第六章泄漏源解析.ppt

第六章泄漏源以及扩散模式releaseanddispersionmodels 化工厂的许多事故都会导致有毒 易燃易爆物质的溢出 许多火灾 爆炸以及人员中毒事故是由于物料的泄漏引起 准确地判断泄漏量的大小 掌握泄漏后有毒 易燃易爆物质的扩散范围 对于失事现场控制和处理非常重要 常见泄漏源以及源模型扩散模式P G扩散模型及其应用 contents 1 常见泄漏源以及源模型 根据泄漏面积的大小和泄漏时间的长短 将泄漏分为两类 1 小孔泄漏2 大面积泄漏基本的源模型有以下几种 1 液体经小孔泄漏 2 储罐中液体经孔洞泄漏 3 液体经管道流出 4 气体或蒸汽经小孔泄漏 5 闪蒸液体的泄漏 6 易挥发液体蒸发 1 1液体经小孔泄漏的源模型 系统与外界无热交换 对于不可压缩流体 泄漏过程不考虑轴功 根据机械能守恒方程有 假设过程单元的表压为Pg 外部为大气压力 因此压降差为P表压 过程中液体高度变化也可以忽略 z 0 摩擦损失用流出系数C0代替 从裂缝中流出的液体泄漏速率为 于是经小孔泄漏的液体质量流量为 对于雷诺数大于30000 C0近似取0 61 这种情况流出速率不依赖于孔洞的尺寸 当流出C0不能确定时 采用1 0以使计算的流量最大化 例 下午1点 工厂的操作员注意到输送苯的管道中压力降低了 压力被立即恢复到100psig 下午2 30 管道上发现了一个直径为0 25in的小孔 并立即进行修理 请估算流出的苯的质量 苯的相对密度为8 794 注 1psia 磅 平方英吋 6 893kPa 1in 2 54 10 2m 可以再进一步计算这些苯全部蒸发成蒸汽会有多大的体积等等问题 1 2储罐中液体经孔洞泄漏的源模型 系统与外界无热交换 对于不可压缩流体 泄漏过程不考虑轴功 根据机械能守恒方程有 假设过程单元的表压为Pg 外部为大气压力 因此压降差为P表压 摩擦损失用流出系数C0代替 从孔洞中流出的液体泄漏速率为 对于面积为A的孔洞 瞬时质量流量为 随着储罐逐渐变空 液体高度减少 速度流率和质量流率都随之减少 对于恒定截面面积为At的储罐 在任何t时刻液体质量速率为 思考 如果容器内的压力为大气压 上式可以化简为 容器液面降到孔洞所在高度时所需时间 圆柱型储罐 高20ft 直径8ft 里面有苯 储罐内有氮气为防止爆炸 罐内表压1atm且恒定不变 目前 储罐内液面高度为17ft 由于疏忽 铲车驾驶员将距离地面5ft的管壁上撞出一个直径为1in的小孔 该条件下苯的相对密度为0 8794 请估算 1 将流出多少苯 2 苯流到泄漏孔高度时所需要的时间 3 苯通过小孔的最大质量流率 注 1ft 0 3048m 1in 2 54 10 2m 1 3液体经管道泄漏的源模型 化工生产通常是采用圆形管道输送流体 管线发生爆裂 折断等造成液体经管口泄漏 泄漏模型可以用机械能守恒来推导 阻力损失是计算的关键 物质从管道系统中流出 质量流率的求解过程如下 1 制定起点1和终点2 2 确定点1和2的压力和高度 确定点1的启示液体流速 3 推测点2的液体流速 如果认为是完全发展的湍流 不需要这一步 4 确定管道的摩擦系数 5 确定阻力损失 使用点2的速率 6 带入到方程如果和值为零 计算结束 否则返回 3 7 使用方程m uA确定质量流率 1 4气体或蒸汽经小孔泄漏的源模型 由于压力作用 气体或者蒸汽含有的能量在从小孔泄漏或者扩散出去时转化为动能 随着气体或者蒸汽经小孔流出 其密度 压力和温度发生变化 气体和蒸汽的流动 可以分为滞留释放和自由扩散释放 对于滞留释放 气体通过孔流动 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 对于自由扩散释放 大多数压力转化为动能 过程通常假设为等熵 滞流释放的源模型 需要有关孔洞物理结构的详细信息 这里不予考虑 自由扩散释放源模型仅需要孔洞直径 对于任何等熵膨胀的理想气体 对于等熵膨胀 理想气体定律可以写成下面形式 出于安全性研究 需要知道通过小孔流出的蒸汽的最大流量 将课本中6 35式对P P0微分 并设微商为零 得到引起最大流速时的压力比为 塞压Pchocked是导致孔洞或者管道流动最大流量的下游最大压力 当下游压力小于Pchocked时 以下几点是正确的 达到声速时 气体流动就叫做塞流 chockedflow 1 绝大多数情况下 洞口处的流体流速为声速 2 通过降低下游压力 不能进一步增加其流速和质量通量 他们独立于下游环境 这种类型的流动成为塞流 临界流或者声速流 3 对于理想气体来说 塞流仅仅是热容比的函数 事故案例 2004年6月5日11时40分左右 湖北某化工厂合成车间加氨阀填料压盖破裂 有少量的液氨滴漏 维修工徐某遵照车间指令 对加氨阀门进行填料更换 徐某没敢大意 首先找来操作工 关闭了加氨阀门前后两道阀门 并牵来一根水管浇在阀门填料上 稀释和吸收氨味 消除氨液释放出的氨雾 又从厂安全室借来一套防化服和一套过滤式防毒面具 佩戴整齐后即投入阀门检修 当他卸掉阀门压盖时 阀门填料跟着冲了出来 瞬间一股液氨猛然喷出 并释放出大片氨雾 包围了整个检修作业点 临近的甲醇岗位和铜洗岗位也笼罩在浓烈的氨味中 情况十分紧急危险 临近岗位的操作人员和安全环保部的安全员发现险情后 纷纷从各处提着消防 防护器材赶来 有的接通了消防水带打开了消火栓 大量喷水压制和稀释氨雾 有的穿上防化服 戴好防毒面具 冲进氨雾中协助抢险处理 闻讯后赶到的厂领导协助车间指挥 生产调度抓紧指挥操作人员减量调整生产负荷 关闭远距离的相关阀门 停止系统加氨 事故很快得到有效控制和妥善处理 并快速更换了阀门填料 堵住了漏点 一起因严重氨泄漏而即将发生的中毒 着火 有可能爆炸的重特大事故避免了 陕西高陵县发生化工厂毒气泄漏事故 2009年08月12日上午10时45分左右 公司一个反应装置的桶体破裂 造成约200公斤 133 泄漏 公司产品主要是四氟乙烷 这是一种制冷剂 属氟利昂的升级产品 四氟乙烷常态为气体 压缩后为液体 无毒 133 为四氟乙烷的中间产品 主要成分有133A 氟化氢 三氯乙烯及其他杂质 其中有毒的氟化氢约占总量的30 40 约有70公斤氟化氢气体泄漏从泄漏到现场完全控制 整个过程约50分钟 事故发生后 消防部门迅速赶到 采用喷淋法吸收氟化氢气体 毒气从白色球形罐体中散出 扩散模式dispersionmodels 泄漏源 火灾爆炸危险区 5 10min中毒致死区 人员中毒危险区 重大事故的发生 使人们强调应急计划的重要性 以及将工厂设计成毒物释放发生最少和事故后果最小化的重要性 毒物释放模型常被用来评估释放对工厂和社会环境的影响 好的安全计划应能在事故发生前确定问题所在 化学工程师必须了解读无释放的所有可能性情况 以避免释放情况的存在 以及如果发生毒物释放 能减少其影响 这就需要毒物释放模型 毒物释放和扩散是后果模拟的重要部分 毒物释放模型描述了后果模拟的前三步 1 确定泄漏事件 过程中何种情况能够导致释放 2 建立源模型 描述物质是怎样释放的以及释放的速率 3 采用扩散模型估算下风向有毒物质的浓度 大气污染源的分类方法 按空间分布 1 点源 污染物集中于一点或相当于一点的小范围排放源 如工厂烟囱排放源 2 线源 交通干线两侧汽车尾气污染源 3 面源 即在相当大面积范围内有许多个污染排放源 如一个大城市内的许多污染物排放源 2 扩散模式 2 1扩散影响因素释放发生后 空气中的毒物被风以烟羽方式 云团方式带走 有毒物质的最大浓度是在释放处 众多因素影响有毒物质在大气中的扩散 风速 大气稳定度 地面条件 建筑物 水 树 释放距离地面高度 物质释放的初始动量和浮力 对流层 平均厚度12km 大气的最低层 底界是地面 从地面到50 100左右的一层又称近地层 地面以上厚度1公里多 1 2km 的大气称为大气边界层 大气边界以上称为自由大气 平流层对流层顶之上到约55km的大气层 其厚度约为38公里 臭氧层 中间层从平流层顶到80km高度 其厚度约为35公里 热成层 又称暖层 或电离层 85 800km本层出现独特的极光现象 逸散层气圈的最外层 高度达800km以上 厚度有上万公里 扩散的要素风 平流输送为主 风大则湍流大 湍流 扩散比分子扩散快105 106倍 湍流 除在水平方向运动外 还会由上 下 左 右方向的乱运动 风的这种特性和摆动称为大气湍流 有点象分子的热运动 或者说湍流是大气的无规则运动 大气的无规则运动称为大气湍流 风速的脉动 或涨落 和风向的摆动就是湍流作用的结果 按照湍流形成的原因可分为两种湍流 一是由于垂直方向温度分部不均匀引起的热力湍流 其强度主要取决于大气稳定度 二是由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流 其强度主要决定于风速梯度和地面粗糙度 实际湍流是上述两种湍流的叠加 大气稳定度 atmosphericstability 1 空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快的过程 2 上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结 这是大气中云 雾 雨 雪形成的最重要的原因 3 因此 判断大气中是否会产生云雾 主要就是看大气中是否会产生上升运动 判断空气是否会产生上升运动 就要看空气在铅直方向上位置稳定的程度 即大气稳定度 大气稳定度是指气块受任意方向扰动后 返回或远离原平衡位置的趋势和程度 它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次 是否易于发生垂直运动 即是否易于发生对流 假如有一团空气受到对流冲击力的作用 产生了向上或向下的运动 那末就可能出现三种情况 1 如果空气团受力移动后 逐渐减速 并有返回原来高度的趋势 这时的气层 对于该空气团而言是稳定的 stable 2 如空气团一离开原位就逐渐加速运动 并有远离起始高度的趋势 这时的气层 对于该空气团而言是不稳定的 unstable 3 如空气团被推到某一高度后 既不加速也不减速 这时的气层 对于该空气团而言是中性气层 neutral 大气稳定度对烟流扩散有很大的影响 不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同 下面是与稳定度有关的五种典型烟流 在大气环境影响平均的实际工作中 大气扩散计算通常以高斯大气扩散公式为主 高斯模式是一类简单实用的大气扩散模式 在均匀 定常的湍流大气中污染物浓度满足正态分布 由此可导出一系列高斯型扩散公式 实际大气不满足均匀 定常条件 因此一般的高斯扩散公式应用于下垫面均匀平坦 气流稳定的小尺度扩散问题更为有效 高斯扩散模式的坐标系 连续点源一般指排放大量污染物的烟囱 放散管 通风口等 排放口安置在地面的称为地面点源处于高空位置的称为高架点源 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物质释放后的暂时浓度 平均风速 Q 源强是指污染物排放速率 与空气中污染物质的浓度成正比 它是研究空气污染问题的基础数据 通常 瞬时点源的源强以一次释放的总量表示 连续点源以单位时间的释放量表示 连续线源以单位时间单位长度的排放量表示 连续面源以单位时间单位面积的排放量表示 y 侧向扩散参数 污染物在y方向分布的标准偏差 是距离y的函数 m z 竖向扩散参数 污染物在z方向分布的标准偏差 是距离z的函数 m 实际的污染物排放源多位于地面或接近地面的大气边界层内 污染物在大气中的扩散必然会受到地面的影响 这种大气扩散称为有界大气扩散 所以在建立大气扩散模式时 必须考虑地面的影响 根据前述假定 4 污染物在扩散中质量守恒 即污染物在扩散过程即不增加也不减少 可以认为地面象镜面那样 对污染物起着全反射的作用 按照全反射原理 可以用像源法来处理这类问题 如图所示 我们可以把P点的污染物浓度看成是两部分之和 一部分是不存在地面影响情况下 P点所具有的污染物浓度 另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物浓度 这相当于实源在地面下的 H位置处的像源 按照无限空间连续点源模式 在P点所造成的污染物浓度 扩散参数 y z是表示扩散范围及速率大小的特征量 也即正态分布函数的标准差 为了能较符合实际地确定这些扩散参数 许多研究工作致力于把浓度场和气象条件结合起来 提出了各种符合实验条件的扩散参数估计方法 P G扩散曲线法应用前述的大气扩散模式估算污染物浓度时 需要确定源强Q 平均风速 有效源高H 扩散参数 y和 z Q值可由计算或实测得到 值可由多年的风速观测资料得到 H的计算如上所述 余下的问题仅是如何确定 y和 z 帕斯奎尔 Pasquill 于1961年推荐了一种仅需常规气象观测资料就可估算出 y和 z的方法 吉福德 Gifford 进一步将它作成应用更方便的图表 所以这种方法又简称P G曲线法 经常用到的中等浮力扩散模型 烟羽模型和烟团模型 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物质释放后的暂时浓度 有典型10种情况 无风情况下的稳态连续点源释放 无风时的烟团 无风情况下的非稳态连续点源释放 有风情况下的稳态连续点源释放 无风时的烟团 涡流扩散率是方向的函数 有风情况下的稳态连续点源释放 涡流扩散率是方向的函数 有风时的烟团 释放源在地面上的无风时的烟团 释放源在地面上的稳态烟团 连续的稳态源 释放源在地面上方H高度 上述10种情况都依赖于指定的涡流扩散度K值 通常情况下K值很难确定 Pasquill重新得到了情况1到10的方程 这些方程以及相应的扩散系数就是众所周知的Pasquill Gifford模型 课本上分别对应 烟团瞬时地面点源模型 坐标系固定在释放点 风速u恒定 风向仅沿x方向 位于地面H高处瞬时点源的烟团 坐标系位于地面并随烟团移动 地面上连续稳态源的烟羽 风向x轴 风速u恒定 位于地面H高处连续稳态源的烟羽 风向x轴 风速u恒定 评述 对于烟羽 最大浓度通常在释放点处 如果释放在高于地平面地方 那么最大浓度出现在释放处的下风向上的某一点 对于烟团 最大浓度通常在烟团的中心 如果释放在高于地平面地方 烟团中心平行于地面移动 那么最大浓度直接位于烟团中心的下方 如果天气条件未知或者不能确定 可以进行某些假设 得到一个最坏情形的结果 即估算一个最大浓度 Pasquill Gifford扩散或者高斯扩散方程 仅应用于气体的中等浮力的扩散 在扩散过程中 湍流混合是扩散的主要特征 他仅对距离释放源在0 1 100km范围内的距离有效 由于Pasquill Gifford扩散预测的浓度是时间的平均值 因此 局部浓度的时间值有可能超过所预测值 帕斯奎尔扩散曲线法的要点 这一方法首先根据太阳辐射情况 云量 云状和日照 和离地面10m高处的风速 帕斯奎