3 化工泄漏及其控制
3.1 常见泄漏源及泄漏量计算 3.1.1 常见泄漏源介绍
一般情况下，可根据泄漏面积大小和泄漏持续时间长短，将泄漏源分为两类：小孔泄漏-此种情况通常为物料经较小的孔洞长时间持续泄漏，如反应器、储罐、管道上出现小孔，或者是阀门、法兰、机泵、转动设备等处密封失效；大面积泄漏-是指经较大孔洞在很短时间内泄漏出大量物料，如大管径管线断裂、爆破片爆裂、反应器因超压爆炸等瞬间泄漏出大量物料。
通过下图简单介绍各种类型的有限孔释放、蒸气和液体以单相或两相状态从过程单元中喷射情况。
安全阀裂纹孔洞阀门（主体和密封垫）断开或破裂的管道管接头孔洞法兰裂纹泵（主体和密封垫）
小孔泄漏情况
如果液体存储压力大于其大气环境下沸点所对应的压力，那么液面以下的裂缝，将导致泄漏的液体一部分闪蒸为蒸气。由于液体的闪蒸，可能会形成小液滴或雾滴，并可能随风而扩散开来。
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气体/蒸气泄漏蒸气或两相蒸气/液体蒸气气体/蒸气液体液体或液体闪蒸为蒸气
蒸汽和液体以单相或两相状态从容器中泄漏出来
3.1.2 泄漏量计算
如果液体存储压力大于其大气环境下沸点所对应的压力，那么液面以下的裂缝，将导致泄漏的液体一部分闪蒸为蒸气。由于液体的闪蒸，可能会形成小液滴或雾滴，并可能随风而扩散开来。
1）液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算
?p?u2???gz?F?0 ?2式中，p——压力，Pa，习惯上将压强也称为压力；
?——流体密度，kg·m-3；
u——流体的平均速度，m·s-1，简称流速； g——重力加速度，m·s-2； z——高度，m，以基准面为起始； F——阻力损失，J·kg-1； m——质量，kg。
对于某一单元，如下图所示，当液体在稳定的压力作用下经薄壁小孔泄漏时，单元过程中的压力转化为动能。流动着的液体与裂缝所在的壁面之间的摩擦力将液体的一部分动能转化为热能，从而使液体的流速降低。容器内的压力为p1，小孔的直径为d，泄漏面积为A，容器外为大气压力，此种情况下，容器内液体的流速可以忽略，液体通过小孔泄漏期间，认为液体的高度没有发生变化，利用式（3-2）得到：
2
p1 过程单元内的带压液体dA=泄露面积
u?2p1?
Q??uA?A2p1?
s-1。 Q为单位时间内流体流过任一截面的质量，称为质量流量，单位为kg·
考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速度减低，引入孔流系数。其定义为实际流量与理想流量的比值，则经小孔泄漏的实际质量流量为：
Q??uAC0?AC02p1?在很多情况下，难以确定泄漏孔口的孔流系数，为保持足够的安全裕度，确保估算出最
大的泄漏量和泄漏速度，C0值可取为1。对于修圆小孔，如图3-4，孔流系数C0值约为1；对于薄壁小孔（壁厚?d2），当雷诺数Re>105时，C0值约为0.61；若为厚壁小孔（d2<壁厚?4d）或者在容器孔口处外伸有一段短管如图3-5，C0值约为0.81。
d
图2-4 修圆小孔图3-4 修圆小孔 图2-5 厚壁小孔或器壁连有短管 图3-5厚壁小孔或器壁连有短管
【例3-1】下午1:00，工厂的操作人员注意到输送苯的管道中的压力降低了，于是立即将压力恢复为690Pa。下午2:30，操作人员发现了一个管道上直径为6.35mm的小孔并立即进行了修补。请估算流出苯的总量。苯的密度按照879.4kg/m3计算.
解：下午1:00观察到的压力降低是管道上出现小孔的象征。假设小孔在下午1:00到下
午2:30之间，即90min内一直存在。小孔的面积为：
23.14?（6.35?10?3）A??m2?3.17?10?5m2
44假设为圆滑的小孔，取孔流系数为0.61，有：
?d2Q?AC02p1? 3
?(3.17?10?5?0.61?2?690?879.4)kg/s?0.0213kg/s流出苯的总质量为：
0.0213?90?60?115kg
2） 液体经过储罐上的孔洞泄漏的泄漏量计算
储罐PgWs=0z0A0液体
图3-6 储罐上的小孔泄漏
如图3-6所示的液体储罐，距液位高度z0处有一小孔，在静压能和势能的作用下，储罐中的液体流经小孔向下泄漏。泄漏过程由式（3-2）机械能守恒来描述，储罐内的液体流速忽略，假设液体为不可压缩流体，储罐内的液体压力为Pg，外部大气压力（表压P?0）。孔流系数为C0，则泄漏速度为：
u?C0若小孔截面积为A，则质量流量Q为：
2pg??2gz （3-6）
Q??uA??AC02pg? ?2gz （3-7）
由式（3-6）和式（3-7）可见，随着泄漏过程的延续，储罐内液位高度不断下降，泄漏速度和质量流量也均随之降低。如果储罐通过呼吸阀或弯管与大气连通，则内外压力差?p为0，式（3-7），可以简化为：
Q??uA??AC02gz （3-8）
若储罐的横截面为A0，则液位高度随时间变化率为：
AC0dz??2gz （3-9） dtA0
4
边界条件：t?0,z?z0;t?t,z?z 对于式（3-9）进行分离变量积分有：
2gz?2gz0??gC0At （3-10） A0当液体泄漏至泄漏点液位后，泄漏停止，z?0，可得到总的泄漏时间：
t?A02gz0 （3-11）
C0gA将式（3-10）代入（3-8）可以得到随时间变化的质量流量：
Q??AC02gz0??gC02A2A0t （3-12）
如果储罐内盛装的是易燃液体，为防止可燃蒸气大量泄漏于空气中，或空气大量大量进入储罐内的气相空间形成爆炸性混合物，通常情况下会采取通氮气保护的措施。液体的表压力为pg，内外压差即为pg，同理有：
2pgAC0dz （3-13） ??2gz?dtA0?2pgg?AC0?2AC0z?z0?2gz0????t （3-14）
A0?2?A0?将式（3-14）代入（3-7）中得到任意时刻的质量流量Q：
2Q??AC02gz0?2pg???gC02A2A0t （3-15）
【例3-2】如图3-7所示为某一盛装丙酮液体的储罐，上部装有呼吸阀与大气连通。在
其下部有一泄漏孔，直径4cm，已知丙酮的密度为800kg·m-3，已知丙酮的密度为：
储罐（1）最大泄漏量；
（2）泄漏质量流量随时间变化的表达式；
Pg（3）最大泄漏时间；
（4）泄漏量随时间变化的表达式。 解：（1）最大泄漏量即为泄漏点液位以上的所有液体量： 10mm??A0Z0?800??4?42?10?100480?kg?
4mA0（2）泄漏质量流量随时间变化的表达式，C0取值为1，则 Q??AC0?gC02A2 图3-7 储罐上的小孔
2gz0?tA0泄漏
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