泄漏源及扩散模式.docx

1、泄漏源及扩散模式第六章 泄漏源及扩散模式很多事故是由于物料的泄漏引起的。因泄漏而导致事故的危害，很大程度上取决于有毒有害，易燃易爆物料的泄漏速度和泄漏量。物料的物理状态在其泄漏至空气中后是否发生改变，对其危害范围也有非常明显的影响，泄漏物质的扩散不仅由其物态、性质所决定，又为当时气象条件、当地的地表情况所影响。6.1 常见泄漏源泄漏源分为两类：一是小孔泄漏：通常为物料经较小的孔洞，长时间持续泄漏。如反应器、管道、阀门等出现小孔或密封失效；二是大面积泄漏：在短时间内，经较大的孔洞泄漏大量物料。如管线断裂、爆破片爆裂等。为了能够预测和估算发生泄漏时的泄漏速度、泄漏量、泄漏时间等，建立如下泄漏源模型

2、，描述物质的泄漏过程：1. 流体流动过程中液体经小孔泄漏的源模式；2. 储罐中液体经小孔泄漏的源模式；3. 液体经管道泄漏的源模式；4. 气体或蒸汽经小孔泄漏的源模式；5. 闪蒸液体的泄漏源模式；6. 易挥发液体蒸发的源模式。针对不同的工艺条件和泄漏源情况，应选用相应的泄漏源模式进行泄漏速度、泄漏量、泄漏时间的求取。6.2 流体流动过程中液体经小孔泄漏的源模式系统与外界无热交换，流体流动的不同能量形式遵守如下的机械能守恒方程： （61）式中： P 压力， Pa； 流体密度， kg/m； 动能校正因子，无因次；1 U 流体平均速度， m/s； g 重力加速度， g = 9.81 m/s2； z

3、高度， m； F 阻力损失， J/kg； Ws 轴功率， J； m 质量， kg。对于不可压缩流体，密度恒为常数，有： （62）泄漏过程暂不考虑轴功率，Ws = 0，则有： （63）液体在稳定的压力作用下，经薄壁小孔泄漏，如图6.1所示。容器内的压力为p1，小孔直径为d，面积为A，容器外为大气压力。此种情况，容器内液体流速可以忽略，不考虑摩擦损失和液位变化，可得到： 式中，Q为单位时间内流体流过任一截面的质量，称为质量流量，其单位为kg/s。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C0，则经小孔泄漏的实际质量流量为： kg /s （67） 式中： Q质量流量，kg / s

4、；A泄漏孔面积，m2；C0孔流系数；p1容器内的压力，Pa； 流体密度，kg / m。C0的取值：1、薄壁小孔( 壁厚 d / 2 )， Re 105 C0 = 0.612、厚壁小孔( d / 2 壁厚 4d )，或在孔处伸有一段短管(见图6.3 ) C0 = 0.813、修圆小孔( 见图6.2 ) C0 = 1但在很多情况下难以确定泄漏孔口的孔流系数，为了保证安全裕量，确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，Co值可取为1。例：某液体在容器中以稳定的0.2MPa的压力完全湍流流动，液体的密度为1000kg / m3，因时久腐蚀的原因，容器底部有一小孔发生泄漏，孔径为5mm，壁厚d/2，孔流系数C0

5、 = 0.62，容器外部为大气压；问经小孔泄漏的实际质量流量为多少？解：按液体经小孔的泄漏源模式（67）计算： Q = AC0（2 p1）1/2 = 0.78540.00520.62（20.21061000）= 0.24 kg / s6.3 储罐中液体经小孔泄漏的源模式如图6.4所示的液体储罐，距液体位高度Z0处有一小孔，在静压能和势能的作用下，液体经小孔向外泄漏，泄漏过程可由机械能守恒方程描述，罐内液体流速忽略，罐内液体压力为Pg，外部为大气压(表压P = 0)，如前面定义孔流系数C0，由下式表达： （68）将式（68）代入式（63）中，可求泄漏速度U： （69）小孔截面积为A，则质量流量Q

6、为： （610）但是储罐内液位高度z0不断下降，泄漏速度和质量流量也随之减少，假定储罐与大气相通，则内外压差p为0，则上式简化为： （611）若储罐的横截面积为A0，则经小孔泄漏的最大液体量m为： （612）取一微元时间内液体的泄漏量： （613）并且罐内液体质量的变化速率，即为泄漏质量： （614）将式(611)、(613)代入(614)式，得到： （615）设定边界条件：t = 0 ， t = t ， z = z0 ，z = z ，对上式进行积分，有： （616）当液体泄漏到泄漏点位置时，泄漏停止，z = 0，为此，得到总的泄漏时间： （617）将式(616)代入式(611)中得到随时间变

7、化的质量流量关系： （618）式中： 流体密度，kg / m； C0孔流系数； A 泄漏孔面积，m2； A0储罐截面积，m2； z0 泄漏点以上液体的高度，m； g 重力加速度，9.81m / s2； t 泄漏时间，s。如果储罐内盛装的是易燃液体，为防止可燃蒸汽大量泄漏至空气中，或空气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。液体表压为Pg，外部为大气压(表压P = 0)，内外压差即为Pg，则根据式(610)、式(612)、式(613)、式(614)可同理得到：将式（620）代入式（610）得到任意时刻的质量流量Q：式中： Pg储罐内液体表压，Pa。根据上式

8、（621）可求出不同时间的泄漏质量流量。例：有一常压甲苯储罐，内径1 m，下部因腐蚀产生一个小孔，孔直径为10mm，小孔上方甲苯液位初始高度为3 m，巡检人员于上午7：00发现泄漏，马上进行堵漏处理，完工后，小孔上方液位高度1.8 m，请计算已泄漏掉甲苯的量kg和泄漏始于何时？已知甲苯的密度 900 kg / m3, C01。解：（1）求泄漏质量流量随时间的变化式 C0 = 1 Q =C0A（2gz0）1/2(gC02A2/A0) t z0 = 3m = 900kg/m3 g = 9.81A = 0.012/4 = 7.854105 m2 A0 = 12/4 = 0.7854 m2将有关数据代

9、入计算： Q = 90017.854105 (29.813)1/29009.8112(7.854105)2/0.7854 t 整理后得： Q = 0.54230.00006934t （2）求任一时间内总的泄漏量W为泄漏质量流量对时间的积分： W =0t Qdt =0t (0.54230.00006934t ) dt 而 W =/4D2z1=/412(31.8)900 = 848.23 kg 所以 848.23 = 0t (0.54230.00006934t ) dt 积分后得： 848.23 = 0.5423t0.00003467t2 (a) 式(a)为一元二次方程： 0.00003467t2

10、0.5423t + 848.23 = 0 求解： 根据 t =b(b24ac)1/2 / 2aa = 0.00003467 b =0.5423 c = 848.23t = 0.5423(0.5423240.00003467848.23)1/2 /（20.00003467） 解得： t1 = 13878 s t2 = 1764 s 用t1代入 （a）式不符，舍去，取 t2 = 1764 s (也就是说泄漏掉848.23kg甲苯用时1764秒)1764 / 60 = 29.4 min （3）已知早上7：00发现泄漏并即时堵漏，则泄漏约始于早上6：31分左右， 总泄漏掉的甲苯为848.23 kg。6

11、.4 液体经管道泄漏的源模式化工生产中，通常采用圆形管道输送流体。如果管道发生爆裂、折断等，可造成液体经管口泄漏，其泄漏过程可用来描述。其中阻力损失F的计算是估算泄漏速度和泄漏量的关键。流动阻力分为直管阻力和局部阻力：1、直管阻力1的计算： (范宁公式) （622）式中： 摩擦系数，无因次； l 管长， m ；d 管径， m ；U 流速， m/s 。的计算与Re数有关，Re2000时，属层流，= 64 / Re2000Re4000时，属过渡流，= 0.0025 Re1/3Re4000时，属湍流，= f ( Re，/ d )，/d称相对粗糙度，为管壁粗糙度，d为圆管内径。值可由表6.1查得。对于

12、光滑管：以上是采用一些公式对值进行计算，也可根据Re和/d，查图6.7查得值，此图也称莫迪图。 图6.7 莫迪图上图按雷诺准数范围可分为如下四个区域：a、滞流区 (Re2000)，64/Re，与/d无关，和Re准数成直线关系。b、过渡区 (2000Re4000），流动处于不稳定状态，在此区域内滞流或湍流的Re曲线都可应用。为安全起见，对于流动阻力的计算，一般将湍流时的曲线延伸，以查取值。c、湍流区 (Re4000及虚线以下的区域), 与Re和/d均有关，在这个区域内对于不同的/d标绘出一系列曲线；其中最下面的一条曲线为流体通过光滑管的摩擦系数与Re的关系曲线。 d、完全湍流区 (在图中虚线以上

13、的区域)，与Re无关，仅与/d有关。2、局部阻力2的计算：可将局部阻力按当量长度或动能折合来计算。按当量长度计算： （623）式中： le 当量长度，m。按动能计算： （624）式中： 局部阻力系数。值可由表6.2和表6.3查得。3、总的阻力损失F的计算:总的阻力损失为直管阻力损失和局部阻力损失之和:F = F直管 + F局部 或 F = (l/d)(U2/2)+(U2/2) （625）将已知数据代入（6.3）式并整理（Z是减少，取 “”号）： U2/2 （gZ）1.78U1.75 0.085U2 = 0U2/2 1.78U1.75 0.085U2 = 9.85 将等式两边同乘以2，得： 1.

14、17U2 3.56U1.75 = 98 再设定流速U的数值，代入上式，直到上等式两端相等：初设 U = 5.6 m/s 等式左端为109.3, 等式右端为98，显然不符； 重设 U = 5.4 m/s 等式左端为 102.2, 等式右端为98，显然不符;再设 U = 5.3 m/s 等式左端为 98.8, 等式右端为98， 基本符合；误差： （98.898）/98100 % = 0.8 % 已很小； 计算结果显示Re = 5.3105 在 4000 Re 106 内，说明U选择正确。 泄漏的最大质量流量Q为：Q = UA = 10005.30.12/4 = 41.62 kg/s6.5 气体或蒸汽经小孔泄漏的源模式气体或蒸汽是可压缩气体，工程上通常将气体或蒸汽近似为理想气体，它们的压力、密度、温度等参数遵循理想气体状态方程。 （626）式中： p 绝对压力， Pa； R 理想气体常数， 8.314 J / molK； M