環(huán)氧乙烷泄漏事故模擬分析

環(huán)氧乙烷泄漏事故模擬分析

環(huán)氧乙烷（eo）是環(huán)氧乙烷行業(yè)中的一種重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，被廣泛使用。主要用于生產(chǎn)乙二醇,還可生產(chǎn)乙醇胺類、醚類、非離子表面活性劑、防凍劑、增塑劑、添加劑、香料、高能燃料、推進(jìn)劑等。至今我國(guó)已經(jīng)引進(jìn)十余套環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置,年生產(chǎn)能力100多萬(wàn)噸,2005年-2010年我國(guó)環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置新建、擴(kuò)建后,年生產(chǎn)能力可達(dá)300多萬(wàn)噸,因此分析環(huán)氧乙烷存儲(chǔ)的危險(xiǎn)性有重要意義。環(huán)氧乙烷具有易燃易爆、有毒有害的特性,存儲(chǔ)過(guò)程中儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏,容易引發(fā)中毒、閃火、蒸氣云爆炸、池火和BELEVE火球事故。文中以某廠環(huán)氧乙烷生產(chǎn)車間為例,采用ALOHA軟件模擬對(duì)環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐泄漏引起的5種事故后果進(jìn)行模擬,定量得出事故的危害影響范圍,定量計(jì)算結(jié)果可為應(yīng)急救援提供依據(jù)。1空氣中環(huán)氧乙烷的特性環(huán)氧乙烷在室溫下是一種無(wú)色,帶有醚味的氣體。常壓下,沸點(diǎn)為10.7℃,閃點(diǎn)-17.8℃,燃點(diǎn)429℃。環(huán)氧乙烷易燃,是第2.1類易燃?xì)怏w,環(huán)氧乙烷蒸氣能與空氣形成廣闊的爆炸性混合物,空氣中的爆炸極限為3～100%,遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。如遇高溫可發(fā)生劇烈分解,引起容器破裂或爆炸事故,接觸堿金屬、氫氧化物活高活性催化劑可大量放熱,可能引起爆炸。其蒸氣比空氣重,能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方,遇明火會(huì)被引著回燃。環(huán)氧乙烷是一種中樞神經(jīng)抑制劑、刺激劑和原漿毒物。吸入環(huán)氧乙烷能引起麻醉中毒、劇烈的頭痛、眩暈、呼吸困難、心臟活動(dòng)障礙等。接觸液體環(huán)氧乙烷會(huì)被灼傷,尤其是40%～80%的EO水溶液,較其他濃度能較快的引起嚴(yán)重的灼傷。美國(guó)職業(yè)防護(hù)與保健局(0SHA)1984年規(guī)定:工作環(huán)境中,8h的平均允許濃度為1ppm。2環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐泄漏可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)事件常壓下,環(huán)氧乙烷的沸點(diǎn)為10.7℃,閃點(diǎn)為-17.8℃,取環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行分析。由于環(huán)境溫度高于環(huán)氧乙烷沸點(diǎn),因而環(huán)氧乙烷泄漏后急速汽化,遇到火源后易燃受壓的環(huán)氧乙烷會(huì)緊跟著產(chǎn)生BELEVE火球;若泄漏汽化后被延遲點(diǎn)燃,可能發(fā)生閃火或蒸氣云爆炸;若擴(kuò)散過(guò)程中未遇火源而形成氣團(tuán),由于環(huán)氧乙烷的毒性會(huì)引發(fā)人員中毒事故;環(huán)氧乙烷(1)大量泄漏后液態(tài)成分遇火燃燒而形成池火災(zāi)。用事件樹(shù)分析表示環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏可能引發(fā)的事故后果如圖1所示。本文應(yīng)用ALOHA模擬軟件對(duì)其事故后果進(jìn)行模擬定量計(jì)算。3計(jì)算機(jī)突發(fā)事件管理本文采用ALOHA軟件對(duì)環(huán)氧乙烷泄漏事故的影響進(jìn)行分析。ALOHA(ArealLocationsofHazardousAtmospheres)是由美國(guó)EPA化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室(CEPPO),國(guó)家海洋和大氣管理響應(yīng)和恢復(fù)辦公室(NOAA)共同開(kāi)發(fā)的程序,是計(jì)算機(jī)輔助突發(fā)事件操作管理(CAMEO)套裝中的一部分。ALOHA包括了一個(gè)近1000種常用化學(xué)品的數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息包括化學(xué)品類型、意外事故位置(市區(qū)或者郊區(qū))、天氣情況(溫度,風(fēng)速和風(fēng)向),還有意外事故變量(存儲(chǔ)物料,泄漏孔尺寸,存儲(chǔ)壓力)等。ALOHA采用的數(shù)學(xué)模型有:高斯模型、DEGADIS重氣擴(kuò)散模型、蒸氣云爆炸、BELEVE火球等成熟的計(jì)算模型。4環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐針對(duì)某廠環(huán)氧乙烷生產(chǎn)車間的環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐,應(yīng)用ALOHA軟件對(duì)其泄漏后可能產(chǎn)生的事故進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,罐區(qū)為水泥地面,假設(shè)環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐與輸料管接口(距儲(chǔ)罐底部0.3米)處發(fā)生破裂而造成連續(xù)性泄漏,泄漏孔的當(dāng)量直徑取為1～10cm,可能形成中毒、閃火或蒸氣云爆炸、池火災(zāi)事故;儲(chǔ)罐受撞擊破裂大量泄漏時(shí)可能發(fā)生BELEVE火球事故。由于環(huán)氧乙烷分子量大于空氣平均分子量,擴(kuò)散計(jì)算中采用重氣擴(kuò)散模型。其他模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(取9月份的氣象條件)如表1所示:4.1急采用預(yù)防因子環(huán)氧乙烷為有毒物質(zhì),儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后,蒸發(fā)擴(kuò)散形成毒氣云團(tuán),對(duì)廠區(qū)內(nèi)工作人員構(gòu)成威脅。應(yīng)用ALOHA軟件對(duì)此事故進(jìn)行模擬計(jì)算,以AIHI美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)制定的美國(guó)應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃指南(ERPG)中給出的ERPG-2、ERPG-3標(biāo)準(zhǔn)濃度值確定影響區(qū)域。ERPG的毒氣影響表示,毒氣濃度在ERPG-2值和ERPG-3值之間會(huì)嚴(yán)重影響人員身體健康,主要是對(duì)某些器官的傷害;毒氣濃度在ERPG-3值以上會(huì)造成嚴(yán)重的、持久的威脅生命的影響。查得環(huán)氧乙烷ERPG-2值為50ppm,ERPG-3值為500ppm。泄漏孔當(dāng)量直徑分別取為1～10cm,其毒性影響距離見(jiàn)表2。毒性影響范圍示意圖以泄漏孔當(dāng)量直徑為5cm的泄漏后果為例,如圖2。表中危害距離表示泄漏源下風(fēng)向距離。4.2生的工作過(guò)程閃火是可燃性氣體或蒸汽泄漏到空氣中,與之混合后被點(diǎn)燃而發(fā)生的一種非爆炸性的燃燒過(guò)程。蒸氣云爆炸是可燃性氣體混合物經(jīng)過(guò)一段延滯時(shí)間后,可燃蒸氣云被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi),由于存在某些特殊原因和條件,火焰?zhèn)鞑ケ患铀?產(chǎn)生危險(xiǎn)的沖擊波超壓。4.2.1接火焰接觸危害的面積閃火的主要危害來(lái)自直接接觸火焰和熱輻射,可燃物云團(tuán)的大小決定了可能造成直接火焰接觸危害的面積。根據(jù)云團(tuán)中環(huán)氧乙烷濃度水平劃分可燃區(qū)域,濃度水平分別為爆炸下限LEL、60%LEL、10%LEL,運(yùn)用ALOHA模擬軟件計(jì)算出形成閃火的危害距離結(jié)果見(jiàn)表3,圖3為泄漏孔徑為10cm時(shí)形成的閃火示意圖。4.2.2超壓強(qiáng)度及事故后果分析蒸氣云爆炸的主要危害來(lái)自沖擊波超壓,模擬計(jì)算中用造成建筑物毀滅、人員重傷和玻璃破碎三種后果程度的超壓強(qiáng)度,即0.055MPa、0.024MPa和0.007MPa來(lái)劃分蒸氣云爆炸危害距離,由ALOHA模擬計(jì)算的事故后果見(jiàn)表4。圖4為泄漏孔徑為5cm時(shí)形成的蒸氣云爆炸事故影響范圍示意圖。4.3不同池火強(qiáng)度環(huán)氧乙烷泄漏后的液態(tài)成分遇火形成池火災(zāi),池火災(zāi)的主要危害是熱輻射,泄漏孔徑大小不同,形成池火強(qiáng)度不同。通常暴露時(shí)間60秒,造成死亡、二度燒傷、造成疼痛的熱輻射強(qiáng)度分別為10kW/m2、5kW/m2、2kW/m2,計(jì)算中以這三個(gè)熱輻射強(qiáng)度劃分影響范圍。ALOHA軟件運(yùn)算得池火熱輻射危害距離見(jiàn)表5,圖5為泄漏孔徑為5cm時(shí)形成的池火熱輻射危害范圍示意圖。4.4環(huán)氧乙烷的汽化性質(zhì)由于罐體腐蝕失效或罐體受外界撞擊破裂等原因而導(dǎo)致環(huán)氧乙烷瞬時(shí)大量泄漏汽化,遇火源產(chǎn)生BELEVE火球,其主要危害也是熱輻射,會(huì)造成一定的人身傷害和建筑物破壞。劃分影響范圍的三個(gè)熱輻射強(qiáng)度與池火災(zāi)熱輻射影響分析中相同,即10、5和2。已知環(huán)氧乙烷比熱為1.97×103J/kg,汽化潛熱5.9×105J/kg,儲(chǔ)存溫度為-4℃,環(huán)境溫度為25℃,罐內(nèi)外溫差為29℃。根據(jù)下式(1)可算得環(huán)氧乙烷的汽化系數(shù)F為0.1。式中F——蒸發(fā)系數(shù)L——環(huán)氧乙烷的汽化潛熱,J/kg。設(shè)環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐受強(qiáng)烈撞擊,瞬時(shí)泄漏量占存儲(chǔ)總量的60%、80%和100%,相應(yīng)泄漏汽化后形成火球的物料量為環(huán)氧乙烷儲(chǔ)存總量的6%、8%、10%。運(yùn)用ALOHA軟件模擬BELEVE火球熱輻射危害距離如表6所示,圖6為瞬時(shí)泄漏汽化為10%時(shí)形成BELEVE火球的熱輻射危害范圍示意圖。5討論5.1應(yīng)急疏散計(jì)算結(jié)果可以看出,毒性影響范圍明顯大于其他事故的危害范圍,因此在人員的應(yīng)急疏散中應(yīng)以毒性影響范圍作為依據(jù)進(jìn)行疏散。計(jì)算中以ERPG-2、ERPG-3濃度劃分危害范圍,相應(yīng)地,在應(yīng)急疏散中環(huán)氧乙烷濃度高于500ppm的區(qū)域應(yīng)為禁區(qū),該區(qū)域內(nèi)禁止人員存留;濃度在50ppm和500ppm之間的區(qū)域應(yīng)設(shè)為出入管制區(qū),禁止人員在該區(qū)域隨意流動(dòng),盡量避免人員在該區(qū)域逗留,必要時(shí)要配有相應(yīng)的安全防護(hù)和保障措施。5.2蒸氣云爆炸和池火災(zāi)a.閃火由于環(huán)氧乙烷的爆炸極限范圍很寬(3%～100%體積濃度),因此環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散后,能達(dá)到LEL值的濃度區(qū)域相對(duì)較大。模擬計(jì)算中給出LEL、60%LEL和10%LEL的濃度區(qū)域,作為確定應(yīng)急警戒區(qū)域的依據(jù),該數(shù)據(jù)是開(kāi)放空間的計(jì)算結(jié)果,會(huì)稍大于實(shí)際值。b.蒸氣云爆炸環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散,濃度達(dá)到爆炸極限且具有一定的紊流條件后,遇到火源很可能引起蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸的主要危害是爆炸超壓,爆炸超壓對(duì)人員造成傷害甚至引起死亡,對(duì)建筑物的破壞性也很大?？筛鶕?jù)計(jì)算得到的可能破壞區(qū)域,對(duì)危害區(qū)域內(nèi)的重要設(shè)施進(jìn)行防護(hù),避免次生事件的發(fā)生。c.BELEVE火球由于罐體腐蝕失效、受外界撞擊破裂等原因而導(dǎo)致環(huán)氧乙烷瞬時(shí)泄漏汽化,遇火源可能產(chǎn)生BELEVE火球,隨之產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射會(huì)造成一定的人身傷害和建筑物破壞。如果罐體受到外界加熱,罐內(nèi)溫度升高使罐內(nèi)環(huán)氧乙烷汽化,內(nèi)部壓力升高會(huì)造成沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BELEVE),其產(chǎn)生的沖擊波和罐體碎片會(huì)對(duì)人員安全造成很大的威脅。因此在實(shí)際工作中要加強(qiáng)管理,減少事故發(fā)生條件。d.池火災(zāi)環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐泄漏后的液態(tài)部分遇火源可能發(fā)生池火災(zāi)。減少池火災(zāi)危害的重要措施是在罐區(qū)設(shè)防火堤,能有效避免火焰的蔓延和人員的靠近。5.3黃粱環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐區(qū)培育方法及安全管理制度結(jié)果可以看出,環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐一旦發(fā)