尿素合成塔化学爆炸的可能性分析
——第四篇 尿素合成塔化学爆炸能量
沈华民
(中国化工学会化肥专业委员会, 上海200336)
[摘 要]针对处于短期停车工况下和爆炸浓度极限范围内的3类合成气(E4,E6,E8),对爆炸性气相体积、氧量分配等进行计算,从而得出3类合成气(E4,E6,E8)之爆炸能量,并探讨了爆炸能量与破坏功(基于《平阴鲁西化工第三化肥厂有限公司“3·21”尿素合成塔爆炸事故调查报告》)之间的关系。
[关键词] 尿素合成塔;化学爆炸;爆炸性气相体积;氧量分配;爆炸能量;破坏功
[中图分类号] TQ
441.41 [文献标志码]A [文章编号]
1004-9932(2016)
塔器内发生化学爆炸时,其条件比燃烧更为严苛,除了需具备产生燃烧的3个充分条件——可燃气(物)、助燃气(物)、火源外,还需满足2个必要条件——爆炸浓度极限、能量极限,并且两者必须同时满足,才可能在有火源时被激发而发生化学爆炸。换言之,只有当塔器内处于爆炸浓度极限范围之内的气体产生足够的能量,此能量源自可燃气与助燃气在火源的激发下发生连锁氧化反应而释放出的能量,最终导致塔内压力急速升高而摧毁塔器。
本篇开展对尿素合成塔物系爆炸能量的研究,并以《尿素合成塔化学爆炸的可能性分析——第三篇 合成气爆炸可能性的检验与判断》所得的处于短期停车工况条件下和爆炸浓度极限范围内的3类合成气(E4 ,E6 ,E8)为研究对象[1]。
1 基础数据
1.1
尿素合成塔设备与工艺参数[2]
(1)设备参数:体(容)积40 m3,塔径1.4 m,塔高26.4 m。
(2)工艺条件:操作压力p=20 MPa;正常工况NH3/CO2=4.0~4.1、非正常工况NH3/CO2= 2.5,H2O/CO2 =0.65。
(3)原料要求:CO2 纯度98%~98.5%,其余为惰气(H2/N2=2);正常加氧(以占原料CO2气的体积计),O2 0.5%;过量加氧,O2 1.0%;NH3纯度99.8%,其余为N2 0.1%、H2 0.01%、CH4 0.09%。
(4)原料入塔量(以生产1 t尿素计):NH3 1 333.75 kg(50 ℃);CO2 733 kg (125 ℃);甲铵液1 275.75 kg(100 ℃)。
(5)生产负荷(Z):16.67 t/h。
1.2 标准态燃爆气反应能量[3-4]
标准态:压力1 atm,温度25 ℃(298 K)。
(1)NH3:NH3+1.75O2→NO2+1.5H2O
△H0NH3=-288.4 kJ/mol
(2)H2:H2+0.5O2→H2O
△H0H2=-286.0 kJ/mol
(3)CH4:CH4+2O2→CO2+2H2O
△H0CH4=-890.0 kJ/mol
2 爆炸能量
爆炸能量是一个多变量函数,主要有爆炸性气体的体积和气相组成2个重要参数。
对于体积参数而言,处于爆炸浓度极限范围内的气相,其体积越大,则爆炸释放的能量也就越大。
对于爆炸性气体成分,气相组成中燃爆气种类、含量以及可燃爆气与助燃气的比例等与爆炸能量大小密切相关。众所周知,H2是强燃爆气,其含量越高,爆炸能量也越大;NH3是弱燃爆气,爆炸释放的能量小;若爆炸气组成为2/3的H2和1/3的O2,则爆炸能量必然是最大的。
当爆炸性气体之组成及含量确定时,则气相体积成为衡量爆炸能量大小的最为重要的参数。
本篇研究对象为E4、E6、E8,3类处于爆炸浓度极限范围内的合成气之组成及含量均已确定,故而这些气体的体积成为爆炸能量计算的关键参数,只要求出合成塔内气相的体积,则合成气释放的爆炸能量计算也就迎刃而解了。
尿素合成塔爆炸能量的计算按如下3个步骤进行:第一步,求取尿素合成塔内合成气的体积;第二步,对合成气中的氧量进行分配,分配到H2、NH3、CH4;第三步,爆炸能量计算。
2.1 爆炸性气相体积
本研究对象为短期停车工况下合成气(E4,E6,E8)的体积,也即由运行状态变为短期停车状态时静态尿素合成塔上部气相空间之体积,见图1(b)之G区。
图1动态与静态尿素合成塔H-VL图
尿素合成塔的静止态工况是由流动态工况转变而来,其演变见图1。首先,考察工业生产条件下尿素合成塔内进行的反应过程:工业尿素合成理论指出[5],尿素合成塔从塔底到塔顶的物料,基本上呈气液两相流的形式进行合成反应,并向上运动直到塔顶,见图1(a)。在气相物料中有一股惰气物料,图1(a)之D 区,由原料CO2、NH3以及防腐空气带入系统的H2、O2、N2、CH4等组分构成,这些物质在尿素合成的液相物料中的溶解度极小,基本上可以忽略,因此可认为进入系统的惰性物质在塔中几乎全部存在于气相中,成为计算静态尿素合成塔上部空间气相体积的基础。
当切断尿素合成塔进出口阀门,进入短停状态时,尿素合成塔由流动态转变为静止态,见图1(b)。物系随之发生如下变化:封闭在尿素合成塔内的存在于纵向物料中的惰气会因为重力作用全部转入静态尿素合成塔上部空间;同时,静态尿素合成塔气液平衡也随之建立[6]。
静态尿素合成塔的气相空间之体积由两部分构成:第一部分为惰气总量VI;第二部分为尿素合成液相物系的平衡态气相。当惰气总体积及静态物系压力、温度、NH3/CO2、H2O/CO2已知时,气相总体积VS 可求,表达式如下:
更多内容详见《中氮肥》2016年第5期