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1、n化工生产安全论文化工安全生产论文：基于模糊综合评价的化工工艺本质安全指数研究【摘要】 建立化工工艺的本质安全评价指标体系,包括可燃性、爆炸性、毒性、反应性、温度、压力、储量等7个指标。为解决前人指数法中的边界波动效应,采用模糊综合评价建立化工工艺本质安全评价指数模型,确定各指标的权重、危险分级及对各分级的隶属函数。以甲基丙烯酸甲酯的5条工艺路线为例进行分析,结论与前人提出的指数方法的评价结果相吻合,表明该指数方法可以用来进行化工工艺的本质安全评价,以指导设计初期的本质安全型工艺路线选择。【关键词】 化工工艺;本质安全;边界波动效应;模糊综合评价;隶属函数0引言化学工业作为国民经济的支柱产业,
2、近年来正日趋大型化、复杂化、连续化与自动化。它在不断带来了巨大物质财富的同时,也由于其传统工艺技术落后,增加了事故和环境污染风险。如2005年11月13日我国吉林石化双苯厂苯胺装置发生了特大爆炸火灾事故,造成8人死亡, 60人受伤,直接经济损失6 908万元,并致使松花江水严重污染,哈尔滨市被迫全市停水4天,且波及邻国俄罗斯,造成恶劣的国际影响。2006年7月28日8时45分左右,位于江苏省射阳县临海镇的盐城氟源化工有限公司氯化反应器在试生产过程中发生爆炸,继而发生连续爆炸,造成硝化、氯化两个车间厂房全部倒塌,造成22人死亡, 29人受伤。这些事故的严重性表明,事故预防与风险管理技术的进一步开
3、发与应用迫在眉睫。从根本上预防人员伤亡和环境污染事故,实现绿色化学、清洁发展具有重要的现实意义1。在实现本质安全化的过程中,进行本质安全评价必不可缺,国内外已有很多种本质安全评价方法,笔者在此基础上提出了一种基于模糊综合评价法的本质安全评价模型,旨在进一步解决前人指数法中的边界波动效应。1本质安全与本质安全评价本质安全化的理念是人们对灾难性事故反思的产物,反映了人类安全生产和环境保护思想由被动的末端治理到主动源头控制的客观发展过程。本质安全化不是依靠被动、主动的程序措施,而是通过化学与物理学来预防事故,即通过改进设计,消减工艺、设备中存在的危险物质或危险操作的数量,使用安全材料替代危险材料等综
4、合措施,以消除或减少工艺、设备中的危险性。本质安全化设计往往可以得到一个简化而又节约的工艺过程,因为危险的消减,减少了安全装置的使用与维护1-6。每个工艺过程都同时存在很多种危险性,如易燃易爆性、毒性、高温、高压等。在具体采取本质安全措施时,往往都是针对某一类或者某几类危险进行消减,实施本质安全化。对于其他的危险性,可能没有影响,或者增加其危险性。如使用氟利昂作为制冷剂,代替了液氨与轻烃,虽然减少了易燃易爆性与毒性,但氟利昂可对臭氧层造成破坏,对环境造成了影响。再如:某个使用相对无害的水和二氧化碳的超临界工艺却需要高温高压。因此,在实施具体本质安全措施的前后就需要对工艺中的所有危险进行辨识与分
5、析,以进行权衡与评价。此时就需要有一个合理可行的本质安全评价工具5, 7。从1978年Kletz提出本质安全化的理念以来,世界各国已有很多学者投入到本质安全评价指标体系的研究中。典型的几套指标体系有: 1993年Ed-wards与Lawrence提出的Prototype Index for InherentSafety(PIIS)8; 1996年Heikkila提出的InherentSafety Index( ISI)9; 2002年Palaniappan提出的i-Safe指数10; 2003年Gupta与Edwards在PIIS的基础上提出了一种基于图表的评价方法8; 2003年Gentil
6、e提出的基于模糊推理的本质安全指数11;2004年Khan与Amyotte提出的Integrated InherentSafety Index(I2SI)12等。Gentile指出了PIIS, ISI及i-safe中的边界波动效应问题,即在指标子范围的边界处分值出现突然跳跃而指标值在子范围内部变动时分值不变的现象。Gentile把模糊推理Mamdani算法应用到指数模型中,解决了这一问题11。但模糊推理算法较复杂,笔者尝试在其基础上简化,使用模糊综合评价法建立指标体系,以解决边界波动效应问题13-14。2本质安全指数模型的建立笔者建立的本质安全指数模型主要用于在设计初期的工艺路线分级与选择。而
7、此时可以获得的工艺信息很少,只有一些物性、工艺参数等,故只能通过它们建立模型15。化工工艺的本质安全程度主要由其固有危险性决定,具体受工艺过程中的原料、半成品、成品数量和性质、相应操作条件的苛刻程度等影响。因而,可以分为两个二级指标:物质危险性和工艺条件危险性。在物质危险性中,主要考虑可燃性、爆炸性、毒性、反应性等4个三级指标。在工艺条件危险性中,主要考虑操作温度、操作压力、储量等3个三级指标8-11, 16-17,指标体系见表1。可燃性指物质在空气中被点燃的难易程度,该模型中以闪点表示,闪点越低,则可燃性越高。爆炸性指物质在空气中形成爆炸性混合物的难易程度,由其爆炸极限决定。显然,爆炸区间(
8、爆炸上限-爆炸下限)越大,爆炸下限越低,则爆炸性越高,故该模型中以爆炸危险度表示爆炸性16:EH=(UEL-LEL) /LEL (1)式中,EH为物质的爆炸危险度;UEL,LEL分别为物质的爆炸上限于爆炸下限。毒性可以通过阈限值(Threshold LimitValue,TLV)或者半数致死剂量LD50、半数致死浓度LC50等指标表示。TLV指的是8小时工作日或40小时工作周中的几乎所有工人每天反复接触而不致受到有害影响的时间加权平均浓度限值。由于对于大多数物质都可以获取其TLV值,故该体系中用TLV来表征物质毒性。TLV越小,毒性越大。2.1指标权重的确定在ISI中,不同指标的取值范围不同,
9、取值范围的大小表示的是该指标对本质安全程度的重要程度。它们是通过国际上的一些过程安全专家的头脑风暴得出,有很大的可信度。在此参考这一系列取值范围,并对其归一化,作为文中的指标对于总指标的权重系数,见表19。2.2备择集的建立备择集是评价者对评价指标可能作出的各种评价评语所组成的集合,一般以程序语言或评定取值区间作为评价目标。笔者将各个评价指标按照危险程度分为5级,即“很高危险”、“高危险”、“中度危险”、“低危险”与“很低危险”3,16。以模糊语言表示为V=很高危险(VH),高危险(H),中度危险(MH),低危险(L),很低危险(VL)2.3指标等级划分及隶属函数的确定隶属函数的曲线形式有三角
10、形、梯形和高斯形等,隶属函数之间应有重叠,一般重叠为25% 50%。根据文献13, 16,两端区间采用梯形隶属函数,中间区间采用三角形隶属函数,并且相邻的隶属函数之间重叠为50%时描述简单,计算方便。故文中也据此设置隶属函数。一般设在中间区间的中点其隶属函数取最大值1,而在相邻两区间的中点其隶属函数取最小值0,连接1与0,得指标对该评语等级的隶属函数。笔者主要参照化工行业的相关国家标准规范,结合国内外危险指数或安全评价指标中的等级划分,制定出各个指标的具体分级标准见表2,并确定了各个指标对备择集中各个评语的隶属函数8-10, 16。因篇幅有限,现仅列举可燃性与温度的隶属函数如图2、图3所示。2
11、.4指数计算方法国内外危险指数计算方法主要有3种,即加和型、平均型与最坏模式型18。加和型的计算方法强调对每个工艺步骤进行指数计算,把所用步骤的指数值相加得到整个工艺的指数值,这一方法虽然可以反映出工艺复杂性所表示的危险性,但评价结果受工艺步骤数影响很大,准确性太低。平均型计算方法即对各个步骤的指数值相加再除以步骤数,以消除工艺步骤数对评价结果的影响。最坏模式型则是出于保守考虑,选择工艺中最危险的物质属性、最危险的操作条件等代表整个工艺的危险程度以进行指数计算,是最合理的。在文中,即选取最坏模式型进行指数计算。2.5指数计算步骤1)对化工工艺进行分析:通过化学品安全说明书(MSDS)、国际化学
12、品安全卡(ICSC)等获取工艺中所有物质的危险特性,包括闪点、爆炸极限及TLV等;通过化工手册等查出各部反应方程式中的反应物与生产物的标准生成焓,以计算反应热;列出各反应步骤的操作温度与操作压力。2)计算出各物质的爆炸危险度。选择储量,最低的闪点值、TLV值与反应热值,最高的爆炸危险度、操作温度与操作压力,带入相应的隶属函数中,得出对应的评价指标对各评语的隶属度子集。3)把7个隶属度子集组成一个75的模糊隶属度矩阵L。化工工艺的本质安全型模糊评判矩阵为In=QL=0.130.130.190.130.130.130.16式中,Q为各指标的权重行向量;f, e, t, r,w,p, in分别为可燃
13、性、爆炸性、毒性、反应性、反应温度、反应压力及储量对各个危险等级的隶属度。4)设置一个列向量n=5 4 3 2 1,则该评价模型的本质安全指数值: 式中,In为化工工艺的总体本质安全程度对各个危险等级的隶属度,由式(2)求得。显然InSI的取值范围为1,5。InSI越大,本质安全程度越低。3实例应用对于文中提出的本质安全指数模型,编制了MATLAB函数进行计算。现使用该方法对甲基丙烯酸甲酯(MMA)的5条工艺路线进行评价。MMA是一种重要的有机化工原料,用作有机玻璃的单体,也用于制造其他树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂、木材和软木的浸润剂、纸张上光剂等。5条路线的具体工艺见表32, 8, 17
14、。假设5条工艺路线中的物质储量都为100 ,t通过查询MSDS与ICSC等数据库获取最危险的可燃性、爆炸性与毒性参数,现整理各参数的取值列于表4。使用编制的MATLAB程序进行计算,得出各条工艺路线的指数值见表5。通过表5可见, 5条MMA的工艺路线的本质安全水平由高到低排序为异丙醇法、异丁烯法、丙烯法、乙烯法、ACH法。这与相关文献中使用PIIS, ISI等方法评价的结果是相吻合的2, 4, 8。结果表明,笔者研究的指标模型可以用于化工工艺路线的本质安全评价。4结论为有效地解决指数值的边界波动效应,笔者使用模糊综合评价法建立了本质安全评价指标模型, 主要结论如下:1)确定了本质安全评价指标体
15、系,由物质危险性和工艺条件危险性方面的可燃性、爆炸性、毒性、反应性、温度、压力、储量等7个指标组成。2)选用ISI中各个指标的取值范围,并对其归一化,作为该模型中的指标对于总指标的权重系数。3)参照相关国家标准规范、危险指数或者安全评价指标体系中的等级划分,制定出该模型中各个指标的具体分级,并确定了各个指标对各分级的隶属函数。4)使用矩阵相乘的形式计算出该模型的本质安全指数,指数值越大,本质安全程度越低。5)通过对MMA的5条工艺路线的本质安全评价,证明了该方法能够科学有效地对工艺路线的本质安全型进行分级。由于化工工艺的危险因素很多,文中只是提取了其中最重要的7种。并且在评价指标的分级、隶属度的确定等方面存在很大的主观性。因而,在以后的研究中,还需要进一步深入探索,以提高化工工艺本质安全评价的全面性与客观性。参考文献1吴宗之,樊晓华,杨玉胜.论本质安全与清洁生产和绿色化学的关系J.安全与环境学报, 2008, 8(4):135-138.2樊晓华,吴宗之,宋占兵.化工过程的本质安全化设计策略初探J.应用基础与工程科学学报, 2008, 16(2):191-199.3王艳华,陈宝智,黄俊.化工过程本质安全性之模糊评价系统J.中国安全科学学报, 2008, 18(7): 128-133.4
