第三章泄漏与扩散925

1、第三章 泄漏与扩散本章学习目标 1了解化工企业中的常见泄漏源。 2熟悉液体、气体和蒸气泄漏的泄漏速率计算方法。 3掌握液体闪蒸率及两相泄漏速率的计算方法。 4掌握液体蒸发（沸腾）速率的计算方法。 5熟悉扩散模式及扩散影响因素。 6熟悉高斯模型及扩散系数的计算方法。 7了解重气云扩散的计算方法。 8了解释放动量和浮力对扩散行为的影响。第一节 常见的泄漏源 泄漏机理可分为大面积泄漏和小孔泄漏。 大面积泄漏是指在短时间内有大量的物料泄漏出来，储罐的超压爆炸就属于大面积泄漏。 小孔泄漏是指物料通过小孔以非常慢的速率持续泄漏，上游的条件并不因此而立即受到影响，故通常假设上游压力不变。 如图3-1所示为化

2、工厂中常见的小孔泄漏的情况。对于这些泄漏，物质从储罐和管道上的孔洞和裂纹以及法兰、阀门和泵体的裂缝或严重破坏、断裂的管道中泄漏出来。 如图32所示为物料的物理状态是怎样影响泄漏过程的。对于存储于储罐内的气体或蒸气，裂缝导致气体或蒸气泄漏出来，对于液体，储罐内液面以下的裂缝导致液体泄漏出来。 如果液体存储压力大于其大气环境下沸点所对应的压力，那么液面以下的裂缝，将导致泄漏的液体的一部分闪蒸为蒸气，由于液体的闪蒸，可能会形成小液滴或雾滴，并可能随风而扩散开来。液面以上的蒸气空间的裂缝能够导致蒸气流，或气液两相流的泄漏，这主要取决于物质的物理特性。第二节液体泄漏 一、通过孔洞泄漏 对于某过程单元（表

3、压为pg）上的一个小孔，当液体通过其流出时，认为液体高度没有发生变化。若小孔的面积为A，液体的流速为 则液体通过小孔泄漏的质量流量（流速）Qm为：gmpACAuQ20u第一节 液体经小孔泄露的源模式泄露形式容器内流速忽略，不考虑摩擦损失和液位变化考虑到因惯性引起的截面收缩及摩擦引起的速度减小，引入孔流系数C0。C0=实际流量/理论流量C0约为1薄壁小孔C0约0.61厚壁小孔或孔外伸有一段短管C0约0.81通常情况下C0难以求取，为保持足够的安全余量，可取1. 流出系数Co为： 对于锋利的小孔和雷诺数大于30 000， Co近似取061; 对于圆滑的喷嘴，流出系数可近似取l；对于与容器连接的短管

4、（即长度与直径 之比小于3），流出系数近似取0. 81; 当流出系数不知道或不能确定时，取1.0以使计算结果最大化。 例例3-1 下午下午1点，工厂的操作人员注意到输送苯的管道点，工厂的操作人员注意到输送苯的管道中的压力降低了。压力被立即回复为中的压力降低了。压力被立即回复为690kPa。下。下午午2:30，管道上发现了一个直径为，管道上发现了一个直径为6.35mm的小孔的小孔并立即进行了修补。并立即进行了修补。 请估算流出来的苯的总质量。苯的比重为请估算流出来的苯的总质量。苯的比重为0.8794。 解：下午解：下午1点观察到的压力降低是管道上出现点观察到的压力降低是管道上出现小孔的象征。假设

5、小孔在下午小孔的象征。假设小孔在下午1点到点到2:30之间，之间，即即90分钟内，一直存在。小孔的面积为分钟内，一直存在。小孔的面积为例例3-141035. 614. 34232dA51017. 3苯的密度为：苯的密度为： 4 .87910008794. 0gmPACQ2055109 . 614 .879261. 01017. 3s/kg674二、通过储罐上的孔洞泄漏 小孔(面积为A)在液面以下hL处形成，储罐中的表压为pg，外界表压为0， 且储罐中液体流速为0，则瞬时质量流量Qm。为：)(20LgmghpACAuQ忽略阻力项通过孔流系数C0修正第三节气体或蒸气泄漏 一、通过孔洞泄漏 对于流动

6、着的液体来说，其动能的变化经常是可以忽略不计的，物理性质（特别是密度）是不变的。而对流动着的气体和蒸气来说，这些假设仅仅在压力变化不大(p1/p22)、流速较低（小于0.3倍声音在气体中的传播速度）的情况下有效。由于压力作用使气体或蒸气含有的能量在其从小孔泄漏或扩散出去时转化为动能，随着气体或蒸气经孔流出，其密度、压力和温度发生变化。 气体和蒸气的泄漏，可分为滞流和自由扩散泄漏。 对滞流泄漏，气体通过孔流出，摩擦损失很大，很少一部分来自气体压力的内能会转化为动能， 对自由扩散泄漏，大多数压力能转化为动能，过程通常假设为等熵。滞流泄漏的源模型，需要有关孔洞物理结构的详细信息，在这里不予考虑，自由

7、扩散泄漏源模型仅仅需要孔洞直径。 对于自由扩散泄漏，假设可以忽略潜能的变化，没有轴功，则质量流量的表达式为： 3-23 p0容器内介质压力（绝压），Pa； p环境压力（下游压力），Pa； 气体的绝热指数（热容比）/ )1(0/20000)()(12ppppTRMApCQgm泄漏后密度发生变化可压缩流体（势能变化忽略）定义孔流系数：令 对于许多安全性研究，都需要通过小孔流出蒸气的最大流量。引起最大流速的压力比为： 3-24)1/(0)12(ppckoked 塞压pchoked是导致孔洞或管道流动流量最大的下游最大压力。当下游压为小于pchoked时，在绝大多数情况下，在洞口处流体的流速是声速；通

8、过降低下游压力，不能进一步增加其流速及质量流量。这种类型的流动称为塞流、临界流或声速流。 对于空气泄漏到大气环境(pchoked =101.3 kPa)，如果上游压力比101. 3/0. 528=191.9 kPa大，则通过孔洞时流动将被遏止，流量达到最大化。在过程工业中，产生塞流的情况很常见。 把式(3-24)代入式(3-23)，可确定最大流量： (3-25) 式中M -泄漏气体或蒸气的相对分子质量; To -漏源的温度，k； Rg理想气体常数。)1/()1(000)12()(TRMApCQgchokedm 对于锋利的孔，雷诺数大于30 000时，流出系数Co取常数0.61，然而，对于塞流，

9、流出系数随下游压力的下降而增加。对这些流动和C0不确定的情况，推荐使用保守值1.0。 各种气体的热容比y的值在表3-3中给出。 例3-2 装有氮气的储罐上有一个2.54 mm的小孔，储罐内的压力为1 378 kPa，温度为26.7，计算通过该孔的液体质量流量。 二、通过管道泄漏 气体经管道流动的模型有绝热法和等湿法。绝热情形适用于气体快速流经绝热管道，等温法适用于气体以恒定不变的温度流经非绝热管道，真实气体流动介于绝热和等温之间。第四节液体闪蒸 闪蒸就是高压的饱和液体进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和液体变成一部分的容器压力下的饱和蒸气和饱和液。 存储温度高于其通常沸点温度的受

10、压液体，由于闪蒸会存在很多问题，如果储罐、管道或其他盛装设备出现孔洞，部分液体会闪蒸为蒸气，有时会发生爆炸。 如果泄漏的流程长度大于10 cm（通过管道或厚壁容器），那么就能达到平衡闪蒸条件，且流动是塞流，可假设塞压与闪蒸液体的饱和蒸气压相等，结果仅适用于储存在高于其饱和蒸气压环境下的液体，在此假设下，质量流量由下式给出： 3-62 式中A-释放面积，m2； Co-流出系数，无量纲； Pf-液体密度，kg/m3； p-储罐内压力，Pa； psat闪蒸液体处于周围温度情况下的饱和蒸气压，Pa。)(2f0satmppACQ对储存在其饱和蒸气压下的液体，p一psat，式( 3-62)将不再有效。考虑

11、初始静止的液体加速通过孔洞，假设动能占支配地位，忽略潜能的影响，那么质量流量为： A-小孔面积 T-初始温度 Cp-液体的热容 Hv-液体的蒸发热 vfg-液体的比容，m3/kg. 在闪蒸蒸气喷射时会形成一些小液滴，这些小液滴很容易就被风带走，离开泄漏发生处，经常假设所形成的液滴的量同闪蒸的量是相等的。第五节液体蒸发 饱和蒸气压高的液体蒸发较快，蒸发速率更一般的表达式如下： 3-65 式中 psat液体温度下纯液体的饱和蒸气压，Pa p-位于液体上方静止空气中的蒸气分压，Pa Qm蒸发速率，kg/s； M一易挥发物质的相对分子质量； K-面积A的传质系数，m/S; Rg-理想气体常数； T-液

12、体的绝对温度，K。LgsatmTRppMKAQ)( 对大多数惰况，psat p，式(3-65)可简化为： 用式(3-67)确定所研究物质的传质系数K与某种参考物质的传质系数Ko的比值：经常用水作为参照物质，其传质系数为0. 83 cm/s。 对于液池中的液体沸腾，沸腾速率受周围环境与池中液体间的热量传递的限制，沸腾初始阶段，通常由来自地面的热量传递控制，来自地面的热量传递，由如下简单的一维热量传递方程模拟： 3-70 式中qs来自地面的热通量，W/II12； ks土壤的热导率，W/(mk)； Tg-土壤温度，K； T-液池温度，K； as土壤的热扩散率，1112s； t-溢出后的时间，s。 2

13、/1)()(taTTkqsgss 假设所有的热量都用于液体的沸腾，则沸腾速率的计算如下： 3-71 式中Qm质量沸腾速率，kg/s; qg-地面向液池的热量传递，由式(3-70)确定 A液池面积，m2； Hv液池中液体的汽化热，J/kg。 ysmHAqQ无锡海力士气体泄漏 1984年，印度博帕尔市(Bhopal)美国联合碳化物(Union Carbide)属下的农药厂发生了严重的毒气泄漏事故，一夜之间有40多吨异氰酸甲酯溢出，造成20000多人丧生，这是迄今为止世界上发生的最惨重的化学工业事故。第六节扩散方式及影响因素 1扩散方式 物质泄漏后，会以烟羽（如图3-7所示）或烟团（如图38所示）两

14、种方式在空气中传播、扩散。泄漏物质的最大浓度是在释放发生处（可能不在地面上），由于有毒物质与空气的湍流混合和扩散，其在下风向的浓度较低。 2影响因素 影响有毒物质在大气中扩散的因素有以下几个方面。 (1)风速。随着风速的增加，图中的烟羽会又长又窄，物质向下风向输送的速度变快了，但是被大量空气稀释的速度也加快了。 空气的垂直运动；夜晚，空气温度随高度的增加下 降不多，导致较少的垂直运动。白天和夜晚的温度变化如图3-9所示，有时也会发生相反的现象。相反情况下，温度随着高度的增加而增加，导致最低限度的垂直运动，这种情况经常发生在晚间，因为热辐射导致地面迅速冷却。 (2)大气稳定度。大气稳定度与空气的

15、垂直混合有关。白天，空气温速下降，促使了 大气稳定度划分三种稳定类型：不稳定、中性和稳定。对于不稳定的大气情况，太阳对地面的加热要比热量散失得快，因此，地面附近的空气温度比高处的空气温度高，这在上午的早些时候可能会被观测到，这导致了大气不稳定，因为较低密度的空气位于较高密度空气的下面，这种浮力的影响增强了大气的机械湍流。对于中性稳定度，地面上方的空气暖和，风速增加，减少了输入的太阳能或日光照射的影响， 对于中性稳定度，地面上方的空气暖和，风速增加，减少了输入的太阳能或日光照射的影响，空气的温度差不影响大气的机械湍流。对于稳定的大气情况，太阳加热地面的速度没有地面的冷却速度快，因此地面附近的温度

16、比高处空气的温度低，这种情况是稳定的，因为较高密度的空气位于较低密度空气的下面，浮力的影响抑制了机械湍流。 (3)地面条件。地面条件影响地表的机械混合和随高度而变化的风速，树木和建筑物的存在加强了这种混合，而湖泊和敞开的区域，则减弱了这种混合， 图3-10地面情况对垂直风速梯度的影响 (4)泄漏位置高度。泄漏位置高度对地面浓度的影响很大，随着释放高度的增加，地面浓度降低，这是因为烟羽需要垂直扩散更长的距离，如图3-11所示。一般电厂烟囱的规格都是210米 240米的 (5)释放物质的初始动量和浮力。泄漏物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度，图3-12所示，高速喷射所具有的动量将气体带到高于泄漏

17、处，导致更高的有效泄漏高度。如果气体密度比空气小，那么泄漏的气体一开始具有浮力，并向上升高，如果气体密度比空气大，那么泄漏的气体开始就具有沉降力，并向地面下沉。 尾气排放温度也在200度左右 泄漏气体的温度和相对分子质量决定了相对于空气(相对分子质量为28. 97)的气体密度，对于所有气体，随着气体向下风向传播和同新鲜空气混合，最终将被充分稀释，并认为具有中性浮力，此时，扩散由周围环境的湍流所支配。第七节中性浮力扩散模型 中性浮力扩散模型，用于估算释放发生后释放气体与空气混合，并导致混合气云具有中性浮力后下风向各处的浓度，因此，这些模型适用于气体密度与空气差不多的气体的扩散。 经常用到两种类型

18、的中性浮力蒸气云扩散模型：烟羽和烟团模型。烟羽模型描述来自连续源释放物质的稳态浓度，烟团模型描述一定量的单一物质释放后的暂时浓度，两种模型的区别如图3-7和图3-8所示。对于烟羽模型，典型例子是气体自烟窗的连续释放，稳态烟羽在烟窗下风向形成。对于烟团模型，典型例子是由于储罐的破裂，一定量的物质突然泄漏，形成一个巨大的蒸气云团，并渐渐远离破裂处。1烟羽模型 烟羽模型适用于连续源的扩散，其假设如下： 定常态，即所有的变量都不随时间而变化； 适用于密度与空气相差不多的气体的扩散（不考虑重力 或浮力的作用），且在扩散过程中不发生化学反应； 扩散气体的性质与空气相同； 扩散物质达到地面时完全反射，没有任

19、何吸收； 在下风向上的湍流扩散相对于移流相可忽略不计，这意味着该模型只适用于平均风速不小于1 m/s的情形； 坐标系的z轴与流动方向重合，横向速度分量V、垂直速度分量W均为0； 假定地面水平。高斯烟羽数学模型表达式为：烟羽模型2221y1z-Hr1z+Hrx, y,expexpexp2222myzyzzQCzu 式中C-泄漏物质体积分数，%， Qm-源的泄漏速率，m3s； Hr-有效源高，m; u-风速，m/s； z，y，z-某点坐标，m； y,z -横风向和竖直方向的扩散系数，m。烟囱的实际高度加上烟气的抬升高度的高度之和，即是有效源高 2烟团模型 烟羽模型只适用于连续源或泄放时间大于或等于

20、扩散时间的扩散，如果要研究瞬时泄放（泄放时间小于扩散时间，如容器突然爆炸导致其内部介质瞬时泄放），就应用烟团模型，它应用于瞬时泄漏和部分连续泄漏源泄漏或微风(速度I m/s)条件下，其数学表达式为：222*3/21y1 z-Hr1 z+Hrx,y, ,expexpexp(2 )222mxyzyzzQCz t 烟团模型21 x-utx,y, ,-exp2XCz t使用移动坐标系的烟团方程式（554）式（556）式中 C-泄漏物质体积分数，%， Qm-源的泄漏速率，m3s； Hr-有效源高，m; u-风速，m/s； z，y，z-某点坐标，m； x,y,z -x，y，Z方向上的扩散系数，m。 t-泄漏时间，s； 二、扩散系数 扩散系数是大气情况及释放源下风向距离的函数，大气情况可根据六种不同的稳定度等级进行分类，见表3-5。稳定度等级依赖于风速和日照程度。白天，风速的增加导致更加稳定的大气稳定度，而在夜晚则相反。 对于连续源的扩散系数y和z,由图3-13和图3-14中给出，相应的关系式由表3-6给出，表中没有给出x的值，因为假设x=y，烟团释放的扩散系数y和z由图3-15给出，方程由表3-7给出。 三、最坏事件情形 对于烟羽，最大浓度通常是在释放点处，如果释放是在高于地平面的地方发生，