第7章 化学品泄露与扩散模型-1

第7章化学品泄露与扩散模型丁金城山东理工大学化学化工学院第7章化学品泄露与扩散模型目录7.1化工中常见的泄漏源7.2化学品泄漏模型7.2.1液体泄漏7.2.2气体或蒸气泄漏7.2.3液体闪蒸7.2.4液池蒸发或沸腾7.3扩散方式及扩散模型7.3.1扩散方式及其影响因素7.3.2中性浮力扩散模型7.3.3重气扩散模型7.3.4释放动量和浮力的影响思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 第7章化学品泄露与扩散模型一般指工业中不应该流出或漏出的物质或流体，流出或漏出机械设备以外，造成损失，称之为泄漏。三类典型火灾和爆炸事故，即池火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸，均是由化学品泄漏和扩散引起。池火灾：指在可燃物（液态或固态）的液池 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上发生的火灾。液体泄漏,一般会引起池火灾。池火灾的破坏主要是热辐射,如果热辐射作用在容器和设备上,尤其是液化气体容器,其内部压力会迅速升高,引起容器和设备的破裂;如果热辐射作用于可燃物,会引燃可燃物;如果热辐射作用于人员,会引起人员烧伤甚至死亡。第7章化学品泄露与扩散模型蒸气云爆炸：发生泄漏事故时，可燃气体、蒸气或液雾与空气混合会形成可燃蒸气云，可燃蒸气云遇到火源即发生蒸气云爆炸。沸腾液体扩展蒸气爆炸：处于过热状态的水、有机液体、液化气体等，瞬间气化而产生的爆炸现象，称为沸腾液体扩展蒸气爆炸，又称蒸气爆炸。蒸气爆炸不同于一般的爆炸，着火源不是蒸气爆炸的必备条件，只要气、液两相的平衡遭到破坏就能引起蒸气爆炸。爆炸的破坏作用：直接的破坏作用；冲击波的破坏作用；造成火灾；造成中毒和环境污染。7.1化工中常见的泄漏源泄漏机理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。图7-1化工厂常见的小孔泄漏7.1化工中常见的泄漏源图7-2蒸气和液体以单相或两相状态从容器中泄漏出来7.2化学品泄露模型7.2.1液体泄漏（1）通过管道上的孔洞泄漏对于不可压缩流体，机械能守恒定律描述了与流动的液体相关的各种能量形式，如下式：式中P、ρ、α、g…… 7.2化学品泄露模型裂缝中的摩擦损失可由流出系数常数C1近似代替，其定义为：将以上式子带入机械能守恒式，确定从裂缝中流出的液体的平均流速为：新的流出系数C0定义为：  7.2化学品泄露模型若小孔的面积为A，液体的平均流速为ū，则液体通过小孔泄漏的质量流量Qm为：流出系数C0为：①对于锋利的小孔和雷诺数大于30000的情况，C0近似取0.61；②对于圆滑的喷嘴，流出系数可近似取1；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。 7.2化学品泄露模型例7-1下午1点，工厂的操作人员发现输送苯的管道中的压力降低了，他没有查明原因便立即将压力恢复至7atm（表压）。下午2:30，在管道上发现了一个直径为0.635cm的小孔，并立即进行了修理。试估算由此小孔流出的苯的总质量。苯的密度为878.6kg/m3。解：假设在下午1点至2:30之间即90min内，小孔一直存在，孔洞的面积为： 7.2化学品泄露模型苯泄漏的质量流量可由式（7-1）计算，对于圆滑的孔洞，C0近似取0.61，gc≈1，则：90min共计流出苯的总质量为：  7.2化学品泄露模型（2）通过储罐上的孔洞泄漏假设液体为不可压缩流体，储罐中的液体流速为0，则通过小孔流出的瞬时质量流量Qm为： 随着储罐逐渐变空，液体高度减小，质量流量也随之减小。7.2化学品泄露模型（2）通过储罐上的孔洞泄漏对于恒定截面积为A的储罐，储罐中小孔以上的液体总质量为：储罐中的质量变化率为：   7.2化学品泄露模型（2）通过储罐上的孔洞泄漏将上式从初始高度hL0到任意高度hL进行积分，得到储罐中液面高度随时间的变化函数：得到任意时刻t所泄漏液体的质量流量：  7.2化学品泄露模型（2）通过储罐上的孔洞泄漏设hL=0，通过求解可以得到容器液面降至小孔所在高度处所需要的时间：如果容器内压力是大气压力，即pg=0，则上式可简化为：  7.2化学品泄露模型【例7-2】圆柱形储罐，高6.1m，直径2.4m，里面储存物质为苯。为防止爆炸，储罐内充装有氮气，罐内表压为1atm，且恒定不变。储罐内的液面高度为5.2m。由于疏忽，铲车驾驶员将距离底面1.5m的罐壁上撞出一个直径为2.5m的小孔。请估算（1）流出多少苯；（2）苯流至漏孔高度处所需的时间；（3）苯通过小孔的最大质量流量和平均流速。该条件下苯的密度为878.6kg/m2。解：储罐的面积为： 7.2化学品泄露模型孔洞的面积为：表压为：（1）孔洞上方苯的体积为：这就是能够流出的苯的全部的量。   7.2化学品泄露模型（2）苯全部流出来所需的时间，由式（7-8）给出这说明，有充足的时间来阻止泄漏，或启用应急程序来减少泄漏量，避免其对环境造成不利的影响。  7.2化学品泄露模型（3）最大的流出量发生在t=0即液面高度为5.2m时。此时液面距小孔的距离为：5.2-1.5=3.7m，此时的质量流量最大，可通过式（7-2）计算：苯通过小孔的平均流速：16.724×878.6/3433=4.28kg/s  7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏流体经管道流出Ldρ=常数7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏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，导致液体流速减小和压力下降。不可压缩流体在管道中的流动，遵守机械能守恒定律。其中式中，Kf为管道或管道配件导致的压差损失系数，u为流体流速。  7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏对流经管道的液体，Kf为f：范宁摩擦系数，L:管长，d：管径。范宁摩擦系数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7-2与图7-3。7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏对于层流，范宁摩擦系数由下式给出：对于湍流，范宁摩擦系数可由Colebrook方程计算：  7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏另一种形式，对于由范宁摩擦系数f来确定雷诺数是很有用的：对于粗糙管道中完全发展的湍流，f与雷诺数无关，在图7-3中可看到，在雷诺数很高处，f接近于常数。对于这种情况，式（7-14）可简化为：  7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏对于光滑管道，ε=0，式（7-14）可简化为：对于光滑管道，当雷诺数Re小于100000时，布拉休斯（Blasius）方程很有用：  7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏Chen提出了一个简单的方程，该方程可在图7-3所显示的全部雷诺数范围内，给出摩擦系数f，该方程为：式中：7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏2-K方法管道附件，阀门及其他流动阻碍物；传统方法是在式（7-12）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 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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。7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏表7-3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mm。对管道的进口和出口，要对式（7-20）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。 7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏进口和出口效应的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（7-21）中的第一项可以忽略，且Kf=K∞；对低Re数（Re＜50），式（7-21）中的第一项占支配地位，且说明：式(7-21)对孔和管道尺寸的变化也使用； 7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏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：∑Kf为所有压差损失相之和，包括：进口、出口、管长和附件。 7.2化学品泄露模型（3）通过管道泄漏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=0.5，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P132页和例[7-3]7.2化学品泄露模型【例7-3】含有少量有害废物的水经内径为100mm的型钢直管道，通过重力从某一大型储罐排出，管道长100m，在储罐附近有一个闸式阀门，整个管道系统大多是水平的，如果储罐内的液面高于管道出口5.8米，管道在距离储罐33m处发生事故性断裂，请计算自管道泄露的速率及15min的泄漏量。解：排泄操作如图7-4所示，假设可以忽略动能的变化，没有压力变化，没有轴功。应用于点1和2之间的机械能守恒[式（7-10）]可简化为：图7-4排水几何尺寸7.2化学品泄露模型对于水：μ=1.010-3Pa﹒s；ρ=1000kg/m3使用式（7-21）确定进、出口效应的K系数，闸阀的K系数可在表7-3中查得，管长的K系数由式（7-12）给出。对于管道进口：对于闸阀：    7.2化学品泄露模型对于管道出口：对于管长：将K系数相加得：对于Re>10000，方程中的第一项很小。因此所以     7.2化学品泄露模型机械能守恒方程中的重力项为：因为没有压力变化和轴功，机械能守恒方程式[式（7-10）]简化为：求解出口速率并带入高度变化得：   7.2化学品泄露模型雷诺数为：对于异型钢管道，由表7-2查得，ε=0.046mm因为摩擦系数f和摩擦损失项F是雷诺数和速率的函数，所以采用试差法求解。试差法求解见表7-4.  7.2化学品泄露模型表7-4试差法求解结果因此，从管道中流出的液体速率是3.66m/s。ｕ的估值/m﹒s-1RefF计算得到的ū值/m﹒s-13.003000000.0045134.096.753.503500000.0044646.004.663.663660000.0044450.183.667.2化学品泄露模型表7-4也显示了摩擦系数f随雷诺数变化很小。因此，对于粗糙管道中完全发展的湍流，可以使用式（7-16）来近似估算。式（7-16）计算的摩擦系数值等于0.0041。因此带入并求解，得到：  7.2化学品泄露模型该结果与较精确的试差法的计算结果很接近。管道的横截面积是：质量流量为：   7.2化学品泄露模型15min的泄漏的总量为：1528.860=25920kg这表明，持续泄露15min将会有将近26000kg的有害物质泄露出来。除此以外，还有储存在阀门和断裂处之间的管道内的液体也将释放出来。因此，必须设计一套系统来限制泄漏，包括减少应急反应时间，使用直径较小的管道，或者对管道系统进行改造，增加一个阻止液体流动的控制阀等。 7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏过程单元内的带压气体P0，T0外部环境在泄漏通道处气体自由膨胀泄漏气体通过小孔等熵膨胀，在膨胀过程中气体的性质（P、T）和速度发生变化7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏根据机械能守恒，气体是可压缩的，在经孔洞流出时，气体密度、压力、温度等均发生变化。假设没有轴功，忽略势能高度差的变化，可以得到描述孔洞可压缩流动的机械能守恒形式流出系数C1与7.2节定义的系数具有相似的形式7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏将上两式联立，并在任意两个方便的点之间积分。初始点（下标为“。”）选在速度为零，压力为P0处，到任意的终点（无下标）积分，可得：对等熵膨胀的理想气体，γ为热容比，γ=CP/Cv7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏将上两式联立，定义与式（7-22）相同的新的流出系数C0，并积分，得到等熵扩散中任意点处流体速度的方程7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏利用连续性（质量守恒方程）方程，对等熵膨胀，理想气体定律可写成7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏对等熵膨胀，任意点处的质量流率对许多安全性研究，都需要确定通过孔洞流出的蒸气的最大流量：(7-23)(7-24)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏M为泄漏气体或蒸汽的分子量；T0为泄漏源的温度，Rg为理想气体常数。γ的值可查表7-6。式（7-24）表明塞压仅仅是γ的函数(对于理想气体)。对于锋利的孔，Re>30000（同时不出现遏阻）情况下，流出系数C0=0.61，；但对塞流，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C0=1.0(7-25)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.1通过孔洞泄漏【例7-4】在装有氮气的贮罐上有一个2.54mm（0.1in）的小孔，贮罐内的压力为1378kPa（200psig），温度为26.7°C（80°F）。计算通过该孔的液体质量流率。解由表7-6，氮气的热容比γ=1.41。由式（7-24）：因此  7.2.2气体或蒸气泄露外界压力低于779kPa（113.1psia）将导致塞流。该例题中，外界压力为大气压，所以认为发生塞流，应用式（7-25）。孔的面积是：流出系数C0假设为1.0，同时P0=（1378000+101300）=1479300Pa，T0=26.7+273.156=299.86K 7.2.2气体或蒸气泄露然后，用式（7-25）：  温度之间的转换转换到华氏温度摄氏温度℃=(οF-32)/1.8华氏温度绝对温度K=(οF+459.67)/1.8华氏温度兰氏度RankineοR=οF+459.67摄氏温度华氏温度οF=℃×1.8+32摄氏温度绝对温度K=℃+273.15摄氏温度兰氏度RankineοR=℃×1.8+32+459.67绝对温度摄氏温度℃=K-273.15绝对温度华氏温度οF=K×1.8-459.67绝对温度兰氏度RankineοR=K×1.8兰氏度摄氏温度℃=(°R-32-459.67)/1.8兰氏度华氏温度οF=οR-459.67兰氏度绝对温度K=οR/1.8英制长度单位与国际 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 单位的换算英制长度单位以英国和美国为主的少数欧美国家使用英制单位，因此他们使用的长度单位也就与众不同，主要有英里、码、英尺、英寸。英里(mile)1英里=1760码=5280英尺=1.609344公里码(yard，yd)1码=3英尺=0.9144米英尺(foot，ft，复数为feet)1英尺=12英寸=30.48厘米英寸(inch，in)1英寸=2.54厘米7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏（1）绝热流动气体通过管道的绝热非临界流动，气体温度可能升高或降低（依赖于膨胀与摩擦的相对大小）7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏流动过程描述：进口（1处）的压力P1大于出口处压力P2，流体在P1-P2压差驱动下由进口（1处）向出口（2处）流动；气体流经管道时，由于P2＜P1，气体膨胀，膨胀后速度增加，动能增加，而温度降低（热能损失）；另一方面，流动过程中存在摩擦作用，气体温度因摩擦生热而升高。T2取决于膨胀和摩擦的相对大小。本源模型涉及机械能守恒7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏对气体而言对于无阀门或管道附件的直管段，联立式(7-11)和(7-12)，7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏有无机械连接，无轴功,能量守恒←描述流动气体温度的变化。对敞口稳定流动过程，能量守恒为：7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏利用有关的假设，可联立并求积分，最后得到：温度比：7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏压力比：密度比：(7-29)(7-30)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏质量通量：动能可压缩性管道摩擦(7-31)(7-32)可算出T2反应能量分布7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏将温度比、压力比及密度比代入(7-69)和(7-60)有对大多数实际问题，管长（L），管径（d）,上游温度（T1）与压力（P1）及下游压力（P2）是已知的。计算质量通量G的步骤：(7-34)(7-33)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏由表7-2确定管道粗糙度ε，计算ε/d；由式（7-16）确定范宁摩擦系数f。假设充分发展的高雷诺数湍流，随后验证这一假设（通常情况下该假设是正确的）由式（7-33）确定T2；由式（7-34）计算总的质量通量G；根据管道大小算出质量流量ms=G·A。特例：对于长管或沿管长有较大压差，气体在出口处流速可能接近声速。气体流速到达声速时的气体流动称作阻塞流（chockedflow），处理如图7-12所示和式(7-28)~(7-32)及2-K方法7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏（2）等温流动图气体通过管道的等温非塞流7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏流动过程描述：气体在有摩擦的管道中的等温流动。假设气体流速远低于声音在该气体中的速度。沿管程的压力梯度驱动气体流动；随着气体通过压力梯度的扩散，其流速必须增加到保持相同质量通量的大小；出口端的压力与周围环境压力相等；整个管程上温度不变。本源模型涉及机械能守恒：7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏对气体而言对于无阀门或管道附件的直管段，联立式(7-29)和(7-30)，7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏有对图7-15结构而言，无轴功,由于过程等温，故不需要能量守恒方程利用有关的假设，通过计算后得到：温度比、压力比、密度比、质量通量等7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏温度比：温度比：密度比：质量通量：(7-45)(7-42)(7-43)(7-44)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏将压力代替马赫数，有动能可压缩性管道摩擦(7-46)(7-47)7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏对大多数实际问题，管长（L），管径（d）,上游压力（P1）及下游压力（P2）是已知的。计算质量通量G的步骤：由式（7-34）取定范宁摩擦因子f。同样假定充分发展高雷诺数湍流，随后再验证这一假设。由式（7-75）计算质量通量G。等温塞流（最大流速），见教材的处理。7.2.2气体或蒸气泄露7.2.2.2通过管道泄漏说明：气体通过管道的流动，流动是绝热的还是等温的很重要。绝热或等温情形，压力下降导致气体膨胀，进而促使气体流速增加。对绝热流动，气体温度可能升高，也可能降低，取决于摩擦项和动能项的相对大小。塞流下，绝热塞压比等温塞压小。对于源处的温度和压力为常数的实际管道流动，实际流率比绝热流率小，但比等温流率大。