化工安全工程：第四章 泄漏源及扩散模式

1、4 泄漏源及扩散模式1物料的泄漏是造成安全事故的主要原因之一。因泄漏而导致事故的危害，很大程度上取决于有毒有害、易燃易爆物料的泄漏速度和泄漏量。物料的物理状态在其泄漏至空气中后是否发生改变，对其危害范围也有非常明显的影响，泄漏物质的扩散不仅由其物态、性质所决定，又为当时气象条件、当地的地表情况所影响。4.1 常见泄漏源2按照泄漏面积的大小和泄漏持续时间的长短将泄漏源分为两类：小孔泄漏通常为物料经较小的孔洞，长时间持续泄漏。如:反应器、管道、阀门等出现小孔或密封失效；大面积泄漏在短时间内，经较大的孔洞泄漏大量物料。如:管线断裂、爆破片爆裂等。工艺单元中液体经小孔泄漏的源模式；储罐中液体经小孔泄漏

2、的源模式；液体经管道泄漏的源模式；气体或蒸汽经小孔泄漏的源模式；闪蒸液体的泄漏源模式；易挥发液体蒸发的源模式。4.2 泄漏模式与泄漏量计算3系统与外界无热交换，流体流动遵守如下的机械能守恒方程： 不可压缩流体不考虑轴功容器内流速忽略不考虑摩擦和液位变化薄壁小孔泄漏理想流动的质量流量4.2.1 液体经小孔泄漏的源模式4实际工程考虑截面收缩与摩擦实际流动的质量流量孔流系数薄壁小孔泄漏修圆小孔厚壁小孔&短管泄漏或在孔处伸有一段短管但在很多情况下难以确定泄漏孔口的孔流系数，为了保证安全裕量，确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，C0值可取为1。5例：某液体在容器中以稳定的0.2MPa的压力完全湍流流动，液

3、体的密度为1000kg/m3，因时久腐蚀的原因，容器底部有一小孔发生泄漏，孔径为5mm，壁厚d/2，孔流系数C0 = 0.62，容器外部为大气压；问经小孔泄漏的实际质量流量为多少？解:4. 2.2 储罐中液体经小孔泄漏的源模式6不可压缩流体不考虑轴功容器内流速忽略不考虑摩擦考虑孔流系数7随着泄漏进行，储罐内液位下降，泄漏速度与泄漏量都下降；若储罐与大气联通，储罐可经小孔的最大泄漏量，边界条件：8边界条件：总泄漏时间，小孔泄漏量随时间变化过程，9若储罐内有惰性气体保护，小孔泄漏量随时间变化过程，10例4.1 盛装丙酮液体的储罐，上部设有呼吸阀与大气连通。下部存在泄漏孔，直径4cm。已知丙酮密度为

4、800kg/m3。求：(1)储罐最大泄漏量；(2)小孔泄漏质量流量随时间变化的表达式；(3)最大泄漏时间；(4)总泄漏量随时间变化的表达式。解：(1)储罐最大泄漏量=泄漏点以上全部液体量(2)泄漏质量流量随时间变化表达式，11(3)储罐最大泄漏时间(4)总泄漏量随时间变化，12例：有一常压甲苯储罐，内径1m，下部因腐蚀产生一个小孔，孔直径为10mm，小孔上方甲苯液位初始高度为3m，巡检人员于上午7：00发现泄漏，马上进行堵漏处理，完工后，小孔上方液位高度1.8m，请计算已泄漏掉甲苯的量kg和泄漏始于何时？已知甲苯的密度900 kg/m3，C01。解：（1）泄漏质量流量随时间的变化式，（2）任一

5、时间内总的泄漏量W=泄漏质量流量对时间的积分，4.2.3 液体经管道泄漏的源模式13化工生产中，通常采用圆形管道输送流体。如果管道发生爆裂、折断等，可造成液体经口泄漏，其泄漏过程可用估算泄漏速度和泄漏量的关键直管阻力：流体与管壁间摩擦而产生的阻力局部阻力：流体与流经阀门、弯头，由于速度或方向的改变而产生的阻力14直管阻力：流体与管壁间摩擦而产生的阻力Fanning公式摩擦系数层流过渡流湍流管壁粗糙度15湍流光滑管粗糙管1617局部阻力：流体与流经阀门、弯头，由于速度或方向的改变而产生的阻力。当量长度局部阻力系数总阻力损失=直管阻力+局部阻力18例4-5 含苯污水储罐，上部气相空间表压为0，在下

6、部距离储罐20m处管线断裂，计算泄漏的最大质量流量。解：总阻力损失=直管阻力+局部阻力光滑管道假设，试算法校核Re流量4.2.5 气体或蒸汽经小孔泄漏的源模式19机械能守恒方程液体泄漏不可压缩流体气体或蒸汽？压降小速度低气体或蒸汽经小孔自由膨胀过程绝热过程20临界压力亚音速流动超音速流动？达到临界压力后音速流动2122例：在某生产厂有一空气柜，因外力撞击，在空气柜一侧出现一个小孔。小孔面积为1.96cm2，空气柜中的空气经此小孔泄漏入大气。已知空气柜中的压力为2.5105Pa，温度T0为330K，大气压力为105Pa，绝热指数=1.40。求空气泄漏的最大质量流量。判断空气泄漏的临界压力：解：大

7、气压力临界压力4.2.6 闪蒸液体的泄漏源模型23通常采用加压液化的方法来储存某些气体（如LPG，液氯，液氨等），储存温度在其正常沸点之上，如此种气体泄漏，因压力的瞬间降低，一部分会迅速气化为气体，从高压下的气液平衡状态转变为常压下的气液平衡状态。气化时所需要的热由液体达到常压下的沸点所提供，液相部分的温度由储存时的温度降至常压下的沸点温度，这种现象称之为闪蒸。之后液体吸收环境热量，继续蒸发气化。由于闪蒸是在瞬间减压气化过程内完成，可看作是绝热过程。4.2.6 闪蒸液体的泄漏源模型24蒸发量与泄漏量的比值4.2.7 易挥发液体蒸发的源模式25易挥发液体发生泄漏会逐渐向大气蒸发，该蒸发过程的传质

8、推动力为蒸发物质的气液界面与大气之间的浓度梯度。液体的蒸发质量流量，摩尔通量蒸发面积传质系数饱和蒸汽压当液体向静止大气蒸发时，传质过程为分子扩散，当液体向流动大气蒸发时，传质过程为对流传质过程。对流传质系数比分子扩散系数要高12个数量级。26例4-10有一敞口瓶装乙醇翻倒后，致使2m2内均为乙醇液体。大气温度为16。乙醇的饱和蒸气压为4kPa，乙醇的传质系数 。 求乙醇蒸发的质量流量。4.3 液体扩散液体泄漏后会立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界(如防火堤、岸墙等)，形成液池。液体泄漏出来不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体量将维持不变。如果泄漏的液体挥发量较少，则不易形

9、成气团。如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄漏后液体蒸发量也大，会在液池上方形成蒸气云。274.3.1 液体扩散和液池计算4.3.1 液体扩散和液池计算28液体形状液池起初是以圆形在地面上蔓延。但是，即使泄漏点周围不存在任何障碍物，液池也不会永远蔓延下去，而是存在一个最大值，即液池有一个最小厚度。对于低粘性液体，不同的地面类型，液池的最小厚度是不一样的。液池的面积和厚度与液体的泄漏速度、泄漏位置处的地面形状密切相关。4.3.1 液体扩散和液池计算29液池面积与最小液层厚度的关系未达到人工边界时：瞬时泄漏：连续泄漏：4.3.2 液体的蒸发量计算30液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量

10、蒸发3种。 闪蒸过热液体泄漏后，由于液体自身热量而直接蒸发称为闪蒸。发生闪蒸时的液体蒸发速度：泄漏的液体总量闪蒸液体分数闪蒸时间4.3.2 液体的蒸发量计算31液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发3种。 热量蒸发热导率热扩散系数m2/s当液体闪蒸不完全，会有一部分液体在地面形成液池并吸收地面热量而汽化，称为热量蒸发。热量蒸发速度 ：4.3.2 液体的蒸发量计算32液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发3种。 质量蒸发当地面传热停止时，热量蒸发终止，转而由液池表面之上的气流运动使液体蒸发，称为质量蒸发。蒸发速度 ：分子扩散系数舍伍德数4.3.3 泄漏物质在水中的扩散

11、33液体泄漏事故若发生在货船、岸边或穿越河流的管线上，液体危险物质在水流的作用下将呈浓度梯度向外扩散，危险物质所到之处，特别是河流的下游方向将会受到不同程度的污染。若泄漏源是一维瞬时面源，危险物质可于较短时间内在与水流垂直的断面上完全混合，则扩散方程可表示为:若河流是宽浅型的，则泄漏源为二维瞬时线源，则扩散方程可表示为:4.4 气体的扩散34气体扩散气体喷射扩散闪蒸形成的蒸汽扩散气团在大气中的扩散非重气扩散重气扩散4.4.1 气体喷射扩散浓度分布35气体喷射指泄漏时气体从泄漏口喷出而形成的喷射。大多数情况下，气体直接喷出后，其压力高于周围环境大气压力，温度低于环境温度。扩散特征等效喷射直径：在

12、喷射轴线上喷射口 处的气体浓度：在喷射轴线上喷射口 处、且垂直于喷射轴线的平面上任一点的的气体浓度：4.4.2 闪蒸气体绝热扩散36扩散特征闪蒸液体或加压气体瞬时泄漏后，有一段快速扩散时间，假定此过程相当快以致在混合气团和周围环境之间来不及热交换，则称此扩散为绝热扩散。泄漏气体或液体闪蒸形成的蒸气气团呈半球形向外扩散。根据浓度分布情况，把半球分成内外两层。内层浓度均匀分布，且具有50%的泄漏量；外层浓度成高斯分布，具有另外50%的泄漏量。4.4.2 闪蒸气体绝热扩散37绝热扩散过程分为两个阶段。一、气体向外扩散至大气压力，在扩散过程中气团获得动能，称为“扩散能”；二、扩散能将气团向外推，使紊流

13、混合空气进人气团，从而使气团范围扩大。当内层扩散速度降到一定值时，可以认为扩散过程结束。气团内层扩散半径和浓度气团外层扩散浓度和半径4.4.3 气团在大气中的扩散38在化工生产中，所使用的物料大多具有易燃易爆、有毒有害的危险特性，一旦由于某种原因发生泄漏，则泄漏出来的物料将在浓度梯度和风力的作用下在大气中扩散。通过扩散模式可估算泄漏物质的影响范围及危险性质。如在多大范围以内为火灾爆炸危险区，多大范围内为急性中毒致死区，多大范围以外是无明显毒性影响的区域。通过扩散模式的估算可为危险程度的判别、事故发生后的火源控制、明确人员疏散区域等提供科学参考。 4.4.3 气团在大气中的扩散394.4.3.1

14、 重气扩散泄漏物质的分子量比空气大，如氯气等物质。由于储存条件或者泄漏的温度比较低，泄漏后的物质迅速闪蒸，而来不及闪蒸的液体泄漏后形成液池，其中一部分液态介质以液滴的方式雾化在蒸气介质中并达到气液平衡。因此泄漏的物质在泄放初期，形成夹带液滴的混合蒸气云团，使蒸气密度高于空气密度，如液化石油气等。由于泄漏物质与空气中的水蒸气发生化学反应导致生成物的密度比空气大。比空气重的气体4.4.3 气团在大气中的扩散404.4.3.1 重气扩散比空气重的气体重气判断判断泄漏后的气体是否为重气，可以用 来判断，它表示质点的湍流作用导致的重力加速度变化值与高度为 的云团由于周围空气对其剪切作用而产生的加速度的比

15、值。4.4.3 气团在大气中的扩散414.4.3.1 重气扩散重气扩散影响因素初始释放状态环境风速与风向地面粗糙度空气湿度大气温度与稳定度地面坡度太阳辐射4.4.3 气团在大气中的扩散42以储罐中的苯泄漏为例，无风情况下，泄漏出来的苯，以泄漏源为中心向四周扩散。泄漏源火灾爆炸危险区1.2%8%5-10min中毒致死区人员中毒危险区4.4.3.2 非重气扩散43一般情况下，对于泄漏物质密度与空气接近或经很短时间的空气稀释后密度即与空气接近的情况，可用烟羽扩散模式来描述连续泄漏源泄漏物质的扩散过程。连续泄漏源通常泄漏持续时间较长。连续泄漏源例如连接在大型储罐上的管道穿孔、挠性连接器处出现的小孔或缝

16、隙、连续的烟囱排放等都属于连续泄漏源。瞬间泄漏源例如液化气体钢瓶破裂、瞬时冲料形成的事故排放、压力容器安全阀异常启动、放空阀门的瞬间错误开启等都属于瞬间泄漏源。瞬间泄漏源的特点是泄漏在瞬间完成。烟团扩散模式来描述瞬间泄漏源泄漏物质的扩散过程。 风速大气稳定度地面情况（建筑物、树木、地形）泄漏源高度泄漏物质的初始状态物料性质44风对泄漏出的物质有输送和稀释的作用，因此泄漏物质总是分布在泄漏源的下风向。风速愈大、湍流愈强，物质向下风向的扩散速度和空气的稀释速度愈快。无风条件下，泄漏物质以泄漏源为中心，向各个方向扩散。风速大气稳定度大气稳定度表示空气是否易于发生垂直运动，即对流。假如有一团空气在外力

17、作用下，产生了向上或向下的运动，可能出现三种情况： 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，这时的气层对该空气团是稳定的； 如果空气团受力作用，离开原位就逐渐加速运动，并有远离原来高度的趋势，这时的气层对该空气团是不稳定的； 如果空气团被推至某一高度后，既不加速，也不减速，保持不动，这时的气层对该空气团是中性的。有毒有害、易燃易爆物质在大气中的扩散与大气稳定度密切相关。大气愈不稳定，其扩散愈快；大气愈稳定，其扩散愈慢。45地面情况地面情况对风速梯度随高度变化的影响。建筑、树木等会加强地表大气的湍流程度，即加强了混合稀释作用；而开阔平坦地、湖泊等则相反。46泄漏源高度泄漏初始状态

18、物料性质泄漏源高度增加，泄漏物质扩散至地面的垂直距离增加，在同等源强和气象条件下，地面同等距离的物质浓度会降低。即高度增加，泄漏物质由于扩散作用，离泄漏源越远。 泄漏物质具有向上的初始动量，会使泄漏源有效高度增加，作用效果与泄漏源高度增加相同。泄漏物质的密度高于或低于空气的密度，分别表现出重力作用和浮力作用。重力作用引起泄漏物质下沉，导致地面浓度增加。因泄漏物质不断被大气稀释，这种下沉作用会逐渐减弱。浮力作用引起泄漏物质在扩散初期上升，导致地面浓度降低。同样泄漏物质被大气不断稀释，上升作用减弱。 浮力也可能来源于泄漏物质具有的较高的温度，当泄漏物质被冷却至大气温度后，这种上升作用即停止。4.4

19、.3.3 扩散的数学表达47湍流扩散微分方程局地扩散对流扩散湍流扩散48假设条件和应用条件：直角坐标系，x轴方向与平均风速方向一致，z轴为铅直向上；各方向湍流扩散系数为常数， 代表平均浓度，u代表平均风速。49 泄漏源稳定释放 稳态扩散与非稳态扩散 无风有风风向仅沿 轴方向正向 湍流扩散系数各方向相同且恒定各方向不相同但恒定 地面点源高空点源加入地面反射考虑空间高度对扩散影响核心4.4.4 Pasquill-Gifford模型50代表下风向、侧风向和垂直方向上浓度的标准偏差，即扩散系数。更容易通过试验获得。扩散系数是大气稳定度和释放源下风向距离的函数。可以通过查图或查表方式获得。51实际扩散系

20、数随位置、时间、风速、主导气象条件变化。P-G扩散曲线估算法大气稳定度级别下风向扩散系数用P-G模型求解泄漏扩散问题52根据问题条件，对通用模型做合理简化；查取各方向上扩散系数 值；获得浓度分布状态和最高浓度位置；划分危险区域，为制定应急响应措施提供理论指导；在0.11.0km范围内有效；浓度为时间平均值，实际的瞬间浓度值一般在平均值的2倍范围内变化。53 地面上瞬时点源地面烟团以风速方向为x轴，坐标原点取在泄漏点处，风速恒为u，则源强为Q的浓度分布为：令z=0，得到地面浓度:令y=0，得到地面轴线浓度:54 高空瞬时点源高空烟团以风速方向为x轴，选取移动坐标系，任一时刻烟团中心x轴坐标为ut

21、，则其浓度分布为：令z=0，得到地面浓度:令y=0，得到地面轴线浓度:55 地面稳态点源地面烟羽以风速方向为x轴，坐标原点取在泄漏点处，风速恒为u，则源强为Q的浓度分布为：令z=0，得到地面浓度:令y=0，得到地面轴线浓度:56 高空稳态点源高空烟羽以风速方向为x轴，泄漏源中心对地面的投影点为坐标原点，流场稳定，则其浓度分布为：令z=0，得到地面浓度:令y=0，得到地面轴线浓度:地面上最大浓度：地面上最大浓度出现位置：57【例4-12】在某一个阴天，一个有效高度为60m的烟囱，正在以80g/s的速度排放二氧化硫。风速为6m/s，烟囱位于农村。请确定:下风向500m处地面上二氧化硫的平均浓度；下

22、风向500m,横风向50m处地面上二氧化硫的平均浓度；径直下风向地面上的最大平均浓度的位置和数值。解：高空稳态点源高空烟羽下风向地面浓度：大气稳定度D级，500m处扩散系数：58【例4-12】在某一个阴天，一个有效高度为60m的烟囱，正在以80g/s的速度排放二氧化硫。风速为6m/s，烟囱位于农村。请确定:下风向500m处地面上二氧化硫的平均浓度；下风向500m,横风向50m处地面上二氧化硫的平均浓度；径直下风向地面上的最大平均浓度的位置和数值。解：高空稳态点源高空烟羽59【例4-12】在某一个阴天，一个有效高度为60m的烟囱，正在以80g/s的速度排放二氧化硫。风速为6m/s，烟囱位于农村。

23、请确定:下风向500m处地面上二氧化硫的平均浓度；下风向500m,横风向50m处地面上二氧化硫的平均浓度；径直下风向地面上的最大平均浓度的位置和数值。解：高空稳态点源高空烟羽最大平均浓度的位置：最大平均浓度：60ERPG （Emergency Response Planning Guidelines，紧急响应计划指南）是由美国工业卫生协会（AIHA）所制定的标准。即在紧急情况下，人们持续暴露在其中1-24h并完成指定任务所能接受的气体、蒸汽或烟雾的浓度（紧急暴露指导标准）：ERPG-1：人员暴露于有毒气体环境中约1小时，除了短暂的不良健康效应或不当的气味之外，不会有其它不良影响的最大容许浓度。

24、ERPG-2：人员暴露于有毒气体环境中约1小时，不会对身体造成不可恢复之伤害的最大容许浓度。ERPG-3：人员暴露于有毒气体环境中约1小时，不会对生命造成威胁的最大容许浓度。 【例4-13】：在氯乙烯生产过程中，大量使用氯气作为原料。某生产厂突然发生氯气泄漏。根据源模式估计约有1.0kg的氯气在瞬间泄漏。泄漏时为有云的夜间，云量小于4/10，风速2m/s。泄漏源可近似作为地面源处理。居民区距泄漏源500m。请回答以下问题：泄漏发生后，大约经多长时间烟团中心抵达居民区？烟团达到居民区后，地面轴线氯气浓度为多少？是否超过国家卫生水平（ERPG-1为1.010-6，约为3.0mg/m3）？试判断经过多远后，氯气的地面浓度才可被大气稀释至可接受水平。估算烟团扩散至下风向5公里处时气云的大小。61【例4-13】：在氯乙烯生产过程中，大量使用氯气作为原料。某生产厂突然发生氯气泄漏。根据源模式估计约有1.0kg的氯气在瞬间泄漏。泄漏时为有云的夜间，云量小于4/10，风速2m/s。泄漏源可近似作为地面源处理。居民区距泄漏源500m。泄漏发生后，大约经多长时间烟团中心抵达居民区？说明烟团中心运动至居民区仅需4.2min，可见泄漏发生后，必须