Podmínky zdroje náhodného uvolnění - Accidental release source terms - Wikipedia

Podmínky zdroje náhodného uvolnění jsou matematické rovnice, které kvantifikují rychlost proudění, při které dojde k náhodnému úniku kapaliny nebo plynu znečišťující látky do okolí životní prostředí mohou nastat v průmyslových zařízeních, jako jsou ropné rafinerie, petrochemický rostliny, zemní plyn zpracovatelská zařízení, přeprava ropy a zemního plynu potrubí, chemické závody a mnoho dalších průmyslových činností. Vládní předpisy v mnoha zemích vyžadují, aby byla analyzována pravděpodobnost takových náhodných úniků a aby byl stanoven jejich kvantitativní dopad na životní prostředí a lidské zdraví, aby bylo možné plánovat a provádět zmírňující kroky.

Existuje řada matematických výpočtových metod pro stanovení průtoku, při kterém by mohly být uvolňovány plynné a kapalné znečišťující látky z různých typů nehod. Tyto výpočtové metody se označují jako zdrojové termínya tento článek o zdrojových podmínkách náhodného úniku vysvětluje některé výpočtové metody použité k určení hmotnostní průtok kdy se mohou náhodně uvolnit plynné znečišťující látky.

Náhodné uvolnění stlačeného plynu

Při skladování plynu pod tlak v uzavřené nádobě je vypouštěn do atmosféra otvorem nebo jiným otvorem plyn rychlost tímto otvorem může dojít k udušení (tj. dosáhlo maxima) nebo k udušení.

Udušená rychlost, označovaná také jako zvuková rychlost, nastává, když je poměr absolutního tlaku zdroje k absolutnímu tlaku po proudu roven nebo větší než [(k + 1) / 2]^{k / (k − 1)}, kde k je poměr měrného tepla vypouštěného plynu (někdy nazývaného isentropic expanzní faktor a někdy označován jako ${ displaystyle gamma}$).

Pro mnoho plynů k se pohybuje v rozmezí od asi 1,09 do asi 1,41, a proto [(k + 1) / 2]^{k / (k − 1 )} se pohybuje v rozmezí od 1,7 do přibližně 1,9, což znamená, že udusená rychlost se obvykle vyskytuje, když je absolutní tlak v nádobě zdroje nejméně 1,7 až 1,9krát vyšší než absolutní atmosférický tlak po proudu.

Když je rychlost plynu dusena, rovnice pro hmotnostní průtok v metrických jednotkách SI je:^[1][2][3][4]

${ displaystyle Q ; = ; C ; A ; { sqrt {; k ; rho ; P ; doleva ({ frac {2} {k + 1}} doprava) ^ { frac {k + 1} {k-1}}}}}$

nebo tento ekvivalentní formulář:

${ displaystyle Q ; = ; C ; A ; P ; { sqrt { vlevo ({ frac {; , k ; M} {Z ; R ; T}} vpravo ) left ({ frac {2} {k + 1}} right) ^ { frac {k + 1} {k-1}}}}}$

Pro výše uvedené rovnice je důležité si uvědomit, že ačkoliv rychlost plynu dosáhne maxima a začne se dusit, hmotnostní průtok se neudusí. Pokud se zvýší tlak zdroje, lze hmotnostní průtok stále zvyšovat.

Kdykoli je poměr absolutního tlaku zdroje k absolutnímu tlaku okolního prostředí nižší než [ (k + 1) / 2]^{k / (k − 1)}, pak rychlost plynu není dusená (tj. podzvuková) a rovnice pro hmotnostní průtok je:

${ displaystyle Q ; = ; C ; A ; { sqrt {; 2 ; rho ; P ; doleva [{ frac {k} {k-1}} doprava] left [ left ({ frac {P_ {A}} {P}} right) ^ { frac {2} {k}} - ; , left ({ frac {; P_ {A} } {P}} vpravo) ^ { frac {k + 1} {k}} ; vpravo]}}}$

nebo tento ekvivalentní formulář:

${ displaystyle Q ; = ; C ; A ; P ; { sqrt { vlevo [{ frac {2 ; M} {Z ; R ; T}} vpravo] vlevo [ { frac {k} {k-1}} right] left [, left ({ frac {P_ {A}} {P}} right) ^ { frac {2} {k}} - ; , vlevo ({ frac {P_ {A}} {P}} vpravo) ^ { frac {k + 1} {k}} ; vpravo]}}}$

kde:
Q	= hmotnostní průtok, kg / s
C	= součinitel výboje, bezrozměrný (obvykle asi 0,72)
A	= plocha vypouštěcího otvoru, m2
k	= cstr/Cproti plynu
Cstr	= měrné teplo plynu při konstantním tlaku
Cproti	= měrné teplo plynu při konstantním objemu
${ displaystyle rho}$	= skutečný plyn hustota na P a T, kg / m3
P	= absolutní tlak na vstupu, Pa
PA	= absolutní okolní nebo výstupní tlak, Pa
M	= plyn molekulová hmotnost, kg / kmol (také známý jako molekulová hmotnost)
R	= Konstantní univerzální zákon o plynu = 8314,5 Pa · m3/ (kmol · K)
T	= absolutní teplota předřazeného plynu, K
Z	= plyn faktor stlačitelnosti na P a T, bezrozměrný

Výše uvedené rovnice vypočítají počáteční okamžité hmotnostní průtok pro tlak a teplotu existující ve zdrojové nádobě při prvním uvolnění. Počáteční okamžitý průtok z netěsnosti v systému nebo nádobě na stlačený plyn je mnohem vyšší než průměrný průtok během celkové doby uvolňování, protože tlak a průtok se časem s vypouštěním systému nebo nádoby snižují. Výpočet průtoku v závislosti na čase od zahájení úniku je mnohem komplikovanější, ale přesnější. Dvě rovnocenné metody pro provádění takových výpočtů jsou uvedeny a porovnány na www.air-dispersion.com/feature2.html.

Technická literatura může být velmi matoucí, protože mnoho autorů nedokáže vysvětlit, zda používají konstantu zákona o univerzálním plynu R který platí pro všechny ideální plyn nebo zda používají konstantu zákona o plynu R_s který se vztahuje pouze na konkrétní jednotlivý plyn. Vztah mezi těmito dvěma konstantami je R_s = R/M.

Poznámky:

• Výše uvedené rovnice platí pro skutečný plyn.
• Pro ideální plyn Z = 1 a ρ je ideální hustota plynu.
• 1 kilomol (kmol) = 1000 krtci = 1000 gramů na mol = kilogram na mol.

Ramskillova rovnice pro neškrtený hmotnostní tok

P.K. Ramskillova rovnice ^[5][6] pro neškrtený tok ideálního plynu je uveden níže jako rovnice (1):

(1)       ${ displaystyle Q = C ; rho _ {A} ; A ; { sqrt {{ frac {; , 2 ; P} { rho}} cdot { frac {k} { k-1}} cdot left [; 1 - { left ({ frac {P_ {A}} {P}} right) ^ { frac {k-1} {k}}} right ]}}}$

Hustota plynu, ${ displaystyle rho}$_A, v Ramskillově rovnici je ideální hustota plynu za následných podmínek teploty a tlaku a je definována v rovnici (2) pomocí zákon o ideálním plynu:

(2)       ${ displaystyle rho _ {A} = { frac {M ; P_ {A}} {R ; T_ {A}}}}$

Od teploty po proudu T_A není známo, isentropická expanzní rovnice níže ^[7] se používá k určení T_A ve smyslu známé teploty proti proudu T:

(3)       ${ displaystyle { frac {T_ {A}} {T}} = levý ({ frac {P_ {A}} {P}} pravý) ^ { frac {k-1} {k}}}$

Kombinace rovnic (2) a (3) vede k rovnici (4), která definuje ${ displaystyle rho}$_A ve smyslu známé teploty proti proudu T:

(4)       ${ displaystyle rho _ {A} = { frac {M ; P ^ { frac {k-1} {k}}} {R ; T ; P_ {A} ^ {- { frac { 1} {k}}}}}}$

Použití rovnice (4) s Ramskillovou rovnicí (1) k určení neškrtených hmotnostních průtoků pro ideální plyny poskytuje stejné výsledky jako výsledky získané pomocí neškrtené rovnice toku uvedené v předchozí části výše.

Odpařování nevařené kapalné směsi

V této části jsou uvedeny tři různé metody výpočtu rychlosti odpařování z nevařené kapaliny. Výsledky získané třemi metodami jsou poněkud odlišné.

Metoda amerického letectva

Následující rovnice slouží k předpovědi rychlosti, při které se kapalina odpařuje z povrchu kaluži kapaliny, která je při teplotě okolí nebo blízko ní. Rovnice byly odvozeny z polních testů provedených americkým letectvem s kalužemi kapalného hydrazinu.^[2]

${ displaystyle E = vlevo (4,161 krát 10 ^ {- 5} vpravo) cdot u ^ {0,75} cdot T_ {F} cdot M cdot { frac {P_ {S}} {P_ { H}}}}$

Li T_P = 0 ° C nebo méně T_F = 1.0

Li T_P > 0 ° C tedy T_F = 1.0 + 0.0043 T_P²

${ displaystyle P_ {H} = 760 cdot e ^ {65.3319 - { frac {7245.2} {T_ {A}}} - 8,22 ; ln doleva (T_ {a} doprava) +0,0061557 ; T_ {A}}}$

kde:
${ displaystyle e}$	= 2,7183, základ systému přirozeného logaritmu
${ displaystyle ln}$	= přirozený logaritmus

Metoda US EPA

Následující rovnice slouží k předpovědi rychlosti, při které se kapalina odpařuje z povrchu kaluži kapaliny, která je při teplotě okolí nebo blízko ní. Rovnice byly vyvinuty Spojenými státy Agentura na ochranu životního prostředí pomocí jednotek, které byly směsí metrického využití a využití v USA.^[3] Nemetrické jednotky byly pro tuto prezentaci převedeny na metrické jednotky.

${ displaystyle E = { frac {0,1288 cdot A cdot P cdot M ^ {0,667} cdot u ^ {0,78}} {T}}}$

NB, zde použitá konstanta je 0,284 ze vzorce se smíšenými jednotkami / 2,205 lb / kg. Hodnota 82,05 se stává 1,0 = (ft / m) ² × mmHg / kPa.

Americká EPA také definovala hloubku fondu jako 0,01 m (tj. 1 cm), aby bylo možné vypočítat povrch kapaliny v bazénu jako:

A = (objem bazénu vm³)/(0.01)

Poznámky:

• 1 kPa = 0,0102 kgf /cm² = 0.01 bar
• mol = krtek
• atm = atmosféra

Stiverova a Mackayova metoda

Následující rovnice slouží k předpovědi rychlosti, při které se kapalina odpařuje z povrchu kaluži kapaliny, která je při teplotě okolí nebo blízko ní. Rovnice vyvinuli Warren Stiver a Dennis Mackay z katedry chemického inženýrství na univerzitě v Torontu.^[8]

${ displaystyle E = { frac {k cdot P cdot M} {R cdot T_ {A}}}}$

Odpařování vroucí studené kapaliny

Následující rovnice slouží k předpovědi rychlosti, jakou se kapalina odpařuje z povrchu kaluži studené kapaliny (tj. Při teplotě kapaliny asi 0 ° C nebo méně).^[2]

${ displaystyle E = 0,0001 ; M (7,7026-0,0288 ; B) ; e ^ {- (0,0077 ; B) -0,1376}}$

Adiabatický záblesk uvolňování zkapalněného plynu

Zkapalněné plyny, jako je čpavek nebo chlor, se často skladují ve válcích nebo nádobách při okolní teplotě a tlaku výrazně nad atmosférickým tlakem. Když se takový zkapalněný plyn uvolní do okolní atmosféry, výsledné snížení tlaku způsobí okamžité odpaření části zkapalněného plynu. Toto je známé jako "adiabatické blikání" a následující rovnice, odvozená z jednoduché tepelné bilance, se používá k předpovědi toho, kolik zkapalněného plynu se odpaří.

${ displaystyle X = 100 ; { frac {H_ {s} ^ {L} -H_ {a} ^ {L}} {H_ {a} ^ {V} -H_ {a} ^ {L}}} }$

Pokud data entalpie požadovaná pro výše uvedenou rovnici nejsou k dispozici, lze použít následující rovnici.

${ displaystyle X = 100 cdot c_ {p} cdot { frac {T_ {s} -T_ {b}} {H}}}$

Viz také

• Ucpaný tok
• Clona
• Bleskové odpařování

Reference

externí odkazy

• Ramskillovy rovnice jsou uvedeny a citovány v tomto souboru PDF (pomocí funkce vyhledávání vyhledejte „Ramskill“).
• Ucpaný tok plynů
• Vývoj modelů zdrojových emisí