化工安全工程课件-第4章 泄漏源模型
- 格式：pdf
- 大小：1.30 MB
- 文档页数：79
源模型给出了流出速率、流出总量(总时间)和流出状态。 l 对存在多种源的过程、设备或工厂，需要多种源来描述
释放。 l 对不确定性问题，参数选择应针对释放速率和释放量
最大化，以确保设计是安全的。
4.1 源模型介绍
2、释放机理
l 大孔（瞬时释放，instantaneous release）——短时间内大 量释放，如储罐的超压爆炸、槽车倾覆等。
l 小孔（连续源释放，continuous release）→连续释放，有限
孔释放。
安全阀
裂纹
孔洞
裂纹
接头 孔洞
阀门（主体+垫片） 泵
裂开或 破裂的 管道
图4-2 各种类型有限孔释放
4.1 源模型介绍
物质的物理状态对释放机理的影响
气体/蒸汽 泄漏
PT＞Pa，可 能闪蒸
Pa
蒸汽或两相 蒸汽/液体PT源自4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
孔洞在液面以下
hL处形成，液体经此 小孔流出。
无轴功，过程单元表
压为Pg，外部为大气 压，故ΔP=Pg。储罐 中液体流速为0。不 可压缩流体
At
Pg
u1 0 Ws 0
hL
u2 u P 1atm
A：泄漏面积
图4-5 过程容器上的小孔泄漏
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l Ws为轴功率（压力·长度）；m为质量流速
4.2. 液体经过孔洞流出
l 对不可压缩液体，有
dP
P
（4-2）
对图4-4情形，无轴功，与基准面的高差可忽略，过程单元 表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg.
Δz=0，摩擦损失可由流出系数常数C1来代替，定义：
P
F
C12
P
（4-3）
将上面几个式子代入式4-1：
（4-1）
l u 为液体平均瞬时流速（长度/时间）；
l gc为重力常数（长度·质量/力·时间2），其值为1(采用SI单位， 无量纲)；
l α为无量纲速率分布修正系数；对层流α =0.5，对活塞流α =1，
对湍流α 1.0；
l g为重力加速度（长度/时间2）；z为高于基准面的高度；
l F为静摩擦损失项（长度·力/质量）
的一个简单的孔，摩擦仅仅是由孔的进口和出口效
应引起的，对Re＞100000，进口的Kf=0，出口的 Kf=1.0， ∑Kf=1.5。则：
2
gc Pg
ghl
（4-9）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l 定义新的流出系数C0：
C0 C1
l 孔洞中流出液体的瞬时流速为：
u C0
2
gc Pg
ghl
l 对于孔洞面积A，瞬时质量流率为：
Qm uA AC0
2
gc Pg
ghl
（4-10） （4-11） （4-12）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
（4-6） （4-7）
4.2. 液体经过孔洞流出
l 说明：C0是雷诺数和孔洞直径的复杂函数，为一 指导性数据： ● 对锋利的孔洞和Re＞30000，C0=0.61， 基本上 与孔径无关； ● 圆滑外形喷嘴， C0=1； ● 与容器连接的短管（L/D＞3），C0=0.81； ● C0未知时，可取1，释放/泄漏量最大。
瞬时（某时刻）释放
本源模型可采用机械能守恒：
dP
u2 2ag c
g gc
z
F
Ws m
（4-1）
无轴功，过程单元表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg。储罐 中液体流速为0。
流出系数C1定义为：
P
g gc
z
F
C12
P
g gc
z
（4-8）
l 确定孔洞中流出的液体瞬时平均流速为：
u C1
中性浮力 重气 其他
结果可能包括： 下风向浓度 影响区域 持续时间
P70 页 教材
第六章
可燃
可燃和/或有毒？
有毒
图4-1 后果分析程序
第6章
可燃
火灾爆炸模型 TNT 当量 多能爆炸 火球 Baker-Strehlow
结果可能包括 冲击波超压 辐射热通量 烟气 财产破坏
有毒
海啸、台风等重大自然灾害过后，由于环境的改 变，往往伴随毒气泄漏与扩散（含放射性物质）。
（4）化学毒剂的恐怖袭击。居安思危是“安全发展” 必不可少的国防战略，我国必须时刻警防境内外 恐怖分子释放化学毒剂。如日本“东京地铁沙林 恐怖事件”就是一个惨痛的教训。
不同事故致因蕴含着共性的科学问题，危险 化学品事故按照时间序列可以分为事前、事中、 事后的不同阶段。
l 从初始高度hL0到任何高度hL进行积分得：
hL
h
0 L
dh L
2 g c Pg
2 gh L
C 0 A
t
dt
At
0
（4-16）
l 得到储罐中的液面高度为：
hL
hL0
C0 A At
2 g c Pg
2
gh
0 L
t
g 2
C0 A At
t
2
（4-18）
l 将（4-18）代入 （4-12）的表达式，得到t时刻质
Kf
4 fL d
l f: 范宁摩擦系数，L:管长，D：管径 。
（4-30）
l f 是雷诺数Re和管道粗糙度ε的函数。具体关系式及取
值见表4-1与图4-7。
l 层流的直线关系；湍流的Colerbrook方程、粗糙管中完 全发展的湍流；光滑管道流； Chen方程等。
4.4液体通过管道流出
4.4液体通过管道流出
B2、对于储罐以恒定压力、液面变化持续泄放，有：
l 孔洞以上的液体总质量为： m At hL
（4-13）
l 储罐内的质量变化率为：
dm dt
At
dh L dt
Qm
l 代入 （4-12）的表达式，有：
（4-14）
dhL C0 A
dt
At
2
gc Pg
ghl
（4-15）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
P
u2 2agc
g gc
z
F
Ws m
（4-28）
l F为摩擦导致的机械能损失，包括管道摩擦损失如 阀门、弯头、孔、管道的进、出口、突然扩大、
突然缩小等。 l 对各种摩擦损失，采用如下损失形式：
F
K
f
u2 2gc
（4-29）
4.4液体通过管道流出
l 式中，Kf为管道或管道配件导致的压差损失，u为流速。 l 对流经管道的液体，
量流出速率：
Qm C0 A
2gc Pg
2ghL0
gC0 A2
At
t
（4-19）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l 高度hL=0时，由(4-18)可得到容器液面降低到孔 洞所在高度处需要的时间：
te
1 C0g
At A
2 g c Pg
2
gh
0 L
2 g c Pg
（4-20）
l 若容器内压力为大气压，Pg=0，(4-20)可简化为：
效果模型 反应—剂量 概率模型 其他
（图 4-1 续） 第 2章
结果可能包括 毒性反应 受影响的人的数量 财产破坏
救助、救援、消 除事故影响
缓解因素： 逃离 应急响应 避难场所 防液堤 其他
后果模型
评估、总结、 立法的基础
图4-1 后果分析程序(续)
4.1 源模型介绍
1 源模型：是后果模拟的重要一个部分。 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。
的第一项可以忽略，且Kf=K∞；对低Re数（Re＜ 50），式（4-39）中的第一项占支配地位，且
说明：
Kf
K1 Re
式(4-39)对孔和管道尺寸的变化也使用；
2-K方法也可以用来描述液体通过孔洞的流出，流出
系数的表达式为 ：
C0
1 1 Kf
(4-40)
4.4液体通过管道流出
l ∑Kf为所有压差损失相之和，包括：进口、出口、 管长和附件。如对于没有管道连接或附件的贮罐上
te
1 C0 g
At A
2 ghL0
（4-21）
液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出
液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出
例4-2
例4-2 续
4.4液体通过管道流出
P2 < P1
L
u2 =u1
Z2
P1
u1
d
Z1
ρ=常数
图4-6 流体经管道流出
4.4液体通过管道流出
l 本模型可由机械能守恒并结合不可压缩流体来表达：
4.4液体通过管道流出
4.4液体通过管道流出
l C4：2-K方法 l 管道附件，阀门及其他流动阻碍物；传统方法是在
（4-30）中使用当量管长。一种改进的方法是使用 2-K方法，使用实际的流程长度而不是当量长度。 l 2-K方法由两个常数来定义压差损失系数。这两个 常数即雷诺数和管道内径。
Kf
K1 Re
液体密度
过程描述 外部环境 泄漏面积 A
P=1atm
u2 u
图4-4 液体通过小孔流出 压力转化为动能，流动时有摩擦，一部分动能转 化为热能，使流速降低。
4.2. 液体经过孔洞流出
机械能守恒方程描述了与流动的液体相联系的各种能量形式：
dP
u2 2agc
g gc
z
F
Ws m
l P为压强（压力/面积）；ρ为液体密度；
第4章 泄漏源模型
释放事件的选择
管线、设备的破裂、断裂、失效 贮罐或管线上的小孔 反应失控 外部火焰对容器的作用 其他……
释放。 l 对不确定性问题，参数选择应针对释放速率和释放量
最大化，以确保设计是安全的。
4.1 源模型介绍
2、释放机理
l 大孔（瞬时释放，instantaneous release）——短时间内大 量释放，如储罐的超压爆炸、槽车倾覆等。
l 小孔（连续源释放，continuous release）→连续释放，有限
孔释放。
安全阀
裂纹
孔洞
裂纹
接头 孔洞
阀门（主体+垫片） 泵
裂开或 破裂的 管道
图4-2 各种类型有限孔释放
4.1 源模型介绍
物质的物理状态对释放机理的影响
气体/蒸汽 泄漏
PT＞Pa，可 能闪蒸
Pa
蒸汽或两相 蒸汽/液体PT源自4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
孔洞在液面以下
hL处形成，液体经此 小孔流出。
无轴功，过程单元表
压为Pg，外部为大气 压，故ΔP=Pg。储罐 中液体流速为0。不 可压缩流体
At
Pg
u1 0 Ws 0
hL
u2 u P 1atm
A：泄漏面积
图4-5 过程容器上的小孔泄漏
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l Ws为轴功率（压力·长度）；m为质量流速
4.2. 液体经过孔洞流出
l 对不可压缩液体，有
dP
P
（4-2）
对图4-4情形，无轴功，与基准面的高差可忽略，过程单元 表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg.
Δz=0，摩擦损失可由流出系数常数C1来代替，定义：
P
F
C12
P
（4-3）
将上面几个式子代入式4-1：
（4-1）
l u 为液体平均瞬时流速（长度/时间）；
l gc为重力常数（长度·质量/力·时间2），其值为1(采用SI单位， 无量纲)；
l α为无量纲速率分布修正系数；对层流α =0.5，对活塞流α =1，
对湍流α 1.0；
l g为重力加速度（长度/时间2）；z为高于基准面的高度；
l F为静摩擦损失项（长度·力/质量）
的一个简单的孔，摩擦仅仅是由孔的进口和出口效
应引起的，对Re＞100000，进口的Kf=0，出口的 Kf=1.0， ∑Kf=1.5。则：
2
gc Pg
ghl
（4-9）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l 定义新的流出系数C0：
C0 C1
l 孔洞中流出液体的瞬时流速为：
u C0
2
gc Pg
ghl
l 对于孔洞面积A，瞬时质量流率为：
Qm uA AC0
2
gc Pg
ghl
（4-10） （4-11） （4-12）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
（4-6） （4-7）
4.2. 液体经过孔洞流出
l 说明：C0是雷诺数和孔洞直径的复杂函数，为一 指导性数据： ● 对锋利的孔洞和Re＞30000，C0=0.61， 基本上 与孔径无关； ● 圆滑外形喷嘴， C0=1； ● 与容器连接的短管（L/D＞3），C0=0.81； ● C0未知时，可取1，释放/泄漏量最大。
瞬时（某时刻）释放
本源模型可采用机械能守恒：
dP
u2 2ag c
g gc
z
F
Ws m
（4-1）
无轴功，过程单元表压为Pg，外部为大气压，故ΔP=Pg。储罐 中液体流速为0。
流出系数C1定义为：
P
g gc
z
F
C12
P
g gc
z
（4-8）
l 确定孔洞中流出的液体瞬时平均流速为：
u C1
中性浮力 重气 其他
结果可能包括： 下风向浓度 影响区域 持续时间
P70 页 教材
第六章
可燃
可燃和/或有毒？
有毒
图4-1 后果分析程序
第6章
可燃
火灾爆炸模型 TNT 当量 多能爆炸 火球 Baker-Strehlow
结果可能包括 冲击波超压 辐射热通量 烟气 财产破坏
有毒
海啸、台风等重大自然灾害过后，由于环境的改 变，往往伴随毒气泄漏与扩散（含放射性物质）。
（4）化学毒剂的恐怖袭击。居安思危是“安全发展” 必不可少的国防战略，我国必须时刻警防境内外 恐怖分子释放化学毒剂。如日本“东京地铁沙林 恐怖事件”就是一个惨痛的教训。
不同事故致因蕴含着共性的科学问题，危险 化学品事故按照时间序列可以分为事前、事中、 事后的不同阶段。
l 从初始高度hL0到任何高度hL进行积分得：
hL
h
0 L
dh L
2 g c Pg
2 gh L
C 0 A
t
dt
At
0
（4-16）
l 得到储罐中的液面高度为：
hL
hL0
C0 A At
2 g c Pg
2
gh
0 L
t
g 2
C0 A At
t
2
（4-18）
l 将（4-18）代入 （4-12）的表达式，得到t时刻质
Kf
4 fL d
l f: 范宁摩擦系数，L:管长，D：管径 。
（4-30）
l f 是雷诺数Re和管道粗糙度ε的函数。具体关系式及取
值见表4-1与图4-7。
l 层流的直线关系；湍流的Colerbrook方程、粗糙管中完 全发展的湍流；光滑管道流； Chen方程等。
4.4液体通过管道流出
4.4液体通过管道流出
B2、对于储罐以恒定压力、液面变化持续泄放，有：
l 孔洞以上的液体总质量为： m At hL
（4-13）
l 储罐内的质量变化率为：
dm dt
At
dh L dt
Qm
l 代入 （4-12）的表达式，有：
（4-14）
dhL C0 A
dt
At
2
gc Pg
ghl
（4-15）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
P
u2 2agc
g gc
z
F
Ws m
（4-28）
l F为摩擦导致的机械能损失，包括管道摩擦损失如 阀门、弯头、孔、管道的进、出口、突然扩大、
突然缩小等。 l 对各种摩擦损失，采用如下损失形式：
F
K
f
u2 2gc
（4-29）
4.4液体通过管道流出
l 式中，Kf为管道或管道配件导致的压差损失，u为流速。 l 对流经管道的液体，
量流出速率：
Qm C0 A
2gc Pg
2ghL0
gC0 A2
At
t
（4-19）
4.3 液体通过贮罐上的孔洞流出
l 高度hL=0时，由(4-18)可得到容器液面降低到孔 洞所在高度处需要的时间：
te
1 C0g
At A
2 g c Pg
2
gh
0 L
2 g c Pg
（4-20）
l 若容器内压力为大气压，Pg=0，(4-20)可简化为：
效果模型 反应—剂量 概率模型 其他
（图 4-1 续） 第 2章
结果可能包括 毒性反应 受影响的人的数量 财产破坏
救助、救援、消 除事故影响
缓解因素： 逃离 应急响应 避难场所 防液堤 其他
后果模型
评估、总结、 立法的基础
图4-1 后果分析程序(续)
4.1 源模型介绍
1 源模型：是后果模拟的重要一个部分。 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。
的第一项可以忽略，且Kf=K∞；对低Re数（Re＜ 50），式（4-39）中的第一项占支配地位，且
说明：
Kf
K1 Re
式(4-39)对孔和管道尺寸的变化也使用；
2-K方法也可以用来描述液体通过孔洞的流出，流出
系数的表达式为 ：
C0
1 1 Kf
(4-40)
4.4液体通过管道流出
l ∑Kf为所有压差损失相之和，包括：进口、出口、 管长和附件。如对于没有管道连接或附件的贮罐上
te
1 C0 g
At A
2 ghL0
（4-21）
液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出
液体通过任意几何形状容器上的孔洞流出
例4-2
例4-2 续
4.4液体通过管道流出
P2 < P1
L
u2 =u1
Z2
P1
u1
d
Z1
ρ=常数
图4-6 流体经管道流出
4.4液体通过管道流出
l 本模型可由机械能守恒并结合不可压缩流体来表达：
4.4液体通过管道流出
4.4液体通过管道流出
l C4：2-K方法 l 管道附件，阀门及其他流动阻碍物；传统方法是在
（4-30）中使用当量管长。一种改进的方法是使用 2-K方法，使用实际的流程长度而不是当量长度。 l 2-K方法由两个常数来定义压差损失系数。这两个 常数即雷诺数和管道内径。
Kf
K1 Re
液体密度
过程描述 外部环境 泄漏面积 A
P=1atm
u2 u
图4-4 液体通过小孔流出 压力转化为动能，流动时有摩擦，一部分动能转 化为热能，使流速降低。
4.2. 液体经过孔洞流出
机械能守恒方程描述了与流动的液体相联系的各种能量形式：
dP
u2 2agc
g gc
z
F
Ws m
l P为压强（压力/面积）；ρ为液体密度；
第4章 泄漏源模型
释放事件的选择
管线、设备的破裂、断裂、失效 贮罐或管线上的小孔 反应失控 外部火焰对容器的作用 其他……
