壓力容器與管道安全評(píng)價(jià)4.3壓力容器的泄漏源及

1、第三節(jié) 壓力容器的泄漏源及擴(kuò)散模式,研究原因： 化工、石油化工火災(zāi)爆炸、人員中毒事故很多是由于物料的泄漏引起。原因可能是腐蝕、設(shè)計(jì)缺陷、材質(zhì)選擇不當(dāng)、機(jī)械穿孔、密封不良以及人為操作失誤等。,目的：充分準(zhǔn)確地判斷泄漏量的大小，掌握泄漏后有毒有害、易燃易爆物料的擴(kuò)散范圍，對(duì)明確現(xiàn)場(chǎng)救援與實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)控制處理非常重要。危害程度：因泄漏而導(dǎo)致事故的危害很大程度上取決于有毒有害、易燃易爆物料的泄漏速度和泄漏量,涉及的基本學(xué)科

2、與理論：傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、大氣擴(kuò)散學(xué)的基本原理作用： 描述可能的泄漏、擴(kuò)散過(guò)程 為評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目、在役裝置的危險(xiǎn)程度 建立針對(duì)性的應(yīng)急事故救援預(yù)案 實(shí)施有效的現(xiàn)場(chǎng)控制與處理提供科學(xué)依據(jù)和參考。,本節(jié)主要內(nèi)容：一、常見(jiàn)泄漏源二、經(jīng)小孔泄漏的模式三、擴(kuò)散模式分析四、擴(kuò)散模型與分析計(jì)算,一、常見(jiàn)泄漏源,一般情況下，可以根據(jù)泄漏面積的大小和泄漏持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，將泄漏源分為兩

3、類(lèi)： 一是小孔泄漏 二是大面積泄漏 本書(shū)將研究如下泄漏源模型描述物質(zhì)的泄漏過(guò)程：,①工藝單元中液體經(jīng)小孔泄漏的源模式；②儲(chǔ)罐中液體經(jīng)小孔泄漏的源模式；③液體經(jīng)管道泄漏的源模式；④氣體或蒸氣經(jīng)小孔泄漏的源模式；⑤閃蒸液體的泄漏源模式；⑥易揮發(fā)液體蒸發(fā)的源模式,二、經(jīng)小孔泄漏的模式,1、液體經(jīng)小孔泄漏的源模式 系統(tǒng)與外界無(wú)熱交換，液體流動(dòng)的不同能量形式遵守如下的機(jī)械

4、能守恒方程 公式 (4-1)式中：p——壓力，Pa，習(xí)慣上將壓強(qiáng)也稱為壓力，以后不做說(shuō)明；ρ——流體密度，kg·m-3；α——?jiǎng)幽苄Ｕ蜃?，無(wú)因次；,1.液體經(jīng)小孔泄漏的源模式,U—流體平均速度，m·s-1，簡(jiǎn)稱流速；g—重力加速度，m·s-2；z—高度，m，以基準(zhǔn)面為起

5、始計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)F——阻力損失，J·kg-1；Ws——軸功，J； m——質(zhì)量，kg公式分析：,動(dòng)能校正因子α值與速度分布有關(guān)本節(jié)從工程計(jì)算角度出發(fā)，α值近似取為1對(duì)于不可壓縮流體，密度恒為常數(shù)，有 泄漏過(guò)程暫不考慮軸功，Ws＝０ 工藝單元中的液體在穩(wěn)定的壓力作用下，經(jīng)薄壁小孔泄漏，如圖所示,容器內(nèi)的壓力為p1，小孔直徑為d，面積為A，容器外為大氣壓力。 在此，容器內(nèi)

6、液體流速可以忽略，不考慮摩擦損失和液位變化。,Q為單元時(shí)間內(nèi)流體流過(guò)任一截面的質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，其單位為kg·s-1 考慮到因慣性引起的截面收縮以及摩擦引起的速度減低，引入孔流系數(shù)C0 孔流系數(shù)C0——實(shí)際流量與理想流量的比值經(jīng)小孔泄漏的實(shí)際質(zhì)量流量為 ： (4-7),對(duì)于

7、修圓小孔(如圖4-7)，孔流系數(shù)C0值約為1。,圖4-7 修圓小孔 圖4-8 厚壁小孔或器壁連有短管,對(duì)于薄壁小孔(壁厚≤d/2)，當(dāng)雷諾數(shù)Re＞105時(shí)，C0值約為0.61 若為厚壁小孔(d/2＜壁厚≤4d)，或者在容器孔處外伸有一段短管(如圖4-14)，C0值約為0.81。 可見(jiàn)厚壁小孔和短管泄漏的孔流系數(shù)比薄壁小孔的孔流系數(shù)要大。,,在相同的截面積和壓力差條件下，前者的實(shí)際泄漏量

8、高于后者1.33倍。 在很多情況下，難以確定泄漏孔口的孔流系數(shù)。 為保持足夠的安全裕度，確保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，C0值可取為1 。,2、儲(chǔ)罐中液體經(jīng)小孔泄漏的源模式,如圖4-9所示的液體儲(chǔ)罐，距其液位高度z0處有一小孔，在靜壓能和勢(shì)能的作用下，儲(chǔ)罐中的液體經(jīng)小孔向外泄漏。泄漏過(guò)程可由機(jī)械能守恒方程描述，儲(chǔ)罐內(nèi)的液體流速可以忽略。 儲(chǔ)罐內(nèi)的液體壓力為pg，外部為大氣壓力(表壓p＝０)。如前

9、定義孔流系數(shù)，并由下式表示,公式,將上式代入機(jī)械能守恒方程，求出泄漏速度 (4-9)若小孔截面積為A，則質(zhì)量流量Q為 (4-10),（4-8）,由式(4-9)和式(4-10)可見(jiàn)：

10、 隨著泄漏過(guò)程的延續(xù)，儲(chǔ)罐內(nèi)液位高度不斷下降，泄漏速度和質(zhì)量流量也均隨之降低。,如果儲(chǔ)罐通過(guò)呼吸閥或彎管與大氣連通，則內(nèi)外壓力差Δp為0。式(4-10)可簡(jiǎn)化為 (4-11),若儲(chǔ)罐的橫截面積為A0，則可經(jīng)小孔泄漏的最大液體總量為

11、 (4-12),定義邊界條件：t=0，z=z0；t=t, z=z對(duì)上式進(jìn)行分離變量積分，有 (4-16),當(dāng)液體泄漏至泄漏點(diǎn)液位后，泄漏停止z＝0根據(jù)上式可得到總的泄漏時(shí)間

12、 (4-17),將式(4-16)代入到式(4-17)，可以得到隨時(shí)間變化的質(zhì)量流量 (4-18),如果儲(chǔ)罐內(nèi)盛裝的是易燃液體，采取通氮?dú)獗Ｗo(hù)的措施。液體表壓為pg，內(nèi)外壓差即為pg 根據(jù)式(4-10)、式(4-12)、式(4-13)、式(4-14)可同理得到：,(4-19)

13、 (4-20),將式(4-20)代入式(4-10)得到任意時(shí)刻的質(zhì)量流量Q (4-21),根據(jù)上式可求出不同時(shí)間的泄漏質(zhì)量流量。,例1 如圖4-10所示某一盛裝丙酮液體的儲(chǔ)罐，上部裝設(shè)有呼吸閥

14、與大氣連通。在其下部有一泄漏孔，直徑為4cm。已知丙酮的密度為800kg·m-3。求： (1)最大泄漏量； (2)泄漏質(zhì)量流量隨時(shí)間變化的表達(dá)式； (3)最大泄漏時(shí)間； (4)泄漏量隨時(shí)間變化的表達(dá)式,解：(1)最大泄漏量即為泄漏點(diǎn)液位以上的所有液體量,(2)泄漏質(zhì)量流量隨時(shí)間變化的表達(dá)式，C0取值為1，則,(3)令泄漏質(zhì)量流量時(shí)間表達(dá)式的左側(cè)為0，即得最大泄漏時(shí)間

15、 t＝14285s=3.97h,(4)任一時(shí)間內(nèi)總的泄漏量為泄漏質(zhì)量流量對(duì)時(shí)間的積分 給定任意泄漏時(shí)間，即可得到已經(jīng)泄漏的液體總量,3、液體經(jīng)管道泄漏的源模式,在化工生產(chǎn)中，通常采用圓形管道輸送流體。如圖4-11所示 如果管線發(fā)生爆裂、折斷或因誤拆盲板等，可造成液體經(jīng)管口泄漏。 泄漏過(guò)程可用式(4-3)描述 其中阻力損失F的計(jì)算是估算泄漏速度和泄漏量的關(guān)鍵。,液體在管

16、路中的流動(dòng)阻力可以分為直管阻力和局部阻力。 直管阻力是流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)，由于流體與管壁之間的摩擦而產(chǎn)生的阻力。 局部阻力是流體流經(jīng)管路中的閥門(mén)、彎頭等，由于速度或方向改變而引起的阻力。,(1)直管阻力計(jì)算 (4-22) 此公式稱為范寧(Fanning)公式式中：λ——摩擦系數(shù)，無(wú)因次； l——管長(zhǎng)，m；

17、 d——管徑，m。 其余符號(hào)意義同前,摩擦系數(shù)λ的計(jì)算與表征流體流動(dòng)類(lèi)型的參數(shù)——雷諾數(shù)有關(guān) Re＝dUρ／μ,根據(jù)雷諾數(shù)的大小可以判斷流體流動(dòng)類(lèi)型為層流、湍流還是過(guò)渡流。 對(duì)于層流情況，即雷諾數(shù)Re≤2000時(shí),對(duì)于由層流向湍流過(guò)渡時(shí)，即雷諾數(shù)2000＜Re≤4000時(shí)，層流或湍流的λ計(jì)算式均可應(yīng)用。 工程上為安全起見(jiàn)，常將過(guò)渡流視為湍流處理。,扎依欽科(

18、3aйченко) 經(jīng)驗(yàn)公式可供參考 λ=0.0025Re1/3,對(duì)于湍流情況，即雷諾數(shù)Re＞4000時(shí)，λ不僅與Re有關(guān)，還與相對(duì)粗糙度ε/d有關(guān)。 ε為管壁粗糙度，是指管壁上突出物的平均高度，如果沒(méi)有實(shí)側(cè)ε值，則可查表4-4。d為圓管內(nèi)徑。 對(duì)于光滑管 (1)4000＜Re＜106時(shí)，有Blasius公式,,(2)2500＜Re＜107時(shí)，有對(duì)于粗糙管 (1)Re＞

19、2000時(shí)，有Colebrook公式,該公式有一個(gè)簡(jiǎn)化形式，稱為阿里特蘇里(Алътшулъ)公式,(2)Re＞10000時(shí)，有 此公式的簡(jiǎn)化形式稱為希夫林松(Шифринсон)公式,以上是采用一些公式對(duì)λ值進(jìn)行計(jì)算，也可以采用簡(jiǎn)便的辦法，根據(jù)雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度ε/d，由莫迪圖(圖4-12)查得λ值。(2)局部阻力 定義：流體在圓管內(nèi)流動(dòng)，由于管件、閥門(mén)、流通截面的擴(kuò)大或縮小而產(chǎn)生流動(dòng)阻力，稱為局部阻力。,

20、局部阻力可按式(4-23)、式(4-24)計(jì)算 (4-23) (4-24) 式(4-

21、28)中，le稱為當(dāng)量長(zhǎng)度，即將局部阻力折合成當(dāng)量長(zhǎng)度的直管來(lái)計(jì)算,式(4-24)中，ζ稱為局部阻力系數(shù)，即將局部阻力折合成動(dòng)能來(lái)計(jì)算。 ζ值可由表4-2、表4-3查得,(3)總的阻力損失計(jì)算 總的阻力損失為直管阻力和局部阻力損失之和。,或 （4-25）,例2 如圖4-13所示有一含苯污水儲(chǔ)罐，氣相空間表壓為0，

22、在下部有一φ100mm的輸送管線通過(guò)一閘閥與儲(chǔ)罐相連。在苯輸送過(guò)程中閘閥全開(kāi)，在距儲(chǔ)罐20m處，管線突然斷裂。已知水的密度為1000kg·m-3，粘度μ＝1.0×10-3kg·m-1·s-1，計(jì)算泄漏的最大質(zhì)量流量,解：考慮液面與管線斷裂處為計(jì)算截面。忽略儲(chǔ)罐內(nèi)苯的流速，應(yīng)用式(4-3),總的阻力損失根據(jù)下式計(jì)算,查表4-2，閘閥全開(kāi)，局部阻力系數(shù)為0.17,雷諾數(shù)假設(shè)管道為光滑管，選用Bla

23、sius公式計(jì)算λ,則總的阻力損失為,將已知數(shù)據(jù)代入式(4-3)整理，有117U2+3.56U1.75=98，假設(shè)流速U的數(shù)值，代入上式，直至兩端相等 U=5.6m/s，左端=109.3； U=5.4m/s，左端=102.2,U=5.3m/s，左端=98.8。至此可認(rèn)為誤差足夠小,驗(yàn)證雷諾數(shù) 符合Blasius公式的應(yīng)用條件，說(shuō)明得到的流速結(jié)果正確，則泄漏的最大質(zhì)量流量為,4、氣體或蒸氣經(jīng)小孔泄漏的源

24、模式,假設(shè)不同： 前面討論的液體為不可壓縮流體，密度恒定不變。 對(duì)于氣體或蒸氣，這條假設(shè)只有在初態(tài)和終態(tài)壓力變化較小((p0-p)/p0＜20%)和較低的氣體流速(＜0.3倍音速)的情況下，才可應(yīng)用。,當(dāng)氣體或蒸氣的泄漏速度大到與該氣體中音速相近，或超過(guò)音速時(shí)，會(huì)引起很大的壓力、溫度、密度變化，則根據(jù)不可壓縮流體假設(shè)得到的結(jié)論不再適用。 現(xiàn)在討論可壓縮氣體或蒸氣以自由膨脹的形式經(jīng)小孔泄漏的情況。

25、,在工程上，通常將氣體或蒸氣近似為理想氣體，其壓力、密度、溫度等參數(shù)遵循理想氣體狀態(tài)方程,（4-26）式中：p——絕對(duì)壓力，Pa； R——理想氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·Ｋ-1 M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg·mol-1； ρ——密度，kg·m-3； T——溫度，K,氣體或蒸氣在小孔內(nèi)絕熱流動(dòng)，其壓力密度關(guān)系可用絕熱方程或稱等熵方程描述,（4

26、-27） 式中，γ——絕熱指數(shù)，是等壓熱容與等容熱容的比值，γ＝Cp／CV 幾種類(lèi)型氣體的絕熱指數(shù)列于表4-4 此外也可按表4-5近似選取氣體絕熱指數(shù),如下圖4-14所示的氣體或蒸氣經(jīng)小孔泄漏的過(guò)程。軸功為0，忽略勢(shì)能變化，則機(jī)械能守恒方程式(4-1)簡(jiǎn)化為 （4-28）,定義孔流系數(shù),（4-29）忽略氣體或蒸氣的初始動(dòng)能，將代換得到

27、 （4-30）,得到泄漏質(zhì)量流量,（4-33）根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有 （4-34） 從安全工作的角度考慮，考慮經(jīng)小孔泄漏的氣體或蒸氣的最大流量,若以壓力比p/p0為橫坐標(biāo)，以流量Q為縱坐 標(biāo)，根據(jù)

28、式(4-35)可得到圖4-15中的0bc曲線。,當(dāng)p／p0=１時(shí)，小孔前后的壓力相等，Q=0； 當(dāng)p／p0=0時(shí)，氣體或蒸氣流向絕對(duì)真空，ρ=0，故Q=０ 流量曲線存在最大值，令dQ/d(p／p0)=０，可求得極值條件,（4-36）,式中，pc稱為臨界壓力。   將此極值條件代入式(4-32)、式(4-35)可得到最大流速和最大流量,（4-37）

29、 （4-38）,由圖(4-15)可以看到，當(dāng)p＞pc時(shí)，氣體或蒸氣流速低于音速，如圖中bc段曲線所示。 當(dāng)p=pc時(shí)，氣體或蒸氣的泄漏速度剛好可能達(dá)到的最大流速如式(4-37)所示，實(shí)際上就是氣體或蒸氣中的音速。 當(dāng)p＜pc時(shí)，氣體或蒸氣似乎可以充分降壓、膨脹、加速。,但是根據(jù)氣體流動(dòng)力學(xué)的原理，泄漏速度不可能超過(guò)音速，這時(shí)

30、其泄漏速度和質(zhì)量流量與p=pc時(shí)相同，因此在圖中以ab線表示。 在化工生產(chǎn)中發(fā)生的氣體或蒸氣泄漏，很多屬于最后一種情況。,例3 在某生產(chǎn)廠有一空氣柜，因外力撞擊，在空氣柜一側(cè)出現(xiàn)一小孔。小孔面積為19.6cm2，空氣柜中的空氣經(jīng)此小孔泄漏入大氣。已知空氣柜中的壓力為2.5×105Pa，溫度T0為330K，大氣壓力為105Pa，絕熱指數(shù)γ=1.40。求空氣泄漏的最大質(zhì)量流量。,解：先根據(jù)式(4-36)判斷空氣泄漏

31、的臨界壓力,已知大氣壓力為105Pa，小于臨界壓力，則空氣泄漏的最大質(zhì)量流量可按式(4-38)計(jì)算,C0值取為1，則,若C0值取為0.61，則空氣泄漏的最大質(zhì)量流量為,5、閃蒸液體的泄漏源模式,為了儲(chǔ)存和運(yùn)輸方便，通常采用加壓液化的方法來(lái)儲(chǔ)存某些氣體，儲(chǔ)存溫度在其正常沸點(diǎn)之上，如液氯、液氨。 這類(lèi)液化氣體從高壓下的氣液平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌合碌臍庖浩胶鉅顟B(tài)，氣化時(shí)所需要的熱由液體達(dá)到常壓下的沸點(diǎn)所提供，液相部分的溫度由儲(chǔ)存

32、時(shí)的溫度降至常壓下的沸點(diǎn)溫度，這種現(xiàn)象稱之為閃蒸。,閃蒸過(guò)程在瞬間內(nèi)完成，故可以看作是絕熱過(guò)程，有,（4-39）式中：q——蒸發(fā)氣量，kg； W——液體泄漏量，kg； H1——液體儲(chǔ)存溫度T0時(shí)的焓，kJ·kg-1； H2——常壓下液體沸點(diǎn)T時(shí)的焓，kJ·kg-1； r——液體溫度T時(shí)的蒸發(fā)潛熱，kJ·kg-1,表4-6 部分液化氣體的閃蒸率氣體 沸點(diǎn) 蒸發(fā)潛熱/kJ·kg

33、-1 H1/kJ·kg-1 H2/kJ·kg-1 閃蒸率 氣液名稱 /℃ (×4.186) (×4.186) (×4.186) 體積比氯 -34.05 68.84 71.6 57.2 0.209 445.3氨

34、 -33.4 327.42 66.9 7.1 0.183 799.9丙烷-42.1 101.1 35.7 -1.13 0.364 253.8丙烯-47.7 104.7 186.0

35、 149.7 0.346 272.6丁烷 -0.5 92.15 -419.3 -430.7 0.124 224.3 從此表可以看出，液化氣體一旦泄漏，會(huì)在瞬間蒸發(fā)，形成大量氣體。若此氣體為可燃?xì)怏w，與空氣混合后會(huì)形成爆炸性混合氣，遇點(diǎn)火即會(huì)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,若此氣體為有毒氣體，則會(huì)因擴(kuò)散作用覆蓋大范圍面積，易

36、為人員吸入，有可能造成大面積中毒。,6、易揮發(fā)液體蒸發(fā)的源模式 在化工生產(chǎn)中使用了大量的易揮發(fā)液體，根據(jù)傳質(zhì)過(guò)程的基本原理，該蒸發(fā)過(guò)程的傳質(zhì)推動(dòng)力為蒸發(fā)物質(zhì)的氣液界面與大氣之間的濃度梯度。 液體蒸發(fā)為氣體的摩爾通量可用下式表示,（4-40）,式中：N——摩爾通量，mol·m-2·s-1； kc——傳質(zhì)系數(shù)，m·s-1； ΔC——濃度梯度，mo

37、l·m-3。 若液體在某一溫度T下的飽和蒸氣壓為psat，則在氣液界面處，其濃度C1可由理想氣體狀態(tài)方程得到 （4-41）,同理可以得到蒸發(fā)物質(zhì)在大氣中分壓為p時(shí)的摩爾濃度ΔC,一般情況下，psat≥p，則

38、 （4-42）液體的蒸發(fā)質(zhì)量流量為其摩爾通量與蒸發(fā)面積A、蒸發(fā)物質(zhì)摩爾質(zhì)量M的乘積 （4-44）,當(dāng)液體向靜止大氣蒸發(fā)時(shí)，其傳質(zhì)過(guò)程為分子擴(kuò)散；當(dāng)液體向流動(dòng)大氣蒸發(fā)時(shí)，其傳質(zhì)過(guò)程為對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)比分子擴(kuò)散系數(shù)

39、要高1～２個(gè)數(shù)量級(jí) 例4 有一露天桶裝乙醇翻倒后，致使2m2內(nèi)均為乙醇液體。當(dāng)時(shí)大氣溫度為16℃，乙醇的飽和蒸氣壓為4kPa，乙醇的傳質(zhì)系數(shù)kc為1.2×10-3m·s-1。求乙醇蒸氣的質(zhì)量流量。,解：先查出或計(jì)算出乙醇的摩爾質(zhì)量 M＝46.07g·mol-1 根據(jù)式(4-44)計(jì)算乙醇蒸發(fā)的質(zhì)量流量,三、擴(kuò)散模式分析,研究目的

40、 在化工生產(chǎn)中，所使用的物料大多具有易燃易爆、有毒有害的危險(xiǎn)特性，一旦由于某種原因發(fā)生泄漏，則泄漏出來(lái)的物料會(huì)在濃度梯度和風(fēng)力的作用下在大氣中擴(kuò)散。 通過(guò)擴(kuò)散模式可估算泄漏物質(zhì)的影響范圍及危險(xiǎn)性質(zhì)、程度。,如在多大范圍以內(nèi)為火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)，多大范圍內(nèi)為急性中毒致死區(qū)，多大范圍以外是無(wú)明顯毒性影響的區(qū)域。 可為危險(xiǎn)程度判別、事故發(fā)生后的火源控制、明確人員疏散區(qū)域等等提

41、供科學(xué)參考。 以儲(chǔ)罐中的苯泄漏為例。無(wú)風(fēng)情況下，泄露出來(lái)的苯以泄漏源為中心向四周擴(kuò)散，如圖4-22所示。,利用擴(kuò)散模式可描述泄漏物質(zhì)在事故發(fā)生地的擴(kuò)散過(guò)程。用如圖4-23、圖4-24所示的煙羽、煙團(tuán)擴(kuò)散模式描述瞬間泄漏源泄漏物質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程。 風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、地面情況(建筑物、樹(shù)木等)、泄漏源高度、泄漏物質(zhì)的初始狀態(tài)、物料性質(zhì)均會(huì)對(duì)泄漏物質(zhì)在大氣中的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。,,,圖4-23 煙羽擴(kuò)散模式示意圖,圖4-

42、24 煙團(tuán)擴(kuò)散模式示意圖,,風(fēng)對(duì)泄漏出的物質(zhì)有輸送和稀釋作用，因此泄漏物質(zhì)總是分布在泄漏源的下風(fēng)向。 風(fēng)速愈大、湍流愈強(qiáng)，物質(zhì)向下風(fēng)向的擴(kuò)散速度和空氣的稀釋速度愈快。 無(wú)風(fēng)條件下，泄漏物質(zhì)以泄漏源為中心，向各個(gè)方向擴(kuò)散。 大氣穩(wěn)定度表示空氣是否易于發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)，即對(duì)流。,,有毒有害、易燃易爆物質(zhì)在大氣中的擴(kuò)散與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)，大氣愈不穩(wěn)定，其擴(kuò)散愈快；大氣愈穩(wěn)定，其擴(kuò)散愈慢。

43、 地面情況對(duì)風(fēng)速梯度隨高度變化的影響如圖4-25所示。 建筑、樹(shù)木等會(huì)加強(qiáng)地表大氣的湍流程度，即加強(qiáng)了混合稀釋作用；而開(kāi)闊平坦地、湖泊等則相反。,泄漏源高度增加，泄漏物質(zhì)擴(kuò)散至地面的垂直距離增加，在同等源強(qiáng)和氣像條件下，地面同等距離的物質(zhì)濃度會(huì)降低。 泄漏物質(zhì)具有向上的初始動(dòng)量，會(huì)使泄漏源有效高度增加，作用效果與泄漏源高度增加相同。 泄漏物質(zhì)的密度高于或低于空氣的密度，分別表現(xiàn)出重力作用和浮力

44、作用。,,重力作用引起泄漏物質(zhì)下沉，導(dǎo)致地面濃度增加。因泄漏物質(zhì)不斷被大氣稀釋，這種下沉作用會(huì)逐漸減弱。 浮力作用引起泄漏物質(zhì)在擴(kuò)散初期上升，導(dǎo)致地面濃度降低。同樣泄漏物質(zhì)被大氣不斷稀釋，上升作用減弱；浮力也可能來(lái)源于泄漏物質(zhì)具有的較高溫度，當(dāng)泄漏物質(zhì)被冷卻至大氣溫度后，這種上升作用即停。,四、擴(kuò)散模型與分析計(jì)算,1、湍流擴(kuò)散微分方程 對(duì)于流動(dòng)的大氣，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可導(dǎo)出泄漏物質(zhì)濃度變化的湍流擴(kuò)散微分方程

45、，經(jīng)簡(jiǎn)化后得,（4-45）,2、無(wú)邊界點(diǎn)源擴(kuò)散模型,(1)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的擴(kuò)散模型 1)無(wú)風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的煙團(tuán)擴(kuò)散模型 在無(wú)風(fēng)條件下(u＝０)，瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源產(chǎn)生的煙團(tuán)僅在泄漏點(diǎn)處膨脹擴(kuò)散，則式(4-45)簡(jiǎn)化為,（4-46）,初始條件：t=０時(shí)，x=y=z=0處 c→∞ x≠０處c→0邊界條件：t→∞時(shí)，c→0,源強(qiáng)為Q的無(wú)風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的濃度分c(x,y,z,t)為,（4-50）,2

46、)有風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的煙團(tuán)擴(kuò)散模型 在有風(fēng)條件下，煙團(tuán)隨風(fēng)移動(dòng)，并因空氣的稀釋作用不斷膨脹，t時(shí)刻式(4-50)經(jīng)坐標(biāo)變換即得源強(qiáng)為Q的有風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的濃度分布,(2)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的擴(kuò)散模型 1)無(wú)風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源擴(kuò)散模型 若連續(xù)泄漏點(diǎn)源的源強(qiáng)Q為常量，則任意一點(diǎn)的濃度僅是位置的函數(shù)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)，有；無(wú)風(fēng)條件，u=0。則式(4-45)可簡(jiǎn)化為,（4-49）,初始條件：x=y=z=0時(shí)，c→∞ 邊界條件：

47、x,y,z→∞時(shí)，c→0,（4-50） 2)有風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源擴(kuò)散模型 （自學(xué)）3、有界點(diǎn)源擴(kuò)散模型 （自學(xué)）4、帕斯奎爾-吉福德(Pasquill-Gifford)模型 （自學(xué)）,源強(qiáng)為Q的無(wú)風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的濃度分布c(x,y,z,t)為,源強(qiáng)為Q的有風(fēng)瞬時(shí)泄漏點(diǎn)源的濃度分布,無(wú)風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源擴(kuò)散的濃度分布,有風(fēng)連續(xù)泄漏點(diǎn)源的濃度分布,無(wú)風(fēng)瞬時(shí)地面點(diǎn)源的煙團(tuán)擴(kuò)散模型,有風(fēng)連續(xù)地面點(diǎn)源的煙羽擴(kuò)散模型 有風(fēng)源高為H連續(xù)點(diǎn)源的煙

48、羽擴(kuò)散模型,在考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影響時(shí)，通常按照全反射的原理，采用“像源法”處理。,假定地面如同一面“鏡子”，對(duì)泄漏物質(zhì)既不吸收也不吸附，起著全反射的作用。 由此可見(jiàn)，地面上任意一點(diǎn)的濃度是兩部分作用之和: 一部分是不存在地面時(shí)的此點(diǎn)應(yīng)具有的濃度；,另一部分是由于地面全反射而增加的濃度。 對(duì)于地面源，任意一點(diǎn)濃度c(x,y,z)為無(wú)界條件下的2倍。 對(duì)于地面上高為H的泄漏源，任意一點(diǎn)濃度應(yīng)

49、是高為H的實(shí)源和高為－Ｈ的虛源在此點(diǎn)造成的濃度之和。,瞬時(shí)地面點(diǎn)源煙團(tuán)模型 以風(fēng)速方向?yàn)閤軸，坐標(biāo)原點(diǎn)取在泄漏點(diǎn)處，風(fēng)速恒為u，則源強(qiáng)為Q的濃度分布為,令z＝0，得到地面濃度,令y＝０，得到地面軸線濃度,有效源高H的瞬時(shí)點(diǎn)源煙團(tuán)模型 以風(fēng)速(u≠0)方向?yàn)閤軸方向，選取移動(dòng)坐標(biāo)系，任一時(shí)刻煙團(tuán)中心的x軸坐標(biāo)為ut，則其濃度分布為：,令z=0，得到地面軸線濃度,令y=0，得到地面軸線濃度若以風(fēng)速方向?yàn)閤軸，泄漏源

50、中心對(duì)地面的投影為坐標(biāo)點(diǎn)，則濃度分布為,,煙羽模型,連續(xù)地面點(diǎn)源 以風(fēng)速(u≠０)方向?yàn)閤軸，假定流場(chǎng)穩(wěn)定，坐標(biāo)點(diǎn)為泄漏源中心處，則濃度分布為 令z=0，得到地面濃度 令y=０，得到地面軸線濃度,有效源高H的連續(xù)點(diǎn)源,以風(fēng)速(u≠０)方向?yàn)閤軸方向，泄漏源中心對(duì)地面的投影為坐標(biāo)點(diǎn)，假定流場(chǎng)穩(wěn)定，則濃度分布為 令z=０，得到地面濃度,當(dāng)出現(xiàn)地面軸線最大濃度,令y=０，得到地面軸線濃度,例5 在氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程中，

51、大量使用氯氣作為原料。在某生產(chǎn)廠突然發(fā)生氯氣泄漏。根據(jù)源模式估算約有1.0kg氯氣在瞬間泄漏。泄漏時(shí)為有云的夜間，初步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)云量＜4/10，風(fēng)速為2m·s-1。泄漏源高度很低，可近似為地面源處理。居民區(qū)距泄漏源處為400m,請(qǐng)回答以下問(wèn)題： (1)泄漏發(fā)生后，大約經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間煙團(tuán)中心到達(dá)居民區(qū)? (2)煙團(tuán)到達(dá)居民區(qū)后，地面軸線氯氣濃度為多少?是否超過(guò)國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)? (3)試判斷經(jīng)多遠(yuǎn)距離后，氯氣的

52、地面濃度才被大氣稀釋至可接受水平。 (4)估算煙團(tuán)擴(kuò)散至下風(fēng)向5km處，其覆蓋的范圍,解：(1)t=x/u=400／2=200s=3.33min 煙團(tuán)中心擴(kuò)散至居民區(qū)僅需3.33min，可見(jiàn)泄漏發(fā)生后，用以發(fā)出警告或提醒通知居民的時(shí)間很短，必須在第一時(shí)間發(fā)出警告。 (2)應(yīng)用式(4-61),根據(jù)題中所述情況，查表4-10知大氣穩(wěn)定度為F級(jí)。X=400m，查圖4-22、圖4-23，得到又t=200s，

53、代入上式進(jìn)行計(jì)算,又根據(jù)我國(guó)車(chē)間空氣氯氣的最高容許濃度標(biāo)準(zhǔn)MAC為1mg·m-3，可知擴(kuò)散至居民區(qū)后，其地面軸線濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明煙團(tuán)到達(dá)居民區(qū)后，暴露于大氣中的人員都有發(fā)生中毒的危險(xiǎn)。(3)可接受地面氯氣濃度水平以其最高容許濃度1mg·m-3考慮，則擴(kuò)散至距離x處，c(x,0,0)=1mg·m-3,,將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4-59)簡(jiǎn)化后得到 即 利用試差法求解，即先假

54、定x值，查出相應(yīng)的 和 代入上式計(jì)算，直至滿足上式。 再利用內(nèi)插法求解x,這說(shuō)明1kg氯氣泄漏，就必須考慮下風(fēng)向12.52kg范圍內(nèi)的安全問(wèn)題。 (4)煙團(tuán)擴(kuò)散至5km處，所需時(shí)間為5000/2＝2500s 查圖4-22、圖4-23，得到 其所覆蓋的范圍，以外邊界濃度為國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)考慮，代入地面軸線濃度計(jì)算式：,c(5000,0,0,2500)=1.0×1

55、0-6 解得x=5000±90.25m，說(shuō)明覆蓋了沿風(fēng)向距離180.5m的范圍。 若以地面平面x-y范圍考慮，代入地面濃度擴(kuò)散模型,,此方程說(shuō)明在其下風(fēng)向5km處，地面氯氣濃度高于其最高容許濃度的覆蓋范圍為以x=5000m，y=０為圓心，直徑為180.5m的圓。 如已知缺陷尺寸的概率分布、斷裂韌性的概率分布、 流變盈利的概率分布等，則被評(píng)定點(diǎn)在市消評(píng)定圖上也將是概率分布的