第四章 泄漏源模型-第三次课1208

4.2. 液体经过孔洞流出
过程单元内带压液体 P=Pg u1 0 z △ 0 泄漏面积 A Ws 0 过程描述 外部环境
液体密度
P=1atm u2 u
图4-4 液体通过小孔流出
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。
4.2. 液体经过孔洞流出
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：
定义新的流出系数C0： C0 C1
(4-10)
孔洞中流出液体的瞬时流速为：
u C0 g c Pg 2 ghl
(4-11)
对于孔洞面积A，瞬时质量流率为：
Qm u A AC0 g c Pg 2 ghl
u2 dP g Ws z F m 2ag c g c P为压强（压力/面积）；ρ为液体密度；
（4-1）
u 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)；

（4-28）
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：
u2 F Kf 2g c
（4-29）
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，
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
第 2章
救助、救援、消 除事故影响
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
图4-1 后果分析程序(续)
4.1 源模型介绍
1 源模型：是后果模拟的重要一个部分。
hL
u2 u P 1atm
A：泄漏面积
图4-5 过程容器上的小孔泄漏
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
瞬时（某时刻）释放
本源模型可采用机械能守恒：
Fra Baidu bibliotek

dP
u2 2ag c
g Ws g z F m c
（4-1）
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。
4.1 源模型介绍
物质的物理状态对释放机理的影响
气体 / 蒸汽 泄漏
Pa
PT ＞ Pa ， 可 能闪蒸
蒸汽或两相 蒸汽/液体
PT
蒸汽
液体或 液体闪 蒸
液体
图4-3 蒸汽、液体以单相或两相状态的释放
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
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
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
P2 <P1
L
u 2 =u1 Z2
P1 u1 Z1
d
ρ=常数
图4-6 流体经管道流出
4.4 液体通过管道流出
本模型可由机械能守恒并结合不可压缩流体来表达：
P
u2 g Ws z F m 2agc g c
第4章 泄漏源模型
释放事件的选择 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…… P70 页 教材
第 4 章
释放总量 （或释放 持续时间） 释放速率 物质状态
选择释放事件源模型，描述释放事件、结果包括：
第 5章
选择扩散模型 Atmospheric Dispersion Models
流出系数C1定义为：
P
g P g 2 z F C1 z gc g c
（4-8）
确定孔洞中流出的液体瞬时平均流速为：
g c Pg u C1 2 gh l
(4-9)
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
4 fL Kf d
（4-30）
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。
4.4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
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。
化工安全工程
Chemical engineering safety fundamental and application 邹海魁 Email: zouhk@mail.buct.edu.cn Tel: 64443134
1
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)
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。
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。
大孔（瞬时释放，instantaneous release）——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，continuous release）→连续释放，有限 孔释放。 安全阀
裂纹 裂纹
孔洞
阀门（主体 + 垫片） 泵 裂开或 破裂的 管道
接头 孔洞
图4-2 各种类型有限孔释放
0 L
2
（4-18）
将（4-18）代入 （4-12）的表达式，得到t时刻质 量流出速率：
Qm C0 A 2 g c Pg

0 2 ghL
g C0 A2
At
t
（4-19）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
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：
（4-15）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
从初始高度hL0到任何高度hL进行积分得：

hL
0 hL
C0 A t dhL dt 0 At 2 gc P g 2 ghL
（4-16）

得到储罐中的液面高度为：
C A hL h 0 At
0 L
2 g c Pg

g C0 A 2 gh t t 2 At
1 At 2 g c Pg 0 te 2 ghL C0 g A 2 g c Pg
（4-20）
若容器内压力为大气压，Pg=0，(4-20)可简化为：
1 At 0 te 2 ghL C0 g A
（4-21）

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α 1.0；
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
4.2. 液体经过孔洞流出
对不可压缩液体，有

dP


P

（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：
（4-12）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
对于储罐以恒定压力、液面变化持续泄放，有：
孔洞以上的液体总质量为：
m At hL
（4-13）
储罐内的质量变化率为：
dm dhL At Qm dt dt
（4-14）
代入 （4-12）的表达式，有：
C0 A g c Pg dhL 2 gh l dt At
关 联
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
可燃和/或有毒？ 可 第六章 燃 有 毒
图4-1 后果分析程序
（图 4-1 续） 可 燃 有 毒
第6章
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
P P F C12
（4-3）
将上面几个式子代入式4-1： u2 dP g Ws z F gc m 2ag c
（4-1）
4.2. 液体经过孔洞流出
孔洞中流出的液体平均流速为：
u C1 2 g c Pg

（4-4）
定义新的流出系数C0为：
C0 C1
孔洞中液体流出速率为：
u C0 2 g c Pg
（4-5）

（4-6）
孔洞面积A已知，则质量流率为：
Qm u A AC 0 2 g c Pg
（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：
K1 1 Kf K 1 Re ID
（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……）
● 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
例 4-1
• 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. 解： 空洞的面积为：
苯的密度为：
则质量流率为：
则流出的苯的总质量为：
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
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
At：储罐的横截面积
Pg
u1 0 Ws 0