催化重整单元氢气气团爆炸超压分析

2019-02-27秘义行慕洋洋

爆炸与冲击 2019年2期

姜楠,秘义行,吕东,王璐,慕洋洋

(公安部天津消防研究所，天津 300381)

中国是石油加工与其产品消费大国，截止到2015年，中国原油年加工能力达7.1亿吨[1]。随着产业转型升级，具有原油一次加工能力3000～5 000万吨/年、芳烃产量200～300万吨/年的大型石化基地必将产生，且为生产高辛烷值汽油所配套的催化重整工艺装置也必不可少，风险累积效应将显现。近年来，涉及催化重整联合装置的爆炸火灾事故较常见，其中以工艺管道受损后物料泄漏、法兰连接处物料泄漏导致的爆炸火灾事故居多，且以氢气、轻烃管道事故危害最大(表1为2起典型催化重整工艺火灾/爆炸事故)。对于不同单元而言，由于其进出物料种类与数量、反应条件等不同，涉及的设备、管道类型、数量、规格多有不同，涉及的引火源种类复杂。此外，催化重整工艺中涉及较多高大设备，一旦发生泄漏极易形成立体事故，扩散速度快，可能引发连串事故。

表1 典型催化重整工艺火灾/爆炸事故Table 1 Fire/explosion accidents in catalytic reforming process

对于可燃气体的爆炸，科研人员采用理论、半经验和实验的方式进行研究[2]。由于爆炸的危害极大，很难进行等体积或缩放比较小的缩尺度试验，所以通过对爆炸场景建立模型进行分析的半经验和理论的研究方法十分重要。气体的爆炸模型通常包括TNT当量法、TNO多能法以及Baker-Strehlow法[3-4]。其中，TNT当量法主要是基于炸药爆炸经验产生的一种方法，对气体爆炸适用性一般[5]；TNO多能法是基于聚集程度产生的一种方法，对于局部受限的几何形状考察较少，主要是由使用者选择受限程度的严重系数[6]；Baker-Strehlow法基于火焰速度产生，通常是用于预测远处的压力。对于这3种方法而言，对于具体遮挡物体及其形状、气体的封闭状况等因素对气体爆炸的影响情况并未做细致考虑。但研究表明，点火点位置[7]，混合气体组成[8]，障碍物的数量、大小[9-13]等会对气体爆炸超压造成影响，可能带来更严重的事故。

本文中，采用一款基于计算流体力学技术开发的模拟软件FLACS对芳烃联合生产工艺中涉及的典型临氢反应单元(催化重整单元)的氢气爆炸场景进行模拟。在研究中以真实工艺场所为例建立模型，考察不同形状障碍物、泄漏位置，对不同泄漏时间和泄漏监测点的氢气爆炸超压的影响情况，建立最大爆炸超压与气体燃烧热、爆炸监测点距气团中心距离之间的数学模型。以期相关研究成果对于氢气爆炸方面的事故防范、实验设计、工程泄压等方面具有一定的借鉴意义。

1 催化重整工艺简介

芳烃联合生产工艺的催化重整单元，是以预加氢直馏石脑油和加氢裂化重石脑油为原料，在催化剂的作用下，烃类分子发生以芳构化反应为主的多种反应，最终获得芳烃、异构烃及氢气[14]。根据重整反应器划分，催化重整工艺主要分为连续重整工艺、半再生重整工艺和组合床重整工艺。其中，连续重整工艺多在大型化工厂内应用。目前，连续重整工艺主要包括法国IFP工艺和美国UOP工艺。其中，UOP工艺催化重整反应器采用轴向重叠排列方式，整个反应器组可高达50 m以上。催化重整反应器是催化重整单元的核心设备，其内部存在一定量的循环氢气，主要作用包括：(1)保持催化重整反应器中催化剂的稳定性；(2)将反应产物从催化剂上带走；(3)减少积碳速度；(4)能加快石脑油通过反应器的速度，减小吸热反应产生的温降。

2 氢气泄漏模型的建立与泄漏量的计算

2.1 氢气泄漏源模型

重点针对催化重整反应器的氢气管线泄漏事故场景进行模拟。对于氢气而言，其压力、密度、温度等参数遵循气体状态方程。氢气的泄漏过程可按可压缩气体以自由膨胀的形式经小孔泄漏考虑。根据机械能守恒定律，忽略轴功、势能变化、气体初始动能，并将气体近似为理想气体，可得氢气泄漏流量[15]：

(1)

式中:p0为初始压力；C0为孔流系数；A为泄漏孔面积；γ为绝热指数；M为泄漏物分子量，T0为泄漏源温度，R为理想气体常数,p为泄漏通道处压力。

(2)

2.2 事故场景及泄漏参数的确定

对于氢气，氢气分子量取2.0，绝热指数取1.40，理想气体常数取8.314，孔流系数取最大值1.0(泄漏流量最大时)。泄漏孔大小假设为20 cm2。催化重整反应器的设备参数与工艺条件取自中国某大型催化重整反应单元。温度取538 ℃，压力取0.65 MPa。该工艺段H2循环量约为1.3077×105m3/h。

该工艺下氢气临界泄漏压力为：

(大气压力)

因此，氢气泄漏最大流量为：

=8 749.44 m3/h<1.307 7×105m3/h(H2循环量)

根据上述计算，本文将0.217 kg/s选作氢气泄漏速率，选取的事故场景中氢气的泄漏时间分别选为1、3、5、7 min，根据泄漏流量计算可得泄漏量分别为13.04、39.11、65.19、91.26 kg。

3 模型建立及参数设置

选取中国某大型芳烃联合生产工艺催化重整反应器(UOP工艺)进行模拟，分别假设氢气输送管线最高端和中间部位(与催化剂再生设备高度接近)作为氢气泄漏位置。采用FLACS建立事故场景三维模型(见图1)。图1中右侧为催化重整反应器，整个反应器置于框架结构之上，其顶部距地面约51.1 m； 4个催化重整反应器的高度自下而上依次约为10.9、9.6、9.4、9.0 m，直径依次约为4.5、3.6、3.0、2.7 m；催化重整反应器右侧管路为氢气输送管，直径为0.25 m；左侧为催化剂再生装置，再生装置大部分处于框架结构之中，其顶部距地面约40.3 m；催化剂再生装置高度约为21.5 m，直径为3.2 m。

图1 几何模型及点火位置、监测点示意图Fig.1 Schematic diagrams for the geometric model, ignition positions and some overpressure monitors

FLACS采用标准k-ε模型进行计算湍流的产生与消散，可解决三维笛卡尔网格中的质量、动量、能量和组分等守恒问题。计算方程如下：

(3)

式中:Sφ为源项；ρ为气体密度；φ为质量、动量、能量等求解变量；xj为j方向上的积分；μi为i方向上的速度矢量；Γφ为扩散系数。

因为管道及其法兰、焊缝、转角等部位是实际事故中发生泄漏事故及引发点火位置，所以本文中将引火点设置为固定点，通过改变气团位置对不同爆炸情景进行模拟。计算中将氢气-空气气团设置为立方体。引火点位于氢气-空气气团中心。2种泄漏场景下，气团分别位于图1中引火点1和引火点2附近。根据泄漏时间与泄漏量，1、3、5、7 min泄漏的氢气-空气气团边长分别为7.78、11.22、13.30、14.89 m。

设置计算范围为70 m×60 m×90 m，将整个计算范围分为150×130×100即1 950 000个单元格；大气压为100 kPa，温度为20 ℃；考虑最危险情况，风速设为零。设置氢气与空气按当量比混合，混合比为12∶25，氢气的体积分数约为32.4%。

对于引火点1，周边主要设备位于其下方，相对较危险，因此考察引火点1下方的监测点；对于引火点2，除了与其平行并远离装置的方向外，其余方向均有较大危险性，因此考察3个方向上的监测点。将监测点距气团中心距离作为位置变量，相应点火位置与监测点示意图如图1所示。

4 数据分析

4.1 反应器顶部引火点爆炸超压分析

经过模拟，氢气-空气气团在引火点1场景下发生爆炸时的最大超压如表2所示。

对表2中数据进行分析可知，4种泄漏时间下最大超压检测点分别位于7、7、10和10 m。而氢气-空气气团边长分别为7.78、11.22、13.30和14.89 m。整体来看，气团范围内，压力随距离的增大而升高，气团范围外压力随距离的增大而降低。这是因为在气团范围内，可燃气体(氢气)量充足，且处于当量比附近，因而链式反应不断加速，进而使爆炸压力不断提高。但是对于气团范围外的监测点，其压力主要是由于气体扩散至该处并引起爆炸与气团内爆炸冲击波的传递造成的。参照TNO多能法，引入一个无量纲的比拟距离(折合距离)，按下式计算从气团中心到监测点的距离:

Svol=(E/p0)1/3=d/rs

(4)

式中:Svol为距离缩放系数，m；E为氢气燃烧热，J；p0为大气压强，Pa；d为监测点距气团中心的距离，m；rs为折合距离。

表2 引火点1不同泄漏时间氢气-空气气团爆炸最大超压Table 2 Maximum overpressure of H2-air cloud explosion in ignition position 1

将折合距离与最大爆炸超压作图可得图2(a)。由图2(a)可知，在最大爆炸超压之后的超压数据与折合距离呈近似对数关系。对距气团中心10 m以外(气团范围外)的监测点的折合距离与最大爆炸超压在对数坐标系统中作图，可得图2(b)。

图2 引火点1气体爆炸最大超压与折合距离的关系Fig.2 Relationship between maximum overpressure and scaled distance from explosion source centre for ignition position 1

对图2(b)中数据进行线性(y=ax+b)拟合，可得表3中的数值。

表3 引火点1上方不同氢气泄漏时间模拟公式a、b系数及决定系数r2Table 3 Values of a, b and r2 in each formula of H2 in ignition position 1 for different leakage times

4.2 反应器中部引火点爆炸超压分析

经过模拟，氢气-空气气团在引火点2场景下发生爆炸时的最大超压如表4所示。

表4 引火点2不同泄漏时间氢气-空气气团爆炸最大超压Table 4 Maximum overpressure of H2-air cloud explosion in ignition position 2

对表4中数据进行分析，并将监测点距气团中心距离换算为折合距离。对折合距离与最大爆炸超压作图，可得图3。与反应器上部泄漏爆炸场景相似，氢气泄漏时间为1和3 min时，最大爆炸超压之后的超压数据与折合距离部分呈近似对数关系。氢气泄漏5和7 min后的最大爆炸超压数据明显大于其他泄漏情景下的爆炸超压数据。这说明，由于氢气-空气气团在反应器中部的受限空间内发生爆炸，受到周围催化重整反应器、设备框架结构和催化剂再生设备等明确引起强烈冲击波的设施的影响，可能已不是单纯的爆燃。氢气爆炸时产生的冲击波是氢气-空气混合气体传播的燃烧波，其速度包括其本身传播速度和已燃烧气体膨胀引发的气体流动速度。因此，随着燃烧的进行，传播速度会越来越大。在某些情况下(如已燃气体膨胀不断加剧、障碍物等因素)，火焰传播一定距离后，速度突然急剧增大，最终成长为冲击波。冲击波可进一步引起未燃气体的物理加热并维持火焰的传播，进而使火焰传播速度大于未燃气体中的声速，形成爆轰波[16]。因此，此时爆炸超压突增可能是正在发生由爆燃向爆轰的转变。

图3 引火点2气体爆炸最大超压与折合距离的关系Fig.3 Relationship between maximum overpressure and scaled distance from explosion source centre for ignition position 2

图4 对数坐标系下引火点2气体爆炸最大超压与折合距离的关系Fig.4 Relationship between maximum overpressure and scaled distance from explosion source centre in a bilogarithmic coordinates system for ignition position 2

采用与图2(b)同样的处理方法，对氢气泄漏1和3 min后，最大爆炸超压以后的监测点的折合距离与最大爆炸超压在对数坐标系统中作图，可得图4。对图4进行分析，可知图4(b)中数据呈线性相关性，按y=ax+b线性拟合，可得表5。由表5可知，图4(b)中数据的决定系数r2均大于0.95。此种情况下，氢气爆炸超压和氢气燃烧热、距气团中心距离关系式与反应器上部泄漏的关系式相同。这是由于反应器中部上方的障碍物情况与反应器上部下方的障碍物情况相同。

表5 引火点2上方不同氢气泄漏时间模拟公式a、b系数及决定系数r2Table 5 Values of a, b and r2 in each formula of H2above ignition position 2 for different leakage times

对图4(a)进行分析，其数据呈两段线性关系(如图中箭头所示)，先负线性相关，后正线性相关。结合图1(b)中监测点位置与三维模型结构布局可知，在第5个监测点(距气团中心约20.5 m，见表2)附近，是催化重整反应器与框架结构的交界附近，之后的障碍物(框架结构楼板)明显增大，且每层障碍物均有增多，造成冲击波逐渐加大，所以在此监测点后，最大超压随折合距离的增加而增大。对于图4(c)而言，其位置处于与引火点2平行方向，周边有催化剂再生装置的阻碍。但催化剂再生装置与催化重整反应器下部的框架结构相比在冲击波传播方向上的阻碍相对较小，所以对于最大超压而言，其效果是降低最大超压下降速度。在经过催化剂再生装置后，最大超压下降速度增大；完全离开催化剂再生装置框架结构后，其下降速度进一步增大。

4.3 现实意义分析

通过对事故场景下的爆炸超压数据分析可知，本设计场景下，引火点1发生爆炸时，爆炸超压低于6.1 kPa，破坏等级属于轻微破坏(>3.5 kPa)；引火点2最大爆炸超压可达18.5 kPa，破坏等级属于中等破坏(>17 kPa)。从检测点最大爆炸超压产生的时间来看，泄漏5 min以后产生的爆炸超压属于中等破坏范围。对于此类情况，若事故并未第一时间引发爆炸或燃烧，消防应急救援应避免泄漏5 min后发生的爆炸；从检测点最大爆炸超压的位置来看，处于引火点5.5 m范围内的人员应特别注意，此外应尽量避开这范围内的设备，防止因爆炸造成的破坏倒塌。

此外，对于引火点2，应重点关注泄漏5 min后引燃产生的爆轰现象。近年来，此类可能由爆轰造成的事故较多。例如“腾龙芳烃4.6爆炸着火事故”，该事故是管线泄漏后发生爆炸，致使约50 m外的连续重整装置框架严重变形、约67.5 m外的重石脑油储罐和轻重整液储罐罐壁内陷与罐顶间焊口撕裂并先后爆炸着火。由此可见，对于可燃气体/蒸气，在障碍物环境下，一旦形成爆炸氛围并导致爆轰，其爆炸威力常常很大总体上看，对于可能产生由爆燃向爆轰转变或爆轰的事故而言，随着泄漏事件的延长，爆炸超压会变大。本模拟状态引火源大小约为0.001 m3，属于弱引火源。对于弱引火源，极易在障碍物存在条件下发生加速燃烧和爆炸[17]。因此，对于大型设备泄漏事故发生后的应急救援来说，面对易形成爆炸性氛围的事故，应尽力避开周边障碍物，合理布置消防战力。