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1、化工安全生产技术第五章：毒物泄漏及扩散模型主要内容：主要内容：v有毒物质泄漏及扩散模型的意义P.107页前言、步骤、作用。v扩散影响参数。v中性浮力扩散模型、14个例子v重气扩散：需增加一部分内容v毒性作用标准多个标准（P123页）例子v释放动量和浮力的影响v释放缓解【第第4讲引出讲引出】前言：前言：1、有毒物质泄漏扩散模型的意义v事故期间，过程单元或设备释放出大量有毒物质，所有形成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区。v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。v好的安全计划应能在事故发生前确定
2、问题所在。化学工程师、安全工程师必须了解毒物释放的所有可能情况，以避免释放事故；若发生毒物释放，尽可能降低其影响及影响区域。v需要毒物释放模型，描述其迁移转化过程规律。前言：前言：2、作用v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。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）建立源模型，对事故释放、释放速率、释放量等进行描述。v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。（5.4节）5.1 扩散影响参数扩散影响参数v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
3、，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。5.1 扩散影响参数扩散影响参数多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散：u风速；u大气稳定度；u地形条件（建筑物、地面类型、地面构筑物）；u释放源离地面的高度；u释放的初始动量和浮力。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2.大气稳定度v大气稳定度与空气的垂直混合有关，昼间，空气温度随高度增加而下降，地面处受热密度变小（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，
4、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vA：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.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vB：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
5、=F重vC：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。重力影响抑制了大气机械湍流。F浮F重。3.地面条件v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。v平坦的地面、水面等曳力小。v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v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。L2L1H1H2。5.
6、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。内部浮力占支配地位转变区周 围环 境湍 流占 支配 地位初始加速和稀释风源图5-6泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性v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。v气体喷出后根据气体物化性质（，D）等导致气体是（上浮还是下沉）及其快慢。v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了扩散影响的区域和程度。喷泉5.2中性浮力扩散模
7、型v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，如浓度10-6量级。v见图5-1和5-2，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。（5-3）Kt：湍流扩散系数，取决于大气湍流程度、地形条件等对式（5-3）可给定适当的初始条件（t=0的条件）和边界条件（释放到大气后一定距离处浓度不受释放源影响的大气条件，如离源50m、100m除不受影响）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5.
8、2中性浮力扩散模型土卫二的羽状水蒸气和冰喷射物5.2中性浮力扩散模型土卫二冰火山的一种可能模型：喷射物含有水、冰、简单的和复杂的碳氢化合物，如丙烷、乙烷和乙炔，为可能的外星人提供了存在依据图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A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-1：无风情况下、稳态、连续点源释放：无风情况下、稳态、连续点源释放稳态：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：边界条件：边界条件：5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的
9、情形CASE-2：无风烟团扩散：无风烟团扩散湍流扩散系数不变（所有方向上）边界条件：烟团释放，即一定量的物质瞬间释放无风：5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-3：无风情况下的非稳态连续点源释放：无风情况下的非稳态连续点源释放质量释放速率不变：湍流扩散系数不变（所有方向上）无风：初始条件：边界条件：湍流扩散系数不变（所有方向上）质量释放速率不变：5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-4：有风情况下的稳态连续点源释放：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
10、5.2中性浮力扩散模型：处理CASE-5：无风时的烟团。湍流扩散系数是各向异性：无风时的烟团。湍流扩散系数是各向异性烟团释放，湍流扩散系数不同（所有方向上）边界条件：无风：A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形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：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：与与CASE-4相同相同沿烟羽中心，5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-7：有风下
11、的烟团：有风下的烟团烟团释放，各方向湍流扩散系数不同，风沿x方向：边界条件：与与CASE-5相同，但有风相同，但有风5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-8：释放源在地面上的无风时的烟团：释放源在地面上的无风时的烟团 与CASE-5相同，但释放源在地面。地面代表不能渗不能渗透透的条件，因此浓度是CASE-5的两倍两倍（CASE-5）5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-9：释放源在地面上的稳态烟羽：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。地面不能地面
12、不能渗透渗透。结果是浓度应是CASE-6的浓度的浓度的2倍倍（CASE-6）5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方高度：连续的稳态源。释放源在地面上方高度连续释放，风沿一个方向如x方向：边界条件：对此种情形，地面起着距源距源H处的不能渗透的边界作用处的不能渗透的边界作用。5.2中性浮力扩散模型：处理A：采用湍流扩散系数：采用湍流扩散系数Kj的情形的情形CASE-10：连续的稳态源。释放源在地面上方：连续的稳态源。释放源在地面上方 Hr 高度高度对此种情形，地面起着距源距源H处的不能渗透的边界作用处的不能渗
13、透的边界作用。若，简化为释放源在地面上的情况5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法v对对于于上上面面10种种情情形形都都依依赖赖于于K。一一般般Kj随随位位置、时间、风速和天气情况而变。置、时间、风速和天气情况而变。v湍湍流流扩扩散散系系数数这这一一方方法法是是在在理理论论上上可可行行，但但实实验验上上不不方方便便，且且不不能能提提供供有有效效的的关关系系式式。问题！问题！5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：1、Sutton提出了解决办法，引入新的扩散系数定义。v下风向：v侧风向：v垂直风向：（5-37）v这
14、些值比湍流扩散系数更易由实验确定。5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：2、扩散系数是大气情况及释放源下风向距离的函数：v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表面风速（m/s）昼间日照夜间条件强适中弱薄云层或大于4/8低沉的云3/8朦胧22334466AABBCCABBBCCDDBCCDDFEDDDFFEDDv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。v对连续源的扩散系数y和z
15、，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=y5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：图图5-10 泄漏位于农村时泄漏位于农村时P-G烟羽模型的扩散系数烟羽模型的扩散系数5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：图图5-11 泄漏位于城市时泄漏位于城市时P-G烟羽模型的扩散系数烟羽模型的扩散系数5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决
16、办法：表5-2烟羽扩散的Pasquill-Gifford模型扩散系数Pasquill-Gifford稳定度等级/m/m农村条件ABCDEF城市条件ABCDEFv烟团释放的扩散系数y和z由图5-12给出，关系式见表5-3。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：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：图图5-12 P-G烟团模型的扩散系数烟团模型的扩散系数5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法解决办法：解决办法：表5-3
17、烟团扩散的Pasquill-Gifford模型扩散系数Pasquill-Gifford稳定度等级/m或/m/mPasquill-Gifford稳定度等级/m或/m/mABCDEFPasquill由式（5-37）重新得到了CASE-1CASE-10的方程。即众所周知的Pasquill-Gifford模型5.2中性浮力扩散模型：处理B：简便有效的处理方法：简便有效的处理方法CASE-13：位于地面：位于地面Hr高处的连续稳态源的烟羽高处的连续稳态源的烟羽 风向沿风向沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u（5-58）CASE-15：位于地面：位于地面Hr高处的瞬时点源的烟团，坐标系位于高处的瞬时点源的烟
18、团，坐标系位于 地面的释放点处，风向沿地面的释放点处，风向沿x轴，风速恒定为轴，风速恒定为u（5-49）5.3 重气扩散重气扩散v一、重气：气体密度大于周围空气密度的气体。v图片一：图片一X-Z平面上浓度等值线图，Y=0.0m,t=5.0s5.3 重气扩散重气扩散v图片二：图片二X-Z平面上浓度等值线图，Y=0.0m,t=10.0s5.3 重气扩散重气扩散v图片三：图片三X-Z平面上浓度等值线图，Y=0.0m,t=15.0s5.3 重气扩散重气扩散v图片四：图片四X-Z平面上浓度等值线图，Y=0.0m,t=20.0s5.3 重气扩散重气扩散v图片五：图片五X-Z平面上浓度等值线图，Y=0.0m
19、,t=30.0s5.3 重气扩散重气扩散二、重气云扩散特点：v重气云释放后，可能形成具有相近的垂直和水平尺寸的气云（源附近）；v重气云在重力影响下向地面沉降，高度减小，水平范围扩大；v在重力作用下，气云向周围空气扩散而被稀释；空气经垂直方向和水平方向进一步卷吸，气云高度略增加；v充分稀释后，大气湍流超过重力影响而居支配地位，显示出典型高斯扩散特征。5.3 重气扩散重气扩散某某城城郊郊冶冶炼炼厂厂18根根烟烟囱囱不不分分昼昼夜夜排排放放废废气气上上万万居居民民生生活活在在浓浓烟烟中中 （ 2004年年 07月月 22日日 来源：贵州都市报）来源：贵州都市报）硅锰冶炼释放的黄褐色浓烟中,含有大量粉
20、尘,浓烟升上天空后,粉尘很快会沉到地面。5.3 重气扩散重气扩散三、重气扩散的三、重气扩散的Britter-Mcquaid模型模型v1、模型建立：通过量纲分析和对现有重气云的扩散数据进行关联后建立的。v2、适用条件：对瞬时源或连续源地面重气释放都适用；因主要对偏远乡村地区地形（即平坦、开阔地形）的实验数据关联，故仅适用于那些类型条件下的释放；不能解释如释放高度、地面粗糙度和风速的影响。v3、应用条件：需给定初始气云体积、初始烟羽体积流量、释放持续时间、初始气体密度，及10m高处的风速、下风向距离和周围气体密度。5.3 重气扩散重气扩散4、应用步骤等温条件v确定重气模型是否适用。初始气云浮力定义
21、为：v确定特征源尺寸：va)连续释放的特征源尺寸（5-59）g0：初始浮力系数；g：重力加速度；0：泄露物质的初始密度；a：密度。g00，下沉；g0a，g005.3 重气扩散重气扩散vb)瞬时释放的特征源尺寸（5-60）Di:为瞬时源的特征源尺寸i:instantaneous,V0为泄露的初始体积Dc：特征源尺寸，q0：重气扩散的初始烟羽体积流量，m3/s；u：10m高处的风速,m/s。c:continuous（5-61）v连续源或瞬时源的区分准则5.3 重气扩散重气扩散（5-64）v连续源或瞬时源的区分准则Rd：泄露持续时间；x为下风向的距离R2.5，判为连续重气释放；0.6RUFL：不燃烧
22、，由于氧化剂过少，一旦燃烧可能把氧化剂消耗完而不再燃烧C1010m）；ii）粗糙颗粒的粉尘（直径大于1mm）；iii）具有高电荷质量比的粉尘（例如，由于风力传输而带电）；iv）充装速度大于0.5/s。这些都是相对强烈的放电，能量达到数百毫焦（见表6-4）；因此可引燃可燃气体和粉尘。v电刷放电：是有着相对尖点的导电体（半径为0.1100mm）与另一个导电体或带电的绝缘体表面间的放电。来自导电体的放电以像刷子的形状发光。放电强度没有点对点的火花放电强度强，不大可能引燃粉尘。但电刷放电能引燃可燃性气体。v电弧放电：是来自粉尘上方空气中的云团放电。实验表明，类似闪电的放电，自体积小于60m3的容器或直
23、径小于3m的塔中是不会发生的。目前仍没有物理证据证明类似闪电的放电导致工业上的爆然事件。v电晕放电：与电刷放电类似。电极导体有尖点。来自这种电极的放电具有足够的能量能够引燃气体（如H2）.高料位报警器火花高料位报警器火花 料仓事故料仓事故D D 料仓事故料仓事故G G案例：聚烯烃类料仓的安全案例：聚烯烃类料仓的安全 1 1事故过程事故过程 19991999年年5 5月月2424日日1313：1010分分，高高密密度度聚聚乙乙烯烯车车间间粉粉料料贮贮存存单单元元4204201401, 1401, G G、D D二二料料仓仓闪闪爆爆着着火火，当当班班人人员员立立即即拨拨打打119119火火警警电电
24、话话报报警警后后，紧紧急急组组织织停停车车。A A、B B双双线线立立即即停停止止向向脱脱气气仓仓送送料料，双双线线注注入入一一氧氧化化碳碳终终止止反反应应，水水阀阀全全开开，停停止止催催化化剂剂加加料料系系统统及及产产品品出出料料系系统统，关关闭闭脱脱气气仓仓下下闸闸板板阀阀，关关闭闭界界区乙烯、丁烯截止阀，进行系统泄压区乙烯、丁烯截止阀，进行系统泄压. . 消消防防队队在在接接到到火火警警后后，于于1313：1515赶赶到到现现场场，迅迅速组织灭火，速组织灭火，1313：3535分，火被彻底扑灭。分，火被彻底扑灭。案例：聚烯烃类料仓的安全案例：聚烯烃类料仓的安全 2 2事故基本原因分析事故
25、基本原因分析（l l）经经事事故故调调查查组组深深入入分分析析检检查查，确确认认在在闪闪爆爆发发生生前前，聚聚合合单单元元、粉粉料料贮贮存存单单元元以以及及造造粒粒单单元元均均处处于于稳稳定定运运行行状状态态，工工艺艺参参数数的的控控制制及及操操作作均均符符合合工工艺操作规程；未进行任何参数调整及其它操作。艺操作规程；未进行任何参数调整及其它操作。（2 2）经经事事故故调调查查组组组组织织的的四四次次事事故故分分析析会会分分析析，认定认定G G、D D料仓为可燃气闪爆。料仓为可燃气闪爆。（3 3）闪闪爆爆前前，G G料料仓仓处处于于进进料料、出出料料同同时时进进行行的的生生产产状状态态，历历时
26、时约约7575小小时时，进进出出G G仓仓的的粉粉料料约约750750吨吨，而而且且料料仓仓料料位位较较低低，保保持持在在4848吨吨左左右右（装装满满210210吨吨）。进进入入G G仓仓的的粉粉料料所所吸吸附附的的乙乙烯烯、丁丁烯烯单单体体脱脱吸吸，在料面上部空间的底部逐渐积累。在料面上部空间的底部逐渐积累。案例：聚烯烃类料仓的安全案例：聚烯烃类料仓的安全 2 2事故基本原因分析事故基本原因分析（4 4）料料仓仓在在进进料料过过程程中中不不断断产产生生静静电电，当当G G料料仓仓内内可可燃燃气气（乙乙烯烯丁丁烯烯气气）浓浓度度达达到到爆爆炸炸下下限限时时，遇遇静静电电放放电电引引起起可可爆
27、爆性性气气体体闪闪爆爆，引引燃燃仓仓内内贮贮存存的的粉粉料。料。(5)D(5)D仓仓闪闪爆爆前前，在在料料仓仓中中存存有有105105吨吨粉粉料料，已已静静置置6 6天天时时间间，吸吸咐咐在在粉粉料料内内的的乙乙烯烯、丁丁烯烯等等单单体体脱脱吸吸聚聚积积，在在料料仓仓上上部部空空间间形形成成可可爆爆性性气气体体。当当G G料料仓仓内内发发生生闪闪爆爆时时，闪闪爆爆冲冲击击波波击击破破D D料料仓仓正正对对G G料料仓仓的的爆爆破破板板；闪闪爆爆火火焰焰引引起起D D料料仓仓内内可可爆爆性性气气体体闪闪爆爆，引引燃仓内贮存的粉料。燃仓内贮存的粉料。案例：聚烯烃类料仓的安全案例：聚烯烃类料仓的安全
28、 齐鲁齐鲁HDPE“5.24”HDPE“5.24”事故分析基本结论事故分析基本结论齐齐鲁鲁HDPE“5.24”“5.24”HDPE“5.24”“5.24”事事故故不不是是粉粉料料仓仓中中出出现现意意外外的的高高能能放放电电造造成成的的，而而是是堆堆表表面面通通常常的的锥形放电和料仓内气体控制失误共同引发的。锥形放电和料仓内气体控制失误共同引发的。 当当日日粉粉料料仓仓气气体体控控制制失失误误，与与反反应应器器、脱脱气气仓仓、程程控控阀阀、仓仓内内过过滤滤器器等等设设备备无无关关，而而是是由由边边进进料料边出料的不规范操作造成的。边出料的不规范操作造成的。4)静电放电能静电放电能图7-12最小引
29、燃能与静电放电能量的比较不确定区不确定区v静电放电所产生的能量与气体、蒸汽和粉尘的最小引燃能的比较见图7-12的说明。结果表明，通常可燃气体与蒸汽能够被火花、电刷、圆锥尖端和传播电极放电引燃，可燃粉尘仅能被火花、传播电极和圆锥尖端放电引燃。图7-12中虚线所包围的区域表示不确定区域。5)静电引燃源能量静电引燃源能量v当两导体之间的距离比导体的直径小，以及导体之间的电场强度近似为3MV/m时，两导体之间就产生火花；若导电体之间的距离大于导电体的弯曲半径，就能产生电刷放电（LR）火花放电的能量是物体上积聚的电量（Q,C）、物体的电容（C,F）和物体电压（V,V）的函数。三个变量的关系为C=Q/V。
30、与放电过程有关的实际能量（焦耳）由下述公式给出：v式（7-20）假设为电容放电（即火花）。对于其他可能的放电，静电放电能是积累电荷的函数。在工业环境中，静电荷的积累是由流动固体的接触带电或摩擦带电，以及流动液体的双层带电所致。（7-20）6) 流动电流流动电流v流动的液体或固体将电子由一个表面转移至另一个表面所产生的电子流动。v当液体或固体流经管道（金属或玻璃）时，静电在流动的物质上产生，与电路中的电流类似。v液体流动电流与管径、管长、流体速度和流体性质之间的关系为：（7-21）v式中，Is为流动电流，A；u为速度，m/s；L为管长，m；为液体松弛时间，s6) 流动电流流动电流v松弛时间是电荷
31、被泄漏驱散所需的时间：（7-22）v式中，r为相对介电常数（无量纲数）；c为电导率；0为介电常数，为：6) 流动电流流动电流v电导率和相对介电常数见表7-2。表7.2 静电计算特性6) 流动电流：运输固体流动电流：运输固体v运输固体时，也有电荷的积累。v固体的几何尺寸很难定义，因此固体静电的计算采取经验方法处理。v输送固体时，所产生的流动电流是固体处理过程方法（表7-3）和流动速率的函数：（7-23）v式中，Is为流动电流，C/s或A；C/kg，见表7-3；kg/s为固体流速。表7-3各种操作的电荷积累1表7-4可接受的静电计算值17) 静电电压差静电电压差v图7-13例举了带输入管线的储罐。
32、流体经输入管线流入储罐。流动电流输入管线至容器，以及容器自身积累电荷和电压。从金属管线接地至玻璃管末端的电压计算如下：（7-24）v电阻R由液体的电导率c、导体长度L、导体面积A计算：图7-13流体流动导致的加料管线上电荷的积聚（7-25）v8) 带电电容器的能量带电电容器的能量v将电容器上的电荷由Q增加到Q+dQ所需做的功为：（7-26）v式中，电容(C)的单位为F；电压(V)的单位为V；电荷(Q)的单位为C；能量(J)的单位为J。其中，V为电压差，Q为电荷。v利用V=Q/C，利用(7-20)，得到：v8) 带电电容器的能量带电电容器的能量v化学工业中使用的各种物质的电容见表7-5。表7-5
33、各种物质的电容1（7-28）v流动电流Is(dQ/dt)能导致电荷的积累。对流动电流为常数，有：式中，Is单位为AF；t的单位为s。v适用于开始时系统无电荷积累，仅有恒定的电荷源Is，无电流或电荷损失项。9) 身体的电容身体的电容v积累在某表面上的电荷相对于另一表面形成电容。图7-15不同类型的工业电容9) 身体的电容身体的电容（7-29）v利用C=Q/V，故球体的电容为：对于半径为r的球（储罐或人体的电容储罐或人体的电容）：v当积累的电荷为Q时，所形成的电压为：（7-30）v式中，r为相对介电常数（无量纲数）；0为介电常数；r为球的半径；C为电容。9) 身体的电容身体的电容v对于两块平行平板
34、（人人的的鞋鞋底底或或无无腐腐蚀蚀性性的的储储罐罐衬衬里里）（7-31）v利用C=Q/V，故平行平板间的电容为：（7-32）v式中，A为表面积；L为绝缘体的厚度。7.3控制静电控制静电v若不采用适当的控制方法，则电荷的积累、所产生的火花及可燃性物质的引燃是不可避免的。v工程设计者在实践中重视这一问题并利用专门的装置来：通过消除静电的累积和聚集以防止火花；通过对周围环境进行惰化处理来防止引燃。惰化是防止引燃的最有效和最可靠的方法。v1.防止静电引燃的一般设计方法防止静电引燃的一般设计方法 该类设计的目的是防止电荷在产物（液体或粉末）和周围物体（设备或人）上积累。有三种方法来实现这一目的。v1)通
35、过降低电荷产生的速度和增加电荷释放的速度，防止电荷积累到危险水平。进行液体操作时，通常使用该方法。v2)设计一套系统来防止电荷积累到危险水平；主要通过低能放电的方法来减少电荷。进行粉末状的物体操作时，通常使用该方法。v3)当危险的放电不能被清除时，则通过维持氧化剂的浓度低于可燃浓度（惰化），或通过维持燃料的浓度低于LFL或高于UFL来防止引燃。也考虑减少爆炸后果的措施（如爆燃消除和爆炸抑制）。v2.防止静电引燃的特殊设计方法v通过接地和连接防止火花放电。该方法可防止相互接近的两金属物体间形成电压。接地和连接，特别用于防止绝缘的金属部件或物体的存在。当一个带低电压的导体接近绝缘物体时，这些绝缘物
36、体很容易积累起较高的电压和能量较大的火花。v通过保持不导电的表面的足够薄，或其涂层导电性能足够强，抑制具有4kV的击穿电压，来防止传播电刷放电。v通过增加导电性，减少电荷速率使其低于0.5/s或使用容积小于1m3的容器来防止尖端放电。惰化释放是防止由尖端放电导致引燃的最有效的方法。v通过保持不导电的表面足够薄，或具有击穿电压（Ud）为4KV的导电性质好的表面来防止电刷放电。v通过维持容器容积小于60m3或容器的直径小于3m来防止电弧放电。若不能满足这些条件，就要对系统进行惰化。v3.松弛松弛v当将液体通过位于容器上部的管道抽吸到容器中时，分离过程产生流动电流，该电流是电荷积累的基础。在管道刚要
37、进入贮罐处通过增加一个放大截面的管道，可能会相当大地减少静电危害。该控制提供了通过松弛来减少电荷的时间。v4.连接和接地连接和接地v两个导电物体之间的电压差，通过将两导体连接起来而减为零。所谓连接，即将一根导电线的一端与其中一个物体连接，而另一端与另一个物体连接。v4.连接和接地连接和接地v对几组连接在一起的物体，每组都具有不同的电压。组间的电压差，通过将每组与地面连接而减少到零，此即接地。v连接和接地将整个系统的电压减少到地面水平，或者零电压。这可消除系统各部分之间积累的电荷，消除了潜在的静电火花。接地和连接的例子见图7-18及7-19所示。v4.连接和接地连接和接地图7-18 储罐和容器接
38、地和连接的例子v4.连接和接地连接和接地图7-19 阀门、管道和法兰连接例子v4.连接和接地连接和接地v对玻璃和塑料衬里的容器，通过衬垫和金属探针接地，如图7-20所示。v4.连接和接地连接和接地实际例子：天然气水合物生产设施接地的例子水合物科研中试基地v5.浸渍管浸渍管v延伸的管线，有时称作浸渍腿或浸渍管，应用来减少液体自由下落时的静电积聚。但使用浸渍管时，要小心防止充装停止时，液体因虹吸而倒流出来。通常使用的方法是将浸渍管上的孔靠近容器的顶部。另一种方法是使用角铁替代管子，使液体沿角铁流下（见图7-21）。在对圆桶充装时，可使用这些方法。v6.利用添加剂增加导电性利用添加剂增加导电性v不导
39、电的有机材料的导电性，有时可通过使用抗静电添加剂而被增强。抗静电添加剂包括：水和极性溶液（如酒精）。v7.操作没有可燃性蒸气的固体操作没有可燃性蒸气的固体v使用没有接地的导电漏斗充装固体，能够导致在漏斗上积累电荷。电荷积聚并最终产生火花，可能会引燃散布的可燃性粉尘。v通过将所有导电性部件进行连接和接地，或者使用不导电的部件（圆桶和漏斗）来实现固体的安全运输，如图7-22所示。v8.操作具有可燃性蒸气的固体操作具有可燃性蒸气的固体v该操作的安全设计包括在惰化氛围中进行固体和液体的封闭操作（见图7-23），对于自由溶解固体，允许使用不导电的容器。对包含有可燃性溶剂的固体，仅建议使用导电性的接地容器
40、。7.4 防爆设备和工具防爆设备和工具v所有的电器设备本质上都是引燃源。需要设计特殊的措施来防止可燃蒸气和粉尘被引燃。火灾和爆炸危害直接与过程区域中的电器设备数量和类型成正比。v过程区域可分为两种主要的环境类型：XP和非XP。对于防爆，XP意味着可燃物质（尤其是蒸汽）可能在某些时候存在；非XP意味着即使是在不正常的条件下，可燃物质也不存在。对于非XP设计区域，明火、热单元及其他引燃源是可以存在的。v1.防爆遮盖物v在XP区域内，电器设备和一些工具必须具有特殊的防爆遮盖物。遮盖物的设计，并非用于防止可燃蒸气和气体的进入，而是用于抵抗/耐受内部的爆炸和防止燃烧蔓延出封闭空间。v例子：电动机启动器被
41、封闭在能够抵抗爆炸压力的很重的铸件箱内。（Ex标记）v防爆设计包括（在所有连接箱周围）使用带有特殊密封连接的管道。v2.区域和物质的分类电器设备和工具的设计是基于过程危险特性或特殊过程类型的。分类方法在美国国家电器法规（）中有定义，是特殊区域内过程危险性和危险程度的函数。分类方法包括：等级I、II和III；组别AG,以及类别1和2v(1)等级I：可燃蒸气体或蒸气存在的场所。等级II：可燃性粉尘存在的场所。等级III：可燃性纤维或粉尘存在，但不大可能悬浮的危险场所。（重颗粒）v(2)组别表示特殊化学类型的存在，列在一组的化学物质具有相同的危害特性A组：乙炔。B组：氢气、乙烯。C组：一氧化碳、硫化
42、氢。D组：丁烷、乙烷、普通酒精E组：铝粉组：黑烟末组：面粉下页为Erg2008的部分标识不同的危险化学品标识：erg2008v(3)类别是通过物质处于可燃或爆炸区域内的可能性进行区分。类别：可燃的可能性高，即可燃浓度通常存在。类别2：仅仅是处于非正常条件下的危害。可燃物质通常包含于封闭的容器或系统内。v3.XP区域的设计v当设计XP区域时，所有的电器设备和工具都要被指定如前所述的等级、组别和类别。该区域内的所有设备和仪器，必须进行适当的选型和安装。整体类型仅与区域内最低等级的设备一致。7.5通风通风v正确的通风是防止火灾、爆炸的另一种方法。通风的目的是稀释空气中爆炸性蒸气的浓度，以防止爆炸和限
43、制危险性的可燃混合物。v1.露露天天工工厂厂： 露天工厂平均风速高，能安全地稀释工厂内可能存在的挥发性化学物质的泄漏。v2.工厂位于厂房内工厂位于厂房内v通常情况下，工艺过程不能设置在户外。这种情况下就需要局部和稀释通风系统。通风系统在第3章第3.4节中进行了详细讨论。v局部通风是控制可燃性气体泄漏的最有效的方法。但由于实际过程中潜在的泄漏点很多，仅使用局部通风来覆盖所有的潜在泄漏点，在设备上和经济上是不可能的，这时也可以使用稀释通风。表7-6为一些由经验确定的设计准则，它们用于设计针对贮存区和工艺过程区域的可燃性物质的通风系统。v表表7-6 处理可燃性物质的通风数据处理可燃性物质的通风数据区
44、域类型速率条件贮存区域内部的通风地板上1ft3/(minft2)通风停止时，系统互锁并发声报警确定进出口，以便气体能穿越整个区域流动允许在流通，当空气中的浓度超过LFL的25%时需要停止过程区域内部的通风地板上1ft3/(minft2)或更多，见同贮存区内部设计通风系统以取保所有泄漏源周围12.7cm半径区域内浓度低于LFL的25%注：v.等级I：闪点（闭环）低于37.5OC(100OF)v2.等级II：闪点在37.860OC之间（100140OF之间）v3.等级III:闪点高于60OC（140OF）通风系统的效果，可根据第3章员工暴露于有毒蒸气中的评价一节中所介绍的物质平衡方法确定。7.6自
45、动喷水系统自动喷水系统（Spray, Sprinkler, mist extinguisher）v1.自动喷水系统是控制火灾的有效方法。该系统由一组与供水系统连接的喷头组成。喷头安装在高处（通常接近屋顶）。当启动时，在区域上方喷洒出很细密的水滴。水滴粒径、方向角/喷射角、流量、流速等均影响灭火效率。v2.令喷头启动有多种方法：1）通过控制喷头部件内插销的可熔性连接来启动喷头。一旦启动，除非关闭主供水系统，否则，喷洒将不会停止。该方法称为湿管系统。用于贮存区、实验室、控制室和小型实验区域。v2）通过公共控制点启动整个喷水装置。控制点与喷头组和（或）烟气控制器相连，当检测到不正常的条件时，即启动喷
46、水系统。若检测到火灾，该区域内的整个喷水系统都将启动，那些还没有被火灾影响到的区域的喷水系统也可能启动。该系统用于工厂的生产区域和大型实验区域。v3.不同的火灾等级需要设计不同的喷水装置。一般的化工厂被划分为普通灾害（第3组）区域。对该类型区域的各种喷水装置的说明见表7-7。表7-7化工厂火灾保护：自动喷水系统类型防冻自动喷水系统：包含有防冻溶液，并于供水系统连接的湿管系统淹没自动喷水系统：敞开的喷淋装置和空的管线，通过阀门于供水系统连接，该阀门在检测到热或可染物质后就会打开干管自动喷水系统：系统内充装有带压的氮气或空气。当喷水装置由于受热而打开时，系统降压，与徐水流入系统并经打开的喷水装置流
47、出。湿管自动喷水系统：充装有水的系统，当遇热时水通过打开的喷水装置流出设计喷淋（洒）密度（详见NFPA文献）火源：地板面积不少于0.50gal/(min.ft2)泵及相关设备：投影面积为0.50gal/(min.ft2)容器：暴露表面0.25gal/(min.ft2)，包括顶部和底部、喷嘴的垂直距离不应超过水平结构钢：表面0.10gal/(min.ft2)。如果钢被绝缘或设计为能抵挡最坏的情况，则不需要这些。垂直结构钢：表面0.25/(min.ft2)。如果钢被绝缘或设计为能抵挡最坏的情况，则不需要这些。金属管道、管道系统和导管：表面不少于0.15gal/(min.ft2)，指向下侧。电缆架：
48、投影平面面积（水平或垂直）不少于0.30gal/(min.ft2)。组合系统：NFPA标准制定了组合以上的需求的可接受的方法0.5in孔洞喷嘴的名义流出速率为Gal/min1825345058Psi10203575100v4.特殊系统特殊系统v1）某些特殊条件下容器需要专门的水保护系统，以使容器在火灾期间保持冷却。高的表面温度能够导致当压力远低于容器的最大与允许工作压力（MAWP）时金属失效，具有潜在的灾难性后果。在烃类溢出火灾中，未受到保护的容器（无绝热或喷水）能在几分钟内失效。建议：利用容器周围的喷水保护系统，以防止这种类型的失效。这些喷水保护系统通常称为淹没喷淋系统，设计用于保持容器冷却
49、，冲洗潜在的危险性溢出、帮助稀释泄漏后形成的蒸气云。淹没喷淋系统，也能够提供足够的时间以便将物质从贮罐中转移到另一个安全的地方。容器淹没喷淋系统通常被设计为开端系统，当检测到火灾和（或）可燃气体混合物时，该系统启动。当可燃气体浓度为LFL的几分之一（约为25%）时，或当通过热而检测到火灾时，淹没喷淋系统将会被打开。v2）安装要求：监视器安装在带有喷射枪的固定的消防栓上，也可安装在生产区域和贮罐区。消防栓和监视器布置在过程单元周围，且互相之间的间距为150250ft，这样布置能使工厂内的所有区域被两条水流覆盖。监视器通常位于距离受保护设备50ft远的地方。火灾控制器的喷水速度为5002000ga
50、l/minv例7-12：设计喷水系统，区域1000ft3ft所需全部水量喷头的数量选泵（100%）确定泵（泵效率4070%）7.7综合设计综合设计化工厂中，成功的防火防爆需要组合应用多种技术。表7-8防火防爆综合设计技术措施说明维护计划防火控制室供水系统淹没喷淋控制阀手工消防分离单元公用工程防火防爆的最好方法是阻止可燃物质的泄漏。设计预防性的维护计划，可使系统在失效发生之前得到改善。绝热容器、管道和结构能够减少火灾导致的破坏。设计并增加淹没喷淋系统，抵挡火灾爆炸造成的破坏，如使用具有单独关闭装置的多重淹没喷淋系统。控制室设计成能够防护爆炸、热、过程流体的直接冲击。按最大需要供给。考虑同时运行的
51、多种淹没喷淋系统。建议使用柴油发动泵。将关闭装置设计于远离生产区域的地方。安装消防栓、控制器和淹没喷淋系统。添加良好的排水装置。分割工厂，划分单元。从单元和过程设备两边提供通道。设计蒸气、水、电和空气供给系统，以便在紧急情况下使用。使变电站远离生产区域。表7-8防火防爆综合设计技术（续表）措施说明人员区单元分组隔离阀铁路和火炬压缩机堤防隔断阀在线分析器失效安全设计使人员区远离危险性生产区域和贮存区域对单元进行分组布置、安全操作和维护设计。通过将危险的过程单元集中在一个区域来建立风险岛。单元之间留有间距，以便在对一组单元进行高温作业时，另一个单元仍能运转。安装隔离阀，进行安全关闭。安装在单元或组
52、的安全且统容易到达的边缘处。过程设备应与铁路和火炬隔离开。将气体压缩机置于下风向处，并同明火加热器隔离。将可燃的贮罐置于单元外围。堤防容纳并移走溢出的液体。应设置自动隔断阀，以便在紧急情况下停止和/或控制流动。应该考虑将危险性物质从一个区域转移至另一个区域的能力。增设适合的在线分析器：监视过程状态；在初始阶段检测问题；当问题仍处于发展的初始阶段时，应采取正确的措施使其影响最小化所有的控制措施都需要进行失效安全设计。增加安全装置，以便在紧急情况下自动地安全关闭论题：7-3，7-22第第8章章 泄压系统泄压系统v引言：现有化工厂都有很多安全预防措施，如测温测压器、自控系统等。但设备的失效或操作人员
53、的失误都可能引起过程压力增加，进而超过安全水平。若压力上升到一定水平，就可能超过管线和容器的许用压力（最大强度），由此可能导致过程装置、设备、容器的破裂，造成有毒或易燃化学品的大量泄漏、扩散及危害。对设备失效、破裂导致的泄漏事故其防范首先是防止事故的发生，如采用第1章所介绍的本质安全方法，利用较好的过程控制系统，直接将过程控制在安全操作范围内。v最后手段是安装泄压系统，以便在过程装置、设备过程压力过大之前释放掉（超压的）液体或气体。泄压系统包括泄压设备和与之相连的在下游安全地处理喷射出的物质的过程设备组成。v泄压设备安装使用的安全方法：第一步，是确定泄压设备的安装位置；其次选择正确的泄压设备类
54、型（设备类型大多依赖于所要泄放的物质的特性和所需的泄放特性）；第三步，设想泄放能够发生的各种情形。目的是确定物质通过泄压设备的质量流速和物质的物理状态（液体、蒸气或两相）；v第四步，在泄放过程中收集数据，包括喷射出的物质的物理性质并确定泄压设备的尺寸；v第五步，选择最坏的泄放情形并完成最终设计。该方法中的每一步对于安全设计都很重要，该过程中的任何一步失误都能导致突发性的失效。流程图见81，确定泄压设备的方法。8.1泄压的概念泄压的概念1.需要设置泄压排放系统的原由：v保护个人免受来自超压设备的危险：打伤、崩溅v在压力波动期间使化学物质的损失尽量少：少流失v防止对主体或主要设备造成破坏：舍卒、车
55、保帅v防止对周围的财产造成危害：爆炸、抛射v减少保险费用：危险程度与财产保险往往成比例v符合政府法规要求：安全管理与安全生产的要求v失控反应：压力温度变化曲线线：蒸汽泄放的压降线：两相泄放：超压线：封闭反应器（无泄放设备）差别很大由于气液两相物质的泄放特性与蒸汽泄放差别很大，为正确设计泄压设备，必须了解泄压物质的特性。 图8-2 反应失控的时间-压力曲线8.2 定义定义v设定压力：泄压设备开始动作的压力v最大允许工作压力（MAWP）：对于设定温度的容器,顶部允许的最大测量压力,有时也称为设计压力。随着操作温度的升高，MAWP减少，因为金属在高温下强度降低;同样，随着操作温度的下降，MAWP下降
56、，因为金属在低温下脆化。v典型的容器失效发生在45倍的MAWP下。在2倍的MAWP压力下容器可能发生发生形变。图8-3超压和累积的描述累积（设定的百分比）泄放装置开始启动设定压力：泄压设备开始动作超压（设定压力的百分比）MAWPv操作压力：正常工作期间的测量压力，一般比MAWP低10v累积：在泄放过程中，超出容器的MAWP的压力增量，表示为MAWP的百分比v超压：泄放过程中，容器内超出设备压力的压力增量。当设定压力为MAWP时，超压等于累积。表示为设定压力的百分比。v背压：由排放系统压力导致的泄放过程中泄压设备出口处的压力。v压降：泄压设备的设定压力与泄压设备复位压力之间的压力差。表示为设定压
57、力的百分比。v最大允许累积压力：MAWP与允许累积之和。v泄压系统：泄压设备四周的部件总称，包括连接泄压设备的管道、泄压设备、排放管线、放空桶、洗涤器、火炬，或在安全泄放过程中起辅助作用的其他类型的设备。图8-4泄压及降压系统指南8.3泄压设备的位置泄压设备的位置v确定泄放的位置，需要了解过程中的每个单元操作，以及每一过程的操作步骤。工程师及安全管理人员必须预测可能导致压力上升的潜在问题。泄压设备需要装在确定的每个潜在危险源处，即该处的紊乱条件产生的压力超过了MAWP。需要了解的过程或操作问题有：v冷却、加热和搅拌失效会发生什么后果？v若过程受到污染，或催化剂、单体误排放，是什么后果？v操作人
58、员失误会发生什么？v处于热或冷冻环境下、充满液体的容器或管线上的阀门的后果是什么？v若管线失效后果如何？v若操作单元被火灾包围后会有什么后果？v什么条件导致失控反应？v应如何设计泄压系统处理反应失控带来的泄放？表表8-1为确定泄压设备位置的一些指南为确定泄压设备位置的一些指南所有容器都需要泄压设备，包括反应器、贮罐、塔器和桶。暴露于热（如太阳）或冷冻环境下的装有冷的液体管线的封闭部件，需要泄压设备正压置换泵、压缩机和涡轮机的排放一侧，需要泄压设备贮存容器需要压力或真空泄压设备，保护封闭容器免于吸入和抽出，或避免由凝结导致的真空的产生容器的蒸汽护套通常根据低压蒸气进行分级。泄压设备安装在护套中，
59、防止由于操作者失误或调压器失效，导致过高的蒸汽压力。8.4泄压设备的类型泄压设备的类型v对特定的应用对象，应选择特定类型的泄压设备。如对于液体、气体、液-气、固体和腐蚀性物质，它们可能被排放到大气或密闭的系统中（洗涤器、火炬、冷凝器、焚化炉及类似的装置）。v在工程中，泄压设备的类型是根据泄压系统、过程条件和释放流体的物性详细情况而定的，如：弹性开启式安全阀和爆破片，弹性开启式安全阀和平衡腔式安全阀。8.4 泄压设备的类型泄压设备的类型图8-7泄压设备的类型传统的弹簧操作阀安全膜片及装配平衡空腔8.5泄放情景泄放情景1.泄放事件的例子：（1）泵被憋压：泵的泄放尺寸的大小，应能够处理在额定压力下的
60、整改泵的容量。（2）具有氮气调节器的管线上的相同泵的泄放：若调节器失效，泄放尺寸的大小应设计为能够处理氮气；（3）相同的泵连接在具有流通蒸汽的热交换器上：泄放尺寸应能够处理失控条件下，喷射进入交换器的蒸汽。2.表8-2：例8-2中的泄放情形8.6 制定泄放尺寸的数据制定泄放尺寸的数据v计算泄放尺寸时，需要物性数据，往往也需要反应速率特性v在为气体或粉尘爆炸做泄放设计时，需要其泄放情形条件下特殊的爆炸数据v失控反应几乎总是导致两相流泄放，需要专门的仪器和数据，如加速量热计（ARC)，反应系统演示工具（RSST），自动压力跟踪绝热量热计（APTAC），排放口尺寸计算包（VSP）等。8.7 泄压系统
61、泄压系统v在选择好泄放类型和完成泄放尺寸的计算之后，工程师将对泄放系统的全部设计负责，包括：确定在系统中如何安装泄压设备，及如何处置排出来的液体和蒸汽。v1.泄压装置安装实践：对性能发挥至关重要见图8-11，减压阀安装的例子：避免偏离设计标准v2.泄压设计需要考虑的事项必须熟悉政府法规，工业标准及所需的保护性措施。如ASME（美国机械工程师协会），API（美国石油协会）等的标准。8.7 泄压系统泄压系统论题：8-3，8-9图8-11减压阀安装第第9章章 泄压量计算泄压量计算v泄放尺寸的计算主要用于确定泄放设备的泄放面积v泄放尺寸的计算程序包括：采用合适的源模型（第4章）计算物质通过泄放设备的泄
62、漏速率；应用建立在基本流体力学原理基础上的方程计算泄放设备的排放面积。v泄放面积的计算依赖于流动类型（液体、蒸气或两相流动）和泄放设备的类型（弹性开启式或爆破片）第第9章章 泄压量计算泄压量计算v主要介绍下述结构的泄放设备的泄放面积的方法用于液体或气-蒸汽系统的爆破片用于液体或气-蒸汽系统的传统的减压阀失控反应器减压泄放期间的两相流粉尘和蒸汽爆炸的减压泄放火灾环境下过程容器的减压泄放过程流体热膨胀的减压泄放第第9章章 泄压量计算泄压量计算图9-1两相流动所需要的泄放面积随超压的变化u泄泄放放面面积积随随超超压压增加而急剧减小。增加而急剧减小。u对对于于特特定定泄泄放放，最最佳佳的的泄泄放放面面
63、积积依依赖于特定的应用。赖于特定的应用。u通通常常，泄泄放放设设备备针针对对1025%超超压压来来确确定定，主主要要依依赖赖于于被被保保护护设设备备和和泄泄放物质类型。放物质类型。为穿过弹性减压阀的流动，C0为排放系数，p为泄放孔两侧的压力降；为液体密度，gc为重力常数，与不同单位制有关的常数。9.1用于液体系统的传统的弹性减压阀用于液体系统的传统的弹性减压阀v通过弹性减压阀的流动，近似于通过小孔的流动。可由机械守恒式式（4-1）可以得到表达流动过程的描述方程。除了用穿过弹性减压阀的压力差代替压力，结果与式（4-6）相似，但（4-6）中的压力要替换为通过弹性减压阀的压力差：（9-1）A为计算得
64、到的泄放面积，；:体积流量，;:泄放系数；为液体密度比；为阀上、下游的压降，。v安全阀开启泄放流体时，流体的体积流量为速度乘以面积v由此可求出泄放面积A：（9-2）v式（9-2）可转换为常用计算式：（9-3）vA：；：；：泄放系数；：黏度修正系数；：超压修正系数；：背压修正系数；：压力表的设定压力,；：压力表的背压，。v，取值分别见图9-2，9-3，9-4。v美国石油协会对式（9-3）进行了修正，考虑液体的黏度、超压修正系数，背压修正系数等：（9-4）图9-2液相泄放中通常采用的粘度修正系数9.2 用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启式减压阀式减压阀（9-5）9
65、.2 用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启式减压阀式减压阀图9-2液相泄放中通常采用弹性开启式减压阀的超压修正系数9.2 用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启式减压阀式减压阀图9-4液相介质泄放通常采用的平衡腔式减压阀25%超压时的背压修正系数v(Qm)chocked：质量排放流量；C0为泄放系数;A为泄放面积；P为上游绝对压力；为气体的热容比；gc为重力系数;M为气体的分子量；Rg为理想气体常数；T为热力学泄放温度。9.2 用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启用于蒸汽或气体系统的传统的弹性开启式减压阀式减压阀v对通过弹性开启式减压
66、阀的大多数蒸汽排放，其流动是临界流动。对压力不高、温度不太低的理想气体的流动，第4章的（4-50）式有效：（4-50）v由（4-50）在给出了制定的质量流量之后，求解泄放面积：（9-6）（9-7）（9-8）令v：非理想气体压缩因子；：背压修正系数式中的压力P是最大绝对泄放压力，可表示为：v对非理想气体进行修正如下：（9-9）（9-11）（9-12）为最大表压,psig。对于蒸汽排放，推荐以下规则v对非塞流的蒸汽流动，使用式（4-48）计算泄放面积，此时需要知道下游压力P,并需估算泄放系数C0。v例9-2氮气控制器失效，导致氮气通过6in的管线进入反应器。氮气源处的压力为150psig，温度为7
67、0oF。反应器泄放压力为50psig。为保护反应器免遭事故，所需的平衡腔式加压阀的蒸汽泄放直径是多少？假设泄放背压为20psig。9.3 液体系统中的爆破片的减压泄放液体系统中的爆破片的减压泄放v对于通过没有足够长的下游管道的爆破片减压泄放，流量由式（9-2）或描述锐孔的方程式（9-3）来表示。不建议进行修正。式（9-2）、（9-3）用于直接排放到大气的爆破片减压泄放。对于泄放系统（包括分液桶、洗涤器或火炬）排放的爆破片或减压泄放，爆破片减压被认为是对流动的限制，要考虑流经整个管道系统的流动。计算与规则管道内的流动（见第4章）完全相同，需迭代计算。9.4蒸汽或气体系统中的爆破片减压泄放蒸汽或气
68、体系统中的爆破片减压泄放v本情形可使用与式(9-9)相似的孔泄放流动方程来描述，但不需要额外的修正系数。v式中假设v若来自下游泄放系统的背压很大，则需要使用与通过爆破片的液体泄放相似的计算方法，为一迭代过程。（9-13）9.5 失控反应泄压释放期间的两相流动失控反应泄压释放期间的两相流动v当反应容器内发生失控时，泄放过程中可能发生两相流动。v图9-7所示的反应器系统，称为缓和反应器。该反应器失控后，按照绝热来处理。能量项包括：反应器流体的大量热量导致能量聚集，该热量是超压导致温度升高的结果；反应器内液体气化和随后通过泄放口泄放所导致的能量移除。v式中，v为泄放的质量流量；Hv为液体的汽化热;A
69、为孔洞面积；为闪蒸液体比容的变化；为液体的比定压热容；为液体设定压力下的绝对饱和温度。v1.对失控反应导致的两相流泄放，泄放计算的第一步是确定通过泄放设备的质量通量。这可使用通过孔洞的两相塞流的式（4-104）来计算（9-14）v以上式（9-14）可用于通过孔洞的两相泄放。该式即低质塞流的平衡速率模型ERM（EquilibriumRateModel）。对通过泄放管道的两相流动，可使用总无量纲泄放系数来表示，即：（9-14c）v质量通量：（9-14b）vLeung指出：式（9-14c）须乘以0.9才能使计算结果与均相平衡模型HEM（HomogeneousEquilibriummodel）相符。即
70、对反应器的均相排放，有：（9-15）v2.值由图9-8给出对于L =0（即长度为零的管道），=1；随着L变大（长度增加），变小。1.11.00.90.80.70.60.50100200300400图9-8针对通过管道的两相闪蒸流动的修正系数v式中A为泄放面结，V为反应器体积；为反应物密度；为通过泄放口的质量通量；为排放时间。v式（9-22）由Boyle建立，对泄放面积的定义为：对给定容器在压力上升并超过某容许的超压之前能将该容器排空的尺寸。v3.简化的诺膜图方法vFauske针对两相反应器的泄放问题，建立了一种简化的图表方法，其推荐的计算泄放面积的方程为：（9-22）v为与超压相关的温度增量；
71、T为温度；为比定压热容；为泻放系统在设定压力下的单位质量能量泄放率v联立式（9-22）、(9-14)及（9-23）可得v质量通量由式（9-15）给出。泄放时间近似由下述方程给出（9-24）（9-23）v，;Ps，bar。这里假设（9-24）中p为饱和压力（表压）。设定压力()和反应器物之的量来确定。vFauske诺膜图对于完成快速的估算和检查比较精确的计算结果是有用的。v式（9-24）给出了所需的泄漏面积的保守估算。以20%绝对超压为例，假设对于大多数有机物，液体热容的典型值为2510J/(kgk)。另外假设饱和水关系，可以得到下述方程：（9-25）v最近的研究表明：图9-9中的数据适用于排放
72、系数=0.5。可表示=400的流动。在其他排放管道长度和不同的条件下，使用该图数据，则需要进行适当的修正。见例9-6。调整使用线性调整！110100自热速率（0C/min）10-110-210-310-4每1000Kg反应物的泄放面积/m2泄放设定压力/pia图9-9设计两相反应器泄放装置尺寸的诺膜图解法说明：通过泻放设备的两相流动，要比本节介绍的复杂的多。此外，技术仍在不断发展。这里给出的方程并不能普遍使用，但代表了目前最广为接受的方法适用于排放系数等于0.5的场合9.6 粉尘和蒸汽爆炸的爆燃泄压粉尘和蒸汽爆炸的爆燃泄压v1.对某些情况下，危害是不可避免的。例子有：将小麦或谷物磨成面粉的过程
73、中，会产生大量可燃性粉尘。仓库、贮藏柜或过程单元的无约束粉尘爆炸能喷射出高速的结构碎片，并在大范围内散布，使事故传播，增加伤亡。v通过控制爆炸能量的泄放，可减少粉尘和蒸汽爆炸的影响，引起爆炸能，从而使工厂中的职员和设备受的危害降低。v建筑物和过程容器内爆燃泄放，通常采用图9-10的爆破片（对于厂房类建筑物，称为泄爆面）来完成。一般，爆破片的强度比结构刚性壁面低（得多）。爆炸时，爆破片首先破碎，部分爆炸能被释放出去，可降低对剩余结构和设备的破坏。对于特殊的爆炸性粉尘或蒸汽，通常情况下，整个结构的壁面（一般是屋顶）被设计作为爆破片。v附加机械装置：爆破片破碎后，破片会以很高的速度运动，造成很大危害
74、。可附加设计机械装置挡住爆破片。图9-10过程和结构容器的泄放口布置v2.爆破片的设计va.目的是提供正确的泄放面积，这取决于多个设计参数，包括：粉尘或蒸汽的爆炸行为、结构中容许的最大超压和结构的体积等。可参考一些标准。vb.爆炸设计分为两类：低压结构和高压结构。vb1:低压结构的泄放v低压结构包括：具有薄金属边缘的结构及其他低强度的建筑材料、低压结构所能承受的压力不超过1.5psig(0.1bar,表压)v此为Runes方程。A为所需的泄放面积；为常数，取决于可燃物质的特性;为所泄放的矩形建筑物结构的最小尺寸；为所泄放的封闭区域的第二小尺寸；P为封闭区域最薄弱的部分所能承受的最大内部压力。v
75、设计公式：（9-26）vSwift和Epstein给出了更复杂的公式，包括了许多重要的燃烧特性。vA：所需的泄放面积;：封闭空间的内表面积（受力面）；为泄放系数；a为湍流增强系数；为层流燃烧速率；为未燃气体的密度；G为质量通量；为最大未泄爆炸压力；为初始压力；为泄放最终的峰值压力；为热容比。（9-27）v式（9-27）可进一步转化为：vP为最薄弱的结构单元所能承受的最大内部超压，与Runes方程相似（9-28）式中的值见表9-1可燃物质Cvent/psi1/2Cvent/kPa1/2无水氨甲烷脂肪族气体（不包括甲烷）或气体基本燃烧速度小于1.3倍的丙烷燃烧速度St-1粉尘St-2粉尘St-3粉
76、尘0.050.140.170.100.120.200.130.370.450.260.300.51表9-1Swift-Epstein方程的燃烧特性常数v式中为气体或蒸汽的爆燃指数；为粉尘的爆燃指数；为最大压力增量，由试验确定；V为容器体积。vb2:高压结构的泄放v高压结构能承受的压力大于1.5psig(0.1bar,表压)。泄放口设计基于气体或粉尘爆燃指数：（9-29）或v通过大量的粉尘和蒸汽试验，已得到了计算泄放面积的一系列详细试验方程。封闭空间的长径（）决定了计算泄放面积所需的方程。对于非圆形的封闭空间，可使用当量直径，A是与该空间的纵（长）轴向垂直的横截面面积。v对于低惯性排放的燃烧蒸汽
77、流和封闭空间的2的情况，可使用下述由NFPA68的方程来确定v式中A：泄放面积，；：蒸汽爆燃指数，barm/s;为泄放期间的最大压力，bar;为泄放压力，bar.(9-30)v式（9-30）的限制条件：容器体积为2.4、10、25、250m3初始压力为大气压，1atm(绝压)或零（表压）点燃能量为10J无湍动的静止气体混合物引燃v式（9-30）的试验条件：v当封闭空间处于25之间时，需要有下式进行修正：v对式（9-30）的泄放面积的修正，；为燃烧气体的爆燃指数，barm/s;；L/D为封闭空间的长径比。（9-31）：泄放面积，；为封闭空间容器可燃性粉尘和空气的最优混合物在爆炸期间达到的最大压力
78、，bar；为粉尘爆燃指数，barm/s；为泄放期间的最大压力，bar;为泄放压力，bar；V为封闭空间体积。v当L/D5时，NFPA68的使用误差较大。v对低惯性排放的燃烧粉尘的泄放和封闭空间的L/D2，可由下述的NFPA68方程：（9-32）v式（9-32）的限制条件：v对于和（22psi）的情形，式（9-30）的计算机过要进行如下的修正v对很敏感。当的值较小时，需要增加的泄放面积大。v当1.5bar时，需单独使用式（9-32）。对于L/D6的长管道，NFPA68的使用也会有问题v以上计算所需的或在第6章中已讨论过并给出了参考值。（9-33）（9-33）9.7 火灾环境下过程容器的泄放火灾环
79、境下过程容器的泄放v当过程容器（设备）处于火灾环境时，容器内部的液体温度会升高并导致沸腾，如图9-11所示。为防止容器爆炸，需对这些容器进行泄压处理。对外部火焰引起的加热，仅在靠近加热处的容器壁面附近的液体会沸腾，在液体表面产生的两相泡沫不会很厚。图9-11外部火焰加热过程容器，通过泄放来防止容器破裂（9-34）v式中，为容器内的最高温度；为与设定压力有关的设定温度；Q为不变的热输入速率；为泄放质量通量；A为泄放面积；为定比容热容；为容器内的液体质量；V为容器体积；为蒸汽和液体之间的体积差；为液体的汽化热。v对保守设计，可利用两相火灾泄放方程。Leung给出了基于受热容器周围的能量平衡的最高温
80、度方程。假设一个不变的热输入速率Q：v对式（9-34）中求解，通过迭代或试差的方法来完成。对不存在超压的特殊情况，,有：vCrozier建议由如下方程确定输入热量Q：（9-35）（9-36）v式中A为下述及几何形状的吸热面积,ft2;对于球罐，为全部暴露面积的55%；对于水平贮罐，为全部暴露面积的75%；对于垂直贮罐，对于最初的30ft为全部暴露面积的100%;Q为向贮罐输入的全部热量，Btu/h。GT可由（9-15）计算v若无充足的消防设施和泄压装置，可用下述方程计算vAPI520提出了一种略微不同的方法，来估算火灾对过程装置的热通量。若及时消防，并且可燃物质被排离这些容器，可用下式来估算热
81、通量（9-37）v式中，Q为通过容器表面的全部热量输入，Btu/h；F为环境系数（无量纲）；A为容器的整个润湿表面，ft2（9-38）v环境系数F用于说明容器来自绝热的保护。各种绝热厚度对应的环境系数的值见表9-2绝热厚度/in环境系数F绝热厚度/in环境系数F01.020.1510.3040.075表9.2式（9-37）和式（9-38）中的环境系数F 9.8 过程液体热膨胀泄压过程液体热膨胀泄压v液体的膨胀系数v一般液体遇热均会膨胀。液体的膨胀系数为：vV：体积；T：温度（9-39）v表表9-3 部分液体的体积膨胀系数部分液体的体积膨胀系数液体20OC时的密度（/m3）体积膨胀系数/OC-1
82、乙醇甲醇苯四氯化碳乙基醚丙三醇水银松节油791792877159571412611354687311210-512010-512410-512410-516610-55110-518.210-59710-5v注：水的行为反常。水的体积膨胀系数在4OC以下随温度升高而减小；温度在超过4OC后随温度的升高而增加。v热膨胀系数的体积膨胀率为;(9-40)(9-41)v代入式（9-41）得到：v对受外界热流体加热的管道或过程容器，流体的能量平衡有：(9-42)vT为流体温度；为液体的比定压热容；UA为总的传热系数；为环境温度，交换后得：(9-43)v式(9-45)描述了当液体初始暴露在的外部环境时，初始时刻的体积膨胀。给出了最大的热膨胀率。v体积膨胀率随后被用于适当的方程中用来计算泄放尺寸的大小。(9-44)(9-45)
