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1、過程本質安全及其應用與評價,目錄,1,本質安全及其原理,PART,“本質安全”（Inherent Safety）的提出：1977年12月，英國的Kletz教授作了題為“What you dont have,cant leak”的報告，首次明確提出“本質安全的化工過程”（Inherently Safer Chemical Process）概念，形成了“本質安全”的雛形。本質安全是利用物質或過程本身所固有的屬性消除或減小危害，而不是用保護系統控制和管理危害。,本質安全及其原理,本質安全的內涵（1）物質和過程的存在具有其固有的必然的物理和 化學特性，比如某物質有劇毒性，某過程是高 溫高壓的等等，這種2、特性與生俱來，且是形成 過程危害的根源。（2）通過改變具有危害特性的物質或過程變量，從 而消除或最小化過程危害，而非控制危害。（3）“本質安全”不代表“絕對安全”。當某過程相比 于其它可選過程消除或最小化了危害特征，則 認為其是本質更安全(Inherently Safer)過程。,本質安全及其原理,本質安全與傳統安全理念的區別：,本質安全：消除過程的危害特征。傳統安全方法：以控制危害為目標，不能避免事故的發生。,著眼點不同,01,采用方式不同,02,介入時機不同,03,本質安全：根據物質和過程的固有屬性消除或最小化危害。傳統安全方法：添加安全保護設施控制已存在的危害。,本質安全：注重在過程早期3、從源頭上消除危害。傳統安全方法：在過程中后期對危害進行分析、評價，提出改良措施。,本質安全及其原理,本質安全設計與綠色化工,致力于安全問題Click to add Text,著重考慮過程對人和環境的影響：反應路徑，合成路線，原料，介質等方面；合成路徑的實現；重視對基礎理論的把握和應用,Green chemistry,engineering,著重考慮安全范疇：更加注重事故的直接后果，比如毒性物質泄漏的直接影響等；也同時考慮化學品和工程問題，比如設備設計，運輸，布局等。,本質安全及其原理,本質安全設計與安全保護層的關系,本質安全設計的核心區域,本質安全及其原理,化工過程生命周期中提升本質安全的機會4、,化工過程生命周期中各階段考慮過程本質安全的機會大不相同。在過程早期考慮本質安全的自由度較大，到中后期逐漸減小，因為過程已經定型，只能添加安全保護設施，不但安全費用迅速增加，也使過程變得復雜。圖示為提升本質安全機會相對較大的階段。,圖1 化工過程生命周期中考慮本質安全的機會,本質安全及其原理,著眼于化工過程整個生命周期的過程安全方法,圖2 化工過程生命周期中過程安全方法的演變,本質安全及其原理,Text in here,本質安全與安全保護層,本質安全與化工過程生命周期,本質安全與傳統安全方法,本質安全的特性本質安全即為安全的本質特征，特征的不可分割性決定了能從本質上實現過程安全。處于保護層的核5、心，著重從物質（能量）和過程、設備設計實現本質安全設計。化工過程整個生命周期中優先考慮的安全方法，尤其對研究開發和概念設計階段更具價值。,本質安全及其原理,最小化、替代、緩和、簡化,限制影響、避免鏈鎖效應、防止錯誤裝配、容忍度,狀態清晰、易控制、軟件,分層次的過程安全設計原理如下，其中本質安全層是優先采用的安全設計方式。,Your text in here,Your text in here,Your text in here,本質安全層,物理保護層,控制保護層,應急響應層,本質安全及其原理,IPSG（International Process Safety Group）、AICheE的CCP6、S（Center for Chemical Process Safety）對本質安全設計原理的定義按照優先級如下：,本質安全及其原理,物理保護層安全設計原理,本質安全及其原理,控制保護層安全設計原理,本質安全及其原理,本質安全設計原理是定性的描述，沒有統一的衡量標準，導致應用程度參差不齊，有些學者建議用本質安全指標進行量化，原理與指標的對照關系下：,最小化,替代,本質安全 設計原理,A,B,簡化,D,緩和,C,易燃性，易爆性，毒性，腐蝕性，化學交互,總量值，產率,過程溫度，過程壓力，反應熱,過程結構，過程復雜性，布局，設備類型,本質安全及其原理,2,本質安全原理的應用,PART,物質類應用反應7、原料和路 徑的選擇；溶劑的選擇；物質儲存和輸 送的方式等,本質安全原理 的應用,過程類應用反應器的強化；反應器的選擇；操作方式的選擇；過程條件的改良 等,現有的相關研究主要關注過程的早期階段，可分為物質和過程兩類。,最小化原理-反應器的選擇,權衡,反應器的選擇,反應機理,動力學,傳質,物料的量,反應器的尺寸,復雜性,混合,熱效應,最小化原理,反應,本質安全原理的應用,Loop Reactor和BSTR兩類反應器中乳液聚合反應的數據對照。,最小化原理-反應器的選擇,本質安全原理的應用,最小化原理-減少設備數量,Agreda等提出了采用反應精餾系統代替傳統生產醋酸甲酯的工藝，使過程設備數量從9降至8、3，提高了過程的安全性。,本質安全原理的應用,最小化原理-物料的儲存、輸送,Buxton提出在萘甲胺生產過程中，通過改變反應路徑以避免儲存和輸送危害性中間產物異氰酸甲酯，可替代的反應路徑如表所示：,注：1、氧氣；2、氫氣；3、氯化氫、4、1-萘酚氯甲酸酯；5、甲基甲酰胺；6、水；7、甲胺；8、光氣；9、甲基異氰酸酯；10、1-萘酚；11、胺甲萘（產品）；12、萘；13、1-氯萘；14、N-甲基-1萘胺；15、1-萘羥基甲酸酯；16、氯；17、1-氯甲烷；18、甲醇；19、氯甲醛,本質安全原理的應用,替代原理-反應物和路徑的替代,Puranik提出氨氧化過程生產丙烯腈，以氨和丙烯代替乙炔和氰化氫9、作為原料，消除危害性原料氰化氫。,傳統方法：,改進方法：,消除劇毒性原料,本質安全原理的應用,替代原理-溶劑的替代,低揮發性溶劑,低毒性溶劑,非易燃性溶劑,溶劑的選擇,環境友好性溶劑,本質安全原理的應用,緩和原理,稀釋用高沸點溶劑稀釋可降低系統壓力，降低泄漏速率；過程允許時考慮在稀釋狀態下儲存危害性物質如以氨水代替液氨；可有效緩和反應速率，限制最高反應溫度等。,制冷制冷與稀釋一樣有著類似的優點；如有可能，應將危害性物質冷卻至或低于其常壓下的閃點值儲存，如 氨和氯通常通過制冷，在低于其閃點下儲存。,本質安全原理的應用,緩和原理,過程條件的緩和過程壓力的降低，如合成氨反應由600 bar降至10010、-150 bar；催化劑的改進允許甲醇在低壓下通過氧化合成法生產醛；聚烯烴技術的改進使過程壓力有效降低；采用高沸點溶劑能減小過程的操作壓力，同時減小反應失控時的最大 壓力。,本質安全原理的應用,簡化原理,將復雜過程分多步完成 Hendershot提出將1個進行復雜反應的間歇反應器分解成3個較小的反應器完成，可以減小單個反應器的復雜性，減少物料流股間的交互作用，如后圖所示。,過程設備的容忍度 如反應器設計壓力大于反應失效時的最大壓力，則不需要超壓安全鏈鎖裝置，同時有效減小泄放系統的尺寸，從而使過程設備簡化，前提是充分理解失效條件下的反應機理、熱力學和動力學特性并進行評價。,本質安全原理的應用,本11、質安全原理的應用,3,本質安全的評價,PART,本質安全的評價,本質安全評價是定量描述化工過程本質安全水平的重要手段，也是進行過程決策的重要定量依據，在過程的評價和篩選中發揮重要作用。自1993年Edwards首先提出PIIS（Prototype Inherent Safety Index）以來，近十幾年，涌現出十幾種本質安全評價方法，成為本質安全研究領域的重要分支。雖然人們不斷提出新的改進方法，但本質安全評價仍存在很多不足，如指標區間劃分和權重設置的主觀性，缺乏描述復雜過程的有效指標，方法的通用性和靈活性有待提高等，所以仍具有很大的潛力。,本質安全評價方法,CISI（2005）,PIIS（112、993）,I2SI（2004）,Graphical Method（2003）,Fuzzy Based ISI（2003）,ISI（1996）,EHS（2000）,INSET Toolkit（2001）,i-safe（2003）,IBI（2008）,現已開發的本質安全評價方法如下圖所示。,本質安全的評價,典型本質安全評價方法的評價模式PIIS法,本質安全的評價,典型本質安全評價方法的評價模式ISI法,主反應熱副反應熱 化學交互,總量值 過程溫度 過程壓力,過程設備 過程安全結構 過程復雜性,易燃性 爆炸性 毒性 腐蝕性,本質安全的評價,典型本質安全評價方法的評價模式i-safe法,本質安全的評價13、,典型本質安全評價方法的評價模式I2SI法,本質安全的評價,典型本質安全評價方法的評價模式IBI法,本質安全的評價,本質安全分析評價方法的演變方向：,一,擴大指標的覆蓋范圍。,二,三,四,克服區間劃分和權重設置的主觀性。,綜合考慮安全、環境、健康因素。,著眼于化工過程整個生命周期的通用性方法。,本質安全的評價,本質安全分析評價方法的演變方向：,擴大指標的覆蓋范圍。自1993年Edwards首先提出PIIS方法，隨后較早的其它方法基本都圍繞擴充指標的覆蓋面進行研究，如ISI，i-safe，CISI等，人們希望最大限度地將指標分布到化工過程的各個方面，從而全面地獲取過程的本質安全信息，同時對指標依14、托的過程信息進行了有益探索，各類方法的指標范圍如下表。,本質安全分析評價方法的演變方向：,本質安全的評價,本質安全分析評價方法的演變方向：,克服區間劃分和權重設置的主觀性。為了更真實地反映各指標對過程本質安全的影響程度，必須設法消除主觀因素，使指標的權重趨于合理。目前存在的主要問題有，區間劃分和指標評價的主觀性強，尤其是定性指標，不同人員的評價結果會有差異；指標設計簡單，很難準確描述復雜的過程和事故情形，易導致評價結果的偏離，比如用單個壓力判定復雜過程的安全性是不合理的；指標孤立，計算方法不合理等，Fuzzy Based Inherent Safety Index方法 和IBI法（Inhere15、nt Benignness Indicator）進行了一定程度的改良。,本質安全的評價,本質安全分析評價方法的演變方向：,綜合考慮安全、環境、健康（Safety,Environment,Health，SEH）因素。過程決策中需要權衡多個目標函數，在保證熱力學可行和經濟性的前提下，應綜合考慮過程的安全、環境和健康影響。INSIDE project開發了INSET工具包，包含了安全、環境、健康指標，可以根據過程階段進行選擇。Koller等開發了EHS方法，用于評價SEH信息，簡單易用，尤其適用于間歇過程。IBI法也同時涉及了SEH指標，可見，本質SEH的分析評價方法已成為趨勢，但需要正確處理它們的16、權重和指標重復的問題。,本質安全的評價,本質安全分析評價方法的演變方向：,著眼于化工過程整個生命周期的通用性方法。有些學者認為本質安全分析評價方法的適用性不能僅局限于過程的早期階段，應開發適用于整個生命周期的通用性方法才能充分發揮本質安全理念的指導作用。I2SI（Integrated Inherent Safety Index）法即屬于該類方法，可以適用于過程的任意階段，且將過程應用本質安全原理的潛力納入指標的范疇不過對本質安全原理應用程度還沒有準確的定量方法，主觀性較強。本質安全與傳統方法互相滲透，通用和專用方法有機結合，才能適應化工過程生命周期的多樣性和復雜性。,本質安全的評價,本質安全評17、價方法在過程開發中的應用在過程綜合中的應用,過程綜合是根據規定目標尋求最優系統結構和特性的過程，對于形成過程的雛形具有決定意義，其決策目標不斷多元化，如經濟性、可控性、靈活性、節能、環境等，包含本質安全為決策目標的研究相對很少。Heikkila等（1996）首先提出過程綜合中應用本質安全指標的策略框圖，但僅研究了分離序列綜合過程。該策略框圖如下所示。Palaniappan等（2002）開發了iBDT（Intelligent Benign Design Tool），基于物質、過程條件、過程單元信息，用試探法產生可選擇方案，自動對選擇方案的本質安全和環境影響兩類特征進行分析，輔助從業者在過程設計階18、段進行過程決策。,本質安全的評價,圖：Heikkila提出的過程綜合中應用本質安全指標的策略框圖,本質安全的評價,Heikkila提出的策略存在以下不足：（1）忽視了過程綜合的復雜性。過程綜合包括若干子系統，具有嚴格的層級關系，它的分層次結構決定了本質安全應采用分層次集成的方式，子系統之間存在的特征和過程信息差異，使得應用本質安全的程度和側重點不同。（2）僅在過程綜合之后以指標評價的方式考慮本質安全因素，沒有在過程綜合的同時采用有效的本質安全策略和方法。針對上述問題，我們提出了分層次的本質安全過程綜合策略，如下圖所示，通過將本質安全原理應用于成熟的子系統過程綜合方法，得到適用于該子系統的本質安19、全規則、指標、策略和方法，然后再應用于該子系統的綜合過程，從而實現在過程綜合階段考慮本質安全，通過在各層級上建立分層次的規則、指標、策略和方法，直至實現全流程的系統綜合，從而實現本質安全與過程綜合的有效集成，同時建立指導過程本質安全決策的系統性方法。,本質安全評價方法在過程開發中的應用在過程綜合中的應用,本質安全的評價,圖：分層次的本質安全過程綜合策略,本質安全的評價,本質安全評價方法在過程開發中的應用本質安全評價模塊開發及嵌入過程模擬工具,類似于經濟、環境等評價模塊，本質安全評價的模塊化、工具化有利于提高從業者的積極性和工作效率，內嵌于過程模擬優化軟件也是重要的推廣方式。EHS、INSET 20、Toolkit和iBDT都是工具包的形式，便于從業者使用。Shariff 等（2006，2008）提出并改進了在HYSYS中集成ISIM（Inherent Safety Index Module）、ICET（Integrated Consequence Estimation Tool）、IPEM（Integrated Probability Estimation Module）的一般性框架，根據模擬得到的工藝條件對化工過程的本質安全、事故結果、風險概率進行評價，為過程設計提供分析工具。,本質安全的評價,圖：Shariff 等提出的在HYSYS中集成ISIM的策略框圖,本質安全的評價,4,小結,21、PART,小結,結論 1,結論 2,本質安全是通過消除或減小危害特征實現過程的安全，著眼于從根源上解決化工安全問題，應作為優先采用的過程安全技術。本質安全理念應拓展至化工過程的整個生命周期，在不同階段層次上優先考慮本質提升的過程安全方案。將本質安全原理轉化為可操作性強的系統性規則，有利于實現本質安全設計。,本質安全原理在應用時很難同時得到滿足，需要進行權衡，則對過程失效機理及綜合評價方法的深入研究成為決策的重要支撐，對于復雜過程更為顯著，同時，本質安全原理的應用有賴于新型過程和技術的開發，如新原料，綠色反應路徑，新型催化劑等。,結論 3,結論 4,著眼于整個生命周期的本質安全，必須建立通用和專用相結合，綜合考慮安全、環境、健康影響的評價方法，以應對過程的復雜性和多樣性，同時應用其它學科知識開發更加符合實際情形的評價方式和流程也是重要的研究方向。,過程綜合的分層次結構決定了本質安全應采用分層次集成的方式，當務之急是通過本質安全技術與成熟過程綜合方法的有效集成，建立指導過程本質安全決策的系統性方法。過程模擬優化軟件中內嵌優良的本質安全模塊將大大提高從業者的效率和積極性，故也是重要的努力方向。,小結,好好做安全一定有人因你而安全,