第五章：毒物泄漏及扩散模型-第四次

1、1化工安全工程化工安全工程Chemical engineering safety fundamental and application邹海魁Email: Tel: 64443134第四章泄漏源模型泄漏源模型 一、源模型简介一、源模型简介 依据描述物质释放时所表现出的物理化学过程的理论，或传递过程理论及经验方程而建立。 作用作用：源模型给出了流出速率、流出总量：源模型给出了流出速率、流出总量(总总时间时间)和流出状态。和流出状态。二、二、释放机理释放机理 大孔和有限孔大孔和有限孔内容回顾第四章第四章泄漏源模型泄漏源模型 三、三、7个基本模型基本模型l 液体经孔洞流出l 液体经贮罐上的孔洞流出l

2、 液体经管道流出l 蒸汽经孔洞流出，塞压塞压l 气体经管道流出l 闪蒸液体l 液池蒸发或沸腾内容回顾第五章：毒物泄漏及扩散模型主要内容：主要内容：有毒物质泄漏及扩散模型的意义、步骤、作用。扩散影响参数。中性浮力扩散模型、14个例子；Pasquill-Gifford模型重气扩散毒性作用标准释放动量和浮力的影响释放缓解前前 言言1、有毒物质泄漏扩散模型的意义事故期间，过程单元或设备释放出大量有毒物质，形成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区。重大化学品事故（如Bhopal）的发生及后果，使人们意识到应急计划的重要性，将工厂设计成毒物释放事故发生最少、事故后果最小化的重要性。需要毒物释放模型，

3、描述其迁移转化过程规律。2、作用 毒物释放和扩散模型是后果模拟步骤的重要部分；是应急管理、应急响应、应急决策的基础。前前 言言3、步骤确定泄漏事件、泄漏源（第4章介绍了7种泄漏源模型）建立源模型，对事故释放、释放速率、释放量等进行描述。应用扩散模型估算下方向有毒有害物质的浓度，并由此根据一些准则来评估释放的后果及影响。5.1 扩散影响参数扩散影响参数扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向其他地点及大范围区域的大气输送过程。释放发生后，大气中的毒害物质在风作用下以烟羽方式（连续源，图5-1）、或云团方式（瞬时源，图5-2）带走。1. 风图5-1 物质连续泄漏形成烟羽物质连续泄漏形成烟羽 连续泄

4、漏处 形状与风速有关、与气云性质有关、地形，释放源位置及性质有关 烟羽：通过与新鲜空气混合而消散 风 1. 风图5-2 物质瞬时泄漏形成烟团物质瞬时泄漏形成烟团 物质瞬时泄漏生成烟团 t1时的烟团 t 2时的烟团 风 三个烟团表面浓度相等：c环 烟团向下风移动并通过与新鲜空气混合而消散 5.1 扩散影响参数扩散影响参数多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散：u风速；u大气稳定度；u地形条件（建筑物、地面类型、地面构筑物）；u释放源离地面的高度；u释放的初始动量和浮力。 2. 大气稳定度 大气稳定度与空气的垂直混合有关。白天，空气温度随高度增加而下降，地面处空气受热密度变小（蒸腾），向上运动；夜晚

5、，空气温度随高度增加下降不多，垂直运动较少。此外，由于土壤、地表导热系数大，夜间无太阳辐射，地面附近空气温度要降低，空气密度变大，垂直方向运动较小。 图5-3，昼间和夜间空气温度随高度的变化，温度梯度影响空气的垂直运动夜间 昼间2. 大气稳定度稳定度划分：不稳定、中性和稳定划分标准：对地面加热速度与地面散热速度相对快慢 1 加热速度地面散热速度 地面附近的空气温度比高处的空气温度高，地表附近空气的密度小，上层空气密度大，密度小的空气在这种浮力作用下上升，导致大气不稳定。晴天上午9、10点后，肉眼会观测到地表升腾；春秋早晨水雾消散。F浮F重2 加热速度=散热速度。热量对大气扰动很小，但很难长久保

6、持。F浮=F重3 加热速度散热速度。地面附近的温度比高处空气的温度低，地表附近空气密度大于高处空气的密度。F浮F重。重力影响抑制了大气机械湍流。 3. 地面条件地面条件通过对大气施加曳力（摩擦力）改变风速分布及大小。平坦的地面、水面等曳力小。高层建筑、密集建筑群等曳力、起作用的范围均比较大。图5-3 地面情况对垂直风速梯度的影响 地面条件：影响地表的机械混合和随高度变化的风速 4.释放高度随着泄漏高度的增加，烟羽达到地面的时间和距离均增加；此外，烟羽到达地面时的浓度也会更低，原因是烟羽被更多的稀释。图5-5 泄漏高度增加地面浓度降低对地面浓度的影响很大，释放高度越大，地面浓度越低。L2L1H1

7、H2。5.释放物质的浮力和动量释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。内部浮力占支配地位转变区周围环境湍流占支配地位初始加速和稀释风源图5-6 泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性, ,D 喷射气体动量将气体带到释放点上方高处，使有效释放高度更高。气体喷出后气体物化性质（ ，D ）等导致气体是（上浮还是下沉）及其快慢。经过一定时间在空气里传播后，释放的气体被充分稀释混合，与局部大气环境物化性质一致，变为中性浮力气体。5.释放物质的浮力和动量释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。喷泉 5.2 中性

8、浮力扩散模型中性浮力扩散模型用来估算释放后所释放出的气体与空气混合，导致混合气体具有中性浮力后下风向各处的浓度；适用于低浓度气体。经常有两种中性浮力蒸气云扩散模型：烟羽（连续源释放）和烟团模型（瞬时释放）。烟团模型可用来描述烟羽；对涉及动态烟羽的研究（如风向变化），须使用烟团模型。（5-1 ）考虑固定质量Qm的物质瞬时泄漏到无限膨胀扩张的空气中，坐标系固定在释放源处。假设不发生反应，或不存在分子扩散，释放所导致的物质的浓度C可由式(5-1)。 考虑到湍流的影响，用平均值和随机量来代替速度；5.2 中性浮力扩散模型5.2 中性浮力扩散模型jtjjjccu cKtxxx（5-7 ）Kt：湍流扩散系

9、数，取决于大气湍流程度、地形条件等 对式（5-7），可给定适当的初始条件（t=0的条件）和边界条件，即可对各种情况进行求解。图5-7：风作用下连续点源泄露（烟羽） x：风向；y：横风向；z：垂直风向用于扩散模型的坐标系5.2 中性浮力扩散模型图5-8 风作用下烟团随风的移动 x：风向；y：横风向；z：垂直风向5.2 中性浮力扩散模型5.2 中性浮力扩散模型：处理CASE-1：无风情况下、稳态、连续：无风情况下、稳态、连续点源点源释放释放*jK =K 湍流扩散系数不变（所有方向上 ） 边界条件：rr ,c0;222222ccc0 xyzm x,y,z*222Q1C4 Kx +y +zQm=常数

10、质量释放速率不变：ju0 无风：rr ,c0;A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形jtjjjccu cKtxxxc0t 稳态：经坐标变换和积分：（5-16 ）rr ,c0;CASE-2：无风烟团无风烟团扩散扩散 *jK =K 湍流扩散系数不变（所有方向上 ） 边界条件： 一定量 的物质瞬间释放*mQ*222m x,y,z,t3*2Qx +y +zCexp4K t8( K t)22222221cccccrK* txyzrrddddju0无风：A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理jtjjjccu cKtxxx（5-20 ） x,y,

11、zt0,C0CASE-3：无风情况下的：无风情况下的非稳态连续点源非稳态连续点源释放释放(从开始释放到达到稳态前从开始释放到达到稳态前) Qm=常数ju0*jK =K 质量释放速率不变： 湍流扩散系数不变（所有方向上 ）无风： 初始条件： 边界条件：rr ,c0;2222221ccccK* txyz222m x,y,z,t*x +y +zQCerfc4 K r2 K tA：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-22）（5-7）化简为： 湍流扩散系数不变（所有方向上 ）质量释放速率不变：CASE-4：有风情况下：有风情况下的的稳态连续点源稳态连续点

12、源释放释放 Qm=常数*jK =K风沿一个方向如x方向： 边界条件：rr ,c0;jxuuu 常 数222*222uccccKxxyz222m(x,y,z)*222QuCexpx +y +zx2K4 Kx +y +z沿烟羽中心线 yz0m x,0,0*QC4 K xA：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-27）（5-24）任意点处平均浓度：ju0rr ,c0;constQm*CASE-5：无风无风时的时的烟烟团团, 湍流扩散湍流扩散系数是系数是各向异性各向异性烟团释放，湍流扩散系数不同边界条件：无风：xyzK ,K ,K222xyz222ccc

13、cKKKtxyz zyxzyxtzyxKzKyKxtKKKtQmC2222/3,41exp8*A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理jtjjjccu cKtxxx（5-7）（5-29）化简为：CASE-6：有风有风情况下情况下稳态连续稳态连续点源点源释放，湍流扩散释放，湍流扩散系数系数各向异性各向异性Qm=常数连续释放， 风沿一个方向如x方向：边界条件：rr ,c0;jxuuu 常数与与CASE-4相同，差别在于扩散系数相同，差别在于扩散系数 xyzKKK222xyz222ccccuKKKtxyz沿烟羽中心，yz0 mxyzQC4 x K K22,

14、 ,exp44mx y zyzyzQuyzCxKKx K KA：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-31）（5-32）化简为：化简为：CASE-7：有风下的烟团有风下的烟团烟团释放，各方向湍流扩散系数不同，风沿x方向：边界条件：与与CASE-5相同，但有风相同，但有风 rr ,c0;jxuuu 常数xyzKKKConstQm* 222mx,y,z,t32xyzxyzx-utQ1yzCexp4tKKK8tK K KA：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-33）通过坐标移动，经处理后可以得到：CAS

15、E-8：释放源在地面上释放源在地面上的无风时的烟团的无风时的烟团 与CASE-5相同，但释放源在地面。释放源在地面代表不能不能渗透渗透的条件，因此浓度是CASE-5的两倍两倍 222mx,y,z,t32xyzxyzQ1xyzCexp4tKKK4tK K K（CASE-5）222mx,y,z,t32xyzxyzQ1xyzCexp4tKKK8tK K KA：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-34）（5-29）CASE-9：释放源在：释放源在地面上的稳态烟羽地面上的稳态烟羽 与CASE-6相同，但释放源位于地面，如图5-9所示。地面不能地面不能渗透

16、渗透。结果是浓度应是CASE-6的浓度的浓度的2倍倍 22mx,y,zyzyzQuyzCexp4xKK2 x K K22mx,y,zyzyzQuyzCexp4xKK4 x K K（CASE-6）A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理（5-35）（5-31）CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面：连续的稳态源。释放源在地面上方上方 Qm=常数连续释放， 风沿一个方向x方向：边界条件：rr ,c0;jxuuu 常数xyzKKK对此种情形，地面起着距源距源H处的不能渗透的边界作用处的不能渗透的边界作用 。A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情

17、形的情形5.2 中性浮力扩散模型：处理222mx,y,zyzzyzQuyuuCexpexpzHrexpzHr4K x4K x4K x4 x K K 若rH0，简化为释放源在地面上的情况 （5-36） 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：简便有效的处理：简便有效的处理方法方法-Pasquill-Gifford模型模型v对于上面对于上面10种情形都依赖于种情形都依赖于K。一般。一般K随随位置、时间、位置、时间、风速和天气情况而变。风速和天气情况而变。v湍流扩散系数这一方法是在理论上可行，但实验上不湍流扩散系数这一方法是在理论上可行，但实验上不方便，且不能提供有效的关系式。方便，且不能提供有效的关系

18、式。问题！问题！ 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法解决办法：解决办法：1、Sutton提出了解决办法，引入新的扩散系数定义。v下风向： v侧风向： v垂直风向： 22 n2x1cut222 n2y1cvt222 n2z1cwt2（5-37） v分别代表下风向、侧风向和垂直方向浓度的标准偏差。v这些值比湍流扩散系数更易由实验确定。 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法2、扩散系数是大气情况及释放源下风向距离的函数：v大气情况：根据六种不同的稳定度等级进行分类，见表5-1 。表5-1 Pasquil

19、l-Gifford的扩散模型的大气稳定度等级表面风速（m/s）昼间日照夜间条件强适中弱薄云层或大于4/8低沉的云3/822334466AABBCCABBBCCDDBCCDDFEDDDFFEDDv稳定度等级依赖于风速和日照程度。白天，风速的增加导致较高的稳定度；夜晚则相反。原因是从白天到夜晚，垂直方向上温度变化引起的。v对连续源的扩散系数y 和z ，由图5-10，5-11给出。表5-2为相应关系式。为给出x 的值，假设： x=y 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方

20、法图图5-10 泄漏位于农村时泄漏位于农村时P-G烟羽模型的扩散系数烟羽模型的扩散系数 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法图图5-11 泄漏位于城市时泄漏位于城市时P-G烟羽模型的扩散系数烟羽模型的扩散系数 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法表5-2 烟羽扩散的Pasquill-Gifford模型扩散系数Pasquill-Gifford稳定度等级/m/m农村条件ABCDEF城市条件ABCDEFy1212121212120 . 2 210 . 0 0 0 10 . 1 610 . 0 0 0 10

21、 . 1 110 . 0 0 0 10 . 0 810 . 0 0 0 10 . 0 610 . 0 0 0 10 . 0 410 . 0 0 0 1xxxxxxxxxxxx121212120 . 3 210 . 0 0 0 40 . 2 210 . 0 0 0 40 . 1 610 . 0 0 0 40 . 1 110 . 0 0 0 4xxxxxxxx1212110.200.120.0810.00020.0610.00150.0310.00030.01610.0003xxxxxxxxxx1212120 .2 410 .0 0 0 10 .2 00 .1 410 .0 0 0 30 .0 8

22、10 .0 0 1 5xxxxxxxz 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法图图5-12 P-G烟团模型的扩散系数烟团模型的扩散系数 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法表5-3 烟团扩散的Pasquill-Gifford模型扩散系数Pasquill-Gifford稳定度等级 /m或 /m /mPasquill-Gifford稳定度等级 /m或 /m /mABCDEFxzzyyx0.920.920.920.180.140.10 xxx0.750.730.710.600.530.34xxx0.920.

23、920.890.060.040.02xxx0.720.650.610.150.100.05xxxPasquill由式（5-37）重新得到了CASE-1CASE-10的方程，即Pasquill-Gifford模型 。烟团的扩散系数是基于有限数据得到的，不够精确。 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-11：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，风速风速恒定为恒定为u，风向沿风向沿x轴方向轴方向(与情况与情况7相同相同)（5-38） 222222/3*21exp2),(zyxzyxmzyutxQ

24、tzyxC求地面某点浓度时，可令z=0，求得：（5-39） 2222/3*21exp2), 0 ,(yxzyxmyutxQtyxC地面上沿x轴的浓度，可令y=z=0，求得：（5-40） 22/3*21exp2),0 ,0 ,(xzyxmutxQtxC气云中心坐标的浓度：（5-41） zyxmQtutC2/3*2), 0 , 0 ,( 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-11：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，风速风速恒定为恒定为u，风向沿风向沿x轴方向轴方向站在固定点(x,y,z)处的

25、个体，所接受的全部剂量可用浓度的时间积分：（5-42） 0),(),(dttzyxCzyxDtid地面上的全部剂量，可对式（5-39）进行积分得到：（5-43） )21exp()0 ,(22*yzymtidyuQyxD地面上沿x轴的全部剂量为（5-44） uQxDzymtid*)0 , 0 ,( 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B：简便有效的处理：简便有效的处理方法方法-Pasquill-gifford模型模型CASE-11：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，：地面上瞬时点源的烟团，坐标系固定在释放点，风速风速恒定为恒定为u，风向沿风向沿x轴方向轴方向用固定浓度定义气云边界，连接气云周

26、围相等浓度的点的曲线称为等值线，对于指定浓度C* ，地面上的等值线可按下面过程求出：(1) 指定C*、u和t；(2) 利用式(5-40)确定沿x轴的浓度C（x,0,0,t），定义沿x轴的气云边界；(3) 在式(5-45)中令C（x,y,0,t）= C* ，确定由步骤(2)确定的每一个中心线的y值。 对于每一个所需的t值，可重复使用该过程。), 0 ,(), 0 , 0 ,(ln2tyxCtxCyy（5-45） 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-12：地面上连续稳态源的烟羽，风向沿：地面上连续稳态源的烟羽，风向沿x轴方向，轴方向，风速

27、风速恒定为恒定为u与情况9相同，其结果与式5-35的形式相近，（5-38） 222221exp),(zyzymzyuQzyxC地面浓度可令z=0，求得：（5-38） 2221exp)0 ,(yzymyuQyxC下风向，沿烟羽中心线的浓度可令y=z=0，求得：（5-38） uQyxCzym)0 ,( 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-13：位于地面：位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽高处的连续稳态源的烟羽 风向沿风向沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u（5-49） 22221exp21exp21exp2),(zrzryzymHzHzyu

28、QzyxC地面浓度可令z=0，求得：地面中心线浓度可令y=z=0，求得：（5-50） 222121exp)0 ,(zryzymHyuQyxC（5-51） 221exp)0 , 0 ,(zrzymHuQxC 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法CASE-13：位于地面：位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽高处的连续稳态源的烟羽 风向沿风向沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u地面沿x轴的最大浓度：（5-52） )(22maxyzrmuHeQC下风向地面上最大浓度出现的位置，可由下式求得：2rzH（5-53） 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pas

29、quill-Gifford模型方法模型方法CASE-14：位于地面位于地面Hr高处高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于的瞬时点源的烟团，坐标系位于地面并随烟团移动，风向地面并随烟团移动，风向沿沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u烟团中心在x=ut处，平均浓度为：时间的相关性通过扩散系数来完成。（5-54） 2222/3*21exp21exp21exp)2(),(zrzryzyxmHzHzyuQtzyxC地面浓度可令z=0，求得：（5-55） 222/3*2121exp2), 0 ,(zryzyxmHyQtyxC 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法C

30、ASE-14：位于地面位于地面Hr高处高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于的瞬时点源的烟团，坐标系位于地面并随烟团移动，风向地面并随烟团移动，风向沿沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u地面中心线浓度可令y=z=0，求得：（5-56） 22/3*21exp2), 0 , 0 ,(zrzyxmHQtxC地面上的全部剂量：（5-57） 22*2121exp)0 ,(zryzymtidHyuQyxD 5.2 中性浮力扩散模型：处理 B： Pasquill-Gifford模型方法模型方法 22220321111, , ,expexpexpexp22222rrxyzzx y zQz Hz Hx utyC xyz

31、t （ 1）（5-58） CASE-15：位于地面：位于地面Hr高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于 地面的释放点处，风向沿地面的释放点处，风向沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u 5.2 中性浮力扩散模型：处理 最坏事件情形最坏事件情形对于烟羽：对于烟羽：最大浓度通常在释放点处，若在高于地平面的地方发生，那么地面上的最大浓度出现在释放处的下风向上的某一点。对于烟团对于烟团：最大浓度通常在烟团的中心。若在高于地平面的地方发生，烟团中心将平行于地面移动，并且地面上的最大浓度出现直接位于烟团中心的下方。烟团等值线的直径先增加在达到最大后逐渐减小。如果天气条件未知或不能确定

32、，需要按最坏情形考虑，即估如果天气条件未知或不能确定，需要按最坏情形考虑，即估算最大浓度，故选择导致算最大浓度，故选择导致最小值的扩散系数和风速最小值的扩散系数和风速的天气条的天气条件和风速。件和风速。 可选择大气稳定度为F，风速按小于1.5考虑。52l仅用于气体的仅用于气体的中性浮力扩散中性浮力扩散，湍流混合是扩散的，湍流混合是扩散的主要特征。主要特征。 l仅对距离释放源仅对距离释放源0.1-10 km范围范围内的距离有效。内的距离有效。 Pasquill-Gifford扩散模型的局限性扩散模型的局限性 例 5-1解：由表5-1 可知，大气稳定度等级为D。扩散系数可由图5-10或表5-2得到

33、。代入5-1可得到：5.3 重气扩散重气扩散二、重气云扩散特点：v重气云释放后，可能在垂直和水平方向上形成尺寸相近的气云（源附近）；v重气云在重力影响下向地面沉降，高度减小，水平范围扩大；v在重力作用下，气云向周围空气扩散而被稀释；空气经垂直方向和水平方向进一步卷吸，气云高度略增加；v充分稀释后，大气湍流超过重力影响而居支配地位，显示出典型高斯扩散特征。 一、概念一、概念 气体密度大于其扩散所经过的周围空气密度的气体称为气体密度大于其扩散所经过的周围空气密度的气体称为重气重气。影响因素：分子量和温度。5.3 重气扩散重气扩散某城郊冶炼厂某城郊冶炼厂18根烟根烟囱不分昼夜排放废气囱不分昼夜排放废

34、气上万居民生活在浓烟上万居民生活在浓烟中（中（2004年年07月月22日日来源：贵州都市报）来源：贵州都市报）硅锰冶炼释放的黄褐色浓烟中,含有大量粉尘,浓烟升上天空后,粉尘很快会沉到地面 。5.3 重气扩散重气扩散三、重气扩散的三、重气扩散的Britter-Mcquaid模型模型v1、模型建立：通过量纲分析和对现有重气云的扩散数据进行关联后建立的。v2、适用条件：对瞬时源或连续源地面重气释放都适用；因主要对偏远乡村地区地形（即平坦、开阔地形）的实验数据关联，故仅适用于那些类型条件下的释放；不能解释如释放高度、地面粗糙度和风速的影响。（释放发生在周围环境温度下）v3、应用条件：需给定初始气云体积

35、、初始烟羽体积流量、释放持续时间、初始气体密度，及10m高处的风速、下风向距离和周围气体密度。5.3 重气扩散重气扩散v4、应用步骤 确定重气模型是否适用。初始气云浮力定义为： 确定特征源尺寸 ：a)连续释放的特征源尺寸0a0agg（5-59） g0：初始浮力系数；g：重力加速度；0：泄露物质的初始密度；a：周围环境空气的密度。g00，下沉；g0a，g005.3 重气扩散重气扩散vb) 瞬时释放的特征源尺寸（5-60） Di:为瞬时源的特征源尺寸i: instantaneous,V0为泄露的重气物质的初始体积 。120cqDu Dc：特征源尺寸，q0：重气扩散的初始烟羽体积流量，m3/s；u：

36、10m高处的风速, m/s。c: continuous 13i0DV（5-61） 5.3 重气扩散重气扩散 对厚重气云判据如下： a：连续释放 b:瞬时释放13003cg q0.15u D（5-62） 00ig V0.20uD（5-63） 若满足这些准则，可用图5-13和5-14来估算下风向的浓度。表5-4和5-5给出了图中关系的表达式。5.3 重气扩散重气扩散（5-64） v 连续源或瞬时源的区分准则 duRRxdRR2.5,R0.60.6R2.5 ：泄露持续时间；x为下风向的距离 判为连续重气释放；,可采用两种模型但取最大浓度结果，瞬时释放；5.3 重气扩散重气扩散5.3 重气扩散重气扩散

37、5.3 重气扩散重气扩散5.3 重气扩散重气扩散 对于 非等温释放：B-M模型推荐了两种不同的计算方法 处理一：对初始浓度进行修正（见例5-3） 处理二：不考虑传热的影响，释放物质与周围环境气体温度相平均。 如果这两种方法计算结果相差很小，则温度的影响可以忽略； 若相差在2倍以内，则用最大浓度或最悲观的计算结果；若相差2倍以上，则使用更加详尽的方法。5.4 毒性作用标准毒性作用标准 一、问题提出： 通过扩散计算得到浓度后，需要判断什么样的浓度水平具有危险性？如何利用第二章的阈限值来确定不同的危险性水平范围？ 方法1：采用第2章的概率模型，考虑毒物浓度瞬时变化的效应，但仅对少数化学物质有效，且这

38、些模型结果变化范围较大 方法2：简化方法，即指定一些毒害物浓度标准，假设个人暴露于超过该浓度标准的环境中就有危险。5.4 毒性作用标准毒性作用标准 二、标准和方法：1、ERPGs：由美国工业卫生协会AIHA(American Industrial Hygiene Association)出版 Emergency Response Planning Guidelines污染空气的应急反应计划应急反应计划指南，指南，给出了三个浓度范围。 ERPG-1：空气中最高浓度低于该值下，几乎所有人都可暴露于其中1h，除了轻微的短暂的对身体危害或明显气味外，没有其他影响。 ERPG-2：空气中最高浓度，若低于

39、该值，几乎所有人都能在其中暴露1h，逐步显示出不可逆或严重的健康危害，或削弱人员采取保护行动的能力。 ERPG-3：空气中最高浓度，几乎所有人在其中暴露1h，会逐步显示出危机生命健康的影响 AIHA获得了47个ERPG；且逐步校验，更新和扩充。ERPGs正逐渐成为企业/政府的标准。表5-6 紧急响应计划指南(ERPGs)(凡无注明，单位均为ppm)5.4 毒性作用标准毒性作用标准化学物质ERPG-1ERPG-2ERPG-3化学物质ERPG-1ERPG-2ERPG-3氨252001000甲醛11025氯气1320乙醛102001000氯化氢320100甲醇20010005000硫化氢0.1301

40、00苯501501000氰化氢NA1025氯苯11025氟化氢2050苯酚1050200光气NA0.21甲苯503001000二氧化氯0.3315甲硫醇0.00525100溴0.215乙酸乙烯575500四氯化钛5mg/m320mg/m3100mg/m3苯乙烯5025010005.4 毒性作用标准毒性作用标准2、IDLH浓度标准Immediately Dangerous to Life and Health 由NIOSH（国家职业安全与健康研究中心）发布了常见工业气体急性毒性测量IDLH浓度。 IDLH定义为：“暴露于污染物，此暴露很可能引起死亡，或直接的或后续的永远不可逆的健康影响，或妨碍人

41、员从暴露环境中逃离”。 IDLH值也考虑了急性中毒反应，如严重的眼部刺激、逃生障碍等。IDLH标准是某一最大浓度，超过该浓度后，所有未防护的人员必须离开该区域；超过该浓度后，必须提供高度可靠的人员保护设备装置。 5.4 毒性作用标准毒性作用标准 IDLH值是为保护众多人员而制定的（未考虑敏感人群），必须根据敏感人群进行调整、例如对老人、残障人员或病人等需要调整。 目前已有380种化学物质的IDLH数据。对可燃蒸汽，IDLH浓度定义为可燃下限（LIL）浓度的10%。但IDLH标准尚未被公认，且关于该值的文件资料很少。5.4 毒性作用标准毒性作用标准3、EEGL标准标准Emergency Expo

42、sure Guideline Limits-紧急暴露标准 由美国国家研究委员会的毒物学家制定，目前对44种化学物给出了EEGL值。 EEGL定义：在紧急情况下，人们持续暴露其中124h并完成指定任务所能接受的气体、蒸汽或烟雾的浓度。 应用：暴露于EEGL浓度中可能产生瞬间刺激，或中枢神经系统受影响，但不应该产生持续影响或削弱完成任务能力的影响。5.4 毒性作用标准毒性作用标准 SPEGL：一般公众可接受的暴露浓度使用SPEGL需考虑不同敏感类型人群对暴露的反应。 EEGL和SPEGL值见表5-7。 EEGL和SPEGL相对IDLH的优势在于：SPEGL考虑了对敏感人群的影响；EEGL和SPEG

43、L是针对一些不同的持续时间而提出的。EEGLSPEGL%5010表5-7 紧急暴露指导标准(EEGLs)(凡无注明，单位均为ppm)5.4 毒性作用标准毒性作用标准化学物质1小时EEGL24小时EEGL来源化学物质1小时EEGL24小时EEGL来源氨100NRCVII丙酮85001000NRCI氯气30.5NRCII丙烯醛0.050.01NRCI氯化氢2020NRCVII甲醇20010NRCIV硫化氢10NRC IV苯502NRCVI一氧化碳40050 NRCIV三氯乙烯210-8110-8 NRCVIII二硫化碳50NRCI甲基苯肼0.240.01NRCV光气0.20.02NRCII甲苯20

44、0100NRCVII二氧化氮10.04NRCIV二甲苯200100 NRCII氟7.51NRCI环氧乙烷201NRCVI水银（蒸汽）0.2mg/m3NRCI乙二醇4020NRCIV5.4 毒性作用标准毒性作用标准4、ACGIH的阈限值的阈限值美国政府工业卫生联合会（ACGIH）的TLV-STEL和TLV-Cs等可作为基准。这些阈限值用于保护人员免受来自化学物暴露的急性影响（如刺激和麻醉）。这些标准可用于毒性气体扩散，但他们是为人员暴露设计的，故结果比较保守。（p36-37）5.4 毒性作用标准毒性作用标准5 、 O S H A 的 P E L 值 。 具 有 法 律 效 力Permissibl

45、e Exposure Limit- PEL标准同针对TLV-TWA的ACGIH标准相似，亦以8h的时间加权平均暴露为基础的，引自OSHA的“可接受的最高极限浓度”。“偏移极限”或“影响水平”等适于作为基准使用。5.4 毒性作用标准毒性作用标准6、EPA-RMP标准 Risk Management Planning 由EPA发布的一组毒性限值，作为RMP的一部分，并附有毒气体释放作了空中扩散模拟。 按照优先顺序，毒性限值为：ERPG-2；由紧急计划部门和公众紧急知情法发布的关注标准（level of concern，LOC）。LOC是“普通群众暴露于极度危险的物质中，在相对较短时间内不会引起严重

46、的不可逆的健康影响的最高浓度。” 在RMP标准中，给出了74种物质的毒性限值（表5-8） 表5-8 EPA风险管理计划确定的中毒极限5.4 毒性作用标准毒性作用标准化学物质中毒极限(mg/L)化学物质中毒极限(mg/L)氨 (无水)0.14四氯化钛0.02氯气0.0087丙烯醛0.0011氯化氢(无水)0.030呋喃0.0012硫化氢0.042氯仿0.49一氧化氮0.031二硫化碳0.16二氧化氯0.0028甲基苯肼0.0094光气0.00081溴0.0065二氧化硫0.0078三氧化硫0.010氟0.0039环氧丙烷0.59 甲醛（无水）0.012 乙酸乙烯0.265.4 毒性作用标准毒性作

47、用标准本节小结： ERPG、SPEGL、EEGL是通常情况特别是制定紧急反应计划时可以利用的最直接相关的毒物学标准。 它们的建立很明确，即应用于一般人群和考虑敏感人群，解决毒性数据中的合理的不确定性因素。 若涉及无SPEGL和EEGL的物质，可采用IDLH标准。由于IDLH标准的健力未考虑敏感人群，另外它们是建立在最多30分钟的暴露时间的基础上，故EPA建议影响区域的确定应以10%IDLH标准作为暴露标准的基础。5.4 毒性作用标准毒性作用标准若研究的目的主要是确定瞬时影响的区域（如感觉器官伤害或者气味影响），则使用TLV-STEL和最高极限可能最为合适，一般而言，对位于这些极限确定的区域以外

48、的人员，可认为不受影响若无ERPG数据，可利用Craig的浓度指标体系（表5-9）各种方法的结果可能有差异，实际使用中要选择适用的方法表5-9 推荐的可选择浓度指标体系5.4 毒性作用标准毒性作用标准机构简码：AIHA美国工业卫生协会 NIOSH国家职业安全与健康研究院 NRC加拿大国家研究委员会 EPA环境保护局FEMA联邦紧急管理局 DOT美国运输部OSHA美国职业安全与健康管理局ACGIH美国工业卫生学者政府联合会5.4 毒性作用标准毒性作用标准 初始隔离和防护区示意图初始隔离区初始隔离区是指发生事故时，公众生命可能受到威胁的区域。是以泄漏源为中心的一个园周围域，周围的半径即为初始隔离距

49、离。该区域只允许少数消允许少数消防特勤官兵和抢救队伍进防特勤官兵和抢救队伍进入入。防护区防护区是指下风向有毒害气体、蒸气、烟雾或粉尘可能影响的区域，泄漏源下风向的正方形区域。正方形的边长即为下风向疏散距离。该区域内如果不该区域内如果不进行防护，则可能使人致进行防护，则可能使人致残或产生严重的或不可逆残或产生严重的或不可逆的健康危害，应疏散公众，的健康危害，应疏散公众，禁止未防护人员进入或停禁止未防护人员进入或停留留。 5.4 毒性作用标准毒性作用标准 图片七 控制区分布示意图5.4 毒性作用标准毒性作用标准 热区热区(红区，限制区红区，限制区) ：该区域是直接接近泄漏源的区域，在其边界应该设有

50、明显的标志，将其与其外的区域区别开来。在此区域内的主要任务是进行人员疏散,区域内不执行洗消和伤员救护。只有受过正规训练和有特殊装备的应急处置人员才能够在这个区域作业。所有进入这个区域的人员必须在安全人员和指挥者的控制下工作，还应设定一个可以在紧急情况下得到后援人员帮助的紧急入口。5.4 毒性作用标准毒性作用标准 暖区暖区(黄区，除污区黄区，除污区) ：是进行人员和设备洗消及对热区实施支援的区域。该区域设有进入热区的通道入口控制点和清洗控制通道。一般应设有两种清洗通道，分别用于处理伤亡人员和穿戴防护服的救援人员。只有受过训练的净化人员和安全人员才可以在该区工作。5.4 毒性作用标准毒性作用标准 冷区冷区(绿区，支援区绿区，支援区) ：冷区内设有指挥所，并具有一些必要的控制事故的功能。该区域是安全的，只有应急人员和必要的专家才能在该区域