(jì)算方法。 5熟悉擴(kuò)散模式及擴(kuò)散影響因素。 6熟悉高斯模型及擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算方法。 7了解重氣云擴(kuò)散的計(jì)算方法。 8了解釋放動(dòng)量和浮力對(duì)擴(kuò)散行為的影響。第一節(jié) 常見(jiàn)的泄漏源 泄漏機(jī)理可分為大面積泄漏和小孔泄漏。 大面積泄漏是指在短時(shí)間內(nèi)有大量的物料泄漏出來(lái)，儲(chǔ)罐的超壓爆炸就屬于大面積泄漏。 小孔泄漏是指物料通過(guò)小孔以非常慢的速率持續(xù)泄漏，上游的條件并不因此而立即受到影響，故通常假設(shè)上游壓力不變。 如圖3-1所示為化

2、工廠中常見(jiàn)的小孔泄漏的情況。對(duì)于這些泄漏，物質(zhì)從儲(chǔ)罐和管道上的孔洞和裂紋以及法蘭、閥門(mén)和泵體的裂縫或嚴(yán)重破壞、斷裂的管道中泄漏出來(lái)。 如圖32所示為物料的物理狀態(tài)是怎樣影響泄漏過(guò)程的。對(duì)于存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體或蒸氣，裂縫導(dǎo)致氣體或蒸氣泄漏出來(lái)，對(duì)于液體，儲(chǔ)罐內(nèi)液面以下的裂縫導(dǎo)致液體泄漏出來(lái)。 如果液體存儲(chǔ)壓力大于其大氣環(huán)境下沸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力，那么液面以下的裂縫，將導(dǎo)致泄漏的液體的一部分閃蒸為蒸氣，由于液體的閃蒸，可能會(huì)形成小液滴或霧滴，并可能隨風(fēng)而擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。液面以上的蒸氣空間的裂縫能夠?qū)е抡魵饬?，或氣液兩相流的泄漏，這主要取決于物質(zhì)的物理特性。第二節(jié)液體泄漏 一、通過(guò)孔洞泄漏 對(duì)于某過(guò)程單元（表

3、壓為pg）上的一個(gè)小孔，當(dāng)液體通過(guò)其流出時(shí)，認(rèn)為液體高度沒(méi)有發(fā)生變化。若小孔的面積為A，液體的流速為 則液體通過(guò)小孔泄漏的質(zhì)量流量（流速）Qm為：gmpACAuQ20u第一節(jié) 液體經(jīng)小孔泄露的源模式泄露形式容器內(nèi)流速忽略，不考慮摩擦損失和液位變化考慮到因慣性引起的截面收縮及摩擦引起的速度減小，引入孔流系數(shù)C0。C0=實(shí)際流量/理論流量C0約為1薄壁小孔C0約0.61厚壁小孔或孔外伸有一段短管C0約0.81通常情況下C0難以求取，為保持足夠的安全余量，可取1. 流出系數(shù)Co為： 對(duì)于鋒利的小孔和雷諾數(shù)大于30 000， Co近似取061; 對(duì)于圓滑的噴嘴，流出系數(shù)可近似取l；對(duì)于與容器連接的短管

4、（即長(zhǎng)度與直徑 之比小于3），流出系數(shù)近似取0. 81; 當(dāng)流出系數(shù)不知道或不能確定時(shí)，取1.0以使計(jì)算結(jié)果最大化。 例例3-1 下午下午1點(diǎn)，工廠的操作人員注意到輸送苯的管道點(diǎn)，工廠的操作人員注意到輸送苯的管道中的壓力降低了。壓力被立即回復(fù)為中的壓力降低了。壓力被立即回復(fù)為690kPa。下。下午午2:30，管道上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑為，管道上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑為6.35mm的小孔的小孔并立即進(jìn)行了修補(bǔ)。并立即進(jìn)行了修補(bǔ)。 請(qǐng)估算流出來(lái)的苯的總質(zhì)量。苯的比重為請(qǐng)估算流出來(lái)的苯的總質(zhì)量。苯的比重為0.8794。 解：下午解：下午1點(diǎn)觀察到的壓力降低是管道上出現(xiàn)點(diǎn)觀察到的壓力降低是管道上出現(xiàn)小孔的象征。假設(shè)

5、小孔在下午小孔的象征。假設(shè)小孔在下午1點(diǎn)到點(diǎn)到2:30之間，之間，即即90分鐘內(nèi)，一直存在。小孔的面積為分鐘內(nèi)，一直存在。小孔的面積為例例3-141035. 614. 34232dA51017. 3苯的密度為：苯的密度為： 4 .87910008794. 0gmPACQ2055109 . 614 .879261. 01017. 3s/kg674二、通過(guò)儲(chǔ)罐上的孔洞泄漏 小孔(面積為A)在液面以下hL處形成，儲(chǔ)罐中的表壓為pg，外界表壓為0， 且儲(chǔ)罐中液體流速為0，則瞬時(shí)質(zhì)量流量Qm。為：)(20LgmghpACAuQ忽略阻力項(xiàng)通過(guò)孔流系數(shù)C0修正第三節(jié)氣體或蒸氣泄漏 一、通過(guò)孔洞泄漏 對(duì)于流動(dòng)

6、著的液體來(lái)說(shuō)，其動(dòng)能的變化經(jīng)常是可以忽略不計(jì)的，物理性質(zhì)（特別是密度）是不變的。而對(duì)流動(dòng)著的氣體和蒸氣來(lái)說(shuō)，這些假設(shè)僅僅在壓力變化不大(p1/p22)、流速較低（小于0.3倍聲音在氣體中的傳播速度）的情況下有效。由于壓力作用使氣體或蒸氣含有的能量在其從小孔泄漏或擴(kuò)散出去時(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，隨著氣體或蒸氣經(jīng)孔流出，其密度、壓力和溫度發(fā)生變化。 氣體和蒸氣的泄漏，可分為滯流和自由擴(kuò)散泄漏。 對(duì)滯流泄漏，氣體通過(guò)孔流出，摩擦損失很大，很少一部分來(lái)自氣體壓力的內(nèi)能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能， 對(duì)自由擴(kuò)散泄漏，大多數(shù)壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，過(guò)程通常假設(shè)為等熵。滯流泄漏的源模型，需要有關(guān)孔洞物理結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，在這里不予考慮，自由

7、擴(kuò)散泄漏源模型僅僅需要孔洞直徑。 對(duì)于自由擴(kuò)散泄漏，假設(shè)可以忽略潛能的變化，沒(méi)有軸功，則質(zhì)量流量的表達(dá)式為： 3-23 p0容器內(nèi)介質(zhì)壓力（絕壓），Pa； p環(huán)境壓力（下游壓力），Pa； 氣體的絕熱指數(shù)（熱容比）/ )1(0/20000)()(12ppppTRMApCQgm泄漏后密度發(fā)生變化可壓縮流體（勢(shì)能變化忽略）定義孔流系數(shù)：令 對(duì)于許多安全性研究，都需要通過(guò)小孔流出蒸氣的最大流量。引起最大流速的壓力比為： 3-24)1/(0)12(ppckoked 塞壓pchoked是導(dǎo)致孔洞或管道流動(dòng)流量最大的下游最大壓力。當(dāng)下游壓為小于pchoked時(shí)，在絕大多數(shù)情況下，在洞口處流體的流速是聲速；通

8、過(guò)降低下游壓力，不能進(jìn)一步增加其流速及質(zhì)量流量。這種類(lèi)型的流動(dòng)稱(chēng)為塞流、臨界流或聲速流。 對(duì)于空氣泄漏到大氣環(huán)境(pchoked =101.3 kPa)，如果上游壓力比101. 3/0. 528=191.9 kPa大，則通過(guò)孔洞時(shí)流動(dòng)將被遏止，流量達(dá)到最大化。在過(guò)程工業(yè)中，產(chǎn)生塞流的情況很常見(jiàn)。 把式(3-24)代入式(3-23)，可確定最大流量： (3-25) 式中M -泄漏氣體或蒸氣的相對(duì)分子質(zhì)量; To -漏源的溫度，k； Rg理想氣體常數(shù)。)1/()1(000)12()(TRMApCQgchokedm 對(duì)于鋒利的孔，雷諾數(shù)大于30 000時(shí)，流出系數(shù)Co取常數(shù)0.61，然而，對(duì)于塞流，

9、流出系數(shù)隨下游壓力的下降而增加。對(duì)這些流動(dòng)和C0不確定的情況，推薦使用保守值1.0。 各種氣體的熱容比y的值在表3-3中給出。 例3-2 裝有氮?dú)獾膬?chǔ)罐上有一個(gè)2.54 mm的小孔，儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為1 378 kPa，溫度為26.7，計(jì)算通過(guò)該孔的液體質(zhì)量流量。 二、通過(guò)管道泄漏 氣體經(jīng)管道流動(dòng)的模型有絕熱法和等濕法。絕熱情形適用于氣體快速流經(jīng)絕熱管道，等溫法適用于氣體以恒定不變的溫度流經(jīng)非絕熱管道，真實(shí)氣體流動(dòng)介于絕熱和等溫之間。第四節(jié)液體閃蒸 閃蒸就是高壓的飽和液體進(jìn)入比較低壓的容器中后由于壓力的突然降低使這些飽和液體變成一部分的容器壓力下的飽和蒸氣和飽和液。 存儲(chǔ)溫度高于其通常沸點(diǎn)溫度的受

10、壓液體，由于閃蒸會(huì)存在很多問(wèn)題，如果儲(chǔ)罐、管道或其他盛裝設(shè)備出現(xiàn)孔洞，部分液體會(huì)閃蒸為蒸氣，有時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。 如果泄漏的流程長(zhǎng)度大于10 cm（通過(guò)管道或厚壁容器），那么就能達(dá)到平衡閃蒸條件，且流動(dòng)是塞流，可假設(shè)塞壓與閃蒸液體的飽和蒸氣壓相等，結(jié)果僅適用于儲(chǔ)存在高于其飽和蒸氣壓環(huán)境下的液體，在此假設(shè)下，質(zhì)量流量由下式給出： 3-62 式中A-釋放面積，m2； Co-流出系數(shù)，無(wú)量綱； Pf-液體密度，kg/m3； p-儲(chǔ)罐內(nèi)壓力，Pa； psat閃蒸液體處于周?chē)鷾囟惹闆r下的飽和蒸氣壓，Pa。)(2f0satmppACQ對(duì)儲(chǔ)存在其飽和蒸氣壓下的液體，p一psat，式( 3-62)將不再有效?？紤]

11、初始靜止的液體加速通過(guò)孔洞，假設(shè)動(dòng)能占支配地位，忽略潛能的影響，那么質(zhì)量流量為： A-小孔面積 T-初始溫度 Cp-液體的熱容 Hv-液體的蒸發(fā)熱 vfg-液體的比容，m3/kg. 在閃蒸蒸氣噴射時(shí)會(huì)形成一些小液滴，這些小液滴很容易就被風(fēng)帶走，離開(kāi)泄漏發(fā)生處，經(jīng)常假設(shè)所形成的液滴的量同閃蒸的量是相等的。第五節(jié)液體蒸發(fā) 飽和蒸氣壓高的液體蒸發(fā)較快，蒸發(fā)速率更一般的表達(dá)式如下： 3-65 式中 psat液體溫度下純液體的飽和蒸氣壓，Pa p-位于液體上方靜止空氣中的蒸氣分壓，Pa Qm蒸發(fā)速率，kg/s； M一易揮發(fā)物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量； K-面積A的傳質(zhì)系數(shù)，m/S; Rg-理想氣體常數(shù)； T-液

12、體的絕對(duì)溫度，K。LgsatmTRppMKAQ)( 對(duì)大多數(shù)惰況，psat p，式(3-65)可簡(jiǎn)化為： 用式(3-67)確定所研究物質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)K與某種參考物質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)Ko的比值：經(jīng)常用水作為參照物質(zhì)，其傳質(zhì)系數(shù)為0. 83 cm/s。 對(duì)于液池中的液體沸騰，沸騰速率受周?chē)h(huán)境與池中液體間的熱量傳遞的限制，沸騰初始階段，通常由來(lái)自地面的熱量傳遞控制，來(lái)自地面的熱量傳遞，由如下簡(jiǎn)單的一維熱量傳遞方程模擬： 3-70 式中qs來(lái)自地面的熱通量，W/II12； ks土壤的熱導(dǎo)率，W/(mk)； Tg-土壤溫度，K； T-液池溫度，K； as土壤的熱擴(kuò)散率，1112s； t-溢出后的時(shí)間，s。 2

13、/1)()(taTTkqsgss 假設(shè)所有的熱量都用于液體的沸騰，則沸騰速率的計(jì)算如下： 3-71 式中Qm質(zhì)量沸騰速率，kg/s; qg-地面向液池的熱量傳遞，由式(3-70)確定 A液池面積，m2； Hv液池中液體的汽化熱，J/kg。 ysmHAqQ無(wú)錫海力士氣體泄漏 1984年，印度博帕爾市(Bhopal)美國(guó)聯(lián)合碳化物(Union Carbide)屬下的農(nóng)藥廠發(fā)生了嚴(yán)重的毒氣泄漏事故，一夜之間有40多噸異氰酸甲酯溢出，造成20000多人喪生，這是迄今為止世界上發(fā)生的最慘重的化學(xué)工業(yè)事故。第六節(jié)擴(kuò)散方式及影響因素 1擴(kuò)散方式 物質(zhì)泄漏后，會(huì)以煙羽（如圖3-7所示）或煙團(tuán)（如圖38所示）兩

14、種方式在空氣中傳播、擴(kuò)散。泄漏物質(zhì)的最大濃度是在釋放發(fā)生處（可能不在地面上），由于有毒物質(zhì)與空氣的湍流混合和擴(kuò)散，其在下風(fēng)向的濃度較低。 2影響因素 影響有毒物質(zhì)在大氣中擴(kuò)散的因素有以下幾個(gè)方面。 (1)風(fēng)速。隨著風(fēng)速的增加，圖中的煙羽會(huì)又長(zhǎng)又窄，物質(zhì)向下風(fēng)向輸送的速度變快了，但是被大量空氣稀釋的速度也加快了。 空氣的垂直運(yùn)動(dòng)；夜晚，空氣溫度隨高度的增加下 降不多，導(dǎo)致較少的垂直運(yùn)動(dòng)。白天和夜晚的溫度變化如圖3-9所示，有時(shí)也會(huì)發(fā)生相反的現(xiàn)象。相反情況下，溫度隨著高度的增加而增加，導(dǎo)致最低限度的垂直運(yùn)動(dòng)，這種情況經(jīng)常發(fā)生在晚間，因?yàn)闊彷椛鋵?dǎo)致地面迅速冷卻。 (2)大氣穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度與空氣的

15、垂直混合有關(guān)。白天，空氣溫速下降，促使了 大氣穩(wěn)定度劃分三種穩(wěn)定類(lèi)型：不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定。對(duì)于不穩(wěn)定的大氣情況，太陽(yáng)對(duì)地面的加熱要比熱量散失得快，因此，地面附近的空氣溫度比高處的空氣溫度高，這在上午的早些時(shí)候可能會(huì)被觀測(cè)到，這導(dǎo)致了大氣不穩(wěn)定，因?yàn)檩^低密度的空氣位于較高密度空氣的下面，這種浮力的影響增強(qiáng)了大氣的機(jī)械湍流。對(duì)于中性穩(wěn)定度，地面上方的空氣暖和，風(fēng)速增加，減少了輸入的太陽(yáng)能或日光照射的影響， 對(duì)于中性穩(wěn)定度，地面上方的空氣暖和，風(fēng)速增加，減少了輸入的太陽(yáng)能或日光照射的影響，空氣的溫度差不影響大氣的機(jī)械湍流。對(duì)于穩(wěn)定的大氣情況，太陽(yáng)加熱地面的速度沒(méi)有地面的冷卻速度快，因此地面附近的溫度

16、比高處空氣的溫度低，這種情況是穩(wěn)定的，因?yàn)檩^高密度的空氣位于較低密度空氣的下面，浮力的影響抑制了機(jī)械湍流。 (3)地面條件。地面條件影響地表的機(jī)械混合和隨高度而變化的風(fēng)速，樹(shù)木和建筑物的存在加強(qiáng)了這種混合，而湖泊和敞開(kāi)的區(qū)域，則減弱了這種混合， 圖3-10地面情況對(duì)垂直風(fēng)速梯度的影響 (4)泄漏位置高度。泄漏位置高度對(duì)地面濃度的影響很大，隨著釋放高度的增加，地面濃度降低，這是因?yàn)闊熡鹦枰怪睌U(kuò)散更長(zhǎng)的距離，如圖3-11所示。一般電廠煙囪的規(guī)格都是210米 240米的 (5)釋放物質(zhì)的初始動(dòng)量和浮力。泄漏物質(zhì)的浮力和動(dòng)量改變了泄漏的有效高度，圖3-12所示，高速?lài)娚渌哂械膭?dòng)量將氣體帶到高于泄漏

17、處，導(dǎo)致更高的有效泄漏高度。如果氣體密度比空氣小，那么泄漏的氣體一開(kāi)始具有浮力，并向上升高，如果氣體密度比空氣大，那么泄漏的氣體開(kāi)始就具有沉降力，并向地面下沉。 尾氣排放溫度也在200度左右 泄漏氣體的溫度和相對(duì)分子質(zhì)量決定了相對(duì)于空氣(相對(duì)分子質(zhì)量為28. 97)的氣體密度，對(duì)于所有氣體，隨著氣體向下風(fēng)向傳播和同新鮮空氣混合，最終將被充分稀釋?zhuān)⒄J(rèn)為具有中性浮力，此時(shí)，擴(kuò)散由周?chē)h(huán)境的湍流所支配。第七節(jié)中性浮力擴(kuò)散模型 中性浮力擴(kuò)散模型，用于估算釋放發(fā)生后釋放氣體與空氣混合，并導(dǎo)致混合氣云具有中性浮力后下風(fēng)向各處的濃度，因此，這些模型適用于氣體密度與空氣差不多的氣體的擴(kuò)散。 經(jīng)常用到兩種類(lèi)型

18、的中性浮力蒸氣云擴(kuò)散模型：煙羽和煙團(tuán)模型。煙羽模型描述來(lái)自連續(xù)源釋放物質(zhì)的穩(wěn)態(tài)濃度，煙團(tuán)模型描述一定量的單一物質(zhì)釋放后的暫時(shí)濃度，兩種模型的區(qū)別如圖3-7和圖3-8所示。對(duì)于煙羽模型，典型例子是氣體自煙窗的連續(xù)釋放，穩(wěn)態(tài)煙羽在煙窗下風(fēng)向形成。對(duì)于煙團(tuán)模型，典型例子是由于儲(chǔ)罐的破裂，一定量的物質(zhì)突然泄漏，形成一個(gè)巨大的蒸氣云團(tuán)，并漸漸遠(yuǎn)離破裂處。1煙羽模型 煙羽模型適用于連續(xù)源的擴(kuò)散，其假設(shè)如下： 定常態(tài)，即所有的變量都不隨時(shí)間而變化； 適用于密度與空氣相差不多的氣體的擴(kuò)散（不考慮重力 或浮力的作用），且在擴(kuò)散過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 擴(kuò)散氣體的性質(zhì)與空氣相同； 擴(kuò)散物質(zhì)達(dá)到地面時(shí)完全反射，沒(méi)有任

19、何吸收； 在下風(fēng)向上的湍流擴(kuò)散相對(duì)于移流相可忽略不計(jì)，這意味著該模型只適用于平均風(fēng)速不小于1 m/s的情形； 坐標(biāo)系的z軸與流動(dòng)方向重合，橫向速度分量V、垂直速度分量W均為0； 假定地面水平。高斯煙羽數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：煙羽模型2221y1z-Hr1z+Hrx, y,expexpexp2222myzyzzQCzu 式中C-泄漏物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%， Qm-源的泄漏速率，m3s； Hr-有效源高，m; u-風(fēng)速，m/s； z，y，z-某點(diǎn)坐標(biāo)，m； y,z -橫風(fēng)向和豎直方向的擴(kuò)散系數(shù)，m。煙囪的實(shí)際高度加上煙氣的抬升高度的高度之和，即是有效源高 2煙團(tuán)模型 煙羽模型只適用于連續(xù)源或泄放時(shí)間大于或等于

20、擴(kuò)散時(shí)間的擴(kuò)散，如果要研究瞬時(shí)泄放（泄放時(shí)間小于擴(kuò)散時(shí)間，如容器突然爆炸導(dǎo)致其內(nèi)部介質(zhì)瞬時(shí)泄放），就應(yīng)用煙團(tuán)模型，它應(yīng)用于瞬時(shí)泄漏和部分連續(xù)泄漏源泄漏或微風(fēng)(速度I m/s)條件下，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：222*3/21y1 z-Hr1 z+Hrx,y, ,expexpexp(2 )222mxyzyzzQCz t 煙團(tuán)模型21 x-utx,y, ,-exp2XCz t使用移動(dòng)坐標(biāo)系的煙團(tuán)方程式（554）式（556）式中 C-泄漏物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%， Qm-源的泄漏速率，m3s； Hr-有效源高，m; u-風(fēng)速，m/s； z，y，z-某點(diǎn)坐標(biāo)，m； x,y,z -x，y，Z方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m。 t-泄漏時(shí)間，s； 二、擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)是大氣情況及釋放源下風(fēng)向距離的函數(shù)，大氣情況可根據(jù)六種不同的穩(wěn)定度等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)表3-5。穩(wěn)定度等級(jí)依賴(lài)于風(fēng)速和日照程度。白天，風(fēng)速的增加導(dǎo)致更加穩(wěn)定的大氣穩(wěn)定度，而在夜晚則相反。 對(duì)于連續(xù)源的擴(kuò)散系數(shù)y和z,由圖3-13和圖3-14中給出，相應(yīng)的關(guān)系式由表3-6給出，表中沒(méi)有給出x的值，因?yàn)榧僭O(shè)x=y，煙團(tuán)釋放的擴(kuò)散系數(shù)y和z由圖3-15給出，方程由表3-7給出。 三、最壞事件情形 對(duì)于煙羽，最大濃度通常是在釋放點(diǎn)處，如果釋放是在高于地平面的地方發(fā)生，