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1、College of Information Science & 过程本质安全及其应用与评价主要内容本质安全及其原理1本质安全原理的应用2本质安全的评价3小结4 本本质质安全及其原理安全及其原理?“本质安全本质安全”（Inherent Safety ）的提出：1977年12月，英国的Kletz教授作了题为教授作了题为“What you dont have, cant leak”的报告，首次明确提出的报告，首次明确提出“本质安全的本质安全的化工过程化工过程”（Inherently Safer Chemical Process）概念，形成了成了“本质安全本质安全”的雏形。的雏形。本质安全是利用物质
2、或过程本身所固有的属性消除或减小危害，而不是用保护系统控制和管理危害。 本质安全及其原理七十年代末九十年代二十一世纪形成期发展期成熟期?本质安全的内涵（1）物质和过程的存在具有其固有的必然的物理和化学特性，比如某物质有剧毒性，某过程是高温高压的等等，这种特性与生俱来，且是形成过程危害的根源。（2）通过改变具有危害特性的物质或过程变量，从而消除或最小化过程危害，而非控制危害。（3）“本质安全本质安全”不代表不代表“绝对安全绝对安全”。当某过程相。当某过程相比于其它可选过程消除或最小化了危害特征，则认为其是本质更安全(Inherently Safer)过程。 本质安全及其原理本质安全与传统安全理念
3、的区别：本质安全：消除过程的危害特征。过程的危害特征。传统安全方法：以控制危害为目标，不能避免事故的发生。着眼点不同采用方式不同介入时机不同本质安全：根据物质和过程的固有属性消除或最小化危害 。传统安全方法：添加安全保护设施控制已存在的危害 。本质安全：注重在过程早期从源头上消除危害。传统安全方法：在过程中后期对危害进行分析、评价，提出改良措施。 本质安全及其原理本质安全设计与绿色化工致力于安全问题致力于安全问题?Click to add Text着重考虑过程对人和环着重考虑过程对人和环境的影响：?反应路径，合成路线，原料，介质等方面；?合成路径的实现；合成路径的实现；?重视对基础理论的把握和
4、应用Green chemistry, engineeringInherently Safer Design着重考虑安全范畴：?更加注重事故的直接后果，比如毒性物质泄漏的直接影响等；?也同时考虑化学品和工程问题，比如设备设计，运输，布局等。 本质安全及其原理消除危害本质安全设备控制系统联锁、安全切断系统物理保护系统报警及应急响应本质安全设计物质或能量过程被动保护层主动保护层程序保护层狭义的本质安全广义的本质安全本质安全设计与安全保护层的关系本质安全设计的核心区域 本质安全及其原理化工过程生命周期中提升本质安全的机会研研究究开开发发概概念念设设计计基基础础设设计计详详细细设设计计建建设设施施工工开
5、开车车操操作作运运行行提升本质安全的机会提升本质安全的机会过程的信息资源过程的信息资源安全费用安全费用化工过程生命周期化工过程生命周期化工过程生命周期化工过程生命周期中各阶段考虑过程本质中各阶段考虑过程本质安全的机会大不相同。在过程早期考虑本质安在过程早期考虑本质安全的自由度较大，到中全的自由度较大，到中后期逐渐减小，因为过后期逐渐减小，因为过程已经定型，只能添加安全保护设施，不但安安全保护设施，不但安全费用迅速增加，也使全费用迅速增加，也使过程变得复杂。图示为过程变得复杂。图示为提升本质安全机会相对较大的阶段。较大的阶段。图1 化工过程生命周期中考虑本质安全的机会 本质安全及其原理着眼于化工
6、过程整个生命周期的过程安全方法概念设计（Conceptual Design）基础设计（Basic Design）详细设计（Detailed Design）研究开发（Research and Development）建设施工（Construction）开车（Start-Up）操作运行（Operation）维护改造（Maintenance and Innovation）70年代事故预防理念事故预防理念 通常在过程的中后期应用传统的安全方法，如HAZOP, Dow F&EI, FTA ，FMEA, ETA等控制危害。90年代本质安全理念本质安全理念 注重在过程的早期阶段运用本质安全原理、评价的方法消
7、除或减小危害。21世纪全局性的过程安全理念 着眼于整个生命周期，以本质安全理念为指导，与传统安全方法有机结合，从过程系统的角度出发，综合考虑环境、健康的全局性过程安全方法。图2 化工过程生命周期中过程安全方法的演变 本质安全及其原理Text in here本质安全与安全保护层本质安全与化工过程生命周期本质安全与传统安全方法本质安全的特性本质安全即为安全的本质特征，特征的不可分割性决定了能从本质上实现过程安全。处于保护层的核心，着重从物质（能量）和过程、设备设计实现本质安全设计。化工过程整个生命周期中优先考虑的安全方法，尤其对研究开发和概念设计阶段更具价值。 本质安全及其原理最小化、替代、缓和、
8、简化限制影响、避免链锁效应、防止错误装配、容忍度状态清晰、易控制、软件分层次的过程安全设计原理如下，其中本质安全层是优先采用的安全设计方式。Your text in hereYour text in hereYour text in here本质安全层物理保护层控制保护层应急响应层 本质安全及其原理安全层级原理解释举例适用阶段本质安全层次最小化（或强化）Minimization(or Intensification)使过程中包含的物质和能量的量值最小化。反应中不使用挥发性溶剂，或使用量非常小，即使全部泄露也在安全范围内。研究开发概念设计替代Substitution用低危害物质（或过程条件）代替
9、高危害物质（或过程条件）。用低挥发性溶剂代替高挥发性溶剂。缓和Attenuation在低危害条件下使用危害物质。在常压反应体系中使用挥发性溶剂。简化Simplification设计简单过程或工厂。根据化学物理特征去除繁琐的设施和控制。IPSG（International Process Safety Group）、AICheE的CCPS（Center for Chemical Process Safety）对本质安全设计原理的定义按照优先级如下： 本质安全及其原理物理保护层安全设计原理物理保护层次限制影响Limitation of effects使过程释放的物质或能量所产生的影响最小化。设计反
10、应器的抗压能力大于反应的最大压力；采用螺旋式垫圈能有效降低泄露速率。基础设计详细设计避免链锁效应Avoid knock-on effects设计预防链锁或多米诺效应的措施。设置安全链锁装置防止错误装配Prevent incorrect assembly提高错误装配的难度或消除这种可能性。压缩机进出口阀门设计成不易调换的。容忍度Tolerance过程能够在一定程度上容忍操作失误、错误安装和设备失效。固定的金属管线比软塑料管线具有更强的容忍度。安全层级原理（或原则）解释举例适用阶段 本质安全及其原理控制保护层安全设计原理控制保护层次状态清晰Make status clear 设备的状态显示清晰准确
11、且易于辨识。止回阀有明确的标识。基础设计详细设计易控制Ease of control 设计易于控制的过程或简单的控制系统。系统的自动修复功能，报警提示功能。软件Software 软件易于操作且有防止误操作的能力。界面简单友好，容易检查和修正错误，误按键不会导致严重后果。安全层级安全层级原理（或原则）解释举例适用阶适用阶段段 本质安全及其原理本质安全设计原理是定性的描述，没有统一的衡量标准，导致应用程度参差不齐，有些学者建议用本质安全指标进行量化，原理与指标的对照关系下：最小化替代替代本质安全设计原理AB简化D缓和缓和C易燃性，易爆性，易燃性，易爆性，毒性，腐蚀性，化学交互化学交互总量值，产率总
12、量值，产率过程温度，过程压力，反应程压力，反应热热过程结构，过程复杂性，布局，设备类型 本质安全及其原理 本本质质安全原理的安全原理的应应用用 本质安全原理的应用物质类应用反应原料和路径的选择；溶剂的选择；物质储存和输送的方式等本质安全原理本质安全原理的应用的应用过程类应用反应器的强化；反应器的选择；操作方式的选择；过程条件的改良等现有的相关研究主要关注过程的早期阶段，可分为物质和过程两类。最小化原理- 反应器的选择权衡反应器的选择反应机理反应机理动力学动力学传质传质物料的量物料的量反应器的尺寸复杂性混合热效应热效应最小化原理最小化原理反应反应 本质安全原理的应用反应器类型反应器类型BSTRL
13、oop Reactor反应器尺寸（l）80002500氯化时间（h）164产率（kg/h）370530氯气用量（kg/100kg产品）3322Loop Reactor和BSTR两类反应器中乳液聚合反应的数据对照。最小化原理- 反应器的选择 本质安全原理的应用最小化原理- 减少设备数量Agreda等提出了采用反应精馏系统代替传统生产醋酸甲酯的工艺，使过程设备数量从9降至3，提高了过程的安全性。ReactorSplitterExtractiveDistillatonSolventRecoveryMethanolRecoveryExtractorAzeoColumnDecanterFlashColu
14、mnColorColumnFlashColumnWaterWaterHeaviesMethylAcetateWaterCatalystMethanolAcetic AcidReactorColumnImpurityRemovalColumnsWaterHeaviesAcetic AcidMethanolSulfuricAcidMethyl Acetate 本质安全原理的应用最小化原理- 物料的储存、输送Buxton提出在萘甲胺生产过程中，通过改变反应路径以避免储存和输送危害性中间产物异氰酸甲酯，可替代的反应路径如表所示：注：1、氧气；、氧气；2、氢气；、氢气；3、氯化氢、氯化氢、4、1-萘酚氯
15、甲酸酯；萘酚氯甲酸酯；5、甲基甲酰胺；、甲基甲酰胺；6、水；、水；7、甲胺；、甲胺；8、光、光气；9、甲基异氰酸酯；10、1-萘酚；11、胺甲萘（产品）；12、萘；13、1-氯萘；14、N-甲基-1萘胺；15、1-萘羟基甲酸酯；萘羟基甲酸酯；16、氯；、氯；17、1-氯甲烷；氯甲烷；18、甲醇；、甲醇；19、氯甲醛、氯甲醛 本质安全原理的应用替代原理- 反应物和路径的替代Puranik提出氨氧化过程生产丙烯腈，以氨和丙烯代替乙炔和氰化氢作为原料，消除危害性原料氰化氢 。CHCNCHHCNCHCH?2OHCHCNCHONHCHCHCH222332323?传统方法：传统方法：改进方法：改进方法：消
16、除剧毒性原料 本质安全原理的应用替代原理-溶剂的替代低挥发性溶剂低挥发性溶剂低毒性溶剂低毒性溶剂非易燃性溶剂非易燃性溶剂溶剂的选择溶剂的选择环境友好性溶剂环境友好性溶剂 本质安全原理的应用缓和原理稀释用高沸点溶剂稀释可降低系统压力，降低泄漏速率；过程允许时考虑在稀释状态下储存危害性物质如以氨水代替液氨；可有效缓和反应速率，限制最高反应温度等。制冷制冷与稀释一样有着类似的优点；如有可能，应将危害性物质冷却至或低于其常压下的闪点值储存，如氨和氯通常通过制冷，在低于其闪点下储存 。 本质安全原理的应用缓和原理过程条件的缓和过程压力的降低 ，如合成氨反应由600 bar降至100-150 bar；催化
17、剂的改进允许甲醇在低压下通过氧化合成法生产醛；聚烯烃技术的改进使过程压力有效降低；采用高沸点溶剂能减小过程的操作压力，同时减小反应失控时的最大压力。 本质安全原理的应用简化原理将复杂过程分多步完成 Hendershot 提出将1个进行复杂反应的间歇反应器分解成3个较小的反应器完成，可以减小单个反应器的复杂性，减少物料流股间的交互作用 ，如后图所示。过程设备的容忍度 如反应器设计压力大于反应失效时的最大压力，则不需要超压安全链锁装置，同时有效减小泄放系统的尺寸，从而使过程设备简化，前提是充分理解失效条件下的反应机理、热力学和动力学特性并进行评价 。 本质安全原理的应用CondenserDisti
18、llateReceiverRefrigeratedBrineLargeRuptureDiskABCDECondensateWater SupplySteamWater ReturnABCDEDistillateReceiverCondenserWater SupplyWater ReturnRefrigeratedBrineSteamCondensateLarge RuptureDisk 本质安全原理的应用 本质安全的评价本质安全的评价 本质安全的评价本质安全评价是定量描述化工过程本质安全水平的重要手段，也是进行过程决策的重要定量依据，在过程的评价和筛选中发挥重要作用。自1993年Edward
19、s 首先提出PIIS（Prototype Inherent Safety Index ）以来，近十几年，涌现出十几种本质安全评价方法，成为本质安全研究领域的重要分支。虽然人们不断提出新的改进方法，但本质安全评价仍存在很多不足，如指标区间划分和权重设置的主观性，缺乏描述复杂过程的有效指标，方法的通用性和灵活性有待提高等， 所以仍具有很大的潜力。本质安全评价方法CISI（2005）PIIS（1993）I2SI（2004）Graphical Method（2003）Fuzzy Based ISI（2003）ISI（1996）EHS（2000）INSET Toolkit（2001）i-safe（200
20、3）IBI（2008）现已开发的本质安全评价方法如下图所示。 本质安全的评价典型本质安全评价方法的评价模式 PIIS法?)()()() ()()()()() (yeildpressureetemperaturscoreprocesstoxicityessexplosiventyflammabiliinventoryscorechemicalPIIS产率压力温度过程指标毒性爆炸性易燃性总量值化学物质指标总指标 本质安全的评价典型本质安全评价方法的评价模式 ISI法总本质安全指标化学类 指标过程类 指标反应危害子指标物质危害子指标过程条件子指标过程系统子指标?主反应热?副反应热?化学交互?总量值
21、?过程温度 ?过程压力?过程设备?过程安全结构?过程复杂性?易燃性 ?爆炸性 ?毒性?腐蚀性 本质安全的评价典型本质安全评价方法的评价模式 i-safe法 本质安全的评价典型本质安全评价方法的评价模式I2SI法“火灾爆炸危害”50%概率时的破坏半径（Damage Radius）“急性毒性危害”50%概率时的破坏半径（Damage Radius）“慢性毒性危害”50%概率时的破坏半径（Damage Radius）“环境破坏”50%概率时的破坏半径（Damage Radius）四者联合求Damage Index ,DI计算PHCIProcess and Hazard Control Index计算
22、本质安全费用指标Inherent Safety Cost Index ，ISCI计算本质安全指标Inherent Safety Index, ISI(评价应用本质安全原理的潜力 )计算本质安全控制指标Inherent Safety Control Index, ISCI（应用本质安全原理后的控制指标值）“危害指标”Hazard IndexHI“本质安全潜力指标”Inherent Safety Potential IndexISPI计算I2SI值 本质安全的评价典型本质安全评价方法的评价模式 IBI法本质优良性指标IBI安全化学安全过程安全反应性可燃性爆炸性反应热压力温度产率酸化臭氧损耗光化学氧
23、化全球变暖环境毒性摄入毒性和陆生态毒性、吸入和皮肤暴露水生态毒性健康 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：一一扩大指标的覆盖范围。二三四克服区间划分和权重设置的主观性。综合考虑安全、环境、健康因素。着眼于化工过程整个生命周期的通用性方法。 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：扩大指标的覆盖范围。自1993年Edwards 首先提出PIIS方法，随后较早的其它方法基本都围绕扩充指标的覆盖面进行研究，如ISI，i-safe，CISI等，人们希望最大限度地将指标分布到化工过程的各个方面，从而全面地获取过程的本质安全信息，同时对指标依托的过程信息进行了有益探索，各类方法的指标范围如
24、下表。 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：易 易 毒燃 爆性 性 性腐蚀性化学交互反应热过程温度过程压力产率总量值设备类型过程结构复杂性布局Prototype Inherent Safety Index , PIIS（1993）Inherent Safety Index , ISI （1996）i-safe（2003）Comparative Inherent Safety Index, CISI（2005） 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：克服区间划分和权重设置的主观性。为了更真实地反映各指标对过程本质安全的影响程度，必须设法消除主观因素，使指标的权重趋于合理。目前存
25、在的主要问题有，区间划分和指标评价的主观性强，尤其是定性指标，不同人员的评价结果会有差异；指标设计简单，很难准确描述复杂的过程和事故情形，易导致评价结果的偏离，比如用单个压力判定复杂过程的安全性是不合理的；指标孤立，计算方法不合理等，Fuzzy Based Inherent Safety Index方法 和IBI法（Inherent Benignness Indicator）进行了一定程度的改良。 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：综合考虑安全、环境、健康（综合考虑安全、环境、健康（ Safety, Environment, Health，SEH）因素。过程决策中需要权衡多个目标函
26、数，在保证热力学可行和经济性的前提下，应综合考虑过程的安全、环境和健康影响。INSIDE project 开发了INSET工具包，包含了安全、环境、健康指标，可以根据过程阶段进行选择。Koller 等开发了EHS方法，用于评价SEH信息，简单易用，尤其适用于间歇过程。IBI法也同时涉及了SEH指标，可见，本质SEH的分析评价方法已成为趋势，但需要正确处理它们的权重和指标重复的问题。 本质安全的评价本质安全分析评价方法的演变方向：着眼于化工过程整个生命周期的通用性方法。有些学者认为本质安全分析评价方法的适用性不能仅局限于过程的早期阶段，应开发适用于整个生命周期的通用性方法才能充分发挥本质安全理念
27、的指导作用。I2SI（Integrated Inherent Safety Index ）法即属于该类方法，可以适用于过程的任意阶段，且将过程应用本质安全原理的潜力纳入指标的范畴不过对本质安全原理应用程度还没有准确的定量方法，主观性较强。本质安全与传统方法互相渗透，通用和专用方法有机结合，才能适应化工过程生命周期的多样性和复杂性。 本质安全的评价本质安全评价方法在过程开发中的应用在过程综合中的应用过程综合是根据规定目标寻求最优系统结构和特性的过程，对于形成过程的雏形具有决定意义，其决策目标不断多元化，如经济性、可控性、灵活性、节能、环境等，包含本质安全为决策目标的研究相对很少。Heikkila
28、 等（1996）首先提出过程综合中应用本质安全指标的策略框图，但仅研究了分离序列综合过程。该策略框图如下所示。Palaniappan 等（2002）开发了iBDT（Intelligent Benign Design Tool ），基于物质、过程条件、过程单元信息，用试探法产生可选择方案，自动对选择方案的本质安全和环境影响两类特征进行分析，辅助从业者在过程设计阶段进行过程决策。 本质安全的评价图：图：Heikkila提提出的过程综合中出的过程综合中应用本质安全指应用本质安全指标的策略框图标的策略框图 本质安全的评价Heikkila 提出的策略存在以下不足：（1）忽视了过程综合的复杂性。过程综合包
29、括若干子系统，具有严格的层级关系，它的分层次结构决定了本质安全应采用分层次集成的方式，子系统之间存在的特征和过程信息差异，使得应用本质安全的程度和侧重点不同。（2）仅在过程综合之后以指标评价的方式考虑本质安全因素，没有在过程综合的同时采用有效的本质安全策略和方法。针对上述问题，我们提出了分层次的本质安全过程综合策略，如下图所示，通过将本质安全原理应用于成熟的子系统过程综合方法，得到适用于该子系统的本质安全规则、指标、策略和方法，然后再应用于该子系统的综合过程，从而实现在过程综合阶段考虑本质安全，通过在各层级上建立分层次的规则、指标、策略和方法，直至实现全流程的系统综合，从而实现本质安全与过程综
30、合的有效集成，同时建立指导过程本质安全决策的系统性方法。本质安全评价方法在过程开发中的应用在过程综合中的应用 本质安全的评价反应子系统综合反应子系统综合本本质质安安全全原原理理分离子系统综合分离子系统综合能量子系统综合能量子系统综合全流程系统综合全流程系统综合本质安全性高的流程本质安全性高的流程基础数据基础数据第一层次第一层次本质安全规则本质安全规则指标指标策略和方法策略和方法第二层次第二层次本质安全规则本质安全规则指标指标策略和方法策略和方法第三层次第三层次本质安全规则本质安全规则指标指标策略和方法策略和方法整体整体本质安全规则本质安全规则指标体系指标体系策略和方法策略和方法图：分层次的本质
31、安全过程综合策略图：分层次的本质安全过程综合策略 本质安全的评价本质安全评价方法在过程开发中的应用本质安全评价模块开发及嵌入过程模拟工具类似于经济、环境等评价模块，本质安全评价的模块化、工具化有利于提高从业者的积极性和工作效率，内嵌于过程模拟优化软件也是重要的推广方式。EHS、INSET Toolkit 和iBDT都是工具包的形式，便于从业者使用。Shariff 等（2006，2008）提出并改进了在HYSYS中集成ISIM（Inherent Safety Index Module）、ICET（Integrated Consequence Estimation Tool ）、IPEM（Inte
32、grated Probability Estimation Module ）的一般性框架，根据模拟得到的工艺条件对化工过程的本质安全、事故结果、风险概率进行评价，为过程设计提供分析工具。 本质安全的评价图：Shariff 等提出的在HYSYS中集成ISIM的策略框图HYSYS过程模拟器进一步改良？修改设计本质安全指标模块（ISIM）该模块评价安全水平，提出能被降低的指标组成综合结果评价工具该模块评价意外事件的不良结果，也能评价多重设计综合概率估计模块该模块依据建好的数据库估计意外事件发生的概率风险因素计算风险比较标准是否接受？继续进行设计 本质安全的评价 小结小结 小结小结结论 1 1结论 2
33、 2本质安全是通过消除或减小危害特征实现过程的安全，着眼于从根源上解决化工安全问题，应作为优先采用 的过程安全技术。本质安全理念应拓展至化工过程的整个生命周期 ，在不同阶段层次上优先考虑本质提升的过程安全方案。将本质安全原理转化为可操作性强的 系统性规则，有利于实现本质安全设计。本质安全原理在应用时很难同时得到满足，需要进行权衡，则对过程失效机理及综合评价方法的深入研究成为决策的重要支撑，对于复杂过程更为显著，同时，本质安全原理的应用有赖于新型过程和技术的开发，如新原料，绿色反应路径，新型催化剂等。结论 3结论 4着眼于整个生命周期的本质安全，必须建立通用和专用相结合，综合考虑安全、环境、健康影响的评价方法，以应对过程的复杂性和多样性，同时应用其它学科知识开发更加符合实际情形的评价方式和流程也是重要的研究方向。过程综合的 分层次结构 决定了本质安全应采用 分层次集成 的方式，当务之急是通过本质安全技术与成熟过程综合方法的有效集成，建立指导过程本质安全决策的系统性方法。过程模拟优化软件中内嵌优良的本质安全模块将大大提高从业者的效率和积极性，故也是重要的努力方向。 小结
