环氧乙烷储罐泄漏模拟分析研究

董 瑞，李 宁

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司，辽宁 辽阳 111003；3.中国化工集团有限公司，北京 100080)

化工厂环氧乙烷被广泛地应用于洗涤、制药、印染等行业，生产方法主要有氯醇法和乙烯直接氧化法，它是典型危险化学品，具有易燃易爆性，自聚性、中等毒类。在化工生产中，环氧乙烷储罐泄漏事故时有发生[1]。李宁等[3]研究了储罐泄漏后环境条件变化对后果严重程度的影响。本文利用Fluent软件模拟分析环氧乙烷储罐泄漏问题，通过对储罐温度、压力、不同尺寸泄漏点条件下泄漏情况模拟分析，找出环氧乙烷储罐运行存在的安全隐患，为做好石油化工企业环氧乙烷储罐泄漏应急管理奠定基础，对企业安全管理工作具有指导意义。

1 研究对象

研究对象为某石油化工公司的环氧乙烷球形储罐，容积500m3，球罐采用低温氮封储存，同时建有装车栈台系统，用于汽槽车装运环氧乙烷进行外卖，相关配套设施还有雨淋阀室、消防系统等。储存介质为环氧乙烷，相应技术参数如表1。

表1 环氧乙烷储罐技术参数

2 泄漏风险建模

2.1 模拟条件

本文基于Fluent软件，选取环氧乙烷球罐底部出口弯头(即图中圆圈部分)处出现沙眼泄漏环氧乙烷作为研究对象，考虑不同泄漏尺寸(0.1、0.5、1、2、5 mm)、不同压力等级(0.4、0.6 MPa)、不同温度(0、15℃)条件下，模拟分析泄漏情况，定量判定风险。

建模过程中使用CATIA软件画出流体域，再使用ICEM软件生成结构网格，网格单元近100万个，漏点假定为圆形。为使流体均匀发展并保证计算收敛，在出入口分别加上2倍当量直径长度的延长段。入口给压力入口边界条件，出口给质量流量边界条件，漏点处给压力出口边界条件，给定1个大气压。网格图最终效果可参见图1、2所示。

图1 选取位置管线建模网格图Fig.1 The modeling grid diagram of the pipeline selected

图2 漏点建模网格图Fig.2 The modeling grid diagram of the leak source

2.2 模拟结果

为了准确模拟流动状态，本文计算采用了带有湍流模型的RANS方程进行求解(表2)。RANS方程是对N-S方程的简化，并用湍流模型假设使方程封闭。湍流模型选取Menter's SST κ—ω模式，它是一种在工程上广泛应用的混合模型，在近壁面保留了原始 的模型，在远离壁面的地方应用了K-ε模型，这样既能较好的模拟远离壁面充分发展的湍流流动，又能较好的解决各种压力梯度下的边界层问题。

表2 模拟泄漏计算结果统计

3 泄漏模拟结果分析

3.1 温度对泄漏的影响

该公司环氧乙烷储罐的存储压力为0.4 MPa，即4个大气压(3040 mmHg汞柱)，对应表2可以看出，在此压力下，环氧乙烷的沸点大于50℃。因此，从理论计算看，即使夏季当地外界气温高，环氧乙烷储罐制冷能力不足，罐温达到10℃以上，球罐内部的环氧乙烷仍是液态，不会出现大量汽化的现象。根据Fluent软件的计算条件分析，本文考虑的0℃和15℃两种情况，储罐内部压力、液体密度等不会发生显著变化，对泄漏计算结果的影响可以忽略不计，故温度对于泄漏速率基本没有影响。

3.2 压力对泄漏的影响

本文选取的压力值0.4 MPa为储罐正常存储压力，由氮封控制，基本为恒压状态。压力值0.6 MPa为储罐安全阀起跳压力，当储罐出现异常、压力升高时，最多只达到0.6 MPa即发生安全阀起跳泄压，不必再考虑压力大于0.6 MPa的情况，故本文仅选取0.4、0.6 MPa两个压力值，来模拟分析压力对泄漏量的影响。所模拟的工况，相同尺寸的漏点，压力升高对泄漏速率有一定影响，在漏点尺寸为5 mm时，0.6 MPa压力下发生的泄漏量是0.4 MPa压力下的1.3倍左右，但不显著。选取0.4 MPa压力下，漏点尺寸为1 mm时进行模拟分析，得出漏点面上的压力云图如图3所示，对称面上的速度云图如图4所示，漏点处局部云图如图5所示，漏点处流动矢量图如图6所示。

图3 漏点面压力云图Fig.3 The leakage pressure cloud diagram

图4 对称面速度云图Fig.4 The symmetric face velocity cloud diagram

图5 漏点处局部云图Fig.5 The local cloud map of the leakage point

图6 漏点处流动矢量图Fig.6 The flow vector diagram of leakage point

3.3 泄露孔径对泄漏的影响

相同压力下，不同尺寸漏点的泄漏速率明显不同，随着漏点的加大，泄漏速率明显加快。

图7 不同尺寸漏点泄漏量对比Fig.7 Comparison of leakage in different sizes

根据模拟计算结果，从图7可以看出，在0.4 MPa的储罐压力下，当管线出现0.1、0.5、1、2 mm漏点时，泄漏发生10 s后，泄漏量最多不超过0.32 kg，泄漏量不显著。对于5 mm漏点，泄漏10 s后，泄漏量3 kg，泄漏相对明显。

4 储罐泄漏的应急处置

选取储罐压力在0.4 MPa下，发生5 mm漏点时，泄漏的环氧乙烷扩散情况(假定风速为4 m/s，保持恒定)，根据之前的模拟计算，泄漏速率为约为0.3 kg/s，即使泄漏600 s，泄漏量只有180 kg，相比于储罐日常存储量350 t，漏量微小，故可视其为稳定均速泄漏。由于常压下环氧乙烷沸点较低，极易汽化，这里假定环氧乙烷泄漏后以气态形式扩散，漏点喷射效应可忽略不计。储罐压力0.4 MPa，风速4 m/s，泄漏量0.3 kg/s的扩散模拟结果如图8所示。

图8 扩散模拟结果Fig.8 The diffusion simulation result

模拟结果表明，随着时间的推移，泄漏的环氧乙烷扩散距离逐渐增大，ERPG-2的浓度值下的扩散斜率大于ERPG-3，经过一段时间的扩散，ERPG-3变化逐渐减小。在泄漏发生后的600 s时间内，要达到ERPG-3的浓度，扩散距离不超过70 m；要达到ERPG-2的浓度，扩散距离不超过200 m。

以ERPG-2浓度值作为参考，发生泄漏事故后，应在第一时间通知漏点方圆200m范围内的相关单位人员撤离，并在漏点周围设置警戒线，无关人员不得入内。还需考虑对周边社区的影响，向当地政府部门协助组织疏散。

5 结论

通过对环氧乙烷储罐泄漏后果模式研究，得出如下结论：

(1)模拟了环氧乙烷储罐泄漏后果场景的影响，泄漏后果与介质温度影响不明显，与压力影响不大，但与泄漏孔径有明显关系。

(2)从泄漏场景分析了扩散距离不超过200 m 作为人员应急疏散距离，对石化企业环氧乙烷泄漏应急管理具有指导意义。