化工安全工程课件-2

化工安全工程张建文博士,教授第五章：毒物泄漏及扩散模型主要内容：有毒物质泄漏及扩散模型的意义[P.107页前言]、步骤、作用。扩散影响参数。中性浮力扩散模型、14个例子；Pasquill-Gifford模型重气扩散：需增加一部分内容毒性作用标准多个标准（P123页）例子释放动量和浮力的影响释放缓解前言：1、有毒物质泄漏扩散模型的意义事故期间，过程单元或设备释放出大量有毒物质，所有形成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区。重大化学品事故（如Bhopal）的发生及后果，使人们意识到应急计划的重要性，将工厂设计成毒物释放事故发生最少、事故后果最小化的重要性。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、安全工程师必须了解毒物释放的所有可能情况，以避免释放事故；若发生毒物释放，尽可能降低其影响及影响区域。需要毒物释放模型前言：2、作用毒物释放和扩散模型是后果模拟步骤的重要部分；是应急管理、应急响应、应急决策的基础。3、步骤确定泄漏事件、泄漏源（第4章介绍了7种泄漏源模型）建立源模型，对事故释放、释放速率、释放量等进行描述。应用扩散模型估算下方向有毒有害物质的浓度，并由此根据一些准则来评估释放的后果及影响。（5.4节）5.1扩散影响参数扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向其他地点击大范围区域的大气输送过程。释放发生后，大气中的毒害物质在风作用下以烟羽方式（连续源，图5-1）、或云团方式（瞬时源，图5-2）带走。多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散：风速；大气稳定度；地形条件（建筑物、地面类型、地面构筑物）；释放源离地面的高度；释放的初始动量和浮力。1.风连续泄漏处形状与风速有关、与气云性质有关、地形，释放源位置及性质有关烟羽：通过与新鲜空气混合而消散风速图5-1物质连续泄漏形成烟羽物质连续泄漏形成烟羽1.风图5-2物质瞬时泄漏形成烟团物质瞬时泄漏形成烟团物质瞬时泄漏生成烟团t1时的烟团t2时的烟团风速三个烟团表面浓度相等：c环烟团向下风移动并通过与新鲜空气混合而消散2.大气稳定度大气稳定度与空气的垂直混合有关，昼间，空气温度随高度增加而下降，地面处受热密度变小（蒸腾），向上运动；夜晚，空气温度随高度增加下降不多，垂直运动较少。此外，由于土壤、地表导热系数大，夜间无太阳辐射，地面附近空气温度要降低，空气密度变大，垂直方向运动较小。图5-3，昼间和夜间空气温度随高度的变化，温度梯度影响空气的垂直运动1119753500400300200100-10高度M温度摄氏度夜间昼间2.大气稳定度稳定度划分：不稳定、中性和稳定划分标准：对地面加热速度与地面散热速度相对快慢A：加热速度＞地面散热速度地面附近的空气温度比高处的空气温度高，地表附近空气的密度小，上层空气密度大，密度小的空气在这种浮力作用下上升，导致大气不稳定。[晴天上午9、10点后，肉眼会观测到地表升腾；春秋早晨水雾消散]。F浮＞F重B：加热速度=散热速度。热量对大气扰动很小，但很难长久保持。F浮=F重C：加热速度＜散热速度。地面附近的温度比高处空气的温度低，地表附近空气密度大于高处空气的密度。F浮＜F重。重力影响抑制了大气机械湍流。3.地面条件地面条件通过对大气施加曳力（摩擦力）改变风速分布及大小。平坦的地面、水面等曳力小。高层建筑、密集建筑群等曳力、起作用的范围均比较大。图5-3地面情况对垂直风速梯度的影响城市光滑水面郊区5004003002001000风速梯度高度M地面条件：影响地表的机械混合和随高度变化的风速4.释放高度随着泄漏高度的增加，烟羽达到地面的时间和距离均增加；此外，烟羽到达地面时的浓度也会更低，原因是烟羽被更多的稀释。图5-5泄漏高度增加地面浓度降低对地面浓度的影响很大。释放高度越大，地面浓度越低。L2L1H1H2。5.释放物质的浮力和动量释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。内部浮力占支配地位转变区周围环境湍流占支配地位初始加速和稀释风源图5-6泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性,,D喷射气体动量将气体带到释放点上方高处，使有效释放高度更高。气体喷出后根据气体物化性质（ρ，μ，D）等导致气体是（上浮还是下沉）及其快慢。经过一定时间在空气里传播后，释放的气体被充分稀释混合，与局部大气环境物化性质一致，变为中性浮力气体。5.释放物质的浮力和动量释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度；释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度。喷泉5.2中性浮力扩散模型中性浮力扩散模型用来估算释放后所释放出的气体与空气混合，导致混合气体具有中性浮力后下风向各处的浓度；适用于低浓度气体，如浓度10-6量级。见图5-1和5-2，经常有两种中性浮力蒸气云扩散模型：烟羽（连续源释放）和烟团模型（瞬时释放）。烟团模型可用来描述烟羽；对涉及动态烟羽的研究（如风向变化），须使用烟团模型。jtjjjccucKtxxx（5-3）Kt：湍流扩散系数，取决于大气湍流程度、地形条件等对式（5-3）可给定适当的初始条件（t=0的条件）和边界条件（释放到大气后一定距离处浓度不受释放源影响的大气条件，如离源50m、100m除不受影响）释放源0xzy风向，风速u图5-7：风作用下连续点源泄露（烟羽）x：风向；y：横风向；z：垂直风向5.2中性浮力扩散模型土卫二的羽状水蒸气和冰喷射物5.2中性浮力扩散模型土卫二冰火山的一种可能模型：喷射物含有水、冰、简单的和复杂的碳氢化合物，如丙烷、乙烷和乙炔，为可能的外星人提供了存在依据图5-8风作用下烟团随风的移动x：风向；y：横风向；z：垂直风向5.2中性浮力扩散模型0xzyt2时的烟团t1时的烟团，以速度u向下风处移动风向，风速u不同时刻烟团表面浓度相等5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-1：无风情况下、稳态、连续点源释放c0t*jK=K●稳态：●湍流扩散系数不变（所有方向上）●边界条件：rr,c0;222222ccc0xyzQm=常数●质量释放速率不变：mx,y,z*222Q1C4Kx+y+zQm=常数●质量释放速率不变：ju0●无风：●边界条件：rr,c0;●边界条件：rr,c0;5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形rr,c0;CASE-2：无风烟团扩散*jK=K●湍流扩散系数不变（所有方向上）●边界条件：●烟团释放，即一定量的物质瞬间释放*mQ*222mx,y,z,t3**2Qx+y+zCexp4Kt8(Kt)22222221cccccrK*txyzrrddddju0●无风：5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形x,y,zt0,C0CASE-3：无风情况下的非稳态连续点源释放Qm=常数ju0*jK=K●质量释放速率不变：●湍流扩散系数不变（所有方向上）●无风：●初始条件：●边界条件：rr,c0;2222221ccccK*txyz222mx,y,z,t**x+y+zQCerfc4Kr2Kt●湍流扩散系数不变（所有方向上）●质量释放速率不变：5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-4：有风情况下的稳态连续点源释放Qm=常数*jK=K●风沿一个方向如x方向：●边界条件：rr,c0;jxuuu常数222*222uccccKxxyz222m(x,y,z)**222QuCexpx+y+zx2K4Kx+y+z沿烟羽中心线yz0mx,0,0*QC4Kx5.2中性浮力扩散模型：处理ju0rr,c0;constQm*CASE-5：无风时的烟团。湍流扩散系数是各向异性●烟团释放，●湍流扩散系数不同（所有方向上）●边界条件：●无风：xyzK,K,KA：采用湍流扩散系数Kj的情形222xyz222ccccKKKtxyzzyxzyxtzyxKzKyKxtKKKtQmC2222/3,,,41exp8*5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-6：有风情况下稳态连续点源释放。湍流扩散系数各向异性Qm=常数●连续释放，●●风沿一个方向如x方向：●边界条件：rr,c0;jxuuu常数与CASE-4相同xyzKKK222xyz222ccccuKKKtxyz沿烟羽中心，yz0mxyzQC4xKKyyzymzyxKzKyxuKKxQC22,,4exp45.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-7：有风下的烟团●烟团释放，●各方向湍流扩散系数不同，●风沿x方向：●边界条件：与CASE-5相同，但有风rr,c0;jxuuu常数xyzKKKConstQm*222mx,y,z,t32xyzxyzx-utQ1yzCexp4tKKK8tKKK5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-8：释放源在地面上的无风时的烟团与CASE-5相同，但释放源在地面。地面代表不能渗透的条件，因此浓度是CASE-5的两倍222mx,y,z,t32xyzxyzQ1xyzCexp4tKKK4tKKK5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-9：释放源在地面上的稳态烟羽与CASE-6相同，但释放源位于地面，如图5-9所示。地面不能渗透。结果是浓度应是CASE-6的浓度的2倍22mx,y,zyzyzQuyzCexp4xKK2xKK5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方高度Qm=常数●连续释放，●●风沿一个方向如x方向：●边界条件：rr,c0;jxuuu常数xyzKKK对此种情形，地面起着距源H处的不能渗透的边界作用。5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数Kj的情形CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方Hr高度对此种情形，地面起着距源H处的不能渗透的边界作用。222mx,y,zyzzyzQuyuuCexpexpzHrexpzHr4Kx4Kx4Kx4xKK若rH0，简化为释放源在地面上的情况5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法对于上面10种情形都依赖于K。一般Kj随位置、时间、风速和天气情况而变。湍流扩散系数这一方法是在理论上可行，但实验上不方便，且不能提供有效的关系式。[问题！]5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法解决办法：1、Sutton提出了解决办法，引入新的扩散系数定义。下风向：侧风向：垂直风向：22n2x1cut222n2y1cvt222n2z1cwt2（5-37）这些值比湍流扩散系数更易由实验确定。5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法解决办法：2、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：根据六种不同的稳定度等级进行分类，见表5-1。表5-1Pasquill-Gifford的扩散模型的大气稳定度等级表面风速（m/s）昼间日照夜间条件强适中弱薄云层或大于4/8低沉的云≤3/8朦胧＜22～33～44～6＞6AA～BBCCA～BBB～CC～DDBCCDDFEDDDFFEDD稳定度等级依赖于风速和日照程度。白天，风速的增加导致较高的