化工安全技术3-4

13化工泄漏及其控制3.1常见泄漏源及泄漏量计算3.1.1常见泄漏源介绍一般情况下，可根据泄漏面积大小和泄漏持续时间长短，将泄漏源分为两类：小孔泄漏-此种情况通常为物料经较小的孔洞长时间持续泄漏，如反应器、储罐、管道上出现小孔，或者是阀门、法兰、机泵、转动设备等处密封失效；大面积泄漏-是指经较大孔洞在很短时间内泄漏出大量物料，如大管径管线断裂、爆破片爆裂、反应器因超压爆炸等瞬间泄漏出大量物料。通过下图简单介绍各种类型的有限孔释放、蒸气和液体以单相或两相状态从过程单元中喷射情况。小孔泄漏情况如果液体存储压力大于其大气环境下沸点所对应的压力，那么液面以下的裂缝，将导致泄漏的液体一部分闪蒸为蒸气。由于液体的闪蒸，可能会形成小液滴或雾滴，并可能随风而扩散开来。安全阀裂纹孔洞管接头孔洞法兰裂纹阀门（主体和密封垫）泵（主体和密封垫）断开或破裂的管道2蒸汽和液体以单相或两相状态从容器中泄漏出来3.1.2泄漏量计算如果液体存储压力大于其大气环境下沸点所对应的压力，那么液面以下的裂缝，将导致泄漏的液体一部分闪蒸为蒸气。由于液体的闪蒸，可能会形成小液滴或雾滴，并可能随风而扩散开来。1）液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算202pugzF式中，p——压力，Pa，习惯上将压强也称为压力；——流体密度，kg·m-3；u——流体的平均速度，m·s-1，简称流速；g——重力加速度，m·s-2；z——高度，m，以基准面为起始；F——阻力损失，J·kg-1；m——质量，kg。对于某一单元，如下图所示，当液体在稳定的压力作用下经薄壁小孔泄漏时，单元过程中的压力转化为动能。流动着的液体与裂缝所在的壁面之间的摩擦力将液体的一部分动能转化为热能，从而使液体的流速降低。容器内的压力为1p，小孔的直径为d，泄漏面积为A，容器外为大气压力，此种情况下，容器内液体的流速可以忽略，液体通过小孔泄漏期间，认为液体的高度没有发生变化，利用式（3-2）得到：气体/蒸气气体/蒸气泄漏蒸气或两相蒸气/液体液体蒸气液体或液体闪蒸为蒸气312pu12QuAApQ为单位时间内流体流过任一截面的质量，称为质量流量，单位为kg·s-1。考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速度减低，引入孔流系数。其定义为实际流量与理想流量的比值，则经小孔泄漏的实际质量流量为：在很多情况下，难以确定泄漏孔口的孔流系数，为保持足够的安全裕度，确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，0C值可取为1。对于修圆小孔，如图3-4，孔流系数0C值约为1；对于薄壁小孔（壁厚2d），当雷诺数Re105时，0C值约为0.61；若为厚壁小孔（2d壁厚4d）或者在容器孔口处外伸有一段短管如图3-5，0C值约为0.81。d图2-4修圆小孔图2-5厚壁小孔或器壁连有短管图3-4修圆小孔图3-5厚壁小孔或器壁连有短管【例3-1】下午1:00，工厂的操作人员注意到输送苯的管道中的压力降低了，于是立即将压力恢复为690Pa。下午2:30，操作人员发现了一个管道上直径为6.35mm的小孔并立即进行了修补。请估算流出苯的总量。苯的密度按照879.4kg/m3计算.解：下午1:00观察到的压力降低是管道上出现小孔的象征。假设小孔在下午1:00到下午2:30之间，即90min内一直存在。小孔的面积为：232523.146.3510m3.1710m44dA2（）假设为圆滑的小孔，取孔流系数为0.61，有：012QACpp1d过程单元内的带压液体A=泄露面积0012QuACACp45(3.17100.612690879.4)/0.0213/kgskgs流出苯的总质量为：0.02139060115kg2）液体经过储罐上的孔洞泄漏的泄漏量计算储罐A0z0PgWs=0液体图3-6储罐上的小孔泄漏如图3-6所示的液体储罐，距液位高度0z处有一小孔，在静压能和势能的作用下，储罐中的液体流经小孔向下泄漏。泄漏过程由式（3-2）机械能守恒来描述，储罐内的液体流速忽略，假设液体为不可压缩流体，储罐内的液体压力为Pg，外部大气压力（表压0P）。孔流系数为C0，则泄漏速度为：022gpuCgz（3-6）若小孔截面积为A，则质量流量Q为：022gpQuAACgz（3-7）由式（3-6）和式（3-7）可见，随着泄漏过程的延续，储罐内液位高度不断下降，泄漏速度和质量流量也均随之降低。如果储罐通过呼吸阀或弯管与大气连通，则内外压力差p为0，式（3-7），可以简化为：02QuAACgz（3-8）若储罐的横截面为0A，则液位高度随时间变化率为：002ACdzgzdtA（3-9）5储罐A04mPg10m边界条件：00,;,tzzttzz对于式（3-9）进行分离变量积分有：00022gCAgzgztA（3-10）当液体泄漏至泄漏点液位后，泄漏停止，0z，可得到总的泄漏时间：0002AtgzCgA（3-11）将式（3-10）代入（3-8）可以得到随时间变化的质量流量：2200002gCAQACgztA（3-12）如果储罐内盛装的是易燃液体，为防止可燃蒸气大量泄漏于空气中，或空气大量大量进入储罐内的气相空间形成爆炸性混合物，通常情况下会采取通氮气保护的措施。液体的表压力为gp，内外压差即为gp，同理有：0022gpACdzgzdtA（3-13）22000000222gpACACgzzgztAA（3-14）将式（3-14）代入（3-7）中得到任意时刻的质量流量Q：22000022gpgCAQACgztA（3-15）【例3-2】如图3-7所示为某一盛装丙酮液体的储罐，上部装有呼吸阀与大气连通。在其下部有一泄漏孔，直径4cm，已知丙酮的密度为800kg·m-3，已知丙酮的密度为：（1）最大泄漏量；（2）泄漏质量流量随时间变化的表达式；（3）最大泄漏时间；（4）泄漏量随时间变化的表达式。解：（1）最大泄漏量即为泄漏点液位以上的所有液体量：2008004101004804mAZkg（2）泄漏质量流量随时间变化的表达式，0C取值为1，则2200002gCAQACgztA图3-7储罐上的小孔泄漏6222228009.810.04480010.0429.81044414.070.000985tt（3）令14.070.000985t=0，则得到最大的泄漏时间：14285s3.97ht（4）任一时间内总的泄漏量为泄漏质量流量对时间的积分20d14.070.0004925tWQttt给定任意泄漏时间，即可得到已经泄漏的液体总量。3）液体经过管道泄漏的泄漏量计算在化工生产中，通常采用圆形管道输送液体，如图3-8所示，沿管道的压力梯度是液体流动的驱动力。液体与管壁之间的摩擦力把动能转化为热能。这导致液体流速减小和压力的下降。如果管线发生爆裂、折断等造成液体经管口泄漏，泄漏过程可用式（3-2）描述，其中阻力损失F的计算是估算泄漏速度和泄漏量的关键。对于每一种有摩擦的设备，可以使用下面的公式计算F：22fuFK（3-16）式中，fK——管道或管道配件导致的压差损失；u——液体流速。对于流经管道的液体，压差损失项fK为：4ffLKd（3-17）式中，f——Fanning摩擦系数L——管道长度，m；d——管道直径，m。Fanning摩擦系数f，是雷诺数Re和管道粗糙度的函数。表3-1是给出了各种类型干净管道的值。对于层流，摩擦系数由下式给出：16fRe（3-18）图3-8液体流经管道对于湍流，可以用Colebrook方程表示：111.2554lg3.7dfRef（3-19）对于式（3-19）的另外一种形式，对于由摩擦系数f来确定雷诺数是很有用的，即：LP1z1u1z2u2u1=P2P170.25/11101.2553.7ffRed（3-20）对于粗糙管道中完全发展的湍流，f独立于雷诺数，在雷诺数数值很高处，f接近于常数，对于这种情况，式（3-20）可以简化为：14lg3.7df（3-21）4）气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算在工程上，通常将气体或蒸气近似为理想气体，其压力、温度、密度等参数遵循理性气体状态方程。气体或蒸气在小孔内绝热流动，其压力、密度关系可用绝热方程或称等熵方程描述：constantp（3-28）式中，——绝热指数，是等压热容与等容热容的比值。pvCC。图3-10为气体或蒸气经小孔泄漏的过程。轴功为0，忽略势能变化，则机械能守恒方程简化为：2d02puF（3-29）p0dT0图3-10气体或蒸气经小孔泄漏由式（3-28）得到：100pp（3-31）由式（3-30）、（3-31）得：1000211RTpuCMp（3-32）由（3-31）和（3-32）得到泄漏质量流量：210000021RTppQuACAMpp3-33）8结合理想气体状态方程得：210000021MppQCpARTpp（3-34）3.2泄漏物质扩散方式及扩散模型3.2.1泄漏物质扩散方式及影响因素1）泄漏物质扩散方式物质泄漏后，会以烟团、烟羽两种方式在空气中传播、扩散。利用扩散模式可描述泄漏物质在事故发生地的扩散过程。一般情况下，用图3-18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时间较长。连续泄漏源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隙、连续的烟囱排放等。储罐风向连续泄漏发生处烟羽：通过与新鲜空气混合而消散图3-18物质连续泄漏形成的典型烟羽用图3-19描述瞬间泄漏源泄漏物质的扩散过程。瞬间泄漏源的特点是泄漏在瞬间完成。瞬时泄漏源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。烟团向下风向移动并通过与新鲜空气混合而消散三个烟团表面的浓度相等12时的烟团10时的烟团由于物质的瞬时泄漏导致烟团的形成风向9图3-19物质瞬时泄漏形成的烟团2）泄漏物质影响因素众多因素影响着有毒物质在大气中的扩散：①风速；②大气稳定度；③地面条件(建筑物、水、树)；④泄漏处离地面的高度；⑤物质释放的初始动量和浮力。地面条件影响地表的机械混合和随高度而变化的风速。树木和建筑物的存在加强了这种混合，而湖泊和敞开的区域，则减弱了这种混合。图3-21显示了不同地表情况下风速随高度的变化。光滑的水平面郊区城市风速梯度0100200300400500高度/m图3-21地面情况对垂直风速梯度的影响泄漏高度对地面浓度的影响很大。随着释放高度的增加，地面浓度降低，这是因为烟羽需要垂直扩散更长的距离，如图3-22所示。烟羽时间更长，以及地面的浓度更低也增加，距离的增加使扩散的随着泄漏高度的增加，该距离连续泄漏源风向图3-22增加泄漏高度将降低地面浓度图3-23说明了物质释放的初始动量和浮力对泄漏的影响。高速喷射所具有的动量将气体带到高于泄漏处，导致更高的有效泄漏高度。10占支配地位周围的环境湍流转变为占支配地位由内部的浮力占支配地位周围的环境湍流占支配地位内部的浮力初始加速和稀释泄漏源风图3-23泄漏物质的初始加速度和浮力影响烟羽的特性3.2.2泄漏物质扩散模型1）湍流扩散微分方程湍流运动是大气基本运动的形式之一，由于大气是半无限介质，特征尺度很大，只要极小的风速就会有很大的雷诺数，从而达到湍流状态，因而通常认为底层的大气的流动都处于湍流状态。对于流动的大气，根据质量守恒定律可导出泄漏物质浓度变化的湍流扩散微分方程：cuxtcjj（3-78）式中，c——泄漏物质的瞬时速度；t——时间；jx——直角坐标系中各坐标轴方向