葛春濤

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071）

近幾十年來，國內(nèi)外重大化工安全事故造成的惡劣后果，引發(fā)人們對化工過程安全的廣泛關注和思考。20 世紀60 年代末，過程安全分析技術得以迅速發(fā)展，典型的方法如Dow Fffamp;EI、HAZOP、CEI、FMEA、Checklists、FTA、ETA、LOPA 等，被廣泛應用于化工過程安全領域，70 年代中期，kletz 提出了本質(zhì)安全（Inherent Safety,IS）概念[1]，雖然僅晚幾年且得到認同，但相關研究與應用遠不及傳統(tǒng)方法，直至1984 年Bhopal 異氰酸甲酯重大泄漏事故的發(fā)生，導致2000 8000 人直接死亡，約十幾萬人遭受健康問題，而作為中間產(chǎn)物的異氰酸甲酯完全可以通過改變反應路徑消除，表明僅依靠傳統(tǒng)安全方法無法從本質(zhì)上解決化工安全問題，本質(zhì)安全才逐漸受到重視[2]。自1993年，Edwards首先提出PIIS（Prototype Inherent Safety Index）以來[3]，本質(zhì)安全評價方法發(fā)展迅速，指標體系和評價模式不斷得到改進，已開發(fā)的方法達到十幾種，此外，本質(zhì)安全評價模塊化并集成于過程模擬優(yōu)化軟件也成為研究重點[4]，促進了本質(zhì)安全評價在過程開發(fā)中的應用。Heikkila 首先提出將本質(zhì)安全評價引入過程綜合階段，希望在過程開發(fā)早期實現(xiàn)本質(zhì)安全的應用[5]。在我國，重大化工安全事故也時有發(fā)生，直接或間接地源于過程本質(zhì)安全水平不高，如2007 年5 月11 日，中國化工集團滄州大化TDI 公司硝化裝置爆炸事故，觸發(fā)事件是因硝酸過量導致過硝化副反應的發(fā)生，而該危害在過程早期是可以預見的。

本文首先闡述本質(zhì)安全的內(nèi)涵，及其對化工過程生命周期的影響，然后，著重對本質(zhì)安全原理及其應用、本質(zhì)安全評價方法、本質(zhì)安全評價在化工過程中的應用進行了詳細討論，通過全面分析本質(zhì)安全的發(fā)展脈絡，提出本質(zhì)安全未來的發(fā)展方向。

1 本質(zhì)安全及其原理

1.1 本質(zhì)安全

“本質(zhì)安全”一詞近期頻繁出現(xiàn)，須首先明確它的涵義。英國的Kletz 教授首先提出了“本質(zhì)安全”概念，他認為物質(zhì)和過程的存在必然具有其不可分割的本質(zhì)屬性，比如某物質(zhì)有劇毒性，某過程是高溫高壓的等等，它是形成過程危害的根源，只有通過消除或最小化具有固有危害性質(zhì)的物質(zhì)或過程條件，才能從本質(zhì)上消除過程的危害特征，實現(xiàn)過程的本質(zhì)安全。嚴格地講，不存在絕對的本質(zhì)安全過程，當某過程相比于其它可選過程消除或最小化了危害特征，就認為前者是本質(zhì)安全更佳的過程。綜上，本質(zhì)安全即為安全的本質(zhì)特征，則具有安全本質(zhì)特征的過程稱為本質(zhì)安全過程，特征的不可分割性決定了它能從本質(zhì)上實現(xiàn)過程安全。它與傳統(tǒng)安全理念之間的區(qū)別體現(xiàn)在以下三方面：

1）著眼點不同。本質(zhì)安全的宗旨是根除過程的危害特征，從而消除事故發(fā)生的可能性，故在過程允許的情況下能夠實現(xiàn)過程零事故；而傳統(tǒng)安全方法以控制危害為目標，僅能降低事故發(fā)生的概率或弱化后果的影響，并不能避免其發(fā)生；

2）采用方式不同。本質(zhì)安全根據(jù)物質(zhì)和過程的固有屬性消除或最小化危害；而傳統(tǒng)安全方法通過添加安全保護設施控制已存在的危害；

3）介入時機不同。本質(zhì)安全注重在過程早期從源頭上消除危害，同時要求在整個過程生命周期從本質(zhì)上考慮過程安全；傳統(tǒng)安全方法通常在過程中后期對危害進行分析、評價，提出改良措施。

1.2 在化工過程的生命周期中考慮本質(zhì)安全

在化工過程的整個生命周期中，人們往往把關注點放在中后期，認為控制了過程的成熟期就抓住了過程的本質(zhì)，其實不然。當形成過程雛形時已經(jīng)與生俱來了其本質(zhì)的基本特性，故在過程生命早期的決策更為重要，隨著對過程認識的不斷深入，人們希望從整個生命周期的全局出發(fā)把握過程的命脈。借鑒了在過程中對環(huán)境因素的考慮，人們對于在化工過程的整個生命周期中考慮本質(zhì)安全形成了一些共識[6]。

過程的生命周期包括研究/開發(fā)、初步概念設計、基礎設計、詳細設計、建設施工、開車、操作運行、維護改造、退役等多個階段，各階段中考慮過程本質(zhì)安全的機會大不相同。在過程早期考慮本質(zhì)安全的自由度較大，到中后期逐漸減小，因為過程已經(jīng)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，如圖1 所示。在整個生命周期中，主要的過程決策集中于研發(fā)和概念設計階段，故它們是考慮本質(zhì)安全最為重要的2 個階段。目前，在過程早期針對本質(zhì)安全的評價方法發(fā)展較快，涌現(xiàn)出了十幾種方法，但還沒有將本質(zhì)安全集成于該階段形成指導過程決策的系統(tǒng)性成熟方法，實踐中的應用就更不理想了。據(jù)Edwards 調(diào)查顯示，國外僅約15%的從業(yè)人員相信并熱衷于采用IS 技術，從數(shù)屆全國石油化工生產(chǎn)安全與控制學術交流會反映的情況看，國內(nèi)從業(yè)人員應用IS 技術非常有限，所以發(fā)展本質(zhì)安全的任務還是很艱巨的。

化工過程生命周期中不同的階段可獲取的過程信息不同，雖然在過程早期提升本質(zhì)安全的空間較大，但過程的信息資源相對缺乏，易造成過程決策的偏離，而過程的詳細數(shù)據(jù)是對前期決策的檢驗和權衡依據(jù)，所以傳統(tǒng)安全分析方法的應用也是不可或缺的，比如在過程設計階段進行HAZOP 分析等。按照化工過程安全方法的發(fā)展脈絡[7-10]，本質(zhì)安全分析方法可大致分為3 個階段，如圖2 所示[11-15]。因此本質(zhì)安全并不是否定傳統(tǒng)安全方法，而是有效互補，二者在過程生命各階段具有不同的地位和作用。本質(zhì)安全占有主導地位，并在整個生命周期中發(fā)揮其指導作用，比如引導傳統(tǒng)安全方法在其適用的階段層次上盡可能采用本質(zhì)提升方案等。

圖1 化工過程生命周期中考慮本質(zhì)安全的機會Fig1 Opertunities of Considering Inherent Safety along Chemical Process Life-Cycle

圖2 化工過程生命周期中過程安全方法的演變Fig2 Evolution of Process Safety Methodology during Chemical Process Life-Cycle

2 本質(zhì)安全原理

本質(zhì)安全原理是本質(zhì)安全設計的依據(jù)，是保證過程朝本質(zhì)安全方向發(fā)展的一般性原則。最早由Kletz教授提出，根據(jù)IPSG（International Process Safety Group）和AICheE的CCPS（Center for Chemical Process Safety）對本質(zhì)安全設計原理的定義，按照它們的優(yōu)先級，依次為最小化或強化（Minimization or Intensification）、替代（Substitution）、緩和（Attenuation）、簡化（Simplification）。Perry’s Chemical Engineerings’Handbook（8th Edition）重申了本質(zhì)安全設計原理，并闡述了用戶友好設計原理，認為應按照原理的優(yōu)先級，在應用各原理時優(yōu)先選擇本質(zhì)提升方案。本質(zhì)安全原理是定性的描述，沒有統(tǒng)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(zhì)安全指標進行量化，比如最小化對應總量值指標，替代對應易燃性、爆炸性、毒性指標等。分層次的過程安全設計原理如表1 所示，對各原理進行了解釋并舉例。

表1 分層次的過程安全設計原理Table 1 Hierarchical Principles of Process Safety Design

3 本質(zhì)安全原理的應用

在化工過程整個生命周期的不同階段，本質(zhì)安全原理應用的機會和程度是不同的，現(xiàn)有的文獻顯示，相關研究主要集中于過程的早期階段，研究對象可分為物質(zhì)和過程2 類，前者主要包括反應原料和路徑的選擇、溶劑的選擇、物質(zhì)儲存和輸送的方式等，后者主要包括反應器的強化、反應器的選擇、操作方式的選擇、過程條件的改良等若干方面。研究成果針對于消除或減小引發(fā)火災、爆炸、泄漏、中毒等事故的危害因素，如Amyotte 等將本質(zhì)安全原理應用于粉塵爆炸過程的預防和緩和，具體闡述了各原理的應用方法。按照本質(zhì)安全原理的優(yōu)先級，下面分別對各原理的應用情況進行描述。

3.1 最小化

最小化原理的重要應用之一是反應器的選擇，反應器的大小和處理物料的量成為重要的考量因素，人們根據(jù)各類反應器自身的特點，應用最小化原理進行分析，提出了各類反應器的本質(zhì)安全潛力。一般認為，CSTR 比BSTR 本質(zhì)安全性更好，因為對一定的生產(chǎn)任務，前者具有更小的反應器體積，物料混合更充分，減少了副產(chǎn)物的生成，且濃度、溫度等參數(shù)均一，易于控制并降低了過程失效的幾率。PFR 具有最小的反應器體積，且設計簡單，設備連接少，對放熱反應換熱效率高等，但沿管長壓降較高，不利于控制。環(huán)流反應器在很多場合可代替BSTR，因為更高的傳質(zhì)效率使環(huán)流反應器體積大為降低。如果僅從反應器體積和物料的量值考慮反應器的安全性，按優(yōu)劣依次為PFR、環(huán)流反應器、CSTR、BSTR，但是，反應的類型和機理有時與上述結論相矛盾。比如，Englund 闡述了對于乳膠生產(chǎn)過程，BSTR 的安全性優(yōu)于CSTR。所以，應在深刻理解反應機理的基礎上應用最小化原理，綜合考慮和權衡各安全因素，確定最優(yōu)的反應器。

最小化原理還應用于減少設備數(shù)量，將若干單元操作合并在一個設備中進行，從而使過程的設備數(shù)量最小化。Agreda 等開發(fā)了醋酸甲酯的反應精餾工藝，過程設備數(shù)量從9 降至3，投資費用降低。雖然反應精餾增加了反應器本身的復雜性，但不失為過程強化的一個重要方向。

儲存和輸送的物料應滿足最小化原理，根據(jù)生產(chǎn)的需要確定危害性原料或中間產(chǎn)物最小的儲存量，因為儲存設備和輸送管線是發(fā)生泄漏的重要危險源，所以必須確認其最小量值，尤其對于具有危害性的中間產(chǎn)物或副產(chǎn)物，應采取措施盡量避免對它們的儲存和運輸。Buxton提出在萘甲胺生產(chǎn)過程中，通過改變反應路徑消除危害性中間產(chǎn)物異氰酸甲酯。Wade 將丙烯腈流程的副產(chǎn)物氫氰酸直接作為其它生產(chǎn)單元的原料，從而消除了對氫氰酸的儲存。

3.2 替代

替代原理主要應用于對反應物和溶劑的替代。通過采用新原料，改變反應路線，開發(fā)新型過程技術，實現(xiàn)對危害反應物（或反應路徑）的替代。Buxton通過環(huán)境影響最小化的反應路徑綜合，提出了若干生產(chǎn)萘甲胺的可替代方案，可消除中間產(chǎn)物異氰酸甲酯。Puranik 提出氨氧化過程生產(chǎn)丙烯腈，以氨和丙烯代替乙炔和氰化氫作為原料，消除危害性原料氰化氫。Hochheiser 提出丙烯氧化生產(chǎn)丙烯酸酯，從而消除了乙炔法中有劇毒性的鎳催化劑。此外，新型過程技術的開發(fā)加強了替代原理的應用，如超臨界過程、多米諾反應、酶催化過程、激光微排反應等。

易燃性溶劑在高于閃點或沸點下操作是火災危害的主要原因之一，所以用水或低危害有機溶劑代替高揮發(fā)性有機溶劑是替代原理的另一重要應用。如盡量采用低揮發(fā)性高沸點的溶劑，工業(yè)脫脂時以水性或半水性清洗系統(tǒng)代替有機類清洗系統(tǒng)等。美國環(huán)境保護局開發(fā)了專家系統(tǒng)輔助紡織工業(yè)中溶劑的選擇，Overton 等闡述了用低危害物質(zhì)代替苯，取代易燃性溶劑，以次氯酸鈉代替氯氣凈化水等替代過程。Suhani 等提出了分子設計和過程設計中集成本質(zhì)安全替代原理的方法，并結合液-液萃取過程闡明如何選擇替代溶劑。

3.3 緩和

緩和原理的實現(xiàn)通過物理和化學兩種方式，前者包括稀釋，制冷等，后者是通過化學方法改良苛刻的過程條件。沸點較低的物質(zhì)常儲存于壓力系統(tǒng)中，通過用高沸點溶劑進行稀釋能夠降低系統(tǒng)壓力，發(fā)生泄漏時可有效降低泄漏速率，如果過程允許應在稀釋狀態(tài)下儲存和操作危害性物質(zhì)，常見的該類物質(zhì)如氨水代替液氨、鹽酸代替氯化氫、稀釋的硫酸代替發(fā)煙硫酸等。稀釋系統(tǒng)還可應用于緩和反應速率，限制最高反應溫度等方面，但增加稀釋系統(tǒng)會提高過程的復雜性，所以需要權衡對過程安全性的利弊。制冷具有類似于稀釋的優(yōu)點，危害性物質(zhì)如氯，通常在低于其常壓沸點下儲存，可以減小物質(zhì)蒸氣壓，有效降低泄漏時物質(zhì)的氣化速率，減少或消除液體氣溶膠的形成，從而提高過程的本質(zhì)安全性。Marshall等通過對6 種物質(zhì)的低溫儲存進行分析，結果表明總體上制冷儲存的安全性優(yōu)于高壓儲存。

改善苛刻的反應條件是緩和原理另一個重要應用。如采用新型催化劑實現(xiàn)了在低壓下甲醇氧化生產(chǎn)醛；聚烯烴技術的改進使過程壓力有效降低；采用高沸點溶劑可以降低過程壓力，同時降低過程失控時的最大壓力等。

3.4 簡化

反應器設計的強化能夠減少復雜的安全裝置，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(tǒng)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。

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，但分解后反應器個數(shù)增加，且中間產(chǎn)物的屬性及輸送也會增大過程的復雜性。與最小化實例相比，恰為相反的過程，可見各原理在應用時會出現(xiàn)矛盾，所以應根據(jù)反應的實際情形對不同實現(xiàn)過程進行綜合評價以確定安全性最優(yōu)的過程。

可見，各原理在應用時存在一定交叉，原理之間可能相互抵觸，如反應精餾滿足最小化原理，但不符合簡化原理，只能通過深入理解反應及失效時的特性，綜合評價過程的本質(zhì)安全性。本質(zhì)安全原理的應用發(fā)展較慢，主要歸因于應用本質(zhì)安全的經(jīng)濟效益沒有得到廣泛認可；傳統(tǒng)過程開發(fā)模式中引入安全分析較晚，應用本質(zhì)安全的機會下降；與新過程開發(fā)比較，對已有過程應用本質(zhì)安全更加困難；本質(zhì)安全的應用有賴于新型過程的開發(fā)等諸多因素[2]。

4 結論

綜上所述，化工過程本質(zhì)安全的研究主要有本質(zhì)安全內(nèi)涵和外延，本質(zhì)安全原理的定性定量應用，本質(zhì)安全分析評價方法的改進，本質(zhì)安全與過程綜合的集成，本質(zhì)安全評價模塊開發(fā)及其內(nèi)嵌于過程模擬優(yōu)化工具等方面，綜合考慮研究現(xiàn)狀及其演變脈絡，得到如下結論：

1）本質(zhì)安全是通過消除或減小危害特征實現(xiàn)過程的安全，著眼于從根源上解決化工安全問題，應作為優(yōu)先采用的過程安全技術。本質(zhì)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(yōu)先考慮本質(zhì)提升的過程安全方案。本質(zhì)安全原理是指導過程安全設計的基本原則，將其進一步轉化為應用于各安全層級的可操作性強的系統(tǒng)性規(guī)則，并結合定量的本質(zhì)安全指標，才能體現(xiàn)本質(zhì)安全設計，目前還沒有廣泛認可的系統(tǒng)方法出現(xiàn)。

2）本質(zhì)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(zhì)安全原理的應用有賴于新型過程和技術的開發(fā)，如新原料，綠色反應路徑，新型催化劑等。此外，針對過程開發(fā)中阻礙本質(zhì)安全原理應用的諸多因素，應探索有效的解決方案。

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