【www.zhuodaoren.com--百科】
自由,气体扩散方程(一)
各类大气扩散方程
第五章 大气污染扩散
第一节大气结构与气象
有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。
一、大气的结构
气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层，其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层，而空气总质量的98．2％集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围，由于空气极其稀薄，一般视为宇宙空间。
自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中，纯净干空气中的氧气、氮气和氩气三种主要成分的总和占空气体积的99.97％，它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变，为大气的恒定的组分；二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸，陆地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸气含量在4％以下，在极地或沙漠区的体积分数接近于零，这些为大气的可变的组分；而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。
大气的结构是指垂直（即竖直）方向上大气
的密度、温度及其组成的分布状况。根据大气温
度在垂直方向上的分布规律，可将大气划分为四
层：对流层、平流层、中间层和暖层，如图5－1
所示。【自由,气体扩散方程】
1. 对流层
对流层是大气圈最靠近地面的一层，集中了
大气质量的75％和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。
受太阳辐射与大气环流的影响，对流层中空气的
湍流运动和垂直方向混合比较强烈，主要的天气
现象云雨风雪等都发生在这一层，有可能形成污
染物易于扩散的气象条件，也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。因此，该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。
大气对流层的厚度不恒定，随地球纬度增高而降低，且与季节的变化有关，赤道附近
约为15km,中纬度地区约为10～12 km，两极地区约为8km；同一地区，夏季比冬季厚。一般情况下，对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减，约每升高100m平均降低0．65℃。
从地面向上至1～1.5 km高度范围内的对流层称为大气边界层，该层空气流动受地表影响最大。由于气流受地面阻滞和摩擦作用的的影响，风速随高度的增加而增大，因此又称为摩擦层。地表面冷热的变化使气温在昼夜之间有明显的差异，可相差十几乃至几十度。由于从地面到lOOm左右的近地层在垂直方向上热量和动量的交换甚微，所以上下气温之差可达1～2℃。大气边界层对人类生产和生活的影响最大，污染物的迁移扩散和稀释转化也主要在这一层进行。
边界层以上的气流受地面摩擦作用的影响越来越小，可以忽略不计，因此称为自由大气。
2. 平流层
平流层是指从对流层顶到离地高度约55 km范围的大气层，该层和对流层包含了大气质量的99.9 ％。平流层内空气稀薄，比较干燥，几乎没有水汽和尘埃。平流层的温度分布是：从对流层顶到离地约22km的高度范围为同温层，气温几乎不随高度变化，约为－55℃。从22km继续向上进入臭氧带，在这里太阳的紫外辐射被吸收，转化为热能，导致气温随高度增加而上升，到达层顶时气温升高到－3℃左右。平流层内气温下低上高的分布规律，使得该层空气的竖直对流混合微弱，大气基本处于平流运动。因此，该层大气的透明度较好，气流稳定，很少出现云雨及风暴等天气现象。
平流层中的臭氧层是80～100km处的氧分子在太阳紫外辐射作用下光解为氧原子，再与其它氧分子化合成臭氧而形成的，其化合作用主要在30～60km处。从对流层顶向上，臭氧浓度逐渐增大，在22～25km处达最大值，往后逐渐减小，到平流层顶臭氧含量极其微小。因为40km以上，在光化作用下，由氧化合为臭氧和由臭氧光解成氧的过程几乎保持平衡状态。在某种环流作用下，臭氧被送到很少光解的高度以下积聚，集中在15～35km高度之间。通常将22～25km处称为臭氧层。
3. 中间层
中间层是指从平流层顶到高度80km左右范围内的大气层，其空气质量仅占大气质量的
10。该层内温度随高度的增加而下降，层顶的温度可降到－93℃左右。因此，空气的对流运动强烈，垂直方向混合明显。【自由,气体扩散方程】
4. 暖层
暖层为中层顶延伸到800km高空的大气层，该层的空气质量只有大气质量的10。暖层在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，其气温随高度上升而迅速增高，暖层顶部温度可高达500～2000K，且昼夜温度变化很大。暖层的空气处于高度电离状态，因此存在着大量的离子和电子，故又称为电离层。
二、气象要素
气象条件是影响大气中污染物扩散的主要因素。历史上发生过的重大空气污染危害事－5－3【自由,气体扩散方程】
件，都是在不利于污染物扩散的气象条件下发生的。为了掌握污染物的扩散规律，以便采取有效措施防治大气污染的形成，必须了解气象条件对大气扩散的影响，以及局部气象因素与地形地貌状况之间的关系。
在气象学中，气象要素是指用于描述的物理状态与现象的物理量，包括气压、气温、气湿、云、风、能见度以及太阳辐射等。这些要素都能从观测直接获得，并随着时间经常变化，彼此之间相互制约。不同的气象要素组合呈现不同的气象特征，因此对污染物在大气中的输送扩散产生不同的影响。其中风和大气不规则的湍流运动是直接影响大气污染物扩散的气象特征，而气温的垂直分布又制约着风场与湍流结构。下面介绍主要的气象要素：
1. 气压
气压是指大气的压强，即单位面积上所承受的大气柱的重力。气压的单位为Pa，气象学中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定义温度为273K时，位于纬度45平均海平面上的气压值为1013.25hPa，称为标准大气压。对于任一地区，气压的变化总是随着高度的增加而降低。空气在静止状态下，可以用下式表示: o
dpgdZ (5－1)
式中 p—气压，Pa；
Z—大气的竖直高度，m；
ρ—大气密度，kg/m。
2. 气温
气温是指离地面1.5 m高处的百叶箱内测量到的大气温度。气温的单位一般为℃，理论计算中则用绝对温度K表示。
3. 气湿
气湿即为大气的湿度，用以表示空气中的水蒸气含量，气象学中常用绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿等量来表示。
绝对湿度就是单位体积湿空气中所含水蒸气质量，单位为g/m，其数值为湿空气中水蒸气的密度，表明了湿空气中实际的水蒸气含量。水蒸气分压是指湿空气温度下水蒸气的压力，它随空气的湿度增加而增大。当空气温度不变时，空气中的水蒸气含量达到最大值时的分压力称为饱和水蒸气压，此时的空气称为饱和空气，温度即称为露点。饱和水蒸气压随温度降低而下降，若降低饱和空气的温度，则空气中的一部分水蒸气将凝结下来，即结露。相对湿度是湿空气中实际的水蒸气含量与同温下最大可能含有的水蒸气含量的比值，也即实际的水蒸气分压与饱和水蒸气压之比，表明了湿空气吸收水蒸气的能力及其潮湿程度。相对湿度愈小，空气愈干燥，反之则表示空气潮湿。比湿是指单位质量干空气含有的水蒸气质量，单位是g/kg。
4. 云
云是指漂浮在大气中的微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况，其形成、数量、分布及演变也预示着天气的变化趋33
势，可用云量和云高来描述。
云遮蔽天空的份额称为云量。我国规定将视野内的天空分为10等分，云遮蔽的成数即为云量。例如：云密布的阴天时的云量为10；云遮蔽天空3成时云量为3；当碧空无云的晴天时，云量则为0。而国外是把天空分为8等分来，仍按云遮蔽的成数来计算云量。
云底距地面的高度称为云高。按云高的不同范围分为：云底高度在2500m以下称为低云；云底高度在2500～5000m之间称为中云；而云底高度大于5000m之上称为高云。
5. 能见度
能见度是指正常视力的人在当时的天气条件下，从水平方向中能够看到或辨认出目标物的最大距离，单位是m或km。能见度的大小反映了大气混浊或透明的程度，一般分为十个级别，0级的白日视程为最小，50m以下，9级的白日视程为最大，大于50km。
6. 风
风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用风向和风速描述。风向是指风的来向，通常可用16个或8个方位表示，如西北风指风从西北方来。此外也可用角度表示，以北风为0，8个方位中相邻两方位的夹角为45，正北与风向的反方向的顺时针方向夹角称为风向角，如东南风的风向角为135。
风速是指空气在单位时间内水平运动的距离。气象预报的风向和风速指的是距地面10m高处在一定时间内观测到的平均风速。
在自由大气中，风受地面摩擦力的影响很小，一般可以忽略不计，风的运动处于水平的匀速运动。但在大气边界层中，空气运动受到地面摩擦力的影响，使风速随高度升高而增大。在离地面几米以上的大气层中，平均风速与高度之间关系一般可以利用迪肯(Deacon)的幂定律描述： ooo
uu1(z/z1)n
（5－2）
式中 u及u1—在高度Z及已知高度Z1处的平均风速，m/s；
n—与大气稳定度有关的指数。在中性层结条件下，且地形开阔平坦只有少量地表覆盖
物时，n＝1/7。
空气的大规模运动形成风。地球两极和赤道之间大气的温差，陆地与海洋之间的温差以及陆地上局部地貌不同之间的温差，从而对空气产生的热力作用，形成各种类型风，如海陆风、季风、山谷风、峡谷风等。
当气压基本不变时，日出后由于地面吸收太阳的辐射，由底部气层开始的热涡流上升运动逐渐增强，使大气上下混合强度增大，因此下层风速渐大，一般在午后达到最大值；而夜间在地面的冷却作用下，湍流活动减弱直至停止，使下层风速减小，乃至静止。反之，高层大气的白天风速最小，夜间风速最大。
海陆风出现在沿海地区，是由于海陆接壤区域的地理差异产生的热力效应，形成以一天为周期而变化的大气局部环流。在吸收相同热量的条件下，由于陆地的热容量小于海水，因此地表温度的升降变化比海水快。白天，阳光照射下的陆地温升比海洋快，近地层陆地上空
的气温高于海面上空，空气密度小而上升，因此产生水平气压梯度，低层气压低于海上，于是下层空气从海面上流向陆地，称为海风；而陆地高层空间的气压高于海上，气流由陆地流向海洋，从而在这一区域形成空气的闭合环流。夜间，
陆地温降又比海洋快，近地气层的气温低于海面上的
气温，形成了高于海面上的气压，于是下层空气从陆
地流向海上，称为陆风，并与高空的逆向气流形成闭
合环流。海陆风的流动示意图如图5-2所示。
海陆风的影响区域有限。海风高约1000m，一般
深入到陆地20～40km处，最大风力为5～6级；陆风
高约100～300m，延伸到海上8～lOkm处，风力不过3级。在内陆的江河湖泊岸边，也会出现类似的环流，但强度和活动范围均较小。
季风也是由于陆地和海洋的地理差异产生的热力效应，形成以一年四季为周期而变化的大气环流，但影响的范围比海陆风大得多。夏季，大陆上空的气温高于海洋上空，形成低层空气从海洋流向大陆，而高层大气相反流动，于是构成了夏季的季风环流，类似于白天海风环流的循环。冬季，大陆上空的气温低于海洋上空，形成低层空气从大陆流向海洋，高层大气由海洋流向大陆的冬季的季风环流，类似于夜间陆风环流的循环。我国处于太平洋西岸和印度洋西侧，夏季大陆盛行东南风，西南地区吹西南风；冬季大陆盛行西北风，西南地区吹东北风。
山谷风是山区地理差异产生的热力作用而引起的
另外一种局地风，也是以一天为周期循环变化。白天，
山坡吸受较强的太阳辐射，气温增高，因空气密度小而
上升，形成空气从谷底沿山坡向上流动，称为谷风；同
时在高空产生由山坡指向山谷的水平气压梯度，从而产
生谷底上空的下降气流，形成空气的热力循环。夜间，山坡的冷却速度快，气温比同高度的谷底上空低，空气密度大，使得空气沿山坡向谷底流动，形成山风，同时构成与白天反向的热力环流。山谷风的流动示意图如图5－3所示。
峡谷风是由于气流从开阔地区进入流动截面积缩小的狭窄峡谷口时，因气流加速而形成的顺峡谷流动的强风。
三、大气温度的垂直分布
1. 气温直减率
实际大气的气温沿垂直高度的变化率称为气温垂直递减率，简称气温直减率，可用参数表示：
Z （5－3）
式中，负号表示气温随高度而降低。
T
自由,气体扩散方程(二)
电厂废热扩散研究
摘要：电厂发电过程中有超过一半的输入热量被当成废热排放，因此其废热的大气扩散行为不仅使环境评估的重点项目，也是电厂规划阶段的重要考虑因素。本文回顾比较过去的评估计算方式，并重点对FDS4（Fire Dynamics Simulator， Version 4）的模式进行了深入分析。 关键词：电厂；废热；扩散；FDS4
中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1673-8500（2013）02-0049-01
一、引言
中国在2009年11月26日正式对外宣布控制温室气体排放的行动指标，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，已作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。
电力工业为了实现“十一五”能源消耗和主要污染物排放总量控制目标实施“上大压小、节能减排”的能源政策，积极鼓励建设大容量、高参数抽凝式热电机组。但是，这一类热电联产机组为保证安全运行必须通过冷却塔向热电厂周围环境排放大量低温废热，该废热数量巨大，可占到机组额定供热量的30%以上。因此，应当对电厂废热扩散模式进行有效的改进，提升废热的利用率。
二、电厂废热扩散模式演进
用于计算电厂废热大气扩散的模式，大致上可分为高斯烟流模式、热平衡模式以及计算流体力学三大类，这些模式都是“开放来源”可自由下载使用，有完善的文件说明，并由政府单位负责持续维护，具有很高的应用价值。
（一）高斯烟流模式
早期国内评估电厂废热的大气扩散模式，大多使用ISCST3模式，这是假设大气对流对“污染物质”的扩散系数，和对“能量”的扩散系数是相同的前提下进行推算的，因此物质质量的混合稀释比例可应用在计算烟流排放单位时间废热（kcal/s），用起除以比热及密度后即为“增温”。近年来由美国环保署所发展的AERMOD模式可以很好的替代ISCST3，这在地面浓度的模拟将会有更好的表现。然而，由于增温并非我国环保法所管制的项目，相关法规并没有建议使用高斯模式来计算增温，且其方程式没有考虑水汽在环境中的变化、热辐射现象、与建筑物的热交换现象等等，因此，现有的理论与实践中均并不鼓励使用高斯模式。
（二）热平衡模式
SACTI模式的发展，主要应对大型电厂的冷却塔。这些冷却塔经常排放大量的水汽，在环境中不能消散，造成能见度技艺环境质量的降低，因此当时的美国电力研究所委托Argon国家实验室环境评估部门，发展能用在不特定厂址的评估模式。基本上SACTI模式是以先进的积分方式，来求得大气扩散方程式的解析解，在烟流的上升高度上，考虑水汽以及液滴重量所造成的漂移现象，且因液滴的形成，烟流中心线会有重力沉降的现象，因此会略低于原来无水汽状况下所推估的高度。这个水汽的模式可以考虑环境中的温度、相对湿度以及水汽中的固体物质而调整其凝结或蒸发的程序。而且因液滴的粒径改变之后的行为，也以弹道轨迹来加以预测。
（三）计算流体力学模式
25年来NIST为应对建筑材质测试及火灾应变相关设施，包括侦温与侦烟感应器、风扇及风量、烟水器的审查，以及火场的事后责任归属的鉴定工作，发展了以FDS4数值模式进行测试的机制。FDS4为2006年3月推出新产品，包括了模式程序码、执行程序以及绘图程序。由于FDS4应用在火灾的计算，因此除了积分奈史流体方程式之外，特别对低风速状况下火灾中的热量传输现象、烟气热扩散现象、水汽的蒸散与凝结等，有很好的处理。
三、FDS4模式简介
FDS4模式为计算流体力学模式，只需输入边界与初始条件，即能自行计算，简述如下。
（一）模式输入项目
1.边界的设定包括了表面SURF、通风口VENT、阻体OBST、孔洞HOLE。
2.大气环境方面的条件设定归类在MISC。
3.其他如模拟范围的网格、时间与初始化（PDIM、TIME、INIT、TRNX）。
4.模拟物质的性质（SPEC、REAC、RADI、PART）。
5.侦测设备、洒水设备、输出控制条件（ISOF、PL3D、SLCF）。
（二）模式输出项目
1.包括模拟时间与空间内的空气的温度、流速、压力、密度，和空气中的二氧化碳、一氧化碳、氮气、水汽、水滴的浓度，以及烟雾与能见度、热量释放率等。
2.固体表面及内部的温度、热通量、燃烧速率、单位面积的水滴数量。
3.所有模拟范围内的总热量释放率、洒水器与侦测器的开关时间、经过开口或固体表面的能量与质量通量（Flux）。
（三）模式的理论内涵
1.几何形状：使用矩形网络，可以接受许多网络系统。
2.边界条件：所有固体表面的热传导特性（温度）都需要给定，固体表面间的质传与热传均采用经验式的估计。
3.气流动力模式：本模式解析的奈史方程式为低流速、适用于热对流计算的版本，特别强调热传导以及烟流的计算。以外显式预测-修正程序予以数值化，对流模式采用LES（Large Eddy Simulation）模式。这种模式已经广泛应用在行星边界的计算上。
4.辐射模式：模式假设所有的气体都是非散光性的“灰色气体”，具有放射与吸收辐射的能力，在特定条件下，可以设成宽频辐射模式，而非灰色气体模式。辐射模式以有限体积法求解，将空间里三成100个固定的辐射角度，在整体模式中花费约15%的计算资源，由于水滴会吸收大量的辐射热，在模块中也有所考虑到，吸光模式采用Mis理论。
5.燃烧模式、侦测与防灾设施。
（四）模式的应用与限制
FDS4已经被广泛应用在任何因为高温所造成的低风速流场与温度场包括密闭与开放的空间，越有半数为火灾防治设计。另外一半为火场重建与鉴定，由于大气环境中需要详细评估温度的议题并不多，因此相关案例较少。FDS4模式在环境中应用的限制如下：
1.流速的限制：排除喷流、爆炸、近音速的流场。
2.方向几何形状：曲线形将会因解析度的限制而有误差。
3.辐射方面的计算：烟气的吸收与辐射系数只是浓度的函数，而非温度的函数。辐射的角度是固定的，对偏远的位置可能会有误差。
4.发火程序、燃烧等火灾方面的限制。
参考文献：
[1]张鹏飞.水源热泵回收电厂循环冷却水废热进行集中供热的探讨[J].科技风.2011，（01）：257.
[2]张京奉.水源热泵回收电厂冷却水废热供热工程实例[J].煤气与热力.2008，（06）：14-15.
自由,气体扩散方程(三)
页岩气赋存机理研究
【摘要】页岩气（Shale gas），是一种重要的非常规天然气类型，与常规天然气相比，页岩气的赋存机理完全不同，分为吸附气和游离气两种状态，且吸附气占主导。 【关键词】页岩气 赋存机理
随着水力压裂和水平井技术日臻成熟，兴起了页岩气开发热潮，随着技术的进步及探明储量的持续增加，未来页岩气开采将进入爆发式增长期，页岩气的赋存机理也渐渐的加深。对页岩气的赋存机理的研究也是页岩气开发的关键环节。本文基于前人的研究进一步对页岩
气的吸附、游离、溶解等机理做了探索。
1 吸附机理
页岩中页岩气的含量超过了其自身孔隙的容积，用溶解机理和游离机理难以解释这一现象，因为在这里面存在页岩气吸附。
1.1 物理与化学吸附
吸附方式有两种――物理吸附与化学吸附。一般认为，物理吸附是范德华分子力所引起的。物理吸附为主要的吸附方式，其具有吸附时间短、普遍性、无选择性、可逆性的特征。化学吸附是物理吸附的继续，当达到某一条件是就可以发生化学作用（包括化学键的形成和断裂）。化学吸附所需的活化能也比较大，所以在常温下吸附速度比较慢（据张开，1996）。页岩气的化学吸附具有吸附时间长、不可逆性、不连续性、有选择性。两者共同作用使页岩完成对天然气的吸附，但两者所处占主导优势的地位随成藏条件以及页岩和气体分子等改变而发生变化。吸附作用开始很快，越后越慢，由于是表面作用，被吸附到的气体分子容易从页岩颗粒表面解吸下来，进入溶解相和游离相，在吸附和解吸速度达到相等时，吸附达到动态平衡。
1.2 页岩气的吸附方程
由兰氏理论方程得出吸附气量数学表示：
与常规天然气藏不同，部分页岩气以吸附方式赋存，当气体产出储层压力下降时，吸附气以非线性的方式释放。
页岩对页岩气的吸附能力直接决定吸附气量的大小，因此有必要对研究页岩吸附能力的控制因素进行研究。页岩组成、孔隙结构、孔隙裂缝度、压力、温度等影响页岩的吸附能力主要因素。
页岩主要由粘土矿物、粉砂质（石英颗粒）、有机质组成。石英等粉砂级矿物颗粒主要充填于页岩的孔隙中，造成孔隙变小，从而减少了供天然气分子吸附的比表面，所以矿物质含量高，不利于天然气分子的吸附；粘土矿物具有层间和晶间微孔隙，增大了颗粒的比表面积，因此粘土矿物含量高，有利于天然气分子的吸附；总有机质含量与吸附量关系密切，在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩比其含量较低的页岩的甲烷吸附量明显高
一般泥页岩的裂缝、孔隙发育会使孔隙度增高，进而增大页岩中颗粒的比表面积，因而，裂缝、孔隙的增加不但对游离方式天然气的赋存有利，还有利于提高页岩的吸附能力。
岩石的孔隙结构，关系到比表面积的大小，从而对岩石的吸附有很大影响。
气体吸附是放热过程，要提高岩石的吸附能力，需要控制并降低温度。无论是物理吸附，还是化学吸附，温度升高引起解吸趋势的增加，会降低岩石的吸附能力（据张开，1996）。
页岩对天然气分子的吸附能力与压力的关系密切，从吸附等温线上可以看出，岩石中的吸附气含量随压力的增加而增大。
2 游离机理
游离状态的页岩气存在于页岩的孔隙或裂隙中，气体可以自由流动，其数量的多少决定于页岩内自由的空间。这一部分自由气体，称为游离态气体。当气体分子满足了吸附后，多余的气体分子一部分就以游离状态进入岩石孔隙和裂隙中。
游离气量数学表示：
对理想气体，状态方程为 ：
当天然气分子从满足吸附后很可能进入液态物质中发生溶解作用。页岩气一部分以溶解态存在于干酪根、沥青和水中。溶解机理主要以间隙充填和水合作用的形式表现出来。
页岩气体分子和液态烃类接触，由于分子的扩散作用进入干酪根和沥青等烃类分子间的空隙中的作用，称为间隙充填。间隙充填主要受温度和压力影响较大。
页岩中气体分子和水分子相互作用结合或分解的过程为水合作用。这是一个可逆过程当结合和分解的速度相等时它们的达到了一种动态平衡。
溶解气量可由亨利定律知：bcbCKp =
式中：pb―溶质在液态物质上的蒸气平衡分压，Pa；Cb―气体在液态物质中的溶解度，mol/m3；Kc―亨利常数。
在一定温度下气体在液体中气体的溶解度与压力成正比。溶解度取决于液体的温度、矿化度、环境压力和气体成分等。
4 综合赋存机理
页岩气以上述三种机理赋存并不是相互独立的，一成不变的，当页岩生烃量发生变化或外界条件改变时，三种赋存机理的表现形式可以相互转化。
页岩气量综合表达 ：
（式5）
式中：α、β、γ分别是页岩气游离态、吸附态、溶解态综合赋存系数。
5 结论
与常规天然气不同，对于页岩气来说，页岩既是烃源岩又是储集层，因此，无运移或极短距离运移，就近赋存是页岩气成藏的特点。由于页岩气在主体上表现为吸附或游离状态，体现为成藏过程中的没有或仅有极短的距离的运移。页岩气可以在天然裂缝和粒间孔隙中以游离方式存在，在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。生成的天然气一般情况下先满足吸附，然后溶解和游离析出，在一定的成藏条件下，这三种状态的页岩气处于一定的动态平衡体系。
自由,气体扩散方程(四)
弥散氧的开发与应用
摘 要：介绍了弥散氧的新概念，分别从概念提出，设备原理，流程结构及试用状况进行了详细论述，并描述了弥散氧设备的应用前景。 关键词：高原缺氧 变压吸附 制氧机 弥散氧 应用
中图分类号：TQ116 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0002-04
氧气是人们生存必不可少的物质，但是因为地势海拔高（大气稀薄，氧含量低）、环境污染重（局部氧浓度低）、空调环境等因素使人们生活在一个相对缺少氧气的环境，缺氧能引起能量供给不足，同时使人体发生机能、代谢和形态上的变化，并导致很多疾病的产生。因此我们依托变压吸附制氧技术的发展，研发弥散氧设备，以提高人们所处的外环境的氧含量（氧浓度），达到缓解缺氧症状、预防病变，增进健康的目的。
1 氧气的作用和缺氧的危害[1]
生命离不开氧气。氧气是人体新陈代谢的重要物质，是心脏的动力之源，是人类进行生命活动的不可或缺的要素。在人体得到充足的氧气供应的情况下，人体通过进食获取的蛋白质、脂肪、糖等营养物质才能转化成能量，供给人体各个组织器官，保证生命运动的需要。人的生命运动需要源源不断的气态氧。
然而，在高原地区，随着海拔的升高，大气压力随着降低，空气中的氧含量随之降低，根据相关的实验测量数据，海拔高度、环境大气压及空气中的氧含量的关系如图1所示。
当海拔高度超过2000 m时，由于气压降低（只相当于海平面大气压的78%），使大气含氧量骤降22%，一般人体就有不同程度的缺氧反应（俗称高原反应），当海拔继续升高时，就会表现明显的症状：头疼、头晕、胸闷、气短、呼吸急促、心率加快、口唇发紫、血压升高、腿软无力、失眠多梦等。海拔4000 m时，大气含氧量只相当于海平面大气含氧量的60%，即使是身体素质较好者，在7～15 d的适应时间后，上述明显的反应基本消失，但也会体力不足，影响工作和休息。
缺氧对呼吸系统的影响及常见病变：呼吸频次加快，在疲劳或感冒情况下，极易出现肺气肿，一旦处理不善就会危及生命！
缺氧对内循环系统的影响及常见病变：血氧饱和度降低，心跳加快，出现心脏变大，心肌缺血和血红蛋白含量超标；
缺氧对消化系统的影响及常见的病变：消化能力下降，营养吸收不充分，经常腹泻，人明显消瘦；……
缺氧后果的严重程度，同缺氧的持续时间有很大关系，及时纠正缺氧，可以避免或减少组织器官的损伤。
我国有青藏高原、云贵高原等约占国土面积四分之一的高原地区，西藏地区的平均海拔在4500 m以上。近年来，每年到西藏工作或旅游的人数在600万以上，这些人从平原来到高原都会或多或少的受到高原反应的困扰，甚至有个别人员因为缺氧带来的病变被夺去宝贵的生命。
例如，西藏高原上的机场现有环境无法达到飞机过夜条件，原因之一就是高原缺氧、低压，人员高原反应强烈。初上高原适应期一般需要5～7 d，飞行人员一般在拉萨过夜时间为1～2 d，即还未过适应期，飞行人员就回到低海拔地区，对身体影响较大。而克服飞行人员的高原反应就需要给飞行人员创建一个富氧环境，消除缺氧症状，让其休息好，保证充沛的体力和精力。
2 弥散氧的提出
一般来说，用于补充各种环境性缺氧、繁重脑力劳动者、老年人、孕妇和慢性病康复期病人的生理性缺氧，作为预防缺氧的，称为氧保健。氧保健的科学研究，已经在世界范围内得到重视，人们对氧供应影响人体生理、病理复杂机制的认识不断深化。随着认识的深化，氧保健将在预防医学、临床医学、职业病医学、老年医学等领域进一步广泛应用，氧保健将在各种人群中得到广泛认同，进入工作、休闲等领域。氧保健应用领域的扩展也带来了对供氧方式的变革要求，从医院的专业式输氧、高压氧舱的特定方式吸氧发展到要求改善工作生活的用氧环境，从供应纯氧发展到模拟大气环境的最佳用氧浓度。
人体主要是通过肺部呼吸（皮肤也有少量的呼吸功能）来达到吸取氧气，排出二氧化碳等废气的机能，肺部进行气体交换主要是靠气体扩散原理来实现的，而气体产生扩散运动必须存在分压差。但是我们生存的大气环境的氧浓度（20.93%）几乎是保持不变的，在同一海拔情况下氧分压几乎一样。要想进一步提高呼吸效率，提高人体的携氧量，就必须人为提高氧分压，途径主要有提高氧浓度或者大气加压，我们知道进行大气加压是行不通的，所以最好的解决方案就是提高氧浓度。
弥散氧就是通过提高相对封闭空间（比如卧室、办公室等）的氧含量（氧浓度）来改善人体所在的外环境，使人体沐浴在一个富氧的环境中，从而达到改善人体呼吸内环境，促进代谢过程的良性循环，以达到缓解缺氧症状、促进康复和预防病变，增进健康的目的。
同传统吸氧方式相比，弥散氧是直接提高人体所处环境的氧含量，不需要佩带各种呼吸面罩或者喷嘴，解除了传统吸氧方式的各种束缚，使人体能在一个舒服、自由甚至毫无察觉的条件下进行氧保健，甚至可以连续24 h不间断使用，使你的工作、休息都能保持在一个富氧环境中。弥散氧保健，无需专门指导，相对于传统吸氧方式有效的避免了因为吸取纯氧和高压氧所引起的氧中毒的风险。
另外弥散氧设备使用的吸附剂（沸石分子筛）具有对有毒性气体（如：SO2、NO等）强的吸附性能，能起到净化空气的效果，效果快速而肯定，有益而无害。
因此，温州瑞气医用分子筛制氧机在进行市场开发的过程中，与西藏航空达成合作共识，共同开发一种舒适的吸氧方式，即给空乘人员创建一个氧含量充分的环境，消除空乘人员在高原机场工作引起的缺氧症状，使其休息好，保证充沛的体力和精力，并定名为“弥散氧”。此项目需要将室内氧含量提升并自动稳定在一个安全范围内，使空勤人员摆脱了传统鼻吸式供氧的鼻吸管的束缚，可以得到自由的休息。
3 弥散氧设备的选择[2，3] 变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。PSA空分制氧使用的吸附剂一般为分子筛，特别是5A沸石分子筛。由于N2、O2分子的偶极矩不同，N2分子的偶极矩大于O2的偶极矩，吸附剂中的阳离子与N2的作用力大于O2，使得N2的平衡吸附容量高于O2，在中、低压（如0.6 MPa）下分子筛优先吸附氮气，从而达到分离氮、氧的目的。然后通过降压将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来，达到吸附床层的再生。
变压吸附法制氧较其他方法制氧（如低温精馏法、薄膜渗透法和化学吸收法等）具有如下优点。
（1）装置启动迅速，随时开机即可制氧，启动后几分钟至十几分钟便可获得合格产品氧。
（2）装置体积小，操作简单，自动化程度高，不需人工操作。
（3）投资和管理费用比较低，单位产品能耗低（尤其是中小型），气体生产成本低。
（4）产品纯度可以在一定范围内任意调节。
（5）环境效益好，PSA装置的运行不会造成新的环境污染，几乎无“三废”产生。
经过几十年的发展，现在变压吸附法生产的氧气广泛应用于氧化反应，造纸漂白；氧气顶吹转炉炼钢、高炉富氧喷煤炼铁和有色金属的冶炼；环境保护，污水生化处理；医疗保健、家庭氧疗、室内环境、高原补氧，科研氧源以及养殖业用氧等许多领域。
因此，根据变压吸附分子筛制氧设备的特点和现有制氧机的使用经验，选择PSA技术做为弥散氧设备的开发方向。
4 弥散氧设备的流程和结构
弥散氧设备做为民用产品，成本控制成为设备研发的关键点之一，为了降低设备的制造和运行费用，我们对制氧系统的流程进行了优化，通过试验，最后确定弥散氧制氧系统流程如图2所示。
流程简介：本设备由两台微型空压机提供压缩气源，由于分子筛对水分和灰尘的敏感性，配备了风冷却器和过滤器、干燥塔去除气源中的水分和灰尘等杂质，采用两只吸附塔轮流工作、再生以保证连续得到产品氧气。本系统中应用了两个优选的流程：再生气二次吹扫流程和再生气回收流程。
（1）再生气二次吹扫流程：PSA分子筛制氧机要求必须对气源进行处理，去除其中含有的水份，因为一旦分子筛进水或吸水饱和后就会发生分子筛粉化，使制氧机性能下降甚至无法使用。现阶段对气源除水的主要方式有冷冻式干燥（冷干机）、吸附式干燥（吸干机）和过滤（过滤器），冷干机气体干燥程度比吸干机要差，吸干机需要消耗10%左右的再生气比冷干机能耗高。为了保证PSA分子筛用制氧机性能安全可靠，满足设计寿命的要求，我们选择了过滤+吸附式干燥，为了减少能耗，我们创新地采用吸附塔的再生气来吹扫干燥塔，使再生气二次利用，节省了10%的再生气，这样一来吸附式干燥比冷冻式干燥的能耗还低，这项技术目前是首创。
（2）再生气回收流程：要提高PSA分子筛制氧机性能，就要提高分子筛的产气率和回收率。我们通过实验发现吸附塔再生气在最后十几秒的氧含量比较高，因此我们创新流程，将这十几秒的再生气回收利用，大大提高了分子筛的回收率，也相应提高了产气率。因此，同样产氧量的设备所需填装的分子筛就能相应减少，所需配空压机规格也能相应减小，设备成本和能耗就能相应降低。
根据市场需求，我们从医院集中供氧系统和空调设备上获得灵感，使弥散氧设备像空调设备调节室温一样工作，极大的提高了产品的用户体验。将动力设备（空压机）和主要的噪声点（制氧系统）组合成室外机，安装在室外，便于降低设备噪声。将控制系统、监测系统组合成室内机，安装在室内，便于操作控制。采用遥控器辅助，使用方便，操作简单。通过试验和设计改进，最后确定弥散氧设备结构如图3所示。
5 弥散氧设备型号的确定
为了试制样机对弥散氧设备的各项技术指标进行实验检测，我们按如下方法对弥散氧设备的产氧量进行计算。考虑到设备的实用性，以设备在拉萨使用为例进行计算，西藏拉萨地区的海拔约为3600 m，考虑到设备的经济性，以提升到1600 m海拔的氧含量为例进行计算。根据相关的实验测量数据，海拔高度、气温和气压的关系如表1所示。
（1）分别计算1600 m海拔、3600 m海拔的大气压值折算到标准状态（0 ℃，101.325 kPa）时的压力值。
根据理想气体状态方程有：
Pa/Ta=PN/TN 推导出：Pa=PNTa/TN
（1）
式中：Pa为折算到标准状态（0℃，101.325 kPa）时的压力值（MPa）（以下同）；
PN为使用状态下的压力值（MPa）；
TN为气体在使用状态下的温度修正，TN=273+使用温度（K）；
Ta为标准状态下的绝对温度273（K）。
1600 m时，查上表（表1）得4.6 ℃时，大气压为835.2百帕，代入公式（1）：
Pa1600=0.08352×273/（273+4.6）
=0.0821（MPa）
3600 m时，查上表（表1）得-8.4℃时，大气压为649.2百帕，代入公式（1）：
Pa3600=0.06492×273/（273-8.4）
=0.067（MPa）
（2）计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量，由于大气氧含量与大气压成正比：
Pa/Po=ηa/ηo，推导出：ηa=Pa×ηo/Po
（2）
式中：Po为标准状态的压力值（压力常数：0.101325MPa）（以下同）；
ηa为使用海拔状态下的氧含量（g/m3）； ηo为标准状态下0海拔的氧含量（测量常数：299.3 g/m3）。
将公式（1）计算出的Pa值分别代入公式（2），则可分别计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量：
1600 m时：
ηa1600=Pa160×ηo/Po
=0.0821×299.3/0.101325
=242.5（g/m3）
3600 m时：
ηa 3600=Pa3600×ηo/Po
=0.067×299.3/0.101325
=197.9（g/m3）
（3）计算海拔为3600 m时室内氧分压提升到1600 m时氧分压水平所需要达到的氧纯度。标准状态下的氧气密度为1429 g/m3，由前面计算得知，当海拔为1600 m时，一个立方米的空气含242.5 g氧气，折算成标准状态下的氧气体积为：
V0=242.5/1429=0.1697（m3）
式中：V0为折算到标准状态（0℃，101.325 kPa）时的氧气体积值（m3）（下同）；
根据理想气体状态方程：
P0 V0=Pa Va 推导出：Va=P0 V0/Pa
（3）
式中：Va为折算到海拔状态时的氧气体积值（m3）。
将V0代入公式（3），折算成3600海拔时的氧气体积：
Va3600=0.1697×0.101325/0.067
=0.2566（m3）
（4）根据以上计算结果可知，在3600 m海拔的情况下要达到1600 m海拔下的氧分压的值，其室内的氧气纯度（体积比）要控制在25.66%以上。这个纯度值可以做为设备实验和自动控制的参考值。
（5）计算弥散制氧机的氧气流量。由以上氧含量计算结果可知3600 m海拔要达到1600 m海拔的氧分压的水平，必须增加的氧气量（Δη）：
Δη=ηa1600-ηa 3600=242.5-197.9=44.6（g/m3）
假设单个房间面积15 m2，净高3 m，则需氧量等于15×3×44.6=2007（g），标准状态下的氧气密度为1429 g/m3，换算成标准状态下的体积等于2007/1429=1.404（m3）；
假设3 h的弥散空间氧浓度提升时间，30%的持续弥散泄露量（试验数据），以及2人的耗氧量（平均每人每小时耗氧量22 L），90%的供氧纯度，所需氧气流量（Q）为：
Q=[1.404×（1+30%）/3+2×0.022]/0.9
=0.725 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）
根据以上计算，初步确定弥散氧设备试制样机产氧气量为1.0 m3/h（0 ℃，101.325 kPa）。
6 弥散氧设备的试用
在样机试制完成以后，从2007年开始到2009年，我们往返拉萨数十次，实施了数十次试验，历经了3次大的整体改进，定型的弥散氧设备终于在供氧指标、纯度控制、内外机噪音、体积重量和使用寿命、机电安全方面都满足甚至超过了设计需求，特别是在噪音控制方面，外机的噪音低于1.5匹空调外机的运转噪音，内机的噪音人耳根本无法感受得到，满足了拉萨夜间的特殊的静音环境的需要。同时，在七个方面完成了全面创新，为进一步改进产品奠定了理论和实验基础。
2009年1月开始，空军航空医学研究所开始对弥散氧设备进行性能测试，经过在北京试验室的低压舱模拟环境设备性能测试、拉萨机场使用地点实地设备性能测试，以及人体生理指标测试。根据测试结果，我们又对个别指标进行了调整。2009年4月10日，空军航空医学研究所出具了试验报告，确认提交测试的设备满足设计需求，即满足空勤人员房间弥散供氧的技术要求，能够保证空乘人员休息效果良好，无明显缺氧反应。2009年8月18日，列为西藏自治区科技厅重点科研项目的“高原分体式弥散供氧系统”正式通过验收。
2010年以来，共有几百台弥散氧设备陆续在拉萨的机场、宾馆、机关办公室得到应用。对往返于拉萨的人员克服高原反应起到了良好的帮助，获得了良好的社会效益和经济效益。
7 弥散氧设备的应用前景
氧疗和氧保健的出现，意味着人类对于氧的需求由完全仰赖自然向进一步自觉争取的转变，弥散氧设备的出现，使这个转变又迈出了一大步，在人与氧气的历史上谱写了新的篇章。弥散氧设备将在改善人们用氧环境上发挥越来越多的作用。在将来，弥散氧设备上还可以与加湿器和负离子发生器、空气净化器、空调组合，也可以附加二氧化碳、臭氧、温湿度传感器，全面检测和改善房间里的各项理化指标。
随着西藏的开发，人们生活水平的不断提高，到美丽的青藏高原旅游的人数越来越多，这些都为高原弥散氧提供了广阔的市场。随着弥散氧设备开发的进展，适用于车载、帐篷、单兵等的系列产品都将出现。终有一天，“生命禁区”会变成人们的乐园。
空调环境是一个隔离外界的内循环环境，人体不断消耗氧气，致使这个密闭的环境长期处于一个相对缺氧的状态，这种状态已经不同程度地影响人们的工作、学习和生活了。人们长时间呆在空调房里会感到憋闷，甚至烦躁不安，弥散氧是解决这一问题的最佳方案。通过向房间注氧，使房间氧含量达到平衡或者更高，从而解决缺氧问题。
家庭氧保健是弥散氧设备的另一个重要应用方面。现在，很多大、中城市污染严重，慢性病多发，做为预防措施之一的氧保健越来越受到重视，这也使得弥散氧做为保健用氧的一种工具进入家庭应用成为可能。
参考文献
[1] 高春锦.氧疗与氧保健[M].北京：群众出版社，1996：22-41.
[2] 李杰，周理.变压吸附空分制氧的技术进展[J].化学工业与工程，2004（5）：202-205.
[3] 田津津，张玉文，王锐.变压吸附制氧技术的发展和应用[J].深冷技术，2005（6）：7-10.
本文来源：http://www.zhuodaoren.com/shenghuo323222/
推荐访问:对流扩散方程 反应扩散方程