环氧乙烷系统的安全泄放及爆炸事故后果分析

环氧乙烷系统的安全泄放及爆炸事故后果分析

胡福恒

中核第四研究设计工程有限公司  河北石家庄  050021

摘要：针对环氧乙烷这种重点监管的危险化学品，从基本特性和危险特点方面进行了详细论述，并进一步阐述了安全泄放设施的设计，并对TNT当量与爆炸事故后果进行了计算方法的合理选择和定量分析，可保证爆炸状态下人员及周围设施的安全。

关键词：环氧乙烷；安全泄放；爆炸；模拟

环氧乙烷具有易燃易爆、易聚合的特点，是国家安监局首批重点监管的危险化学品。由于近年来安全事故频发，环氧乙烷的安全性受到国家相关部门的高度重视。

1.环氧乙烷的基本特性和危险特点

环氧乙烷属于重点监管的危险化学品，具有易燃易爆、易聚合的特点，主要用于制造甲硝唑、苯酰甲硝唑、表面活性剂、增塑剂等产品。闭杯闪点-17.8℃，沸点10.7℃，爆炸体积分数为3%-100%，其火灾危险性为甲A类（液化烃类）。环氧乙烷急性毒性为类别3，气相属于类别1易燃气体。环氧乙烷属于高度危害的化学介质，在40℃以上易发生快速聚合，在40℃以下也会发生缓慢聚合，若遇高温热源可发生剧烈分解，引起储罐或反应罐破裂酿成火灾或爆炸事故，当接触锡和铝的无水氯化物、铁和铝的氧化物、碱金属、氢氧化物或高活性催化剂时可大量放热并引起爆炸。

2.环氧乙烷安全泄放设施的设计

环氧乙烷储罐和反应罐的安全泄放系统包括安全阀与爆破片，靠罐进口静压驱动，在出现自动排气阀损坏且釜内超压时开启，以防止内部流体压力的上升造成罐损坏而引发事故。

安全阀的阀型分为全启式和微启式两种，对于环氧乙烷储罐和反应罐而言，应选用全启式安全阀。安全阀的结构选择除需要考虑到温度、介质、工作压力、背压力等诸多方面因素的影响外，还要考虑环氧乙烷易聚合堵塞安全阀入口的特点。我们在安全阀前串联了爆破片，这样做可以充分体现两种泄放装置各自的优势，也能弥补两种泄放装置各自的不足。在爆破片前设置了氮气吹扫以方便定期对爆破片前聚合的环氧乙烷进行吹扫。要求爆破片带有远传功能，在爆破后开启氮气自控阀对环氧乙烷气体进行稀释，也方便通知管理人员进行处理。

爆破片的设置相当于是在系统中设置一个强度薄弱的部分。当设备超压至爆破片的标定爆破压力，爆破片瞬间爆破，泄放通道完全打开。爆破片的结构选择需要考虑到温度、工作压力、操作压力比（最大工作压力与最小爆破压力之间的比值）、介质等诸多方面因素的影响。爆破片安全装置主要由爆破片和夹持器组成。常见的爆破片有正拱型、反拱形和平板型。目前环氧乙烷储罐和反应罐上最常使用的是反拱形爆破片，出于以下三方面因素的考虑：（1）考虑操作压力比的影响，正拱型操作压力比≥1.25，反拱型操作压力比≥1.1，因此反拱型爆破片的操作压力比更小；（2）反拱形更适用于有真空的情况；（3）反拱型更有利于氮气吹扫。

如忽略环氧乙烷反应量的增减及温度的影响，仅考虑反应热导致液体物料及溶媒蒸发量的增加，则环氧乙烷反应罐安全泄放量按式（1）计算：

                              （1）

式中：-环氧乙烷反应罐的安全泄放量，；

-环氧乙烷反应的反应热，;

-在泄放压力下液体物料及溶媒的汽化潜热，;

泄放面积的计算可分为临界条件和亚临界条件确定：

（1）临界条件，即时，

泄放面积             （2）

（2）亚临界条件，即时，

泄放面积       （3）

式中：C-气体特征系数；

K-泄放装置的泄放系数；

k-气体绝热指数；

-泄放装置出口侧压力（绝压），MPa；

-泄放装置的泄放压力（绝压），MPa；

Z-气体的压缩系数；

M-气体的摩尔质量，g/mol；

-泄放装置的泄放温度，K；

以上计算安全泄放量与泄放面积的公式既适用于安全阀，也适用于爆破片。

3.TNT当量分析

环氧乙烷泄漏后与空气混合均可能形成爆炸性混合气体，遇明火、静电火花等点火源可引起爆炸。其爆炸能量用TNT当量描述。即将参与爆炸的可燃气体释放的能量折合为能释放相同能量的TNT炸药的量。

TNT当量计算公式：            （4）

折合

式中：——蒸气云的TNT当量，kg；

——蒸气云燃料的总质量，kg；

α——蒸气云爆炸的效率因子（爆炸涉及的总能量中只有一小部分真正对爆炸有贡献，是爆炸后果分析中最重要、也最难知道的参数），表示参与爆炸的可燃气体的分数，一般取3%或4%，本论文取3%；

——蒸气燃烧热，kJ/kg；

——TNT的爆炸热，4500kJ/kg；

TNT的摩尔质量为227g。

4. 爆炸事故后果模拟分析

分析环氧乙烷爆炸后果的方法主要有蒸气云爆炸事故后果模拟法和爆炸冲击波事故后果模拟法，前者应用较多。环氧乙烷泄漏后产生的蒸气云遇静电、火花等后会引起爆炸，荷兰应用研究院提出了蒸气云爆炸的冲击波的损害半径的计算方法：

              （5）

式中：R——损害半径，m；

E——爆炸能量，KJ，可按下式计算：E=MHC ；

M——

参与反应的可燃气体的质量，kg；

HC——可燃气体的高燃烧热值，kJ/kg，HC（环氧乙烷）=1306 kJ/mol =29648kJ/kg；

N——效率因子，其值与燃烧浓度持续展开所造成损耗的比例和燃烧所得机械能的数量有关，一般取N=10%；

CS——经验常数，取值：0.03～0.4。

5.分析与结论

    环氧乙烷系统上安装的安全泄压装置包括安全阀与爆破片，采用串联的方式，安全阀通常选用全启式，爆破片通常选用反拱型，爆破片前设氮气吹扫。环氧乙烷的TNT当量很大，爆炸后对周围设施的影响也很大，如仅按定性去考虑间距及其他安全措施是远远不够的，未来安全距离设计的发展趋势会逐渐走向准确定量，对于环氧乙烷系统对周围设施的安全距离设计具有指导作用。

参考文献

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[2] GB50016-2014（2018年版），建筑设计防火规范[S]

[3]GB51283-2020，精细化工企业工程设计防火标准[S].

[4] GB/T150.1~150.4-2011，压力容器[S]．

[5] GB20801.3-2020，压力管道规范 工业管道第3部分：设计和计算[S]．

作者简介：胡福恒（1984—），男，汉族，河北沧州人，硕士，高级工程师，主要从事化工医药工艺设计。

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