年產(chǎn)6萬噸超高分子量PMMA項(xiàng)目設(shè)計(jì)

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地面點(diǎn)源擴(kuò)散 27 4.2 連續(xù)線源的擴(kuò)散 27 4.3 連續(xù)面源的擴(kuò)散 28 第五章 影響大氣擴(kuò)散的若干因素 30 第六章 泄漏模擬計(jì)算 31 6.1 氣體經(jīng)管道孔泄漏 31 6.2 氣體管道斷裂 33 6.2.1 絕熱流動(dòng) 33 6.2.2 等溫流動(dòng) 34 第七章 擴(kuò)散模擬計(jì)算 36 7.1 大氣穩(wěn)定度確定 36 7.2 Pasquill-Gifford擴(kuò)散模型 37 7.2.1 Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程 37 7.2.2 Pasquill-Gifford 模型擴(kuò)散系數(shù) 38 7.3 模式應(yīng)用及預(yù)測結(jié)果 39 第八章 毒性作用標(biāo)準(zhǔn) 41 8.1 ERPGs 41 8.2 LDLH 41 8.3 EEGLs 42 8.4 TLVs 42 8.5 PELs 42 8.6 LOC 43 第九章 應(yīng)急救援預(yù)案 44 9.1 應(yīng)急響應(yīng) 44 9.1.1 預(yù)案啟動(dòng) 44 9.1.2 應(yīng)急報(bào)告 44 9.1.3 應(yīng)急行動(dòng) 44 9.2 處置措施 45 9.3 事故的預(yù)防 45 9.3.1 設(shè)備、設(shè)施的硬件方面 46 9.3.2 管理方面 46 9.4 后期處置 46 9.4.1 人員安置 46 9.4.2 清理恢復(fù) 46 9.4.3 調(diào)查與總結(jié) 46 9.5 培訓(xùn)與演練 47 9.5.1 培訓(xùn) 47 9.5.2 應(yīng)急預(yù)案演練 48 某石化年產(chǎn)6萬噸超高分子量PMMA項(xiàng)目 泄漏擴(kuò)散模型及其模擬計(jì)算 前言 在化工、石油化工及相關(guān)行業(yè)中，易燃、易爆及有毒有害物質(zhì)在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中經(jīng)常發(fā)生泄漏事故。事故的發(fā)生不僅會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的人員及環(huán)境生態(tài)的毒性傷害和污染。更為嚴(yán)重的是可能會(huì)繼而發(fā)生火災(zāi)或爆炸等災(zāi)害，使得災(zāi)害損失與破壞進(jìn)一步加劇。 《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T 169-2011）要求對(duì)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行期間發(fā)生的可預(yù)測突發(fā)性事件或事故引起有毒有害、易燃易爆等物質(zhì)泄漏，或突發(fā)事故產(chǎn)生的新的有毒有害物質(zhì)，所構(gòu)成的對(duì)人身安全與環(huán)境的影響和損害，進(jìn)行評(píng)估，提出防范、應(yīng)急與減緩措施。對(duì)事故泄漏源進(jìn)行分析，主要是根據(jù)項(xiàng)目所涉及的危險(xiǎn)物品的化學(xué)性質(zhì)、事故下設(shè)備情況，采取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來估算泄漏物的排放量、排放時(shí)間等。在計(jì)算得到事故泄漏源強(qiáng)參數(shù)后即可采用擴(kuò)散模型進(jìn)一步對(duì)事故泄漏對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行預(yù)測分析。 同時(shí)為減少化學(xué)事故所造成的危害和損失，必須建立完善的應(yīng)急系統(tǒng)，以迅速、及時(shí)、有效地應(yīng)對(duì)可能的事故，切實(shí)保護(hù)人員財(cái)產(chǎn)和環(huán)境。事故期間，過程裝備迅速釋放出大量有毒物質(zhì)，所形成的危險(xiǎn)氣云將遍及整個(gè)工廠和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)。因此在通過前期泄漏源模型建立后，需要通過擴(kuò)散模型估算下風(fēng)向有毒物質(zhì)濃度（一旦知道了下風(fēng)向的濃度，就可以使用一些準(zhǔn)則來估算后果或影響），在計(jì)算得到事故擴(kuò)散參數(shù)后即可做出相應(yīng)的原則性設(shè)計(jì)和預(yù)防監(jiān)測設(shè)計(jì)，這些將為工廠設(shè)置施工提供安全導(dǎo)向性建議。 第一章 泄漏源模型介紹 1.1 泄漏源模型概念 源模型是根據(jù)描述物質(zhì)釋放時(shí)所表現(xiàn)出來的物理化學(xué)過程的理論，或經(jīng)驗(yàn)方程而建立的。對(duì)于較復(fù)雜的工廠，需要用多種源模型來描述釋放。為了適用于特殊情況，通常需要對(duì)最初的模型進(jìn)行改進(jìn)和修正。結(jié)果往往僅是一種預(yù)測，這是因?yàn)槲镔|(zhì)的物理性質(zhì)沒有得到充分描述，或者是因?yàn)槲锢磉^程并沒有得到充分的認(rèn)識(shí)。如果存在不確定性，參數(shù)選擇應(yīng)該使釋放速率和釋放量最大化。這樣就確保了設(shè)計(jì)是安全的。 1.2 源模型作用 圖1-1 源模型作用 事故通常由導(dǎo)致過程中的物質(zhì)遇到損失的某一事件開始。這些物質(zhì)可能具有毒性和爆炸等特性。典型的事件可能包括管線的破裂或者斷裂、儲(chǔ)罐或管道上的小孔、反應(yīng)失控或外部火焰作用與容器等。一旦知道了可能會(huì)發(fā)生的事件，就可以選擇源模型來描述物質(zhì)是怎么樣從過程系統(tǒng)中泄放出來的，源模型給出了流出速率、流出總量和流出狀態(tài)的表達(dá)。隨后，我們可以進(jìn)一步進(jìn)行分析，為安全保障做好理論層面的模擬依據(jù)。 圖1-2 后果模型 1.3 泄漏情況分析 根據(jù)釋放機(jī)理，可以分為大孔和有限孔釋放，一般大孔釋放事件中，過程單元內(nèi)形成大孔，短時(shí)間內(nèi)大量物質(zhì)釋放，造成的損失是瞬時(shí)的。儲(chǔ)罐的超壓爆炸就是一個(gè)很好的大孔釋放的例子。對(duì)于有限孔釋放，物質(zhì)以非常慢的速率釋放，上游條件并不因此而立刻受到影響，也是我們?cè)诨S中常見的形式，往往就是小小的跑冒滴漏類型的泄漏導(dǎo)致大型的事故，因此有限孔的釋放的源模型建立是非常重要的。 1.3.1 泄漏主要設(shè)備 根據(jù)各種設(shè)備泄漏情況分析，可將化工廠中易發(fā)生泄漏的設(shè)備分類，通常歸納為：管道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反應(yīng)器、泵、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、加壓或冷凍氣體容器及火炬燃燒裝置或放散管等10類。每一種設(shè)備的典型損壞類型及其典型的損壞尺寸不同，具體如下： （1）管道。它包括管道、法蘭和接頭，其典型泄漏情況和裂口尺寸分別取管徑的20%~100%、20%和20%~100%。 （2）撓性連接器。它包括軟管、波紋管和絞接器，其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 連接器本體破裂泄漏，裂口尺寸取管徑的20%~100%； 接頭處的泄漏，裂口尺寸取管徑的20%； 連接裝置損壞泄漏，裂口尺寸取管徑的100%。 （3）過濾器。它由過濾器本體、管道、濾網(wǎng)等組成，其典型泄漏情況和裂口尺寸分別取管徑的20%~100%和20%。 （4）閥。其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 閥殼體泄漏，裂口尺寸取管徑的20%~100%； 閥蓋泄漏，裂口尺寸取管徑的20%； 閥桿損壞泄漏，裂口尺寸取管徑的20%。 （5）壓力容器、反應(yīng)器。包括化工生產(chǎn)中常用的分離器、氣體洗滌器、反應(yīng)釜、熱交換器、各種罐和容器等。常見的此類泄漏情況和裂口尺寸為： 容器破裂而泄漏，裂口尺寸取容器本身尺寸； 容器本體泄漏，裂口尺寸取與其連接的粗管道管徑的100%； 孔蓋泄漏，裂口尺寸取管徑的20%； 噴嘴斷裂而泄漏，裂口尺寸取管徑的100%； 儀表管路破裂泄漏，裂口尺寸取管徑的20%~100%； 容器內(nèi)部爆炸，全部破裂。 （6）泵。其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 泵體損壞泄漏，裂口尺寸取與其連接管徑的20%~100%； 密封壓蓋處泄漏，裂口尺寸取管徑的20%。 （7）壓縮機(jī)。包括離心式、軸流式和往復(fù)式壓縮機(jī)，其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 壓縮機(jī)機(jī)殼損壞而泄漏，裂口尺寸取與其連接管道管徑的20%~100%； 壓縮機(jī)密封套泄漏，裂口尺寸取管徑的20%。 （8）儲(chǔ)罐。露天儲(chǔ)存危險(xiǎn)物質(zhì)的容器或壓力容器，也包括與其連接的管道和輔助設(shè)備，其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 罐體損壞而泄漏，裂口尺寸為本體尺寸； 接頭泄漏，裂口尺寸為與其連接管道管徑的20%~100%； 輔助設(shè)備泄漏，酌情確定裂口尺寸。 （9）加壓或冷凍氣體容器。包括露天或埋地放置的儲(chǔ)存器、壓力容器或運(yùn)輸槽車等，其典型泄漏情況和裂口尺寸為： 露天容器內(nèi)部氣體爆炸使容器完全破裂，裂口尺寸取本體尺寸； 容器破裂而泄漏，裂口尺寸取本體尺寸； 焊接點(diǎn)（接管）斷裂泄漏，取管徑的20%~100%。 （10）火炬燃燒器或放散管。它們包括燃燒裝置、放散管、多痛接頭、氣體洗滌器和分離罐等，泄漏主要發(fā)生在筒體和多通接頭部位。裂口尺寸取管徑的20%~100%。 1.3.2 造成泄漏的原因 從人機(jī)系統(tǒng)來考慮造成泄漏事故的原因主要有4類。 （1）設(shè)計(jì)失誤 ①基礎(chǔ)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，如地基下沉，造成容器底部產(chǎn)生裂縫，或設(shè)備變形、錯(cuò)位等； ②選材不當(dāng)，如強(qiáng)度不夠，耐腐蝕性差、規(guī)格不符等； ③布置不合理，如壓縮機(jī)和輸出管沒有彈性連接，因振動(dòng)而使管道破裂； ④選用機(jī)械不合適，如轉(zhuǎn)速過高、耐溫、耐壓性能差等； ⑤選用計(jì)測儀器不合適； ⑥儲(chǔ)罐、貯槽未加液位計(jì)，反應(yīng)器（爐）未加溢流管或放散管等。 （2）設(shè)備原因 ①加工不符合要求，或未經(jīng)檢驗(yàn)擅自采用代用材料； ②加工質(zhì)量差，特別是不具有操作證的焊工焊接質(zhì)量差； ③施工或安裝精度不高，如泵和電機(jī)不同軸、機(jī)械設(shè)備不平衡、管道連接不嚴(yán)密等； ④選用的標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品質(zhì)量不合格； ⑤對(duì)安裝的設(shè)備沒有按《機(jī)械設(shè)備安裝工程及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)收； ⑥設(shè)備長期使用后未按規(guī)定檢修期進(jìn)行檢修，或檢修質(zhì)量差造成泄漏； ⑦計(jì)測儀表為定期校驗(yàn)，造成計(jì)量不準(zhǔn)； ⑧閥門損壞或開關(guān)泄漏，又未及時(shí)更換； ⑨設(shè)備附件質(zhì)量差，或長期使用后材料變質(zhì)、腐蝕或破裂等。 （3）管理原因 ①?zèng)]有制定完善的安全操作規(guī)程； ②對(duì)安全漠不關(guān)心，已發(fā)現(xiàn)的問題不及時(shí)解決； ③沒有嚴(yán)格執(zhí)行監(jiān)督檢查制度； ④指揮錯(cuò)誤，甚至違章指揮； ⑤讓未經(jīng)培訓(xùn)的工人上崗，知識(shí)不足，不能判斷錯(cuò)誤； ⑥檢修制度不嚴(yán)，沒有及時(shí)檢修已出現(xiàn)故障的設(shè)備，是設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)。 （4）人為失誤 ①誤操作，違反操作規(guī)程； ②判斷錯(cuò)誤，如記錯(cuò)閥門位置而開錯(cuò)閥門； ③擅自脫崗； ④思想不集中； ⑤發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象不知如何處理。 1.3.3 泄漏后果 泄漏一旦出現(xiàn)，其后果不單與物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且與泄漏物質(zhì)的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)。這些狀態(tài)可有多種不同的結(jié)合，在后果分析中，常見的可能結(jié)合有4種：常壓液體；加壓液化氣體；低溫液化氣體；加壓氣體。泄漏物質(zhì)的物性不同，其泄漏后果也不同。 （1）可燃?xì)怏w泄漏?？扇?xì)怏w泄漏后與空氣混合達(dá)到燃燒極限時(shí)，遇到引火源就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。泄漏后起火的時(shí)間不同，泄漏后果也不相同。 ①立即起火?？扇?xì)怏w從容器中往外泄出時(shí)即被點(diǎn)燃，發(fā)生擴(kuò)散燃燒，產(chǎn)生噴射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏現(xiàn)場，但很少會(huì)影響到廠區(qū)的外部。 ②滯后起火?？扇?xì)怏w泄出后與空氣混合形成可燃蒸汽云團(tuán)，并隨風(fēng)飄移，遇火源發(fā)生爆炸或爆轟，能引起較大范圍的破壞。 （2）有毒氣體泄漏。有毒氣體泄漏后形成云團(tuán)在空氣中擴(kuò)散，有毒氣體的濃密云團(tuán)將籠罩很大的空間，影響范圍大。 （3）液體泄漏。一般情況下，泄漏的液體在空氣中蒸發(fā)而生成氣體，泄漏后果與液體的性質(zhì)和貯存條件（溫度、壓力）有關(guān)。 ①常溫常壓下液體泄漏。這種液體泄漏后聚集在防液堤內(nèi)或地勢(shì)低洼處形成液池，液體由于池表面風(fēng)的對(duì)流而緩慢蒸發(fā)，若遇引火源就會(huì)發(fā)生池火災(zāi)。 ②加壓液化氣體泄漏。一些液體泄漏時(shí)將瞬時(shí)蒸發(fā)，剩下的液體將形成一個(gè)液池，吸收周圍的熱量繼續(xù)蒸發(fā)。液體瞬時(shí)蒸發(fā)的比例決定于物質(zhì)的性質(zhì)及環(huán)境溫度。有些泄漏物可能在泄漏過程中全部蒸發(fā)。 ③低溫液體泄漏。這種液體泄漏時(shí)將形成液池，吸收周圍熱量蒸發(fā)，蒸發(fā)量低于加壓液化氣體的泄漏量，高于常溫常壓下液體的泄漏量。 無論是氣體泄漏還是液體泄漏，泄漏量的多少都是決定泄漏后果嚴(yán)重程度的主要因素。 第二章 常見的泄漏源模型 2.1 泄漏情形 2.2 基本泄漏源模型 2.2.1 平行圓板模型 平行圓板模型將流體介質(zhì)通過密封點(diǎn)處的泄漏簡化為介質(zhì)通過間隙高度為，由內(nèi)徑處流至外徑處的定長、層流流動(dòng)，其體積泄漏率為： （1） 式中：為介質(zhì)粘度，、分別為墊片內(nèi)、外側(cè)的壓力。 2.2.2 三角溝槽模型 三角溝槽模型認(rèn)為，在正常的密封情況下，墊片與法蘭面的間隙由許多三角溝槽所組成，設(shè)H為三角溝槽的深度，L為三角溝槽的底寬，b為流道的長度（通常為墊片的寬度），為介質(zhì)密度，則體積泄漏率為： 對(duì)于液體： （2） 對(duì)于氣體： （3） 式中：為常數(shù)。 2.2.3 多孔介質(zhì)模型 多孔介質(zhì)模型認(rèn)為非金屬墊片可近似看作各向同性的多孔介質(zhì)，其流道由多個(gè)彎彎曲曲、半徑大小不等的毛細(xì)管組成。氣體通過多孔介質(zhì)可分為層流流動(dòng)和分子流流動(dòng)，其氣體的總流率為層流流率與分子流流率之和。研究表明毛細(xì)管半徑r隨墊片殘余應(yīng)力 的增大而減小，存在 的關(guān)系。這樣就可以得到氣體通過墊片的泄漏率方程： （4） 式中，為常數(shù)，其值可由實(shí)驗(yàn)得到，為泄漏率，，M是氣體相對(duì)分子質(zhì)量，T為氣體絕對(duì)溫度。 2.3 儲(chǔ)罐泄漏模型 罐壁上的腐蝕、疲勞裂紋或孔洞以及碰撞、容器超壓都能導(dǎo)致儲(chǔ)罐泄漏。 2.3.1 氣體泄漏 對(duì)于高壓（低溫）液化氣儲(chǔ)罐，如果處于滿裝狀態(tài)，罐內(nèi)不存在氣相空間，此時(shí)即使少許裂縫出現(xiàn)，由于少量液體的泄漏也會(huì)引起內(nèi)壓的迅速下降而處于過熱狀態(tài)，液體全部汽化，從而最終導(dǎo)致災(zāi)難性破裂（閃蒸）；如果儲(chǔ)罐沒有滿裝，當(dāng)破裂處位于氣相空間時(shí)，在破裂面積較大的情況下，高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出，儲(chǔ)罐內(nèi)壓急劇下降，直到環(huán)境壓力（常溫）。由于內(nèi)壓急劇下降，氣液平衡遭到破壞，儲(chǔ)罐內(nèi)流體處于過熱狀態(tài)，過熱狀態(tài)的液體為了再次恢復(fù)平衡，內(nèi)部會(huì)均勻的產(chǎn)生沸騰核，同時(shí)產(chǎn)生大量氣泡，液體體積急劇膨脹，最終也導(dǎo)致蒸氣爆炸。對(duì)于以上兩種情況（閃蒸），泄漏量可按存儲(chǔ)介質(zhì)瞬間全部泄漏計(jì)算。若裂口面積不大，即使有蒸氣噴出，但由于儲(chǔ)罐內(nèi)壓下降不急劇，液體不會(huì)達(dá)到過熱狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸。氣體或蒸氣不同于液體，它屬于可壓縮流體。當(dāng)氣體或蒸氣以較高速度流動(dòng)時(shí)（倍音速）或前后壓差大于2時(shí)，其在流動(dòng)過程中的動(dòng)能變化和物理性質(zhì)的變化（尤其是密度的變化）就必須加以考慮。氣體或蒸氣的泄放可分為節(jié)流泄放（Throttling Release）和自由泄放（Free Expansion Release）。對(duì)于節(jié)流泄放，氣體或蒸氣的壓縮能絕大部分用來克服摩擦阻力；而對(duì)于自由泄放，則氣體或蒸氣的壓縮能絕大部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。節(jié)流泄放模型需要裂口的詳細(xì)物理特征，在這里就不作討論了，而只考慮較為簡單的自由泄放模型。據(jù)機(jī)械能守恒原理，得到氣體或蒸氣通過孔洞泄漏的質(zhì)量流速模型： （5） 式中： 質(zhì)量泄漏率； 泄漏系數(shù)； 裂口面積； 儲(chǔ)罐內(nèi)壓； 氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量； 理想氣體常數(shù)； 泄漏源溫度； 泄漏處壓力； 熱容比。 泄漏過程在臨界狀態(tài)時(shí)，泄漏源流量最大，此時(shí)泄漏處于塞壓狀態(tài)。對(duì)于理想氣體而言，塞壓是熱容比的函數(shù)，見表2-1。r 表2-1 塞壓和熱容比的關(guān)系 氣體 單原子 1.67 0.487P 兩原子和空氣 1.40 0.528P 三原子 1.32 0.542P 臨界狀態(tài)下，最大質(zhì)量流量的計(jì)算公式如下： （6） 泄漏系數(shù)的確定直接影響氣體泄漏速度的計(jì)算。一般而言，泄漏系數(shù)的取值范圍在之間。按泄漏孔的形狀可分為：圓形孔，（棱越多，泄漏系數(shù)越?。？卓跒閮?nèi)層腐蝕形成的漸縮孔，；孔口為外力機(jī)械損傷形成的漸擴(kuò)孔，。 對(duì)于氣體或蒸氣泄漏，必須考慮動(dòng)力抬升和熱力抬升。其中動(dòng)力抬升是由泄漏方向決定，熱力抬升是由介質(zhì)與環(huán)境的溫差決定的。目前普遍使用國標(biāo)GB3840-83推薦的抬升公式，但該公式只適用于泄漏方向豎直向上和泄漏介質(zhì)的溫度大于環(huán)境溫度。不同的泄漏方向和泄漏介質(zhì)與環(huán)境的溫差將產(chǎn)生不同的泄漏擴(kuò)散效果。 對(duì)于常壓氣體儲(chǔ)存，由于交通事故或系統(tǒng)超壓導(dǎo)致儲(chǔ)罐大面積開裂或超壓爆炸，可認(rèn)為氣體瞬間全部泄放到大氣中，形成云團(tuán)。 2.3.2 液體泄漏 對(duì)于高壓（低溫）液化儲(chǔ)罐，當(dāng)裂口處位于液相空間時(shí)，盡管液體流出并可能發(fā)生閃蒸，但由于液體的流出阻力大，內(nèi)壓下降速度緩慢，儲(chǔ)罐內(nèi)過熱液體不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸。閃蒸所需能量來自于過熱液體中所儲(chǔ)存的能量，即：。為過熱液體的質(zhì)量，是液體的熱容，是降壓前液體的溫度，是降壓后液體的沸點(diǎn)。當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體的蒸發(fā)熱時(shí)可認(rèn)為泄漏的液體不會(huì)發(fā)生閃蒸，此時(shí)的瞬間泄漏量為： （7） 式中：是泄漏處與液面之間的距離，。根據(jù)上式，隨著儲(chǔ)罐漸漸變空，液體高度減少，流速和質(zhì)量流速也隨之減少。泄漏出來的液體會(huì)在地面上蔓延，遇到防液堤而聚集，形成液池；若泄漏源周圍地面平坦，泄漏液體也不會(huì)無限蔓延下去，而是趨于某一最大值，即根據(jù)不同的地表情況選用不同的液池最小厚度來確定液池的最大面積，以便計(jì)算液池的蒸發(fā)或蒸騰速率（泄漏模型的一種）。液池的蒸發(fā)或沸騰所需熱量來自于地面的熱傳導(dǎo)、空氣的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流以及太陽或鄰近熱源的熱輻射等。對(duì)于易揮發(fā)液體，其液池蒸發(fā)的質(zhì)量流量為： （8） 式中：是質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，；是液體的飽和蒸氣壓，；是液體的溫度，K。 當(dāng)大于時(shí)，泄漏出來的液體發(fā)生完全閃蒸，此時(shí)應(yīng)按氣體泄漏處理。當(dāng)小于時(shí)，按兩相流模型計(jì)算： （9） 式中：是兩相混合物的平均密度，；是兩相混合物在儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力；是臨界壓力，一般假設(shè)。可由下式求出： （10） 式中：是閃蒸率；是兩相中蒸氣密度，；是兩相中液體密度，。另外當(dāng)閃蒸率時(shí)，可認(rèn)為不會(huì)形成液池。 2.4 管道泄漏模型 若腐蝕、疲勞裂紋出現(xiàn)在流體輸送管道上或者由于碰撞等原因?qū)е鹿艿罃嗔?，同樣?huì)引起流體的泄漏，具體可分為以下4種情況： （1）氣體或蒸氣沿管道泄漏； （2）氣體或蒸氣通過管道上的孔洞泄漏； （3）液體沿管道泄漏； （4）液體通過官道上的孔洞泄漏。 其中第二種情況同上述氣體或蒸氣通過罐壁上的孔洞泄漏類似，以下是其他3種情況。 2.4.1 氣體或蒸氣沿管道泄漏 氣體或蒸氣沿管道流動(dòng)可分為絕熱流動(dòng)和等溫流動(dòng)。絕熱流動(dòng)適合于蒸氣流快速流過絕熱管道，而等溫流動(dòng)適合于流經(jīng)保持恒溫的非絕熱管道。真實(shí)的流動(dòng)是介于兩者之間的。對(duì)于絕對(duì)流動(dòng)，隨著流體的向前流動(dòng)，壓力下降并轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流體流速不斷增加，當(dāng)達(dá)到音速時(shí)（達(dá)到所謂的塞流），流體將在余下的管城中以音速流動(dòng)，且溫度和壓力不再發(fā)生變化。當(dāng)塞流沒有發(fā)生時(shí)，其出口速度小于音速。氣體或蒸氣沿管道泄漏的質(zhì)量流率為（壓音速）： （11） 若泄漏處于塞流范圍內(nèi)（音速），此時(shí)泄漏的質(zhì)量流率可用以下公式計(jì)算： （12） 式中： 非塞流情況下泄漏的單位面積上的質(zhì)量流率； 塞流情況下泄漏的單位面積上的質(zhì)量流率； 管道內(nèi)達(dá)到塞流前任一點(diǎn)處的溫度，壓力和馬赫數(shù)； 泄漏處的溫度，壓力。 對(duì)于等溫流動(dòng)，假設(shè)流體流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于音速，其單位面積上的質(zhì)量泄漏流率為： （13） 式中： 管道內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力和馬赫數(shù)。 流體溫度。 Levenspiel研究表明，當(dāng)氣體在管道中等溫流動(dòng)時(shí)其最大的流速并不是聲速。根據(jù)馬赫數(shù)，其最大流速是： （14） 單位泄漏面積上的質(zhì)量流率為： （15） 式中： 塞壓。 （16） 2.4.2 液體沿管道泄漏 液體沿管道泄漏的驅(qū)動(dòng)力主要是壓力梯度，而液體與管壁之間的摩擦阻力則導(dǎo)致液體流速的下降、壓力的降低以及熱能的增加。 對(duì)于不可壓縮性液體，其在管中的流動(dòng)可由機(jī)械能守恒來描述，即： （17） 式中： 液體的壓強(qiáng)； 液體的密度； 液體的流速； 無量綱速度廓線修正系數(shù)，其有以下幾種取值：對(duì)于層流，取0.5；對(duì)于塞流，取1.0；對(duì)于湍流，取1.0； 重力加速度； 基準(zhǔn)面上方的高度； 靜摩擦損失項(xiàng)； 軸功； 質(zhì)量。 函數(shù)代表終止?fàn)顟B(tài)與初始狀態(tài)之差。 預(yù)測液體的泄漏速率必須知道泄漏出口處液體的流速，根據(jù)上述方程，計(jì)算泄漏過程中液體的摩擦損失成為關(guān)鍵。對(duì)于不同的液體流動(dòng)情況以及泄漏所經(jīng)過的管路的不同，有不同的摩擦損失計(jì)算公式，參見相關(guān)文獻(xiàn)《Chemical process safety undamentals with application》。 2.4.3 液體通過孔洞泄漏 對(duì)于這種有限孔徑的泄漏，可認(rèn)為軸功為零，標(biāo)高的變化也是可忽略的，泄漏中的摩擦損失可被泄漏系數(shù)，常數(shù)，來近似代替，定義為： （18） 由方程，確定從孔洞中泄漏的液體的平均泄漏速率，， （19） （20） （21） 泄漏系數(shù)是從孔洞中泄漏的流體的雷諾數(shù)和孔洞的直徑的復(fù)雜的函數(shù)。通常情況下，對(duì)于尖角型孔洞和雷諾數(shù)大于30000，取0.61；對(duì)于較圓的噴嘴，可近似取1；對(duì)于與容器連接的短的關(guān)節(jié)（即長度于直徑之比小于3），取0.81；對(duì)于泄漏系數(shù)不知道或不能確定的情況，直接取1.0以使所計(jì)算流量最大化。 若泄漏時(shí)發(fā)生閃蒸，或泄漏后在地面上形成液池，可按照前面所述方法進(jìn)行計(jì)算。 2.5 泄壓元件泄放模型 泄壓元件可分為3類，即安全閥、減壓閥和安全減壓閥。其中，安全閥主要用于氣體、蒸汽或蒸氣的泄壓系統(tǒng)，減壓閥主要用于液體的泄壓系統(tǒng)，而安全減壓閥則用于液體和蒸氣的泄壓系統(tǒng)。 2.5.1 安全閥泄放模型 安全閥的作用是當(dāng)壓力容器內(nèi)的壓力超過其允許值時(shí)，安全閥能自動(dòng)泄放工作介質(zhì)，使容器內(nèi)壓力降低到所需限值，從而保證壓力容器安全運(yùn)行。 安全閥泄放量的數(shù)學(xué)模型如下： （22） 式中： 安全閥泄放量； 安全閥最小排氣截面積； 安全閥泄放壓力（絕壓）； 流量系數(shù)，與安全閥結(jié)構(gòu)有關(guān)； 氣體特性系數(shù)； 氣體的摩爾質(zhì)量； 氣體的溫度； 氣體在操作溫度和壓力的壓縮系數(shù)，可按有關(guān)手冊(cè)查得。 上式表明，在容器操作條件下和不更換安全閥的情況下，安全閥的泄放量隨著容器內(nèi)氣體壓力的增大而增大，但實(shí)際情況并非如此。研究表明，安全閥的泄放量存在一個(gè)最大值，達(dá)到此值后容器內(nèi)壓力再升高也不會(huì)影響其泄放量。這種現(xiàn)象與氣體或蒸氣通過小孔泄漏相似，即壓力容器內(nèi)的氣體在通過安全閥泄漏過程中若形成塞流，此時(shí)即使環(huán)境壓力低于塞壓，其泄漏量也不會(huì)再增加。因此，安全閥的最大泄放量可參考方程（6）來計(jì)算。 2.5.2 減壓閥泄放模型 同液體通過孔洞泄漏類似，可參考式（21）進(jìn)行源強(qiáng)計(jì)算。 2.5.3 安全減壓閥泄放模型 同兩相流泄放模型類似，可參考式（9）進(jìn)行源強(qiáng)計(jì)算。 第三章 擴(kuò)散模型介紹 3.1 擴(kuò)散模型概念 在石油、化工、天然氣、染料等行業(yè)中使用的危險(xiǎn)物質(zhì)中，包括各種類型的有毒有害氣體，如果在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^程中由于人為失誤或其它原因，導(dǎo)致這些物質(zhì)泄漏出來，就有可能對(duì)周圍環(huán)境、人員、設(shè)備造成巨大的破壞和損失。不同種類的有毒有害氣體物質(zhì)在不同條件下的意外泄漏，會(huì)形成不同的擴(kuò)散源，此后在不同條件下會(huì)有不同的擴(kuò)散形式。擴(kuò)散模型是根據(jù)描述物質(zhì)在不同條件下的擴(kuò)散時(shí)所表現(xiàn)出來的物理化學(xué)過程的理論，或經(jīng)驗(yàn)方程而建立的。對(duì)于較復(fù)雜的擴(kuò)散形式，需要中和多種因素分析，來描述擴(kuò)散。為了適用于各種特殊情況，通常需要對(duì)最初的模型進(jìn)行改進(jìn)和修改。針對(duì)不同條件，通過理論和實(shí)踐結(jié)合，不斷修正模擬后得到適用于相應(yīng)條件的模型。 3.2 擴(kuò)散模型作用 擴(kuò)散的過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和建模研究對(duì)預(yù)防事故和應(yīng)急救援工作有著極為重要的意義。 通過合適的擴(kuò)散模型估算下風(fēng)向有毒物質(zhì)濃度，一旦知道了下風(fēng)向的濃度，就可以使用一些準(zhǔn)則來估算后果或影響，這樣通過相應(yīng)的毒性標(biāo)準(zhǔn)可以確定系統(tǒng)的安置距離和合理布置規(guī)劃，為項(xiàng)目或者相關(guān)系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。擴(kuò)散模型的建立和分析對(duì)后果分析也有著不可替代的作用，是后果模型分析的一個(gè)充分條件。 3.3 擴(kuò)散模型 3.3.1 SLAB模型 SLAB（an Atmospheric Dispersion Model for Denser than Air Release，混合層模型：用于重氣的大氣擴(kuò)散模型）模型由美國能源部的勞倫斯-利弗莫爾（Lawrence Livermore）國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，是用于重氣釋放源的大氣擴(kuò)散模型。該模型能夠處理4中不同的釋放源：地面池蒸發(fā)、高于地面的水平射流、一組或高于地面的射流以及瞬時(shí)體積源。 SLAB通過云層分布的空間平均濃度和某些假定分布函數(shù)來計(jì)算時(shí)間平均擴(kuò)散氣體濃度，計(jì)算流程圖如圖3-1所示。模型以空氣卷吸作用為假設(shè)前提，計(jì)算大氣湍流云層混合和源于地面摩擦影響的垂直風(fēng)速變化。SLAB模型把氣云的濃度看作與距離的函數(shù)，通過求解動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、組分、能量和狀態(tài)方程對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬。當(dāng)需要SLAB提供精確結(jié)果時(shí)，可以通過重組控制方程和定義新變量得到部分方程的分析解。在預(yù)測濃度隨時(shí)間變化方面，SLAB模型在穩(wěn)定、中度穩(wěn)定及不穩(wěn)定的大氣環(huán)境下均能得到比較好的預(yù)測結(jié)果。 圖3-1 SLAB模型的結(jié)構(gòu) SLAB包含兩個(gè)大氣擴(kuò)散模型：穩(wěn)態(tài)煙羽模型和瞬變流模型。模擬時(shí)可以根據(jù)源的類型和泄漏持續(xù)時(shí)間來選擇模型。SLAB模型的優(yōu)點(diǎn)是使用簡單、快速；不足之處是模型中未考慮有建筑物存在和地形變化的復(fù)雜情況，亦未考慮高度方向的濃度變化。 3.3.2 DEGADIS模型 DEGADIS（Dense GasAtmospheric Dispersion，重氣大氣擴(kuò)散）大氣擴(kuò)散模型由美國海岸警備隊(duì)和氣體研究所開發(fā)，能夠?qū)Χ唐诃h(huán)境濃度以及預(yù)期將暴露在高于特定有毒化學(xué)品限制濃度水平的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)模擬評(píng)估。DEGADIS模型基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)的高斯擴(kuò)散模型。該模型假設(shè)氣云具有均勻地濃度，能夠描述在平坦地形和無障礙物的無限空間條件下，密度比空氣大的燃?xì)獍l(fā)生泄漏事故時(shí)在大氣中的擴(kuò)散過程。 DEGADIS可以用于模擬面源稠密氣體（或懸浮顆粒）在平坦地形下由大氣邊界層的無動(dòng)力釋放，還可以預(yù)測在溢流事故中氣體擴(kuò)散的距離。 該模型主要優(yōu)點(diǎn)是考慮到了如下重要因素：重力作用于高度蒸氣對(duì)擴(kuò)散和混合的影響；風(fēng)導(dǎo)致的燃?xì)獾氖站圩饔茫粚?duì)區(qū)域而不單是對(duì)點(diǎn)的實(shí)際處理；泄漏狀況隨著時(shí)間改變的情況。 對(duì)于作用于擴(kuò)散燃?xì)獾闹亓τ绊懞驮陲L(fēng)的作用下燃?xì)獾摹笆站邸弊饔盟龅奶幚?，是該模型主要的?yōu)勢(shì)所在。 DEGADIS的應(yīng)用，證明它可以精確描述高密度燃?xì)庠浦械闹亓U(kuò)散和紊流混合過程。DEGADIS模型的局限：只能限制在由平面泄漏的燃?xì)庑孤┖蠊A(yù)測，只考慮了燃?xì)庠圃诠饣砻孢M(jìn)行泄漏擴(kuò)散，而沒有考慮有障礙物的情況，如地形的不同以及建筑物、儲(chǔ)罐等障礙物造成的流動(dòng)的變化。DEGADIS是一個(gè)綜合擴(kuò)散后果模型，應(yīng)用于評(píng)估高危險(xiǎn)性的高密度燃?xì)夂蜌馊苣z的泄漏事故。 3.3.3 ALOHA模型 ALOHA（Area Location of Hazardous Atmosphere，有害大氣區(qū)域定位）模型利用提供的信息和自身的綜合化學(xué)物性參數(shù)庫，預(yù)測發(fā)生化學(xué)事故后，有害氣云如何在大氣中擴(kuò)散。 能處理的問題包括：灑在地面的液體蒸發(fā)（不能處理灑在水面的液體）；基面向蒸氣云的傳熱；壓力容器的氣體、液體及氣溶膠質(zhì)量通量；閃蒸；氣溶膠對(duì)未閃蒸液體的夾帶。 不能處理的問題包括：多組分混合物；氣溶膠蒸發(fā)；燃燒、爆炸和化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物；散粒、巖體和危險(xiǎn)物碎片。 ALOHA模型在使用中存在著以下限制：極低風(fēng)速時(shí)，計(jì)算可接受最低風(fēng)速為10m高處的平均風(fēng)速1m/s；非常穩(wěn)定的大氣條件；風(fēng)速變化和地形變化影響；濃度突變區(qū)域，特別是在釋放源附近。 3.3.4 ARCHIE模型 ARCHIE（Automated Resource for Chemical Hazard Evaluation，化學(xué)危害品評(píng)估自動(dòng)資源）模型由哈茲邁特公司（Hazmat America,Inc.）提出。ARCHIE能夠模擬燃燒、爆炸的有害物（非霰彈有害物）及大氣擴(kuò)散過程，并計(jì)算出在多種條件下各種儲(chǔ)罐、管線和容器的逸出率，計(jì)算逸出化學(xué)品的揮發(fā)速率，以表格形式輸出包括泄放源在地面和沿源高度上中心線的濃度、擴(kuò)散化學(xué)物的抵達(dá)和離開時(shí)間。ARCHIE模型集合了高斯煙團(tuán)模型的許多特點(diǎn)，適用于無障礙物和平坦地面無限空間模擬，并可以為危險(xiǎn)物釋放到大氣后產(chǎn)生的蒸氣擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸影響的評(píng)估提供若干種完整的評(píng)價(jià)方法。 ARCHIE模型本身不包含重氣擴(kuò)散模型。因此它不能處理重氣擴(kuò)散。模型假設(shè)所有氣體都是中性浮力氣體且沿下風(fēng)方向擴(kuò)散，不能用于粗糙地面或相對(duì)潮濕的擴(kuò)散計(jì)算，因此，常被用于模擬揮發(fā)化學(xué)品在泄漏點(diǎn)沿順風(fēng)方向的擴(kuò)散。 3.3.5 UDM模型 UDM模型（Unified Dispersion Model）是PHAST軟件用于計(jì)算泄漏擴(kuò)散的模型。PHAST（Process Hazard Analysis Software Tool）軟件是由DNV開發(fā)的一種專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件。該軟件通過對(duì)發(fā)生事故時(shí)的真實(shí)場景輸入，包括設(shè)備類型、物質(zhì)種類、存儲(chǔ)參數(shù)、泄漏方式、周圍環(huán)境（大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風(fēng)速）等設(shè)置，即可模擬石油化工裝置可能發(fā)生的火災(zāi)和爆炸事故的影響范圍及程度。UDM模型通過計(jì)算在某一時(shí)刻物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的濃度分布，連接等濃度點(diǎn)繪制成等濃度線，通過等濃度線來描述云團(tuán)此時(shí)的高度、寬度、下風(fēng)距離，從而得出發(fā)生事故之后的安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域、準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域。技術(shù)人員可以針對(duì)不同的區(qū)域采取不同的應(yīng)急措施，從而減小事故帶來的影響。 UDM模型主要模擬有限時(shí)間的泄漏。它假定泄漏速度在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)是一個(gè)常量。UDM模型包括兩個(gè)子模型：準(zhǔn)瞬時(shí)模型（Quasi-instantaneous model）和有限時(shí)間修正模型（Finite-duration-correction model）。 準(zhǔn)瞬時(shí)模型主要模擬一個(gè)連續(xù)釋放源的初始階段（忽略下風(fēng)向的垂直和水平擴(kuò)散）。當(dāng)云的寬度相對(duì)于長度變成“大”的時(shí)候，蒸氣云就取而代之地成為一個(gè)“等效的”圓形云團(tuán)，隨后的階段繼續(xù)被模擬成一個(gè)“瞬時(shí)的”圓形云團(tuán)。 有限時(shí)間修正模型是基于從SLAB擴(kuò)散模型派生出的HGSYSTEM公式。有限時(shí)間修正模型有一個(gè)更好的科學(xué)依據(jù)，它逐步考慮順風(fēng)擴(kuò)散的影響，包括湍流的傳播和垂直的風(fēng)切變。該模型的局限性是：嚴(yán)格地來說，它只適用于地面的無壓力釋放，并且沒有明顯的凝雨散落物。此外，它只能預(yù)測最高濃度（地面中心線）。 UDM模型適用于任何泄漏方式，無論是連續(xù)泄漏還是瞬時(shí)泄漏，泄漏氣體是重氣還是中性氣體、浮性氣體，都可采用PHAST軟件描述氣體泄漏擴(kuò)散的過程以及造成的影響，由于模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)場景接近，目前得到了廣泛的關(guān)注。 3.3.6 大氣擴(kuò)散模型的對(duì)比 表3-1 部分大氣擴(kuò)散模型對(duì)比 模型名稱 適用范圍 使用舉例 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) SLAB模型 用于模擬重氣釋放源 密度比空氣大的易燃/有毒氣體，如汽油蒸汽、LPG、硫化氫等 使用簡單、快速，穩(wěn)定、中度穩(wěn)定及不穩(wěn)定的大氣環(huán)境下均能得到比較好的預(yù)測結(jié)果 不考慮有建筑物存在和地形變化的復(fù)雜情況，亦未考慮高度方向的濃度變化 DEGADIS模型 用于模擬面源稠密氣體（或懸浮顆粒）在平坦地形下向大氣邊界層的無動(dòng)力釋放，還可以預(yù)測在溢流事故中氣體擴(kuò)散的距離 LNG、LPG油品儲(chǔ)罐泄漏形成的液池蒸發(fā)擴(kuò)散 考慮了擴(kuò)散燃?xì)獾闹亓τ绊?，在風(fēng)的作用下燃?xì)獾摹笆站邸弊饔?，泄漏狀況隨著時(shí)間改變的情況 只能模擬平面泄漏的燃?xì)庑孤┖蠊?，只考慮了在光滑表面的泄漏擴(kuò)散，而沒有考慮有障礙物的情況 ALOHA模型 用于模擬發(fā)生化學(xué)事故后，有害氣云如何在大氣中擴(kuò)散 壓縮液化氣體泄漏，比如LPG儲(chǔ)罐泄漏蒸汽擴(kuò)散、丙烯儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散等 考慮了液體蒸發(fā)（不能處理灑在水面的液體）、傳熱、壓力容器的氣體、液化及氣溶膠質(zhì)量通量、閃蒸和氣溶膠對(duì)未閃蒸液體的夾帶現(xiàn)象。 只考慮了極低風(fēng)速和非常穩(wěn)定的大氣條件，沒有考慮風(fēng)速變化和地形變化影響，不能模擬多組分混合物、氣溶膠、副產(chǎn)物和危險(xiǎn)物碎片 ARCHIE模型 用于模擬燃燒、爆炸的有害物（非霰彈有害物）及大氣擴(kuò)散過程 油氣燃燒后的有害物質(zhì)擴(kuò)散，如一氧化碳、氮氧化物等等 適用于無障礙物和平坦路面無限空間模擬 不能處理重氣擴(kuò)散，不能用于粗糙地面或相對(duì)潮濕的擴(kuò)散計(jì)算 UDM模型 可以模擬輕、中、重氣各種連續(xù)或瞬時(shí)釋放源 各種易燃/有毒蒸汽/氣體，比如LNG、LPG汽油儲(chǔ)罐泄漏蒸汽擴(kuò)散等等 考慮了高度方向的濃度變化，可以用于粗糙地面或相對(duì)潮濕的擴(kuò)散計(jì)算，還可以模擬多組分混合物 不考慮有建筑物存在和地形變化的復(fù)雜情況 第四章 高斯擴(kuò)散模型 4.1 連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散 連續(xù)電源一般指排放大氣污染物的煙囪、放散管、通風(fēng)口等。排放口安置在地面的稱為地面電源，處于高空位置的稱為高架點(diǎn)源。 4.1.1 大空間點(diǎn)源擴(kuò)散 高斯擴(kuò)散公式的建立有如下假設(shè)：一、風(fēng)的平均流場穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；二、污染物的濃度在y、z軸方向符合正態(tài)分布；三、污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒；四、污染源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)。 圖4-1 高斯擴(kuò)散模型示意圖 圖4-1所示為點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式示意圖。有效源位于坐標(biāo)原點(diǎn)o處，平均風(fēng)向與x軸平行，并與x軸正向同向。假設(shè)點(diǎn)源在沒有任何障礙物的自由空間擴(kuò)散，不考慮下墊面的存在。大氣中的擴(kuò)散是具有y與z兩個(gè)坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布，當(dāng)兩坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立時(shí)，分布密度為每個(gè)坐標(biāo)方向的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積。由正態(tài)分布的假設(shè)二，參照正態(tài)分布函數(shù)的基本形式，取，則在點(diǎn)源下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布函數(shù)為： （1） 式中： 空間點(diǎn)的污染物濃度，； 待定函數(shù)； 分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差，即y、x方向的擴(kuò)散參數(shù)，m。 有守恒和連續(xù)假設(shè)三和四，在任一垂直于x軸的煙流截面上有： （2） 式中： 源強(qiáng)，即單位時(shí)間內(nèi)排放的污染物，； 平均風(fēng)速，。 將式（1）代入式（2），由風(fēng)速穩(wěn)定假設(shè)一，A與y、z無關(guān)，考慮到假設(shè)三和四及，積分可得待定函數(shù)： （3） 將式（3）代入式（1），得大空間連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式： （4） 式中，擴(kuò)散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度和水平距離有關(guān)，并隨的增大而增加。當(dāng)y=0，z=0時(shí)，，即為軸上的濃度，也是垂直于軸截面上污染物的最大濃度點(diǎn)。當(dāng)，，則，表明污染物以在大氣中得以完全擴(kuò)散。 4.1.2 高架點(diǎn)源擴(kuò)散 在點(diǎn)源的實(shí)際擴(kuò)散中，污染物可能受到地面障礙物的阻擋，因此應(yīng)當(dāng)考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影響。處理的方法是，或者假定污染物在擴(kuò)散過程中的質(zhì)量不變，到達(dá)地面時(shí)不發(fā)生沉降或化學(xué)反應(yīng)而全部反射；或者污染物在沒有反射而被全部吸收，實(shí)際情況應(yīng)在兩者之間。 （1）高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式。點(diǎn)源在地面上的投影點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，有效源位于軸上某點(diǎn)，。高架有效源的高度由兩部分組成，即，其中為排放口的有效高度，是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開排放口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度，如圖2-2所示。 圖4-2 地面全反射的高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散 當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可以按照全反射原理，用“像源法”來求解空間某點(diǎn)k的濃度。圖4-2中k點(diǎn)的濃度顯然比大空間點(diǎn)源擴(kuò)散公式（4）計(jì)算值大，它是位于的實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度和反射回來的濃度的疊加。反射濃度可視為由一與實(shí)源對(duì)稱的位于的像源（假想源）擴(kuò)散到k點(diǎn)的濃度。有圖可見，k點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z-H），則實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為（4）的坐標(biāo)沿z軸向下平移距離H： （5） k點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為（z+H），則像源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（4）的坐標(biāo)沿z軸向上平移距離H： （6） 由此，實(shí)源與像源之和即為k點(diǎn)的實(shí)際污染物濃度： （7） 若污染物到達(dá)地面后被完全吸收，則，污染物濃度，即式（5）。 （2）地面全部反射時(shí)的地面濃度。實(shí)際中，高架點(diǎn)源擴(kuò)散問題中最關(guān)心的是地面濃度的分布狀況，尤其是地面最大濃度值和它離源頭的距離。在式（7）中，令z=0，可得高架點(diǎn)源的地面濃度公式： （8） 上式中進(jìn)一步令則可得到沿軸線上的濃度分布： （9） 圖4-3 高架點(diǎn)源地面濃度分布 地面濃度分布如圖4-3所示。y方向的濃度以x軸為對(duì)稱軸按正態(tài)分布；沿x軸線上，在污染物排放源附近地面濃度接近于零，然后順風(fēng)向不斷增大，在離源一定距離時(shí)的某處，地面軸線上的濃度達(dá)到最大值，以后又逐漸減小。 地面最大濃度值及其離源的距離可以由式（9）求導(dǎo)并取極值得到。令，由于均為的未知函數(shù)，最簡單的情況可假定常數(shù)，則當(dāng) （10） 時(shí)，得地面濃度最大值 （11） 由式（10）可以看出，有效源越高，處的值越大，而，則出現(xiàn)的位置離污染源的距離越遠(yuǎn)。式（11）表明，地面上最大濃度與有效源高度的平方及平均風(fēng)速成反比，增加H可以有效的防止污染物在地面某一局部區(qū)域的聚積。 式（10）和式（11）是在估算大氣污染時(shí)經(jīng)常選用的計(jì)算公式。由于它們是在常數(shù)的假定下得到的，應(yīng)用于小尺度湍流擴(kuò)散更合適。除了極穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的大氣條件，通?？稍O(shè)估算最大地面濃度，其估算值與孤立高架點(diǎn)源（如電廠煙囪）附近的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)比較一致。通過理論或經(jīng)驗(yàn)的方法可得的具體表達(dá)式，代入（10）可求出最大濃度點(diǎn)離源的距離，具體可查閱我國GB3840-91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》。 4.1.3 地面點(diǎn)源擴(kuò)散 對(duì)于地面點(diǎn)源，則有效源高度H=0。當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可令式（7）中H=0，即得出地面連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散公式： （12） 其濃度是大空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散式（4）或地面無反射高架點(diǎn)源擴(kuò)散式（5）在H=0時(shí)的兩倍，說明煙流的下半部分完全對(duì)稱反射到上部分，使得濃度加倍。若取y與z等于零，則可得到沿x軸線上的濃度分布： （13） 如果污染物到達(dá)地面后被完全吸收，其濃度即為地面無反射高架點(diǎn)源擴(kuò)散式（5）在H=0時(shí)的濃度，也即大空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散式（4）。 高斯擴(kuò)散模式的一般適用條件是：一、地面開闊平坦，性質(zhì)均勻，下墊面以上大氣湍流穩(wěn)定；二、擴(kuò)散處于同一大氣溫度層結(jié)中，擴(kuò)散范圍小于10km；三、擴(kuò)散物質(zhì)隨空氣一起運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)散輸送過程中不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，地面也不吸收污染物而全反射；四、平均風(fēng)向和風(fēng)速平直穩(wěn)定，且u＞1~2m/s。 高斯擴(kuò)散模式適應(yīng)大氣湍流的性質(zhì)，物理概念明確，估算污染濃度的結(jié)果基本上能與實(shí)驗(yàn)資料相吻合，且只需利用常規(guī)氣象資料即可進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此使用最為普遍。 4.2 連續(xù)線源的擴(kuò)散 當(dāng)污染物沿一水平方向連續(xù)排放時(shí)，可將其視為一線源，如汽車行駛在平坦開闊的公路上。線源在橫風(fēng)向排放的污染物濃度相等，這樣，可將點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式對(duì)變量y積分，即可獲得線源的高斯擴(kuò)散模式。但由于線源排放路徑相對(duì)固定，具有方向性，若取平均風(fēng)向?yàn)閤軸，則線源與平均風(fēng)向未必同向。所以線源的情況較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)考慮線源與風(fēng)向夾角以及線源的長度等問題。 如果風(fēng)向和線源的夾角，無限長連續(xù)線源下風(fēng)向地面濃度分布為： （14） 當(dāng)時(shí)，以上模式不能應(yīng)用。如果風(fēng)向和線源的夾角垂直，即，可得： （15） 對(duì)于有限長的線源，線源末端引起的“邊緣效應(yīng)”將對(duì)污染物的濃度分布有很大影響。隨著污染物接受點(diǎn)距線源的距離增加，“邊緣效應(yīng)”將在橫風(fēng)向距離的更遠(yuǎn)處起作用。因此在估算有限長污染源形式形成的濃度分布時(shí)，“邊緣效應(yīng)”不能忽視。對(duì)于橫風(fēng)向的有限長線源，應(yīng)以污染物接受點(diǎn)的平均風(fēng)向?yàn)閤軸。若線源的范圍是從y1到y(tǒng)2，且y1＜y2，則有限長線源地面濃度分布為： （16） 式中，，積分值可從正態(tài)概率表中查出。 4.3 連續(xù)面源的擴(kuò)散 當(dāng)眾多的污染源在一地區(qū)內(nèi)排放時(shí)，如城市中家庭爐灶的排放，可將他們作為面源來處理。 圖4-4 虛擬點(diǎn)源模型 常用的面源擴(kuò)散模式為虛擬點(diǎn)源法，即將城市按污染源的分布和高低不同劃分為若干個(gè)正方形，每一正方形視為一個(gè)面源單元，邊長一般在0.5～10km之間選取。這種方法假設(shè)：①有一距離為x0的虛擬點(diǎn)源位于面源單元形心的上風(fēng)處，如圖4-4所示，它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度為，等于面源單元寬度B；②面源單元向下風(fēng)向擴(kuò)散的濃度可用虛擬點(diǎn)源在下風(fēng)向造成的同樣的濃度所代替。根據(jù)污染物在面源范圍內(nèi)的分布狀況，可分為以下兩種虛擬點(diǎn)源擴(kuò)散模式： 第一種擴(kuò)散模式假定污染物排放量集中在各面源單元的形心上。由假設(shè)①可得： （17） 由確定的大氣穩(wěn)定度級(jí)別和上式求出的，應(yīng)用P-G曲線圖可查取。再由分布查出和，則面源下風(fēng)向任一處的地面濃度由下式確定： （18） 上式即為點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式（9），式中H取面源的平均高度，m。 如果排放源相對(duì)較高，而且高度相差較大，也可假定z方向上有一虛擬點(diǎn)源，由源的最初垂直分布的標(biāo)準(zhǔn)差確定，再由求出，由求出，由求出，最后代入式（18）求出地面濃度。 第二種擴(kuò)散模式假定污染物濃度均勻分布在面源的y方向，且擴(kuò)散后的污染物全都均勻分布在長為的弧上，如圖4-4所示。因此，利用式（17）求后，由穩(wěn)定度級(jí)別應(yīng)用P－G曲線圖查出，再由查出，則面源下風(fēng)向任一點(diǎn)的地面濃度由下式確定： （19） 第五章 影響大氣擴(kuò)散的若干因素 擴(kuò)散模型描述了有毒物質(zhì)遠(yuǎn)離事故發(fā)生地，并遍及整個(gè)工廠和社會(huì)的空中運(yùn)輸過程，釋放發(fā)生后，空氣重的有毒物質(zhì)被風(fēng)以煙羽方式或者云團(tuán)方式帶走。由于有毒物質(zhì)與空氣的湍流混合和擴(kuò)散，不同因素會(huì)較大程度的影響這一過程，從而影響相應(yīng)的各個(gè)地點(diǎn)的濃度。 大致因素：風(fēng)速；大氣穩(wěn)定度（垂直溫度分布）；地面條件（建筑，樹，水）；泄漏處距地面高度；物質(zhì)泄漏的初始動(dòng)量和浮力（有效高度）。各因素均有相關(guān)的規(guī)定和計(jì)算方式詳見《Chemical Process Satety Fundamentals with Applications》。 第六章 泄漏模擬計(jì)算 通過流程分析，最終定位在PMMA合成反應(yīng)器的PMMA氣體管道進(jìn)行模擬計(jì)算。 6.1 氣體經(jīng)管道孔泄漏 當(dāng)式（1）成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬音速流動(dòng)；當(dāng)式（2）成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬亞音速流動(dòng)。 （1） （2） 式中： 環(huán)境壓力，單位為Pa； 容器內(nèi)介質(zhì)壓力，單位為Pa； 熱容比，。 音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量流率為： （3） 亞音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量利率為： （4） 式中： 氣體泄漏質(zhì)量流率，單位為； 氣體泄漏系數(shù)，與裂口形狀有關(guān)，裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長方形時(shí)取0.90； 裂口面積，單位為； 容器內(nèi)介質(zhì)壓力，單位為Pa； 泄漏氣體或蒸氣的分子量，單位為； 理想氣體常數(shù)，單位為； 氣體溫度，單位為K； 氣體膨脹因子，按式（5）計(jì)算。 （5） 對(duì)從PMMA合成反應(yīng)器上部出來的PMMA（?。怏w分析： 由，氣體屬于音速流動(dòng)。對(duì)管子取，在過程實(shí)際中，大于的管子按20%橫截面積計(jì)算泄漏，則 考慮最差取1.0 。 6.2 氣體管道斷裂 6.2.1 絕熱流動(dòng) 對(duì)于長管或沿管程有較大壓差，氣體流速在大部分情況下接近聲速。對(duì)于涉及塞流絕熱流動(dòng)的情況下，已知管長（L）、內(nèi)徑（d）、上游壓力（P1）和溫度（T1），計(jì)算質(zhì)量通量G步驟如下： （1）由式確定摩擦系數(shù)。假設(shè)是高雷諾數(shù)的完全發(fā)展的湍流。隨后將驗(yàn)證這一假設(shè)，通常情況下該假設(shè)是正確的。 （2）確定： （6） （7） 式中： 馬赫數(shù)； 管道長度，單位為m； 管道內(nèi)徑，單位為m； 氣體膨脹系數(shù)，無量綱。 （3）確定質(zhì)量通量G： （8） （9） （10） 式中： 質(zhì)量通量，單位為； 上游氣體壓力，單位為； 下游氣體壓力，單位為； 上游氣體溫度，單位為； 下游氣體溫度，單位為； （4）由式（10）確定，以確認(rèn)處于塞流情況。 6.2.2 等溫流動(dòng) 對(duì)于大多數(shù)典型問題，已知管長（L）、內(nèi)徑（d）、上游壓力（P1）和溫度（T1），計(jì)算質(zhì)量通量G步驟如下： （1）由式確定摩擦系數(shù)。假設(shè)是高雷諾數(shù)的完全發(fā)展的湍流。隨后將驗(yàn)證這一假設(shè)，通常情況下該假設(shè)是正確的。 （2）確定： （11） （3）確定質(zhì)量通量G： （12） （13） 式中： 質(zhì)量通量，單位為； 上游氣體壓力，單位為； 下游氣體壓力，單位為； 上游氣體溫度，單位為； 馬赫數(shù)； 熱容比，； 理想氣體常數(shù)，單位為； 物質(zhì)分子量，單位為。 該類問題的標(biāo)準(zhǔn)求解過程，是將公國管道的流動(dòng)描述成通過控的流動(dòng)。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，這種方法導(dǎo)致結(jié)算結(jié)果偏大?？追椒ㄍǔ１冉^熱管道方法的計(jì)算結(jié)果大，能夠確保保守的安全的設(shè)計(jì)?？子?jì)算應(yīng)用起來很容易，僅需要管道直徑和上游供給壓力及溫度。不需要管道的詳細(xì)外形，而這一點(diǎn)在絕熱和等溫方法中是困難的。 需要說明的是，對(duì)于每種情況計(jì)算得到的塞壓是不同的，孔的情況和絕熱/等溫情況的差別很大?；诳椎挠?jì)算進(jìn)行的塞流計(jì)算，可能在試劑情況下因?yàn)檩^高的下游壓力，二并不產(chǎn)生塞流。 絕熱和等溫管道方法得到的結(jié)果很接近，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際情況，并不能很容易地確定熱傳遞特性。因此選擇絕熱管道方法，通常能夠得到較大的計(jì)算結(jié)果，適合于保守的安全設(shè)計(jì)。 對(duì)從PMMA合成反應(yīng)器上部出來的PMMA（?。怏w分析： 瞬間釋放：400kg/s。 第七章 擴(kuò)散模擬計(jì)算 本項(xiàng)目探討生產(chǎn)過程中PMMA的無組織排放，考慮使用模型擴(kuò)散進(jìn)行估算。 7.1 大氣穩(wěn)定度確定 大氣穩(wěn)定度確定通常采用分類方法，大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E和F六類，A類表示氣象條件極不穩(wěn)定，B類表示氣象條件中等程度不穩(wěn)定，C類表示氣象條件弱不穩(wěn)定，D類表示氣象條件的穩(wěn)定性在穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間，E類表示氣象條件弱穩(wěn)定，F(xiàn)類表示氣象條件中等程度穩(wěn)定。大氣穩(wěn)定度的具體分類見表7-1和表7-2。 表7-1 Pasquill大氣穩(wěn)定度的確定 地面風(fēng)速 （m/s） 白天日照 夜間條件 強(qiáng) 中等 弱 陰天且云層薄，或低空云量為4/8 天空云量為3/8 <2 A~B B 2~3 B C E F 3~4 B~C C D E 4~6 C~D D D D >6 D D D D 表7-2 日照強(qiáng)度的確定 天空云層情況 日照角>60° 日照角<60°且>35° 日照角>15°且<35° 天空云量為4/8，或高空有薄云 強(qiáng) 中等 弱 天空云量為5/8~7/8 云層高度為2134m~4877m 中等 弱 弱 天空云量為5/8~7/8，云層高度<2134m 弱 弱 弱 7.2 Pasquill-Gifford擴(kuò)散模型 7.2.1 Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程 （1）位于地面Hr高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽 （1） 式中： 連續(xù)排放時(shí)，形成穩(wěn)定的流場后，給定地點(diǎn)的污染物的濃度，單位為； 連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量，單位為； 風(fēng)速，單位為； 側(cè)方向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m； 下風(fēng)向距離，單位為m； 側(cè)風(fēng)向距離，單位為m； 垂直風(fēng)向距離，單位為m。 （2）位于地面Hr高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙囪，坐標(biāo)系位于地面并隨煙團(tuán)移動(dòng) 煙團(tuán)中心在x=ut處，平均濃度方程為： （2） 式中： 瞬時(shí)排放時(shí)，給定地點(diǎn)和時(shí)間t的污染物的濃度，單位為； 瞬時(shí)排放的物料質(zhì)量流量，單位為； 風(fēng)速，單位為； 下風(fēng)向，側(cè)方向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m。 7.2.2 Pasquill-Gifford 模型擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)確定見下表7-3和表7-4： 表7-3 推薦的煙羽擴(kuò)散Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散系數(shù)方程 （下風(fēng)向距離x的單位為m） Pasquill-Gifford