化工安全概論

大氣擴散 Dispersion

外洩物質將在大氣中擴散，進而影響更廣大地區的民眾 ( 此現象在污染物擴散時亦同 )所以必須瞭解擴散的模式 (dispersion model)，以便評估受影響的地區及範圍，程度。更進而擬定緊急應變疏散等計畫。影響擴散的主要因素 : * 紊流 (turbulence)與大氣穩定度(atmospheric stability) * 風速與風向 * 釋放高度，釋放動力以及浮力

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欲充分掌握狀況，吾人必須有source model + dispersion model effect

Plume model: 連續的穩定釋放 ;Puff model: 一次的立即釋放

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大氣穩定度

紊流產生 : 強制對流 ( 受地形地物影響 ) ，熱對流 ( 受溫度分佈影響，垂直方向 )

Adiabatic lapse rate: 大氣溫度自然隨高度而降低的速率，約為 10oC/1 km; 分為 dry ALR or wet ALR (考慮濕度或不考慮濕度，含濕度效應時，降溫稍小約為 6oC/km); 來自 dT/dz = - g/Cp 關係式

自然界的溫降情形，也會因為早晚而不一樣。

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實際大氣溫度會有許多狀況，例如negative lapse rate ( 不降反升inversion逆轉 ); super-adiabatic lapse rate ( 降得更快 ) 等

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大氣穩定性討論

簡單的說，就是熱漲 ( 往上升 ) 冷縮 ( 往下降 ) 的效應。應該屬於氣象學的一部份。

不穩定狀態 : 會造成垂直方向的混合，煙囪排放的污染物容易接近地面，影響民眾健康

如果外洩氣雲的密度遠高於空氣，則一般的大氣穩定度對此氣雲的影響，會降低。 ( 重力效應增強 or negative buoyancy)

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Pasquill’s Stability Categories

•取自 Marshall, 1987，內容為針對大氣穩定性的分類•category 典型風速 描 述 lapse rate• A 1 m/sec 大晴天無雲 >>> • B 2 晴天溫暖 >> • C 5 白天偶雲 > • D 5 夜晚或多雲日 • E 3 夜晚部份雲 < • F 2 晴空的夜晚 negative

•A 最不穩定的大氣狀態 ( 容易擴散 ); F 最穩定的狀態 dry adiabatic lapse rate (DALR)

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Pasquill-Gifford Dispersion Model

風速 (m/s) 白天日照 晚上雲層 強烈 中等 輕微 多雲 晴朗 <2 A A-B B 2-3 A-B B C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D D D D >6 C D D D D

取自 Marshall, 1987; A – 極不穩定 ; B - 不穩定 ; C – 稍不穩定 ; D – 中性穩定 ; E – 穩定 ; F – 極穩定

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實際的降溫速率與 ALR相比，會產生不同的大氣穩定效果

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有效高度的問題地面濃度是我們主要關心的數據，但排放點高度會影響該數值，而排放時的條件 : I.e. 動量及浮力 ( 溫度效應 ) ，會有影響。

H = h + h (h: 真實高度 ; h 增加的有效高度 ) where h = us d/u [1.5 + (2.68x10-3 P T d/Ts] Holland equation us = 釋放口速度 9m/sec); u = 風速 d = 釋放口內徑 P 大氣壓 (mBar) T = 氣團與大氣溫度差 Ts = 氣團溫度 oK

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表達風向，風速的玫瑰圖。風速多半遵循下列經驗式 : uz = u10 (z/10)n

n 經驗值，0.07 – 0.6間

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重質氣雲Heavy gases or dense gases; 其密度比空氣大，所以容易掉落到地面附近，對人類的影響比較大。氣雲形成的機制有許多種，都很複雜 : 例如蒸汽自容器內噴出，與周遭空氣混合形成 高壓儲存的過熱液體 (I.e. 大於其沸點 ), 外洩後，一部份蒸發而形成 冷凍高壓液體外洩後，吸熱蒸發形成 擴散過程 : (a) initial phase(階段 ): 由氣雲本身的慣性力主導 ; (b) gravity-spreading phase: 此時也開始稀釋作用 ; (c) passive phase: 由大氣本身的穩流決定

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擴散的數學模式發展得日益完備，也有商用軟體出現。實際應用時，邊界條件 / 啟始條件的描述與掌握，仍然困難，將影響模擬結果的準確性。C/t + u C/x = (Kx C/x)/x + (Ky C/y)/y + (Kz c/z)/z例如 point source, continuous release: C(x,y,z,H) = Q/[4 x(Ky Ky) 1/2] exp-[y2 u/(4 Ky x] {exp-[(z-H)2 u/4 Kz x] + exp-[(z+H)2 u/4Kz x]} (x: 風向方向 ; y 水平方向 ; z 高度方向 ) 也有一些簡易的模式

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Release Mitigation Approaches

•early detection and warning: detector, or by personnel

• counter-measurements: water spray, water curtain, steam curtain, air curtain, deliberate ignition, air dilution, foams

• emergency response: on-site communication, emergency shutdown, site evacuation, safety havens, personal protection equipment, medical treatment, (plan, procedure, training, drill)