二氯乙烷生產事故剖析

 　　引言(1)

　　在化工生產中，火災、爆炸和中毒事故不但影響生產的正常運行，而且對人員有較大的身體危害，導致人員的傷亡。本文運用地火災、蒸氣云爆炸和中毒的三種數學模型，對年產20萬t二氯乙烷(EDC)裝置來進行分析，分析各種事故對人員可能造成的危害，借以幫助企業在生產中采取相應的措施。

　　事故后果分析是危險源危險性分析的一個主要組成部分，其目的在于定量描述一個可能發生的重大事故對工廠、對廠內人員、廠外居民甚至對環境造成危害的嚴重程度。

　　火災(2)

　　易燃液體EDC泄漏后流到地面形成液池，遇到火源燃燒而成池火。發生池火災時，主要危害是熱輻射。EDC生產裝置主要的泄漏點為EDC反應器和EDC儲罐，這2個部位的火災事故后果，其分析計算如下：

　　1.1池火災池直徑的計算

　　當危險單元為EDC反應器時， 則根據泄漏的液體量和地面性質,按下式計算最大可能的池面積:

　　S=W/(Hminρ)

　　式中：P--EDC的密度，kg/m3;

　　H min --最小油層厚度，m，取值0.010;

　　W--泄漏的液體量，kg。

　　池直徑：

　　D=(4S/π)1/2

　　當危險單元為EDC儲罐時，液體泄漏量可用流體力學方程計算，其泄漏速度為：

　　Qo=CdAρ[2(p-po)/P+2gh]1/2

　　式中：Qo--液體泄漏速度，kg/S;

　　Cd--液體泄漏系數，根據裂口形狀和泄漏液體的雷諾數選取;

　　A--裂口面積，m2;

　　ρ--EDC的液體密度，kg/m3;

　　P--儲罐內介質壓力，Pa;

　　Po--環境壓力，Pa

　　g--重力加速度，9.8m/s2;

　　h--裂口之上液位高度，m。

　　1.2燃燒速度

　　EDC可燃液體表面上單位面積的燃燒速度為:

　　dm/dt=0.001Hc/[Cp(Tb-To)+H]

　　式中：dm/dt--單位表面積燃燒速度，kg/m2。S;

　　Hc--液體燃燒熱，J/kg;

　　Cp液體的定壓比熱，J/kg.k;

　　Tb--液體的沸點，K;

　　To--環境溫度，K;

　　H--液體的氣化熱，J/kg。

　　1.3火焰高度

　　設液池為一半徑為r的圓池，其火焰高度可按下式計算：

　　h=84r{(dm/dt)/[Po(2gr)1/2]}

　　式中：h——火焰高度，m;

　　r——液池半徑，m;

　　Po——周圍空氣密度，kg/m3;

　　g——重力加速度，9.8m/s2

　　dm/dt——單位表面積燃燒速度，kg/m2。S。

　　1.4熱輻射通量

　　液池燃燒釋放出的總熱輻射通量為:

　　Q=(πr2+2πrh)(dm/dt)ηHc/[72(dm/dt)0.61+1]

　　式中:Q——總熱輻射通量，W;

　　h——池火高度，m;

　　η——效率因子，可取0.13～0.35。

　　1.5目標入射熱通量

　　假設全部輻射熱量由液池中心點的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離(X)處的入射熱通量為：

　　q=Qtc/(4πX2)

　　式中:q——熱輻射強度，W/m2

　　Q總熱輻射通量，W;

　　tc——熱傳尋系數，一般可取1;

　　X——目標點到液池中心的距離，m。

　　死亡、重傷、輕傷半徑內人員接受的熱通量分別為q1、q2、q3，其計算式如下：

　　R死亡=36.38+2.561n(tq14/3)

　　R重傷 =-43.14+3.01881n(4q24/3)

　　R輕傷=-39.83+3.01861n(tq34/3)

　　式中：t=人員受到熱輻射的時間，t=W/Q0.s;

　　q=人員接受到的熱通量，W/m2;

　　根據計算公式，池火災熱輻射破壞半徑用計算機規模擬計算得出。

　　1. 6池火災事故后果

　　單元名稱

　　死亡半徑

　　(m)

　　重傷半徑

　　(m)

　　輕傷半徑

　　(m)

　　EDC反應器

　　EDC儲罐

　　10.7

　　16.1

　　11.6

　　17.5

　　17.5

　　26.4

　　注:以連續泄漏10min 的物料量為計算依據.

　　爆炸(3)

　　(3)爆炸

　　2.1爆炸性物質

　　由于EDC反應器的操作溫度為90℃，而EDC的沸點為83.5℃,當EDC從反應器中泄漏出來時,有一部分EDC液體會閃蒸轉變為蒸氣.當閃蒸發生時,一些液體作為液滴被帶走,其中一些很小的液滴隨 蒸氣移動,而較大的液滴落回地面并集中在液池中.閃蒸系數的計算公式如下:

　　Fυ=Cp(Ts-Tb)/Hυ

　　Wf=FvQot

　　式中:Cp——液體的定壓比熱，J/kg。K;

　　Ts——泄漏前液體的溫度，K;

　　Tb——液體標準沸點，K;

　　Hv——液體的汽化熱，J/kg;

　　Qo——液體泄漏速度，kg/S;

　　Wf——蒸氣云爆炸中燃燒的總質量，kg;

　　t——泄漏時間,s;t=W/Q0

　　從輸送管道泄漏到空氣中的乙烯與空氣的混合物的濃度處于爆炸極限范圍內時，遇到點火源發生的爆炸為蒸氣云爆炸，其主要危害形式是沖擊波。

　　2.2蒸氣云爆炸的TNT當量

　　通常以TNT當量法來預測蒸氣云爆炸的嚴重程度。蒸氣云的TNT當量WTNT計算式如下：

　　WTNT=aWfQf/QTNT

　　式中WTNT——蒸氣云的TNT當量，kg;

　　a——蒸氣云的TNT當量系數，取4%;

　　Wf——蒸氣云爆炸中燃燒的總質量，kg;

　　Qf——乙烯或EDC的燃燒熱，kJ/kg;

　　QTNT——TNT的爆熱，KJ/kg,取平均爆破能量值4520kJ/kg。

　　計算出蒸氣云爆炸的TNT當量后，可用TNT當量法來估算其破壞后時的嚴重度。

　　2.3爆炸危害區

　　死亡區內的人員如缺少防護，則被認為無例外地蒙受嚴重傷亡或死亡，其內徑為零，外徑為R1;重傷區內的人員如缺少防護，則被認為無例外地蒙受嚴重傷害，極少數人員可能死亡或受輕傷。其內徑為R1，外徑為R2;輕傷區內的人員如缺少防護，絕大多數人員將遭受輕微傷害，少數人員將受重傷或無事，其內徑為R2,外徑為R3;安全區內的人員不會受到傷害，該區的內徑為R3o各區的計算式如下：

　　R1=13.6(WTNT/1000)0.37

　　ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

　　Z=R2(E/Po)1/3或Z=R3(E/Po)1/3

　　E=WTNT。QTNT

　　式中：ΔP——引起人員傷害的沖擊波峰值：重傷為44000Pa、輕傷為17000Pa;

　　E——爆源總能量，J;

　　Po——為環境壓力，Pa;

　　QTNT——TNT的爆熱，KJ/kg。

　　根據計算公式，爆炸傷害半徑用計算機模擬計算得出。

　　2.4爆炸事故后果

　　單元

　　爆炸物

　　(TNT當量)

　　死亡半徑

　　(m)

　　重傷半徑

　　(m)

　　輕傷半徑

　　(m)

　　乙烯管道

　　EDC反應器

　　0.54

　　0.11

　　10.8

　　6.1

　　31.5

　　18

　　56.3

　　33

　　注:以連續泄漏10min的物料量為計算依據.

　　中毒(4)

　　有毒物質氯氣泄漏后生成有毒氣團,大量氯氣的泄漏會帶來嚴重的人員傷亡和環境污染。氯氣對人員的危害程度取決于它的性質、濃度和人員與氯氣的接觸時間等因毒。

　　3.1中毒死亡概率計算

　　因為在一個已知點，有毒物質濃度隨著氣團的稀釋而不斷變化，因此在后果分析中，往往不考慮毒物氯氣泄漏的初期情況，即工廠范圍內的現場情況，而主要計算氯氣氣團在空氣中擴散的范圍、濃度、接觸氯氣的人數等。

　　概率函數法是通過人們在一定時間接觸一定濃度毒物所造成影響的概率來描述毒物泄漏后果的一種表示法。

　　當死亡率為50%時，概率值Y的范圍為5.25~5.50。概率值Y與接觸毒物來描述毒物氯氣濃度及接觸時間的關系如下：

　　Y=-5.3+0.51n(C2.75t)

　　式中:C接觸毒物的濃度，PPm;

　　t——接觸毒物的時間，取值30min。

　　根據計算公式，接觸毒物氯氣的濃度范圍用計算機模擬計算得出，結果為618~742PPm。

　　3.2事故后果分析

　　本裝置的池火事故后果分析是以最小泄漏為計算依據，如果泄漏的時間較長或裂口尺寸較大，事故后果將更加嚴重。尤其是EDC反應器的操作條件苛刻，噴射火、池火、蒸氣云爆炸等都可能發生，并且事故發生率較其它設備高。

　　雖然EDC反應器泄露的EDC液體的蒸發量僅為總量的10%，但危害程度相對而言卻嚴重很多，建議設計單位在相應的位置布置可燃氣體報警器，一旦EDC泄漏，可以采取相應的防護措施。