过程本质安全及其应用与评价

过程本质安全及其应用与评价CollegeofInformationScience&Technology目前一页\总数五十一页\编于九点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目前二页\总数五十一页\编于九点Ⅰ

本质安全及其原理目前三页\总数五十一页\编于九点“本质安全”（InherentSafety）的提出：

1977年12月，英国的Kletz教授作了题为“Whatyoudon‘thave,can’tleak”的报告，首次明确提出“本质安全的化工过程”（InherentlySaferChemicalProcess）概念，形成了“本质安全”的雏形。本质安全是利用物质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。Ⅰ

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目前四页\总数五十一页\编于九点本质安全的内涵（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”不代表“绝对安全”。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(InherentlySafer)过程。

Ⅰ

本质安全及其原理目前五页\总数五十一页\编于九点本质安全与传统安全理念的区别：

本质安全：消除过程的危害特征。

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01采用方式不同02介入时机不同03

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。

Ⅰ

本质安全及其原理目前六页\总数五十一页\编于九点本质安全设计与绿色化工致力于安全问题ClicktoaddText

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；重视对基础理论的把握和应用Greenchemistry,engineeringInherentlySaferDesign

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。Ⅰ

本质安全及其原理目前七页\总数五十一页\编于九点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Ⅰ

本质安全及其原理目前八页\总数五十一页\编于九点化工过程生命周期中提升本质安全的机会化工过程生命周期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全的自由度较大，到中后期逐渐减小，因为过程已经定型，只能添加安全保护设施，不但安全费用迅速增加，也使过程变得复杂。图示为提升本质安全机会相对较大的阶段。

图1化工过程生命周期中考虑本质安全的机会

Ⅰ

本质安全及其原理目前九页\总数五十一页\编于九点着眼于化工过程整个生命周期的过程安全方法图2化工过程生命周期中过程安全方法的演变

Ⅰ

本质安全及其原理目前十页\总数五十一页\编于九点Textinhere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。Ⅰ

本质安全及其原理目前十一页\总数五十一页\编于九点最小化、替代、缓和、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。YourtextinhereYourtextinhereYourtextinhere本质安全层物理保护层控制保护层应急响应层Ⅰ

本质安全及其原理目前十二页\总数五十一页\编于九点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(orIntensification)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（InternationalProcessSafetyGroup）、

AICheE的CCPS（CenterforChemicalProcessSafety）

对本质安全设计原理的定义按照优先级如下：Ⅰ

本质安全及其原理目前十三页\总数五十一页\编于九点物理保护层安全设计原理物理保护层次限制影响Limitationofeffects使过程释放的物质或能量所产生的影响最小化。设计反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Avoidknock-oneffects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Preventincorrectassembly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Ⅰ

本质安全及其原理目前十四页\总数五十一页\编于九点控制保护层安全设计原理控制保护层次

状态清晰Makestatusclear设备的状态显示清晰准确且易于辨识。止回阀有明确的标识。基础设计详细设计易控制Easeofcontrol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。安全层级原理（或原则）解释举例适用阶段Ⅰ

本质安全及其原理目前十五页\总数五十一页\编于九点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：最小化替代本质安全设计原理AB简化D缓和C易燃性，易爆性，毒性，腐蚀性，化学交互

总量值，产率过程温度，过程压力，反应热过程结构，过程复杂性，布局，设备类型

Ⅰ

本质安全及其原理目前十六页\总数五十一页\编于九点Ⅱ

本质安全原理的应用目前十七页\总数五十一页\编于九点Ⅱ

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。

目前十八页\总数五十一页\编于九点最小化原理-①反应器的选择权衡反应器的选择反应机理动力学传质物料的量反应器的尺寸复杂性混合热效应最小化原理反应Ⅱ

本质安全原理的应用目前十九页\总数五十一页\编于九点反应器类型BSTRLoopReactor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）3322LoopReactor和BSTR两类反应器中乳液聚合反应的数据对照。最小化原理-①反应器的选择Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十页\总数五十一页\编于九点最小化原理-②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。Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十一页\总数五十一页\编于九点最小化原理-③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；2、氢气；3、氯化氢、4、1-萘酚氯甲酸酯；5、甲基甲酰胺；6、水；7、甲胺；8、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；16、氯；17、1-氯甲烷；18、甲醇；19、氯甲醛Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十二页\总数五十一页\编于九点替代原理-①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。传统方法：改进方法：消除剧毒性原料Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十三页\总数五十一页\编于九点替代原理-②

溶剂的替代低挥发性溶剂低毒性溶剂非易燃性溶剂溶剂的选择环境友好性溶剂Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十四页\总数五十一页\编于九点缓和原理

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

。②①Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十五页\总数五十一页\编于九点缓和原理

过程条件的缓和◆过程压力的降低

，如合成氨反应由600bar降至100-150bar

；◆催化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。

③Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十六页\总数五十一页\编于九点简化原理

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。②①

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

。Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十七页\总数五十一页\编于九点Ⅱ

本质安全原理的应用目前二十八页\总数五十一页\编于九点Ⅲ本质安全的评价目前二十九页\总数五十一页\编于九点Ⅲ

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Edwards首先提出PIIS（PrototypeInherentSafetyIndex）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。目前三十页\总数五十一页\编于九点本质安全评价方法CISI（2005）

PIIS（1993）

I2SI（2004）

GraphicalMethod（2003）

FuzzyBasedISI（2003）

ISI（1996）

EHS（2000）

INSETToolkit（2001）

i-safe（2003）

IBI（2008）

现已开发的本质安全评价方法如下图所示。Ⅲ

本质安全的评价目前三十一页\总数五十一页\编于九点

典型本质安全评价方法的评价模式——PIIS法Ⅲ

本质安全的评价目前三十二页\总数五十一页\编于九点

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Ⅲ

本质安全的评价目前三十三页\总数五十一页\编于九点

典型本质安全评价方法的评价模式——i-safe法Ⅲ

本质安全的评价目前三十四页\总数五十一页\编于九点典型本质安全评价方法的评价模式——I2SI法Ⅲ

本质安全的评价目前三十五页\总数五十一页\编于九点

典型本质安全评价方法的评价模式——IBI法Ⅲ

本质安全的评价目前三十六页\总数五十一页\编于九点本质安全分析评价方法的演变方向：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。

Ⅲ

本质安全的评价目前三十七页\总数五十一页\编于九点本质安全分析评价方法的演变方向：①

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下表。Ⅲ

本质安全的评价目前三十八页\总数五十一页\编于九点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PrototypeInherentSafetyIndex,PIIS（1993）√———√√√√————InherentSafetyIndex,ISI（1996）√√√√√√—√√√——i-safe（2003）√——√√√√—————ComparativeInherentSafetyIndex,CISI（2005）√√√√√√—√√—√√Ⅲ

本质安全的评价目前三十九页\总数五十一页\编于九点本质安全分析评价方法的演变方向：②

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，FuzzyBasedInherentSafetyIndex方法和IBI法（InherentBenignnessIndicator）进行了一定程度的改良。

Ⅲ

本质安全的评价目前四十页\总数五十一页\编于九点本质安全分析评价方法的演变方向：③

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。INSIDEproject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。Ⅲ

本质安全的评价目前四十一页\总数五十一页\编于九点本质安全分析评价方法的演变方向：④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的指导作用。I2SI（IntegratedInherentSafetyIndex）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。Ⅲ

本质安全的评价目前四十二页\总数五十一页\编于九点本质安全评价方法在过程开发中的应用

——①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（IntelligentBenignDesignTool），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。

Ⅲ

本质安全的评价目前四十三页\总数五十一页\编于九点图：Heikkila提出的过程综合中应用本质安全指标的策略框图Ⅲ

本质安全的评价目前四十四页\总数五十一页\编于九点

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

——①在过程综合中的应用Ⅲ

本质安全的评价目前四十五页\总数五十一页\编于九点图：分层次的本质安全过程综合策略Ⅲ

本质安全的评价目前四十六页\总数五十一页\编于九点本质安全评价方法在过程开发中的应用

——②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、IN