过程本质安全及其应用与评价

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,BUCT,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,4,2,本质安全及其原理,3,“本质安全”（,Inherent Safety,）的提出,：,1977,年,12,月，英国的,Kletz,教授作了题为“,What you,dont have, cant leak,”的报告，首次明确提出“本质安全的,化工过程”（,Inherently Safer Chemical Process,）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。,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,4,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,(,Inherently Safer,),过程,。,本质安全及其原理,5,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。,本质安全及其原理,6,本质安全设计与绿色化工,致力于安全问题,Click to add Text,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,Green chemistry, engineering,Inherently 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,7,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,8,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,本质安全及其原理,9,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,本质安全及其原理,10,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,11,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。,Your text in here,Your text in here,Your 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,12,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,13,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,14,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,原理（或原则）,解释,举例,适用阶段,本质安全及其原理,15,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,A,B,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,本质安全及其原理,16,本质安全原理的应用,17,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。,18,最小化原理,-,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,本质安全原理的应用,19,反应器类型,BSTR,Loop Reactor,反应器尺寸（,l,）,8000,2500,氯化时间（,h,）,16,4,产率（,kg/h,）,370,530,氯气用量（,kg/100kg,产品）,33,22,Loop 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,20,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。,本质安全原理的应用,21,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；,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,本质安全原理的应用,22,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 。,传统方法：,改进方法：,消除剧毒性原料,本质安全原理的应用,23,替代原理,-,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,本质安全原理的应用,24,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,25,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,26,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,27,本质安全原理的应用,28,本质安全的评价,29,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,（,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。,30,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,（,2003,）,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,31,典型本质安全评价方法的评价模式,PIIS,法,本质安全的评价,32,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,本质安全的评价,33,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,34,典型本质安全评价方法的评价模式,I2SI,法,本质安全的评价,35,典型本质安全评价方法的评价模式,IBI,法,本质安全的评价,36,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。,本质安全的评价,37,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下表。,本质安全的评价,38,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,39,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,40,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（,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。,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,41,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,42,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,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,43,图：,Heikkila,提出的过程综合中应用本质安全指标的策略框图,本质安全的评价,44,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,在过程综合中的应用,本质安全的评价,45,图：分层次的本质安全过程综合策略,本质安全的评价,46,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,（,Integrated 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,47,图：,Shariff,等提出的在,HYSYS,中集成,ISIM,的策略框图,本质安全的评价,48,小结,49,小结,结论,1,结论,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。,50,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,51,