Transcript PowerPoint 簡報

洩漏(leakage classification)狀況的
分類
1. 依流體分類type of fluid: 氣體洩漏gas，液體洩漏
liquid，氣液兩相(vapor-liquid two phases)洩漏
2. 依物件分類: 槽體vessel洩漏，設備(equipment)洩漏，管
線(pipeline)洩漏
3. 依損壞程度分類: 嚴重破損之洩漏(complete rupture)，
部份損毀partial之洩漏
4. 依地點分類: 建築物內洩漏within building，大氣中洩漏
in atmosphere
5. 依高度分類: 地面上之洩漏above, at or below ground，
地面洩漏，地面下洩漏
6. 依流體動量分類: 低流體動量(fluid momentum)洩漏，高
流體動量之洩漏low or high
化工安全概論
Several possible scenarios
化工安全概論
不同的洩漏狀況Different scenarios
 依照前述不同的洩漏狀況
 洩漏速率，洩漏數量量不同，擴散程度不同different
rate, different quantity, different spread
* 例如液體洩漏的數量比氣體洩漏來的多，但擴散距離有
限difference between liquid and gas (vapor)
* 高動量氣體外洩可形成噴流氣體(turbulent momentum
jet), 低動量氣體外洩則形成羽狀氣體雲(plume); 高動量液
體外洩為噴流液體(liquid jet)，低動量外洩液體為液體漫
流(stream)
 嚴重性(seriousness) 當然也就各不相同degree of
hazard
 所以應變方式(emergency response)也有差別
化工安全概論
各種可能(various possibilities)的洩漏狀況
化工安全概論
化工安全概論
化工安全概論
各種洩漏狀況實例different
situations of leakage
氣體洩漏gas leakage: 例如壓力儲槽破洞rupture in pressure
vessel; 經由排放閥排出from vent valve; 壓力槽頂部釋放出來;
由於火災導致氣體的產生及排放due to fire (T, P increase)
液體洩漏liquid leakage: 一般液體儲槽破洞hole in tank，
且破洞在液面之下below liquid level; 含有加壓液體之設備或
管線，其貯存溫度低於其常壓下的沸點
氣液兩相洩漏vapor-liquid mixture: 含液體的壓力儲槽，
且貯存溫度大於常壓沸點store temperature above boiling
temperature，此時儲槽破洞leak from hole; 由於失控反應或
液體發泡導致由釋放閥排出or vent out due to runaway
reaction
化工安全概論
化工安全概論
Spread of Heavy gas 重質氣雲之擴散
heavy gas: density higher than air密度比空氣大; stay near
ground ; cause more harm to human
如果高處釋出, 很快沈降地表附近, 並開始擴散if release from
height, settle to ground quickly, then spread
地表附近釋放if leaked from near ground level: a. 初始相initial
phase, 決定於洩漏動量及風向風速determined by leak momentum
and wind velocity, wind direction; b. 重力延散相 gravity-spreading
phase: 本身動量消失後, 此時密度差造成的擾流turbulence為主
要擴散機制major mechanism for spreading; c. 默從相passive
phase: 濃度concentration becomes small逐漸稀釋密度差減小
density difference small, 大氣紊流為主要影響來源
地形地物ground shape, structure影響擴散, 溝渠trench不可忽
視
化工安全概論
Difference between gaseous
pollutants and heavy gas cloud
gas pollutant 空氣汙染物: 比較稀薄dilute in
concentration, 密度接近空氣density close to air, spread
easily in atmosphere once emitted from chimney從煙囪
放出來後很容易就擴散
 Heavy gas重質氣: density heavier than air密度較大;
停留地表附近stay near ground; cause more harm to
human對人傷害比較嚴重
化工安全概論
Source Models
主要就是估算不同情況下洩漏(排放)的速率to estimate the
leakage rate
flow of liquid through a hole
flow of liquids through a hole in a tank
flow of liquids through pipes
flow of vapor through holes
flow of vapor through pipes
flashing liquids
liquid pool evaporation or boiling
 可以針對以上諸情況，建立必要的公式，據以計算洩漏
排放的速率establish appropriate equations for estimation
化工安全概論
洩漏(排放)速率(leakage rate)
首先要決定外洩物為氣體，液體或者兩相，依據: 熱力
學原理 thermodynamic consideration(外洩狀況為絕熱程序
adiabatic process)  可假設為平衡驟沸 (flash equilibrium)
注意: 容器內的狀態condition for chemical inside the
container可能為高溫高壓，或低溫高壓等等不同的情況。
而外界條件outside condition則為一大氣壓1 atm，＆
ambient temperature。
此一估算程序，相當專業very professional，但對化工人
士而言，應該不算太難should not be too difficult for
chemical engineers。
化工安全概論
氣體排放速率Gas leak rate
壓降大greater pressure drop者為超音速洩漏 (supersonic
flow), 壓降小small pressure drop者為次音速洩漏 (subsonic
flow)
決定的參數: r crit = (P/Pa) crit = [(+1)/2] /(-1) 其中=
Cp/Cv ; P則代表上游(洩漏源leak source)的壓力
依此公式計算，一般流體的 = 1.4  則其r crit = 1.9, 換言
之若洩漏到大氣內，則Pa = 1 bar; then P = 1.9 bar以上時，
會出現超音速洩漏，反之則為次音速洩漏。
化工安全概論
氣體排放速率計算公式more
equations
 Gv = Cd A P /ao (kg/sec)
Cd = discharge coefficient (理論上為Re函數，多在0.6 – 1.0間);
A = 排放口面積; P = 容器內壓力; ao = 氣體音速 = (RT/M) 1/2
次音速subsonic洩漏: = {22/(-1) (P/Pa) 2/ [1 – (P/Pa) (-1)/} 1/2
超音速supersonic洩漏:  =  (2/(+1)) (+1)/2(-1) (此為自孔洞中洩
漏的最大流速) 此一狀況又稱之為choked flow
化工安全概論
計算範例example
Ex. 氮氣nitrogen storage tank儲槽200 psig, 80oF, 有
一個small hole小洞0.1 inch dia., 請計算洩漏速率。
Ans. 氮氣的=1.4  r crit = 1.9  如今 P/Pa =
214.7/14.7 = 14.6 > 1.9  所以為超音速流體
 採用公式為  =  (2/(+1)) (+1)/2(-1) = 0.81  then Gv =
Cd A P/ao = (此處Cd取為1.0) = 3.79 x 10-2 lbm/sec …
答案
化工安全概論
液體洩漏排放速率計算leak rate for
liquid
計算公式為: GL = Cd A [ 2 (p – pa)/ + 2 g h] ½
其中p, pa 分別為洩漏的上游與下游upstream and
downstream pressure壓力; Cd仍為discharge coefficient; h 代
表孔洞上方的液位差difference in level between liquid top
and hole
•當為浮頂儲槽float top時，(p-pa)=p (gauge)項目可以忽略
•若為一般ordinary storage tank儲槽，此項目(p-pa)代表槽內
高出外界的壓力值
化工安全概論
估算槽內液體洩漏完畢所需的時間
estimate the time for complete leak
GL =  u A 為任一時間的洩漏速率leak rate
m =  At hL 為任一時間槽內液體的量quantity at time t，
hL為當時的液面高度，At 為儲槽的截面積
Then dm/dt = - GL  改為hL 的式子
 dhL/dt = - Cd A/At [2 (p-pa)/+ g hL] ½
解之，可以估算出當GL = 0 所需要的時間
 t = At/A (1/Cd g) [2 (p – pa)/ + g hLo] ½
化工安全概論
若液體自管口洩漏leak from pipe
•例如輸送管線rupture in pipeline斷了，因而洩漏不止，其速率
its rate估算方法如後:
所使用的計算公式，就是Bernoulli equation (mechanical
energy balance equation)
P/ + u2/2 + g z + F = -Ws/m
F = frictional loss [如果只是直管，比較容易估算，如果還要
包括閥等管件，就會複雜一些] = f(Re)
一般估算程序為，先猜一個friction factor  帶入計算出速
度 u  計算Re  查出對應的f  重新計算u 直到收斂為止
洩漏速率leak rate =  u A
化工安全概論
氣液兩相流的洩漏速率計算leak rate
for two phase mixture
理論上比較困難的情況，主要因為加壓液體外洩到大
氣中時，當貯存溫度高於其常壓沸點時，自然發生驟沸
現象，產生氣體，形成氣液兩相流的情況
 公式的項目也很複雜complicated，所以在此跳過skip
here。
化工安全概論
可燃物外洩的引起災害possible
hazard from combustible materials
Combustible or toxic 可燃或有毒
瞬間大量氣體外洩instant and large quantity of gas，並被引
燃  火球 fire ball
瞬間大量氣體外洩large quantity of gas，擴散一段距離後
spread to some distance，才被引燃  閃火flash fire 或氣雲爆
炸 unconfined vapor cloud explosion
由連續源continuous外洩(氣或液)，立即被引燃ignite
immediately  噴流火焰jet flame
連續源外洩(氣體)，擴散一段距離後才被引燃ignite after a
while  閃火或氣雲爆炸
可燃液體liquid外洩，擴散一段距離後被引燃  池火pool
fire
化工安全概論
氣雲之形成過程vapor cloud
formation
 Influenced by factors 影響因子包括: 物質儲存的條
件storage condition T, P, 外洩之方式leakage
situation (rate, quantity), 物質的特性 (chemical
characteristics, boiling point, density), 外界風速
(wind condition, direction, speed), 地形地物 (ground
shape, structure), 濕度(humidity)等; 最後結合空氣,
蒸氣, 液滴, 水滴而產生混合氣雲to form vapor cloud
化工安全概論