第四章泄漏源模型-第三次课1208

1化工安全工程Chemicalengineeringsafetyfundamentalandapplication邹海魁Email:[e-mail]:64443134第三章内容回顾工业卫生：致力于对引起疾病和伤害的职业环境进行辨识、评价和控制的学科。工业卫生工程都具有的三个阶段：—辨识：确定工作场所暴露的存在或可能性。—评价：确定暴露量—控制：应用适当技术将工作场所的暴露减少到可接受水平过程安全管理(PSM)和风险管理计划(RMP)化工厂常用的控制技术包括局部通风与稀释通风第四章泄漏源模型泄漏源：化工厂、化工过程有多种原因（事故、装泄、开停车等）会导致有毒、易燃、易爆物质的释放。化工危机事件顺序：储罐或管道破裂扩散传播火灾、爆炸、毒物释放应急管理、人员疏散、事后恢复等。第四章泄漏源模型事故致因：（1）由危化物质直接引起。如：Bhopal漏毒事故、Sandoz化工厂国际性污染事故、重庆特大井喷事件、吉化“11.13”特大爆炸事故等。（2）煤矿瓦斯爆炸。瓦斯主要成分是烷烃，在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。如遇明火即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸；因此瓦斯爆炸也可属于危险化学品事故范畴。在煤矿开采中，除瓦斯爆炸、井喷事故外，还时常伴随一些有毒有害和放射性物质的泄漏。第四章泄漏源模型事故致因：（3）自然次生灾害。在地震、泥石流、滑坡、洪水、海啸、台风等重大自然灾害过后，由于环境的改变，往往伴随毒气泄漏与扩散（含放射性物质）。（4）化学毒剂的恐怖袭击。居安思危是“安全发展”必不可少的国防战略，我国必须时刻警防境内外恐怖分子释放化学毒剂。如日本“东京地铁沙林恐怖事件”就是一个惨痛的教训。不同事故致因蕴含着共性的科学问题，危险化学品事故按照时间序列可以分为事前、事中、事后的不同阶段。第4章泄漏源模型图4-1后果分析程序P70页教材第4章第5章可燃和/或有毒？可燃有毒第六章管线、设备的破裂、断裂、失效贮罐或管线上的小孔反应失控外部火焰对容器的作用其他……释放事件的选择选择释放事件源模型，描述释放事件、结果包括：释放总量（或释放持续时间）释放速率物质状态选择扩散模型AtmosphericDispersionModels中性浮力重气其他结果可能包括：下风向浓度影响区域持续时间关联图4-1后果分析程序(续)（图4-1续）可燃有毒第2章第6章效果模型反应—剂量概率模型其他结果可能包括毒性反应受影响的人的数量财产破坏缓解因素：逃离应急响应避难场所防液堤其他后果模型评估、总结、立法的基础救助、救援、消除事故影响火灾爆炸模型TNT当量多能爆炸火球Baker-Strehlow结果可能包括冲击波超压辐射热通量烟气财产破坏4.1源模型介绍1源模型：是后果模拟的重要一个部分。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。源模型给出了流出速率、流出总量(总时间)和流出状态。对存在多种源的过程、设备或工厂，需要多种源来描述释放。对不确定性问题，参数选择应针对释放速率和释放量最大化，以确保设计是安全的。4.1源模型介绍2、释放机理大孔（瞬时释放，instantaneousrelease）——短时间内大量释放，如储罐的超压爆炸、槽车倾覆等。小孔（连续源释放，continuousrelease）→连续释放，有限孔释放。安全阀裂纹孔洞孔洞接头泵阀门（主体+垫片）裂纹裂开或破裂的管道图4-2各种类型有限孔释放4.1源模型介绍图4-3蒸汽、液体以单相或两相状态的释放液体或液体闪蒸蒸汽气体/蒸汽泄漏液体PaPTPT＞Pa，可能闪蒸蒸汽或两相蒸汽/液体物质的物理状态对释放机理的影响4.1源模型介绍3、7个基本模型液体经孔洞流出液体经贮罐上的孔洞流出蒸汽经孔洞流出液体经管道流出气体经管道流出闪蒸液体液池蒸发或沸腾4.2.液体经过孔洞流出图4-4液体通过小孔流出过程单元内带压液体过程描述P=Pg外部环境1000suzW泄漏面积A液体密度P=1atm2uu△压力转化为动能，流动时有摩擦，一部分动能转化为热能，使流速降低。机械能守恒方程描述了与流动的液体相联系的各种能量形式：P为压强（压力/面积）；ρ为液体密度；为液体平均瞬时流速（长度/时间）；gc为重力常数（长度·质量/力·时间2），其值为1(采用SI单位，无量纲)；α为无量纲速率修正系数；对层流α=0.5，对活塞流α=1，对湍流α1.0；g为重力加速度（长度/时间2）；z为高于基准面的高度；F为静摩擦损失项（长度·力/质量）Ws为轴功率（压力·长度）；m为质量流速u（4-1）mWFzggagudPscc224.2.液体经过孔洞流出对不可压缩液体，有PdP（4-2）对图4-4情形，无轴功，液体充满，无高度之变化，Δz=0，过程单元表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg.Δz=0，摩擦损失可由流出系数C1来代替，定义：PCFP21（4-3）4.2.液体经过孔洞流出（4-1）mWFzggagudPscc22将上面几个式子代入式4-1：孔洞中流出的液体平均流速为：gcPgCu21（4-4）定义新的流出系数C0为：孔洞中液体流出速率为：gcPgCu20（4-6）孔洞面积A已知，则质量流率为：10CC（4-5）gcmPgACAuQ20（4-7）4.2.液体经过孔洞流出说明：C0是雷诺数和孔洞直径的复杂函数，为一指导性数据：●对锋利的孔洞和Re＞30000，C0=0.61，基本上与孔径无关；●圆滑外形喷嘴，C0=1；●与容器连接的短管（L/D＞3），C0=0.81；●C0未知时，可取1，释放/泄漏量最大。该源模型的适用场合：充满介质的管道、连续操作过程的存储容器4.2.液体经过孔洞流出例4-1解：空洞的面积为：•下午1点，工厂的操作人员注意到输送苯的管道中的压力降低了。压力被立即恢复为100psig。下午2:30，管道中发现了一个直径为0.25in的小孔，并立即进行了修补。请估算流出的苯的总质量。苯的相对密度为0.8794.A=𝜋𝑑24=(3.14))(0.25𝑖𝑛)2(1𝑓𝑡2/144𝑖𝑛2)4=3.41×10−4𝑓𝑡2苯的密度为：𝜌=（0.8794）（62.4l𝑏𝑚/𝑓𝑡3）=54.91l𝑏𝑚/𝑓𝑡3则质量流率为：则流出的苯的总质量为：(91.48l𝑏𝑚/𝑠)(90min)(60s/min)=7990𝑙𝑏𝑚=1090gal4.3液体通过贮罐上的孔洞流出图4-5过程容器上的小孔泄漏At：储罐的横截面积A：泄漏面积1su0W0gP2uuP1atmLh孔洞在液面以下hL处形成，液体经此小孔流出。无轴功，过程单元表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg。储罐中液体流速近似为0。不可压缩流体瞬时（某时刻）释放本源模型可采用机械能守恒：（4-8）zggPCFzggPcc21确定孔洞中流出的液体瞬时平均流速为：lgcghPgCu21(4-9)4.3液体通过贮罐上的孔洞流出流出系数C1定义为：（4-1）mWFzggagudPscc22无轴功，过程单元表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg。储罐中液体流速为0。4.3液体通过贮罐上的孔洞流出对于孔洞面积A，瞬时质量流率为：（4-12）lgcmghPgACAuQ20lgcghPgCu20(4-11)孔洞中流出液体的瞬时流速为：定义新的流出系数C0：10CC(4-10)对于储罐以恒定压力、液面变化持续泄放，有：LthAm（4-13）孔洞以上的液体总质量为：储罐内的质量变化率为：mLtQdtdhAdtdm（4-14）代入（4-12）的表达式，有：lgctLghPgAACdtdh20（4-15）4.3液体通过贮罐上的孔洞流出tthhLgcLdtAACghPgdhLL00022（4-16）从初始高度hL0到任何高度hL进行积分得：得到储罐中的液面高度为：20000222tAACgtghPgAAChhtLgctLL（4-18）将（4-18）代入（4-12）的表达式，得到t时刻质量流出速率：（4-19）tAACgghPgACQtLgcm2000224.3液体通过贮罐上的孔洞流出4.3液体通过贮罐上的孔洞流出gcLgctePgghPgAAgCt222100（4-20）高度hL=0时，由(4-18)可得到容器液面降低到孔洞所在高度处需要的时间：若容器内压力为大气压，Pg=0，(4-20)可简化为：（4-21）0021LteghAAgCt液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出例4-2例4-2续4.4液体通过管道流出图4-6流体经管道流出Ld111PuZ21212PPu=uZρ=常数本模型可由机械能守恒并结合不可压缩流体来表达：F为摩擦导致的机械能损失，包括管道摩擦损失如阀门、弯头、孔、管道的进、出口、突然扩大、突然缩小等。对各种摩擦损失，采用如下损失形式：mWFzggaguPscc22（4-28）cfguKF22（4-29）4.4液体通过管道流出4.4液体通过管道流出式中，Kf为管道或管道配件导致的压差损失系数，u为流速。对流经管道的液体，f:范宁摩擦系数，L:管长，d：管径。f是雷诺数Re和管道粗糙度ε的函数。具体关系式及取值见表4-1与图4-7。（4-30）dfLKf44.4液体通过管道流出4.4液体通过管道流出4.4液体通过管道流出2-K方法管道附件，阀门及其他流动阻碍物；传统方法是在（4-30）中使用当量管长。一种改进的方法是使用2-K方法，使用实际的流程长度而不是当量长度。2-K方法由两个常数来定义压差损失系数。这两个常数即雷诺数和管道内径。1fK1KK1ReID（4-38）式中，Kf为超压位差损失系数（无量纲）；K1和K∞为常数（无量纲）；Re为雷诺数（无量纲），ID为流道内径（m，inch……）4.4液体通过管道流出表4-2列出了常用的各类管道附件和阀门的K值注意表中数据对应的设备尺寸的单位为英寸。对管道的进口和出口，要对式（4-38）进行修改以说明动能变化说明：管道进口，K1=160；一般进口，K∞=0.50；边界类型的进口，K∞=1.0；管道出口，K1=0，K∞=1.0。（4-39）1fKKKRe4.4液体通过管道流出进口和出口效应的K系数，通过管道的变化说明了动能的变化，故机械能中不必考虑额外的动能项。两个极限对高Re数（Re＞100000），式（4-39）中的第一项可以忽略，且Kf=K∞；对低Re数（Re＜50），式（4-39）中的第一项占支配地位，且说明：式(4-39)对孔和管道尺寸的变化也使用；2-K方法也可以用来描述液体通过孔洞的流出，流出系数的表达式为：1fKKRe0f1C1K(4-40)4.4液体通过管道流出∑Kf为所有压差损失相之和，包括：进口、出口、管长和附件。如对于没有管道连接或附件的贮罐上的一个简单的孔，摩擦仅仅是由孔的进口和出口效应引起的，对Re＞100000，进口的Kf=0，出口的Kf=1.0，∑Kf=1.5。则：说明：物质从管道系统流出，具体求解质量流率的过程共分8步，见P80页和例[4-3]0111C0.63251.5811.52.54.4液体通过管道流出（例子：孔板，破孔泄漏等）过程单元内的带压气体P