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1、 1 化工安全工程Chemicalengineeringsafetyfundamentalandapplication 邹海魁Email zouhk Tel 64443134 第四章泄漏源模型 一 源模型简介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而建立 作用 源模型给出了流出速率 流出总量 总时间 和流出状态 二 释放机理大孔和有限孔 内容回顾 第四章泄漏源模型 三 7个基本模型液体经孔洞流出液体经贮罐上的孔洞流出液体经管道流出蒸汽经孔洞流出 塞压气体经管道流出闪蒸液体液池蒸发或沸腾 内容回顾 第五章 毒物泄漏及扩散模型 主要内容 有毒物质泄漏及扩散模型的意义
2、 步骤 作用 扩散影响参数 中性浮力扩散模型 14个例子 Pasquill Gifford模型重气扩散毒性作用标准释放动量和浮力的影响释放缓解 前言 1 有毒物质泄漏扩散模型的意义事故期间 过程单元或设备释放出大量有毒物质 形成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区 重大化学品事故 如Bhopal 的发生及后果 使人们意识到应急计划的重要性 将工厂设计成毒物释放事故发生最少 事故后果最小化的重要性 需要毒物释放模型 描述其迁移转化过程规律 2 作用毒物释放和扩散模型是后果模拟步骤的重要部分 是应急管理 应急响应 应急决策的基础 前言 3 步骤确定泄漏事件 泄漏源 第4章介绍了7种泄漏源模型
3、 建立源模型 对事故释放 释放速率 释放量等进行描述 应用扩散模型估算下方向有毒有害物质的浓度 并由此根据一些准则来评估释放的后果及影响 5 1扩散影响参数 扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向其他地点及大范围区域的大气输送过程 释放发生后 大气中的毒害物质在风作用下以烟羽方式 连续源 图5 1 或云团方式 瞬时源 图5 2 带走 1 风 图5 1物质连续泄漏形成烟羽 物质连续泄漏形成烟羽 1 风 图5 2物质瞬时泄漏形成烟团 物质瞬时泄漏形成烟团 5 1扩散影响参数 多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散 风速 大气稳定度 地形条件 建筑物 地面类型 地面构筑物 释放源离地面的高度 释放的
4、初始动量和浮力 2 大气稳定度 大气稳定度与空气的垂直混合有关 白天 空气温度随高度增加而下降 地面处空气受热密度变小 蒸腾 向上运动 夜晚 空气温度随高度增加下降不多 垂直运动较少 此外 由于土壤 地表导热系数大 夜间无太阳辐射 地面附近空气温度要降低 空气密度变大 垂直方向运动较小 图5 3 昼间和夜间空气温度随高度的变化 温度梯度影响空气的垂直运动 夜间昼间 2 大气稳定度 稳定度划分 不稳定 中性和稳定划分标准 对地面加热速度与地面散热速度相对快慢1加热速度 地面散热速度地面附近的空气温度比高处的空气温度高 地表附近空气的密度小 上层空气密度大 密度小的空气在这种浮力作用下上升 导致大
5、气不稳定 晴天上午9 10点后 肉眼会观测到地表升腾 春秋早晨水雾消散 F浮 F重2加热速度 散热速度 热量对大气扰动很小 但很难长久保持 F浮 F重3加热速度 散热速度 地面附近的温度比高处空气的温度低 地表附近空气密度大于高处空气的密度 F浮 F重 重力影响抑制了大气机械湍流 3 地面条件 地面条件通过对大气施加曳力 摩擦力 改变风速分布及大小 平坦的地面 水面等曳力小 高层建筑 密集建筑群等曳力 起作用的范围均比较大 图5 3地面情况对垂直风速梯度的影响 地面条件 影响地表的机械混合和随高度变化的风速 4 释放高度 随着泄漏高度的增加 烟羽达到地面的时间和距离均增加 此外 烟羽到达地面时
6、的浓度也会更低 原因是烟羽被更多的稀释 图5 5泄漏高度增加地面浓度降低 对地面浓度的影响很大 释放高度越大 地面浓度越低 5 释放物质的浮力和动量 释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度 释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度 图5 6泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性 喷射气体动量将气体带到释放点上方高处 使有效释放高度更高 气体喷出后气体物化性质 D 等导致气体是 上浮还是下沉 及其快慢 经过一定时间在空气里传播后 释放的气体被充分稀释混合 与局部大气环境物化性质一致 变为中性浮力气体 5 释放物质的浮力和动量 释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度 释放物质的物化性质决定
7、了扩散影响的区域和程度 喷泉 5 2中性浮力扩散模型 中性浮力扩散模型用来估算释放后所释放出的气体与空气混合 导致混合气体具有中性浮力后下风向各处的浓度 适用于低浓度气体 经常有两种中性浮力蒸气云扩散模型 烟羽 连续源释放 和烟团模型 瞬时释放 烟团模型可用来描述烟羽 对涉及动态烟羽的研究 如风向变化 须使用烟团模型 5 1 考虑固定质量Qm的物质瞬时泄漏到无限膨胀扩张的空气中 坐标系固定在释放源处 假设不发生反应 或不存在分子扩散 释放所导致的物质的浓度C可由式 5 1 考虑到湍流的影响 用平均值和随机量来代替速度 5 2中性浮力扩散模型 5 2中性浮力扩散模型 5 7 Kt 湍流扩散系数
8、取决于大气湍流程度 地形条件等 对式 5 7 可给定适当的初始条件 t 0的条件 和边界条件 即可对各种情况进行求解 图5 7 风作用下连续点源泄露 烟羽 x 风向 y 横风向 z 垂直风向用于扩散模型的坐标系 5 2中性浮力扩散模型 图5 8风作用下烟团随风的移动x 风向 y 横风向 z 垂直风向 5 2中性浮力扩散模型 5 2中性浮力扩散模型 处理 CASE 1 无风情况下 稳态 连续点源释放 湍流扩散系数不变 所有方向上 边界条件 质量释放速率不变 无风 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 稳态 经坐标变换和积分 5 16 CASE 2 无风烟团扩散 湍流扩散系数不变 所有方向上 边界条件
9、一定量的物质瞬间释放 无风 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 20 CASE 3 无风情况下的非稳态连续点源释放 从开始释放到达到稳态前 质量释放速率不变 湍流扩散系数不变 所有方向上 无风 初始条件 边界条件 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 22 5 7 化简为 湍流扩散系数不变 所有方向上 质量释放速率不变 CASE 4 有风情况下的稳态连续点源释放 风沿一个方向如x方向 边界条件 沿烟羽中心线 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 27 5 24 任意点处平均浓度 CASE 5 无风时的烟团 湍
10、流扩散系数是各向异性 烟团释放 湍流扩散系数不同 边界条件 无风 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 7 5 29 化简为 CASE 6 有风情况下稳态连续点源释放 湍流扩散系数各向异性 连续释放 风沿一个方向如x方向 边界条件 与CASE 4相同 差别在于扩散系数 沿烟羽中心 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 31 5 32 化简为 CASE 7 有风下的烟团 与CASE 5相同 但有风 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 33 通过坐标移动 经处理后可以得到 CASE 8 释放源在地面上的无风时的烟
11、团 与CASE 5相同 但释放源在地面 释放源在地面代表不能渗透的条件 因此浓度是CASE 5的两倍 CASE 5 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 34 5 29 CASE 9 释放源在地面上的稳态烟羽 与CASE 6相同 但释放源位于地面 如图5 9所示 地面不能渗透 结果是浓度应是CASE 6的浓度的2倍 CASE 6 A 采用湍流扩散系数Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 5 35 5 31 CASE 10 连续的稳态源 释放源在地面上方 连续释放 风沿一个方向x方向 边界条件 对此种情形 地面起着距源H处的不能渗透的边界作用 A 采用湍流扩散系数
12、Kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理 若 简化为释放源在地面上的情况 5 36 5 2中性浮力扩散模型 处理B 简便有效的处理方法 Pasquill Gifford模型 对于上面10种情形都依赖于K 一般K随位置 时间 风速和天气情况而变 湍流扩散系数这一方法是在理论上可行 但实验上不方便 且不能提供有效的关系式 问题 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 解决办法 1 Sutton提出了解决办法 引入新的扩散系数定义 下风向 侧风向 垂直风向 5 37 分别代表下风向 侧风向和垂直方向浓度的标准偏差 这些值比湍流扩散系数更易由实验确定 5 2中性浮力扩
13、散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 2 扩散系数是大气情况及释放源下风向距离的函数 大气情况 根据六种不同的稳定度等级进行分类 见表5 1 表5 1Pasquill Gifford的扩散模型的大气稳定度等级 稳定度等级依赖于风速和日照程度 白天 风速的增加导致较高的稳定度 夜晚则相反 原因是从白天到夜晚 垂直方向上温度变化引起的 对连续源的扩散系数 y和 z 由图5 10 5 11给出 表5 2为相应关系式 为给出 x的值 假设 x y 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Giffor
14、d模型方法 图5 10泄漏位于农村时P G烟羽模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 图5 11泄漏位于城市时P G烟羽模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 表5 2烟羽扩散的Pasquill Gifford模型扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 图5 12P G烟团模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 表5 3烟团扩散的Pasquill Gifford模型扩散系数 Pasquill由式 5 3
15、7 重新得到了CASE 1 CASE 10的方程 即Pasquill Gifford模型 烟团的扩散系数是基于有限数据得到的 不够精确 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 CASE 11 地面上瞬时点源的烟团 坐标系固定在释放点 风速恒定为u 风向沿x轴方向 与情况7相同 5 38 求地面某点浓度时 可令z 0 求得 5 39 地面上沿x轴的浓度 可令y z 0 求得 5 40 气云中心坐标的浓度 5 41 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 CASE 11 地面上瞬时点源的烟团 坐标系固定在释放点 风速恒定为u 风向
16、沿x轴方向 站在固定点 x y z 处的个体 所接受的全部剂量可用浓度的时间积分 5 42 地面上的全部剂量 可对式 5 39 进行积分得到 5 43 地面上沿x轴的全部剂量为 5 44 5 2中性浮力扩散模型 处理B 简便有效的处理方法 Pasquill gifford模型 CASE 11 地面上瞬时点源的烟团 坐标系固定在释放点 风速恒定为u 风向沿x轴方向 用固定浓度定义气云边界 连接气云周围相等浓度的点的曲线称为等值线 对于指定浓度 C 地面上的等值线可按下面过程求出 指定 C u和t 利用式 5 40 确定沿x轴的浓度 C x 0 0 t 定义沿x轴的气云边界 在式 5 45 中令 C x y 0 t C 确定由步骤 2 确定的每一个中心线的y值 对于每一个所需的t值 可重复使用该过程 5 45 5 2中性浮力扩散模型 处理B Pasquill Gifford模型方法 CASE 12 地面上连续稳态源的烟羽 风向沿x轴方向 风速恒定为u 与情况9相同 其结果与式5 35的形式相近 5 38 地面浓度可令z 0 求得 5 38 下风向 沿烟羽中心线的浓度可令y z 0 求得 5
