泄漏扩散模拟计算方法

1、泄漏扩散模拟计算目录总 述1第一章 泄漏21.1 气体经管道孔泄漏21.2 气体管道断裂41.2.1 绝热.41.2.2 等温.5第二章 扩散72.1 大气稳定度确定72.2Pasquill-Gifford 扩散模型82.2.1Pasquill-Gifford 模型扩散方程82.2.2Pasquill-Gifford 模型扩散系数92.3 模拟计算102.3.1 连续稳态源的烟羽扩散102.3.2 瞬时点源的烟团扩散112.4 结论121总 述针对本项目性较大，量较大，较的液体物质甲醇进行分析。（主要参考化工企业定量风险评价导则、化学品辨识GB18218-2009、化工安全与环境第二版等）1第

2、一章 泄漏通过流程分析，最终定位在常压精馏塔的甲醇气体管道进行模拟计算。1.1 气体经管道孔泄漏当式（E1-1）成立时，气体属音速；当式（E1-2）成立时，气体流动属亚音速。p 2 1（E1-1） 0 p 1p2 1（E1-2） 0 p 1式中：p 环境压力，为 Pa；0P 容器内介质压力，为 Pa； 热容比， =cp/cv。音速的气体泄漏质量流率为： 1 M2 1Ap 1（E1-3）dTRg亚音速的气体泄漏质量流率为： 1 M 2 1Q YC ApTR 1（E1-4）dg式中：2Q气体泄漏质量流率，为 kgs；Cd气体泄漏系数，与裂口形状有关，裂口形状为圆形时取 1.00，三角形时取 0.9

3、5，长方形时取 0.90；A裂口面积，为 m2；P 容器内介质压力，为 Pa；M泄漏气体或蒸气的分子量，为 g/mol；Rg理想气体常数，为 8.314 J /（molK）；T气体温度，为 K；Y气体膨胀因子，按式（E1-5）计算。2 1 1 1 1 p 1p 0 Y 1 （E1-5） p 12p0 对常压的精馏塔塔顶的甲醇（取 =1.203）气体进行分析：p由 1 2 1=0.564 ，气流属于亚音速。对管子取 14in，在过程实际 0 1 p中，大于 4in 的管子按 20%横截面积计算泄漏则 A .314 (14 20 .02m22.002542 1 1 1 1 p 1p 0.3336Y

4、 1 0 p 1 2p0 Cd 考虑取 1.0 1 1M 2Q YC Ap 0.33361 0.02101325 0.0654 44kg / s 。R T 1dg31.2 气体管道断裂1.2.1 绝热对于长管或沿管程有较大压差，气体流速在大部分情况下接近声速。对于涉及绝热的情况下，已知（L）、内径（d）、上游压力（P1）和温度（T1），计算质量通量 G 步骤如下：1f 4 og .7 d 确定 Fanning 摩擦系数（1）由式f 。假设是高雷诺数的 完全发展的湍流。随后将验证这一假设，通常情况下该假设是正确的。（2）确定 Ma1： 1 ln2Y1 4 fL 011（E1-6） 12 22da

5、1 a1 1 M22Y1（E1-7）1a1式中：Ma1数；L管道长度，为 m；d管道内径，为 m；Y1气体膨胀系数，无量纲（3）确定质量通量 G： M PG（E1-8）chokedchokedTRg chokedTchoked2Y1（E1-9）T1 1 1 2YPchoked M（E1-10）a1P114式中：为 Kg/m2s；G质量通量，chokedP1上游气体压力， Pchoked 下游气体压力， T1上游气体温度，Tchoked 下游气体温度，为 Pa；为 Pa；为 K；为 K；（4）由式（E1-10）确定 Pchoked ，以确认处于情况。1.2.2 等温对于大多数典型问题，已知（L）

6、、内径（d）、上游压力（P1）和温度（T1），质量通量 Gchoked 计算步骤如下：（1）由式 4 og .7 d 确定 Fanning 摩擦系数 f 。假设是高雷诺数的1 f完全按发展的湍流。随后将验证这一假设，通常情况下该假设是正确的。（2）确定 Ma1：ln 4 fL 0（E1-11）2 2 dMMa1 a1 （3）确定质量通量 G：Pchoked Ma（E1-12）1P1M PG（E1-13）chokedchokedTRg式中：为 Kg/m2s；G质量通量，chokedT上游初始温度，为 K；5Pchoked下游压力，为 Pa；P1上游压力，为 Pa；Ma1数； 热容比， =cp/c

7、v；Rg理想气体常数，为 8.314 J /（molK）；M物质分子量，为 g/mol。该类问题的标准求解过程，是将通过管道的描绘成通过孔的。文献数据结果表明，这种方法导致计算结果偏大。孔方法通常比绝热管道方法的计算结果大，能够确保保守的安全设计。孔计算应用起来很容易，仅需要管道直径和上游供给压力及温度。不需要管道的详细外形，而这一点在绝热和等温方法中是的。需明的是，对于每种情况计算得到的塞压是不同的，孔的情况和绝热/等况的差别很大。基于孔的计算进行的计算，可能在试剂情况下因为较高的下游压力，二并不产生。绝热和等温管道方法得到的结果很接近，对于大多数实际情况，并不能很容易地确定热传递特性。因此

8、选择绝热管道方法，通常能够得到较大的计算结果，适合于保守的安全设计。对常压的精馏塔塔顶的甲醇（取 =1.203）气体分析：瞬间： Q瞬间 200kg / s 。6第二章 扩散考虑使用 Pasquill-Gifford 模型扩散进行估算，对烟羽和烟团做相应模拟计算。2.1 大气稳定度确定大气稳定度确定通常采用 Pasquill 分类方法,大气稳定度分为 A、B、C、D、E 和 F 六类，A 类表示气象条件极不稳定，B 类表示气象条件中等程度不稳定，C类表示气象条件弱不稳定，D 类表示气象条件的稳定性在稳定和不稳定之间，E类表示气象条件弱稳定，F 类表示气象条件中等程度稳定。大气稳定度的具体分类见

9、表 2-1 和表 2-2。表 2-1 Pasquill 大气稳定度的确定表 2-2 日照强度的确定7天空云层情况日照角60o日照角35o日照角15o 且35o天空云量为 4/8,或高空有强中等弱天空云量为 5/87/8云层高度为 2134 m 4877 m中等弱弱天空云量为 5/87/8,云层高度2134m弱弱弱地面风速（m/s）白天日照夜间条件强中等弱阴天且云层薄，或低空云量为 4/8天空云量为 3/86DDDD2.2 Pasquill-Gifford 扩散模型2.2.1 Pasquill-Gifford 模型扩散方程（1）位于地面 Hr 高处的连续稳态源的烟羽2 2 2 1 1 1 z H

10、Qy（E2-1） , y, z exp r r exp exp 2 u 2 2 z2 zy式中：yz连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点, , z的污染物的浓度，为 kg/m3；Q 连续排放的物料质量流量，为 kg/s；u风速，为 m/s； y ， z 侧风向和垂直风向的扩散系数，为 m；x下风向距离，为 m；y侧风向距离，z垂直风向距离，为 m；为 m。（2）位于地面 Hr 高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于地面并随烟团移动烟团中心在 x=ut 处，平均浓度方程为：2 2 2 1 Q1 1 y（E2-2） y z, t exp r r exp exp 2 2 u22zzy yxz式中：y z

11、,t瞬时排放时，给定地点 , , z和时间 t 的污染物的浓度，为 kg/m3；Q 瞬时排放的物料质量，为 kg；8u风速，为 m/s； x ， y ， z 下风向，侧风向和垂直风向的扩散系数，为 m。2.2.2 Pasquill-Gifford 模型扩散系数扩散系数确定见下表 2-3 和表 2-4：表 2-3的烟羽扩散 Pasquill-Gifford 模型扩散系数方程（下风向距离 x 的为 m）表 2-4的烟团扩散 Pasquill-Gifford 模型扩散系数方程（下风向距离 x 的为 m）Pasquill-Giffom或mPasquill-Gifford 稳定度等级yxm或m z mr

12、d稳定度等级AB C z myx.0018x0 92.014x0 92.010 x0 92DE F.060 x0 75.053x0 73.034x 0 71.006x0 92.004x0 92.002x0 89.015x.070.010 x.065.005x.0619Pasquill-Gifford稳定度等级y或 x z m农村条件A B C D E F城市条件AB C DEF.022 .0001 1.016 .0001 1.011x( .0001x1.008 .0001 1.006 1 0.0001 1.004 .0001 1.020 x.012x.008x1 0.0002x1.006 .0

13、15 1.003x .0003x1.0016x .0003x1.032x .0004x1.022x .0004x1.016x .0004x1.011x .0004x1.024 1 0.0001 1.020 x.014x .0003x1.008x .0015x2.3 模拟计算根据情形模拟计算。对于烟羽，最大浓度通常是在点处。如果时在高于地平面的地方发生，那么地面上的最大浓度出现在处下风向上的某一点。对于烟团，最大浓度通常在烟团的中心。对于发生在高于地平面的地方，烟团中心将平行于地面移动，并且地面上的最大浓度直接位于烟团中心的下方。如果天气条件未知或不能确定，那么可进行某些假设，以得到一个形的结果

14、，即估算一个最大浓度。Pasquill-Gifford 扩散方程中的天气条件可通过扩散和风速予以考虑。选择 F 稳定度，EPA 认为，当风速小于 1.5m/s 时，F稳定度能够存在，但是一般取 2m/s 做估算。2.3.1 连续稳态源的烟羽扩散位于地面 60m 高处的连续稳态源的烟羽，风向沿 x 轴，风速恒定为 4m/s。2 2 2 1 1 1 z HQy , y, z exp exp r exp r 2 u 2 2 z2 zy地面浓度可令 z=0 求出2 21 1 HQy , y,0 exp r 2 u2 z y地面中心线浓度可令 y=z=0 求出exp 2 1 HQ r 0,0,2 zzy

15、u地面上沿 x 轴的最大浓度 C由下式求得max102QmCz2 euHmaxy r下风向地面上的最大浓度出现的位置，可由下式求得 Hr2则 x=12966mz假设 x=8km y .004 .0001 238则 z .0016 .0003 37.65m1/ 21m z 2 44000000 37.65 225.9mg / m32Qme uHCe 2 602 238.5 2 maxry 假设 10km则 0.04x 1 0.0001x1/2 282.8m 0.016x 1 0.0003x1 40myz z 2 44000000 2Qme uH40 202.4mg / m3Ce 2 602 282.8 2 maxry 由于对丙烷来讲，TLV 为 200ppm 即 206mg/m3，为了保障安全，下风向设定10km 的检测范围。2.3.2 瞬时点源的烟团扩散位于地面