第三章 泄漏与扩散925

为：
•
•
• 用式(3-67)确定所研究物质的传质系数K 与某种参考物质的传质系数Ko的比值：
经常用水作为参照物质，其传质系数为0. 83 cm/s。
• 对于液池中的液体沸腾，沸腾速率受周围环境与 池中液体间的热量传递的限制，沸腾初始阶段， 通常由来自地面的热量传递控制，来自地面的热 量传递，由如下简单的一维热量传递方程模拟：
第一节 常见的泄漏源
• 泄漏机理可分为大面积泄漏和小孔泄漏。
•
大面积泄漏是指在短时间内有大量的
物料泄漏出来，储罐的超压爆炸就属于大面
积泄漏。
•
小孔泄漏是指物料通过小孔以非常慢
的速率持续泄漏，上游的条件并不因此而立
即受到影响，故通常假设上游压力不变。
• 如图3-1所示 为化工厂中常 见的小孔泄漏 的情况。对于 这些泄漏，物 质从储罐和管 道上的孔洞和 裂纹以及法 兰、阀门和泵 体的裂缝或严 重破坏、断裂 的管道中泄漏 出来。
• •
Qm
qs A H y
3-71
• 式中Qm——质量沸腾速率，kg/s;
•
qg-——地面向液池的热量传递，由式(3-
70)确定
•
A———液池面积，m2；
•
ΔHv————液池中液体的汽化热，J/kg。
无锡海力士气体泄漏
• 1984年，印度博帕尔市(Bhopal)美国联合 碳化物(Union Carbide)属下的农药厂发生 了严重的毒气泄漏事故，一夜之间有40多 吨异氰酸甲酯溢出，造成20000多人丧 生，这是迄今为止世界上发生的最惨重的 化学工业事故。
第三章 泄漏与扩散
本章学习目标
• 1．了解化工企业中的常见泄漏源。 • 2．熟悉液体、气体和蒸气泄漏的泄漏速率计
算方法。 • 3．掌握液体闪蒸率及两相泄漏速率的计算方
法。 • 4．掌握液体蒸发（沸腾）速率的计算方法。 • 5．熟悉扩散模式及扩散影响因素。 • 6．熟悉高斯模型及扩散系数的计算方法。 • 7．了解重气云扩散的计算方法。 • 8．了解释放动量和浮力对扩散行为的影响。
第六节扩散方式及影响因素
•
1．扩散方式
• 物质泄漏后，会以
烟羽（如图3-7所
示）或烟团（如图
3～8所示）两种方
式在空气中传播、 扩散。泄漏物质的
最大浓度是在释放
发生处（可能不在 地面上），由于有
毒物质与空气的湍
流混合和扩散，其
•
2．影响因素
• 影响有毒物质在大气中扩散的因素有以 下几个方面。
• (1)风速。随着风速的增加，图中的烟 羽会又长又窄，物质向下风向输送的速度变 快了，但是被大量空气稀释的速度也加快 了。
• 对于中性稳定度，地面上方的空气暖和，风 速增加，减少了输入的太阳能或日光照射的 影响，空气的温度差不影响大气的机械湍 流。对于稳定的大气情况，太阳加热地面的 速度没有地面的冷却速度快，因此地面附近 的温度比高处空气的温度低，这种情况是稳 定的，因为较高密度的空气位于较低密度空 气的下面，浮力的影响抑制了机械湍流。
• 对于自由扩散泄漏，假设可以忽略潜能的变化， 没有轴功，则质量流量的表达式为：
•
Qm C0 Ap0
2M RgT0
1
(
p )2/ p0
(
p p0
)(
1)wk.baidu.com/
• p0——容器内介质压力（绝压），Pa； • p——环境压力（下游压力），Pa；
• γ——气体的绝热指数（热容比）
3-23
泄漏后密度发生变化 可压缩流体
• (3)地面条件。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3-10地面情况
对垂直风速梯度的影
响
• (4)泄漏位置高度。泄 漏位置高度对地面浓 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3-11 所示。
• 各种气体的热容比y的值在表3-3中给出。
• 例3-2 装有氮气的储罐上有一个2.54 mm 的小孔，储罐内的压力为1 378 kPa，温 度为26.7℃，计算通过该孔的液体质量流 量。
• 二、通过管道泄漏
• 气体经管道流动的模型有绝热法和等湿法。 绝热情形适用于气体快速流经绝热管道，等 温法适用于气体以恒定不变的温度流经非绝 热管道，真实气体流动介于绝热和等温之 间。
• 的表达式Qm如下M：KAR( pgTsaLt p)
3-65
• 式中 psat——液体温度下纯液体的饱和蒸气压，
Pa
•
p-位于液体上方静止空气中的蒸气分压，
Pa
•
Qm——蒸发速率，kg/s；
•
M一易挥发物质的相对分子质量；
•
K-面积A的传质系数，m/S;
•
对大多数惰况，psat 》p，式(3-65)可简化
• Qm AC0 2f ( p psat )
3-62
• 式中A----释放面积，m2；
•
Co-----流出系数，无量纲；
•
Pf-----液体密度，kg/m3；
•
p-储罐内压力，Pa；
•
psat——闪蒸液体处于周围温度情况下的饱
和蒸气压，Pa。
• 对储存在其饱和蒸气压下的液体，p一 psat，式( 3-62)将不再有效。考虑初始静止的 液体加速通过孔洞，假设动能占支配地位， 忽略潜能的影响，那么质量流量为：
考虑到因惯性引起的截面收缩及摩擦引起的速度减小，引入孔流系数C0。 C0=实际流量/理论流量
C0约为1
薄壁小孔C0约0.61
厚壁小孔或孔外伸有一段短 管C0约0.81
通常情况下C0难以求取，为保持足够的安全余量，可取1.
•
流出系数Co为：
• ①对于锋利的小孔和雷诺数大于30 000， Co近似取0．61;
(2)大气稳定度。大气稳定度与空气的垂直 混合有关。白天，空气温速下降，促使了
• 空气的垂直运动；夜 晚，空气温度随高度 的增加下
• 降不多，导致较少的 垂直运动。白天和夜 晚的温度变化如图3-9 所示，有时也会发生 相反的现象。相反情 况下，温度随着高度 的增加而增加，导致 最低限度的垂直运
• 大气稳定度划分三种稳定类型：不稳 定、中性和稳定。对于不稳定的大气情 况，太阳对地面的加热要比热量散失得 快，因此，地面附近的空气温度比高处的 空气温度高，这在上午的早些时候可能会 被观测到，这导致了大气不稳定，因为较 低密度的空气位于较高密度空气的下面， 这种浮力的影响增强了大气的机械湍流。 对于中性稳定度，地面上方的空气暖和， 风速增加，减少了输入的太阳能或日光照 射的影响，
第四节液体闪蒸
• 闪蒸就是高压的饱和液体进入比较低压 的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和 液体变成一部分的容器压力下的饱和蒸气和 饱和液。
• 存储温度高于其通常沸点温度的受压液 体，由于闪蒸会存在很多问题，如果储罐、 管道或其他盛装设备出现孔洞，部分液体会 闪蒸为蒸气，有时会发生爆炸。
• 如果泄漏的流程长度大于10 cm（通过 管道或厚壁容器），那么就能达到平衡闪蒸 条件，且流动是塞流，可假设塞压与闪蒸液 体的饱和蒸气压相等，结果仅适用于储存在 高于其饱和蒸气压环境下的液体，在此假设 下，质量流量由下式给出：
• 如图3～2所示 为物料的物理 状态是怎样影 响泄漏过程 的。对于存储 于储罐内的气 体或蒸气，裂 缝导致气体或 蒸气泄漏出 来，对于液 体，储罐内液 面以下的裂缝 导致液体泄漏 出来。
• 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 泄漏的液体的一部分闪蒸为蒸气，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。液面以上的蒸气空间的裂 缝能够导致蒸气流，或气液两相流的泄漏， 这主要取决于物质的物理特性。
第二节液体泄漏
• 一、通过孔洞泄漏 • 对于某过程单元（表压为pg）上的一个小孔，
当液体通过其流出时，认为液体高度没有发生
变化。若小孔的面积为A，液体的流速为 u 则
液体通过小孔泄漏的质量流量（流速）Qm为：
Qm u A AC0 2pg
第一节 液体经小孔泄露的源模式
泄露形式
容器内流速忽略， 不考虑摩擦损失和 液位变化
• 请估算流出来的苯的总质量。苯的比重为0.8794。
例3-1
• 解：下午1点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点到2:30之间，
即90分钟内，一直存在。小孔的面积为
A d 2 3.14 6.35103 2 3.17 105
4
4
苯的密度为： 0.87941000 879.4
• 对于空气泄漏到大气环境(pchoked =101.3 kPa)，如 果上游压力比101. 3/0. 528=191.9 kPa大，则通
过孔洞时流动将被遏止，流量达到最大化。在过
程工业中，产生塞流的情况很常见。
• 把式(3-24)代入式(3-23)，可确定最大流量：
• •
(Qm )choked C0 Ap0
• •
qs
ks (Tg T )
(ast )1/ 2
3-70
• 式中qs——来自地面的热通量，W/II12；
•
ks——土壤的热导率，W/(m．k)；
•
Tg------土壤温度，K；
•
T-------液池温度，K；
•
as——土壤的热扩散率，1112／s；
•
t--------溢出后的时间，s。
• 假设所有的热量都用于液体的沸腾，则沸 腾速率的计算如下：
• ②对于圆滑的喷嘴，流出系数可近似取l； ③对于与容器连接的短管（即长度与直径 之比小于3），流出系数近似取0. 81;
• ④当流出系数不知道或不能确定时，取1.0 以使计算结果最大化。
例3-1
• 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。压力被立即回复为690kPa。下 午2:30，管道上发现了一个直径为6.35mm的小孔 并立即进行了修补。
漏或扩散出去时转化为动能，随着气体或蒸
气经孔流出，其密度、压力和温度发生变
化。
• 气体和蒸气的泄漏，可分为滞流和自由 扩散泄漏。
• 对滞流泄漏，气体通过孔流出，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，
• 对自由扩散泄漏，大多数压力能转化为 动能，过程通常假设为等熵。滞流泄漏的源 模型，需要有关孔洞物理结构的详细信息， 在这里不予考虑，自由扩散泄漏源模型仅仅 需要孔洞直径。
Qm AC0 2Pg
3.17105 0.61 2879.41 6.9105
674kg / s
二、通过储罐上的孔洞泄漏
•
小孔(面积为A)在液面以下hL处形成，储
罐中的表压为pg，外界表压为0，
• 且储罐中液体流速为0，则瞬时质量流量
Qm。为：
Qm uA AC0
2(
pg
ghL )
忽略阻力项 通过孔流系数C0修正
•
•
•
•
•
A-------小孔面积
•
T-------初始温度
•
Cp------液体的热容
•
ΔHv------液体的蒸发热
•
vfg-----液体的比容，m3/kg.
• 在闪蒸蒸气喷射时会形成一些小液滴，这些
小液滴很容易就被风带走，离开泄漏发生
第五节液体蒸发
• 饱和蒸气压高的液体蒸发较快，蒸发速率更一般
（势能变化忽略） 定义孔流系数：
令
• 对于许多安全性研究，都需要通过小孔流出蒸气 的最大流量。引起最大流速的压力比为：
pckoked ( 2 ) /( 1)
•
p0
1
3-24
• 塞压pchoked是导致孔洞或管道流动流量最大 的下游最大压力。当下游压为小于pchoked 时，①在绝大多数情况下，在洞口处流体的 流速是声速；②通过降低下游压力，不能进 一步增加其流速及质量流量。这种类型的流 动称为塞流、临界流或声速流。
第三节气体或蒸气泄漏
• 一、通过孔洞泄漏
•
对于流动着的液体来说，其动能的变
化经常是可以忽略不计的，物理性质（特别
是密度）是不变的。而对流动着的气体和蒸
气来说，这些假设仅仅在压力变化不大
(p1/p2<2)、流速较低（小于0.3倍声音在气
体中的传播速度）的情况下有效。由于压力
作用使气体或蒸气含有的能量在其从小孔泄
M ( 2 )( 1) /( 1) RgT0 1
(3-25)
• 式中M -----泄漏气体或蒸气的相对分子质量;
•
To ------漏源的温度，k；
•
Rg——理想气体常数。
• 对于锋利的孔，雷诺数大于30 000时，流出 系数Co取常数0.61，然而，对于塞流，流出 系数随下游压力的下降而增加。对这些流动 和C0不确定的情况，推荐使用保守值1.0。
一般电厂烟囱的规格都是210米 240米的
• (5)释放物质的初始动量和浮力。泄漏物质的浮力 和动量改变了泄漏的有效高度，图3-12所示，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。如果气体密度比空气 小，那么泄漏的气体一开始具有浮力，并向上升 高，如果气体密度比空气大，那么泄漏的气体开 始就具有沉降力，并向地面下沉。