朱佳興，郝琳，劉國(guó)釗，衛(wèi)宏遠(yuǎn)

（天津大學(xué)過(guò)程安全實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350）

可持續(xù)性是人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)展的全球性問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)在1987 年給出了可持續(xù)發(fā)展最廣為人知的定義：“可持續(xù)發(fā)展是在不損害子孫后代利益的情況下滿足當(dāng)代需要的發(fā)展?！笨沙掷m(xù)和發(fā)展的結(jié)合試圖將經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與對(duì)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)問(wèn)題的關(guān)切結(jié)合起來(lái)?？沙掷m(xù)性在制造業(yè)的發(fā)展也需要滿足可持續(xù)制造的要求，即可持續(xù)制造的發(fā)展道路需要平衡環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面。由于公眾環(huán)境意識(shí)的覺(jué)醒和政府嚴(yán)格的環(huán)境法律法規(guī)，將環(huán)境問(wèn)題納入化工工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)引起了人們的高度重視。許多研究已經(jīng)將環(huán)境問(wèn)題整合到化工工藝的設(shè)計(jì)中。需要注意的是，將環(huán)境問(wèn)題納入設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)框架仍然是過(guò)程設(shè)計(jì)本身的框架，只是將環(huán)境問(wèn)題的指標(biāo)納入到了過(guò)程設(shè)計(jì)的評(píng)估指標(biāo)中。制訂適當(dāng)?shù)牧炕h(huán)境績(jī)效指標(biāo)是將環(huán)境問(wèn)題納入過(guò)程設(shè)計(jì)中的主要障礙。這是因?yàn)榄h(huán)境績(jī)效評(píng)估缺乏一個(gè)普遍的約束性價(jià)值體系?；ぴO(shè)計(jì)人員可以很方便地根據(jù)流程信息和外部數(shù)據(jù)（如市場(chǎng)和公司數(shù)據(jù)）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算（如成本或利潤(rùn)等），但是還沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和資料來(lái)獲得行業(yè)普遍接受可以衡量環(huán)境表現(xiàn)的總體指數(shù)。盡管社會(huì)問(wèn)題在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界中都變得越來(lái)越重要，但將社會(huì)效應(yīng)整合到過(guò)程設(shè)計(jì)中是困難的，目前大多數(shù)研究只考慮了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素，卻忽視了可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)因素。此外，更好地理解安全與可持續(xù)性的關(guān)系有助于可持續(xù)發(fā)展的實(shí)施。這是因?yàn)榘踩@門(mén)學(xué)科與可持續(xù)發(fā)展具有相同的目標(biāo)和責(zé)任，即經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、環(huán)境責(zé)任和社會(huì)保護(hù)。

本質(zhì)安全設(shè)計(jì)（inherent safety design，ISD）是降低風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化學(xué)設(shè)施的最有效的方法之一。本質(zhì)安全的概念由化工安全領(lǐng)域的先驅(qū)者Kletz教授提出。如果不采取本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法，化學(xué)設(shè)施遭受毀滅性事件的風(fēng)險(xiǎn)將更大。從以前的災(zāi)難性化學(xué)事故中吸取的教訓(xùn)表明了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)對(duì)人類、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可能影響。比如1984年印度博帕爾事件導(dǎo)致2000～8000人（統(tǒng)計(jì)來(lái)源不同）死亡。這場(chǎng)災(zāi)難是由劇毒中間體異氰酸甲酯引發(fā)的，它的儲(chǔ)存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了可接受的安全限度。如果當(dāng)時(shí)采用了最小化的中間體儲(chǔ)存荷載或者徹底沒(méi)有中間體儲(chǔ)存荷載這樣的本質(zhì)安全策略或許可以避免這場(chǎng)災(zāi)難。

目前關(guān)于本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的研究一般包括四個(gè)層面。第一個(gè)層面是闡述本質(zhì)安全的理念、使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的好處。對(duì)本質(zhì)安全的概念、原則、問(wèn)題和好處的解釋，不僅可以促進(jìn)對(duì)本質(zhì)安全的討論，也為人們尋找解決方案和應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。第二個(gè)層面是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)在實(shí)際案例中的應(yīng)用，闡述如何在實(shí)際的化工設(shè)計(jì)過(guò)程中使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。第三個(gè)層面是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)水平的量化方法。這方面的研究目的是方便人們?cè)诨み^(guò)程中使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，對(duì)推動(dòng)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)應(yīng)用到過(guò)程設(shè)計(jì)框架中有著重要的作用。第四個(gè)層面是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)應(yīng)用到過(guò)程設(shè)計(jì)框架中。將本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的思想耦合到過(guò)程設(shè)計(jì)的框架中，從而對(duì)過(guò)程設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行改進(jìn)。需要注意的是，將本質(zhì)安全設(shè)計(jì)納入過(guò)程設(shè)計(jì)中，可以參考將環(huán)境納入過(guò)程設(shè)計(jì)的方法和框架，而且和處理環(huán)境指標(biāo)問(wèn)題一樣，開(kāi)發(fā)方便人們使用的量化本質(zhì)安全水平的指標(biāo)是將本質(zhì)安全設(shè)計(jì)納入過(guò)程設(shè)計(jì)中的主要障礙。因此，本文將主要對(duì)本質(zhì)安全水平的量化方法及其發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)闡述，從闡述本質(zhì)安全的基本概念、起源和發(fā)展入手，詳細(xì)介紹本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的使用策略、方法和機(jī)會(huì)，對(duì)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)評(píng)估方法的最新研究進(jìn)展進(jìn)行概述，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 本質(zhì)安全理念的起源與發(fā)展

本質(zhì)安全（inherently safer）的提出迄今為止也不過(guò)四十多年，但這一理念在化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的第一次成功應(yīng)用也許可以追溯到史前時(shí)代。當(dāng)原始人類開(kāi)始用燧石和鉆木取火取代森林火種時(shí)，他們無(wú)疑從根本上極大地降低了取火工藝的危險(xiǎn)程度。1974年英國(guó)發(fā)生了嚴(yán)重的Flixborough事故，在這起環(huán)己烷裝置泄漏爆炸事故中，28人死亡，上百人受傷。這次事故引發(fā)了人們對(duì)化工設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、監(jiān)管各個(gè)環(huán)節(jié)的廣泛討論。受到這次事故教訓(xùn)的啟發(fā)，1978年Kletz發(fā)表了標(biāo)題為“What you don’t have，can’t leak”的著名論文，闡明了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)蘊(yùn)含的哲學(xué)思想。本次報(bào)告被認(rèn)為是本質(zhì)安全的第一次正式介紹。本質(zhì)安全這個(gè)概念的名詞則來(lái)自于由這篇文章擴(kuò)充的一本書(shū)。1985年，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的四大準(zhǔn)則和策略—— 最小化（minimize）、 替代（substitution）、 簡(jiǎn)化 （simplification）、 緩和（moderation）正式得到了確立，也標(biāo)志著本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的正式確立。1985 年Kletz 將本質(zhì)安全的概念帶到北美，1996 年美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)化學(xué)過(guò)程安全中心（CCPS）發(fā)布了第一版所謂的“黃金書(shū)”《Inherent safer chemical processes:a life cycle approach》。2010 年，美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)化學(xué)過(guò)程安全中心發(fā)布了對(duì)本質(zhì)安全技術(shù)的定義。此外，本質(zhì)安全這一理念和思想不僅僅應(yīng)用到安全領(lǐng)域，也可以擴(kuò)展到人員健康、環(huán)境保護(hù)中，形成了本質(zhì)安全、人員健康、環(huán)境保護(hù)（Inherent SHE）的概念。

2 本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的使用原則和方法

1985年，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的四大準(zhǔn)則和策略——最小化、替代、簡(jiǎn)化、緩和得到確立。隨著本質(zhì)安全概念的發(fā)展，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的策略也得到了發(fā)展。2010 年，Kletz 和Amyotte詳細(xì)闡明了14 種本質(zhì)安全設(shè)計(jì)策略。CCPS指出這14種本質(zhì)安全設(shè)計(jì)策略以及其他一些可能的方法都可以被歸納為本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的四大準(zhǔn)則。

最小化策略是指消除或者使用少量的危害化學(xué)物質(zhì)，這樣就可以降低危險(xiǎn)的程度，所以一般也稱為強(qiáng)化（intensification）。替代策略是指用無(wú)害或危害性較小的物質(zhì)或者材料去取代原來(lái)的化學(xué)物質(zhì)或者材料，或者用一種危險(xiǎn)性較低的工藝或加工技術(shù)代替危險(xiǎn)性高的工藝或者加工技術(shù)。緩和策略是指使用較低危險(xiǎn)或能量的加工或儲(chǔ)存條件，較低危險(xiǎn)的材料形式或者設(shè)施，從而可以使危險(xiǎn)材料或能量釋放的影響最小化（也稱為衰減和限制的影響）。簡(jiǎn)化策略是指消除不必要的復(fù)雜性，降低操作錯(cuò)誤發(fā)生的可能性，并且能夠容忍所犯的錯(cuò)誤（也稱為容錯(cuò)）的設(shè)計(jì)。

3 本質(zhì)安全在化工過(guò)程全生命周期不同階段的應(yīng)用

化工過(guò)程全生命周期可以分為過(guò)程設(shè)計(jì)階段、裝置建造階段和生產(chǎn)、運(yùn)行、管理階段，最后一個(gè)階段是裝置拆除。過(guò)程設(shè)計(jì)階段包括研發(fā)階段（research and development，R&D）、概念設(shè)計(jì)階段（conceptual design） 或 叫 初 步 設(shè) 計(jì) 階 段（preliminary design）、 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段（basic design）、 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段 （detailed design engineering）。通常來(lái)說(shuō)，早期設(shè)計(jì)階段（early design，ED）包括研究階段和概念設(shè)計(jì)階段。一般來(lái)說(shuō)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)在早期設(shè)計(jì)階段使用可以發(fā)揮最大的好處，在后面的設(shè)計(jì)階段，傾向于使用安全防護(hù)裝置或設(shè)備。需要說(shuō)明的是，使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的時(shí)候，存在信息可獲取性和使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)可能性的矛盾，如圖1 所示。隨著過(guò)程設(shè)計(jì)的進(jìn)行，可以使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的可能性和效果會(huì)降低，在早期設(shè)計(jì)階段使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是非常有效的，具有更多可選措施，并能最經(jīng)濟(jì)地發(fā)揮最大的作用，但是在早期設(shè)計(jì)階段缺乏詳細(xì)的信息，使得進(jìn)行安全評(píng)估和決策變得復(fù)雜。表1給出了化工過(guò)程不同階段可以獲取的信息。

圖1 整個(gè)過(guò)程生命周期的設(shè)計(jì)悖論和本質(zhì)安全設(shè)計(jì)使用可能性及好處[16]

表1 化工過(guò)程不同階段可以獲取的信息

3.1 研究階段

研究階段主要目的是開(kāi)發(fā)出合成產(chǎn)品的反應(yīng)路徑，需要注意的是合成所需要產(chǎn)品的反應(yīng)路徑可能不只有一個(gè)。在這個(gè)階段，化學(xué)家起主要作用，化學(xué)家有責(zé)任在這個(gè)階段使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)去設(shè)計(jì)和篩選合適的反應(yīng)路徑。在這個(gè)階段，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)可以發(fā)揮最大的作用而且改變?cè)O(shè)計(jì)的成本是最低的，這是因?yàn)檫@個(gè)階段擁有最高的設(shè)計(jì)自由度，在這個(gè)階段只有產(chǎn)品和規(guī)格要求得到了確定，其他的如反應(yīng)路徑、設(shè)備等都還沒(méi)有確定。在選擇反應(yīng)路徑的時(shí)候，需要全面考慮反應(yīng)涉及的原料、中間體、溶劑的物理化學(xué)性質(zhì)和安全性質(zhì)，即MSDS（如毒性、穩(wěn)定性、生物毒性、環(huán)境影響、相互反應(yīng)性等）、反應(yīng)數(shù)據(jù)（如反應(yīng)熱、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)行為）等，從而獲取完備的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也是安全工藝放大和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。此外，工藝工程師可以和化學(xué)家相互合作，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度出發(fā)給出反應(yīng)熱安全（即熱產(chǎn)生和失控潛力）和技術(shù)可行性的相關(guān)意見(jiàn)，幫助化學(xué)家選擇合適的反應(yīng)路徑和反應(yīng)條件。

反應(yīng)系統(tǒng)的本質(zhì)安全審查需要評(píng)估反應(yīng)條件（即溫度、壓力和濃度）及相關(guān)參數(shù)對(duì)過(guò)程敏感性的影響，從而避開(kāi)參數(shù)敏感區(qū)域。此外，應(yīng)確定反應(yīng)系統(tǒng)中用到的化學(xué)物質(zhì)之間發(fā)生失控反應(yīng)、副反應(yīng)或者二次反應(yīng)的可能性，也要詳細(xì)研究過(guò)程污染（雜質(zhì)、副產(chǎn)物、回收物料、殘留物和非預(yù)期物料流入）及其對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的影響，這都會(huì)造成催化劑中毒、延遲反應(yīng)、提高/降低反應(yīng)速率和選擇性，從而導(dǎo)致過(guò)程中斷，也會(huì)造成相應(yīng)的安全隱患（如雜質(zhì)引起自催化反應(yīng)，降低原料的熱穩(wěn)定性）。需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，在研發(fā)階段重點(diǎn)在于物質(zhì)熱穩(wěn)定性和反應(yīng)熱風(fēng)險(xiǎn)的研究，這方面的詳細(xì)研究方法可以參考國(guó)外著名反應(yīng)熱風(fēng)險(xiǎn)專家Francis Stoessel撰寫(xiě)的《Thermal safety of chemical processes risk assessment and process design》（Second, completely revised and extended edition）和國(guó)內(nèi)化工安全專家天津大學(xué)衛(wèi)宏遠(yuǎn)教授主編的《化工安全》和《化工過(guò)程安全評(píng)估》等書(shū)籍，其中進(jìn)行物質(zhì)熱穩(wěn)定性和反應(yīng)熱風(fēng)險(xiǎn)判斷的有效工具包括絕熱量熱儀、差示掃描量熱儀（DSC）和反應(yīng)等溫量熱儀等儀器。

在這個(gè)階段，可以使用替代、緩和、最小化策略來(lái)獲取更加本質(zhì)安全的反應(yīng)路徑和工藝條件。比如說(shuō)可以使用替代策略來(lái)找到更加安全的反應(yīng)路徑，選擇更安全、更環(huán)保、穩(wěn)定和兼容性更好的原料或者反應(yīng)溶劑，避免失控/副反應(yīng)和化學(xué)分解的發(fā)生。同時(shí)，使用最小化策略盡量減小有害物質(zhì)的濃度/荷載（inventory），從而減少失控和副反應(yīng)的可能性和后果嚴(yán)重性，從而降低本質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)（inherent safety risk）。使用緩和策略來(lái)獲取合適的工藝條件，從而降低主反應(yīng)失控/不需要的反應(yīng)造成的嚴(yán)重程度，并為緊急泄放系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)或者人為干預(yù)提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。此外，通過(guò)引入特殊的添加劑和抑制劑，將有害物質(zhì)的反應(yīng)性降低到可接受的水平，如聚合反應(yīng)添加阻聚劑，防止失控反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 過(guò)程概念設(shè)計(jì)階段

研發(fā)階段確定了化學(xué)反應(yīng)路徑后，過(guò)程概念設(shè)計(jì)階段需要完成工藝流程的確定、完成工藝的質(zhì)量和能量衡算并確定初步的設(shè)備布置圖，主要涉及使用過(guò)程綜合、過(guò)程集成和過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，并確定單元操作和設(shè)備。由于在研發(fā)階段確定了反應(yīng)路徑，這一階段主要考慮分離階段和換熱過(guò)程。比如完成分離任務(wù)的單元操作，包括精餾、結(jié)晶、膜分離等，需要確定合適的單元操作。在這個(gè)階段，過(guò)程工程師可以關(guān)注過(guò)程的本質(zhì)安全水平和單個(gè)設(shè)備的本質(zhì)安全水平，可以使用替代、最小化策略去減少危害。通常來(lái)說(shuō)最小化使用得更多，通過(guò)減少過(guò)程設(shè)備、管道、儲(chǔ)罐等設(shè)備中危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)的荷載來(lái)提高本質(zhì)安全水平。

以替代策略為例，更換萃取精餾、共沸精餾的溶劑，使用危害性更?。ǘ拘浴⒎€(wěn)定性、反應(yīng)性、燃燒性）的溶劑。此外，使用高效的溶劑可以減小過(guò)程涉及的荷載量，無(wú)疑可提高過(guò)程的本質(zhì)安全性，同時(shí)提高過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。這是因?yàn)檎麴s單元涉及大量的蒸汽使用，而蒸汽都是由燃料燃燒得到的，這涉及燃料的開(kāi)采、運(yùn)輸、燃燒，這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體和碳排放。

以最小化策略為例，通過(guò)過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)去減少反應(yīng)器、精餾塔中有害化學(xué)物質(zhì)的荷載。用全混釜或者管式反應(yīng)器等連續(xù)反應(yīng)器或者半間歇反應(yīng)器去替代間歇反應(yīng)器，從而減小反應(yīng)器中有害化學(xué)物質(zhì)的荷載或者人員操作失誤的可能性，進(jìn)而降低反應(yīng)失控的后果和可能性。尤其對(duì)于放熱大的反應(yīng)或者受到反應(yīng)平衡限制的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，可以使用反應(yīng)精餾技術(shù)來(lái)降低反應(yīng)失控的可能性、嚴(yán)重度或者反應(yīng)器的荷載。針對(duì)放熱大的反應(yīng)，反應(yīng)精餾技術(shù)可以有效使用反應(yīng)放出的熱量用于分離，從而提高過(guò)程的本質(zhì)安全性。針對(duì)受到反應(yīng)平衡限制的反應(yīng)，提高反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率，從而避免需要大量的循環(huán)物流，簡(jiǎn)化工藝流程和降低反應(yīng)器荷載，提高了過(guò)程的本質(zhì)安全性，而且減少了蒸汽的使用和設(shè)備的建造費(fèi)，提高了過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。針對(duì)精餾系統(tǒng)，可以使用低載荷的蒸餾設(shè)備，如薄膜蒸發(fā)器，并應(yīng)考慮用于危險(xiǎn)物質(zhì)如熱敏性物質(zhì)。針對(duì)換熱器，可以使用更加高效的換熱器，即減小換熱器的尺寸，從而減小換熱器中的危險(xiǎn)化學(xué)物的荷載。管道里面的危險(xiǎn)化學(xué)物的荷載是一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)管道的尺寸和管道的長(zhǎng)度來(lái)減小管道里面的荷載，因此管道的合理布置需要得到重視。此外，過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)減小物質(zhì)的荷載、簡(jiǎn)化流程設(shè)備或者降低換熱量來(lái)減小管道的尺寸、長(zhǎng)度以及換熱器的面積，從而提高過(guò)程的本質(zhì)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段是在確定過(guò)程工藝流程圖（PFD） 的基礎(chǔ)上，確定詳細(xì)的管道和儀表圖（P&ID）、控制方案、水力學(xué)方案和工廠布局等。在這個(gè)階段可以使用緩和策略或者簡(jiǎn)化策略。

以緩和策略為例，針對(duì)公用系統(tǒng)（冷熱公用系統(tǒng)），選擇溫度合適的公用系統(tǒng)可以消除意外的過(guò)度加熱或冷卻。如果使用過(guò)熱的熱源或者過(guò)冷的冷源，可能導(dǎo)致過(guò)度加熱（即高溫高壓）或過(guò)度冷卻（即凍結(jié)/堵塞狀態(tài)），從而造成許多操作問(wèn)題，特別是發(fā)生人為失誤或者蒸汽閥失效時(shí)，合適的蒸汽溫度可以保證不會(huì)出現(xiàn)很高的溫度造成的物料二次分解或者物料過(guò)度蒸發(fā)造成超壓。此外，從多米諾骨牌效應(yīng)的角度來(lái)看，適當(dāng)?shù)牟季?、間距和物理布置以及廠房的選擇，可以將化學(xué)事故的后果降到最低。以簡(jiǎn)化策略為例，基本控制系統(tǒng)使用故障-安全設(shè)計(jì)，即輸入或輸出信號(hào)丟失，基本控制系統(tǒng)也應(yīng)該被編程使其輸出到安全狀態(tài)，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)施都有可能發(fā)生電力或其他公用工程的失效。

3.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段主要包括設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土建設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和規(guī)范以及配套服務(wù)設(shè)計(jì)，與工藝設(shè)計(jì)沒(méi)有關(guān)系。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是最后一個(gè)步驟，以適度的成本來(lái)改變過(guò)程設(shè)計(jì)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備是在詳細(xì)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)后購(gòu)買的，一旦設(shè)施建成，改造的成本通常會(huì)顯著增加。雖然在詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然存在整合本質(zhì)安全策略的機(jī)會(huì)，但緩和、替代的可能性不大。然而，在這個(gè)階段還有許多機(jī)會(huì)實(shí)施簡(jiǎn)化策略。

在管道布局上，檢查和核實(shí)管道布局，盡量減少含有有害物質(zhì)的管道長(zhǎng)度，并消除不必要的管道和死端管道。在設(shè)備材料的選擇上，對(duì)于腐蝕性、反應(yīng)性和危險(xiǎn)處理系統(tǒng)，需要特定的建筑材料。在某些情況下，例如在特定的工藝環(huán)境中，建筑材料可能與工藝流體發(fā)生反應(yīng)，從而從物理上降低壁厚，削弱壁強(qiáng)度，這可能導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的事故，如物料泄漏。選擇腐蝕速率低的材料，制造過(guò)程中避免施工材料出現(xiàn)裂紋或凹坑，這是因?yàn)榫鶆蚋g比非均勻、局部腐蝕更安全。

針對(duì)設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)有一個(gè)重要的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)——魯棒性設(shè)計(jì)（robust design），特別針對(duì)有毒有害的物質(zhì)。其基本思想是通過(guò)容器的機(jī)械設(shè)計(jì)（增加壁厚）使容器可以承受可能到達(dá)的最大壓力，從而避免使用額外的保護(hù)層，如避免需要安全儀表層來(lái)關(guān)閉壓力源或者避免需要安全閥的開(kāi)啟來(lái)泄壓。需要注意的是，整個(gè)系統(tǒng)需要采用本質(zhì)魯棒性設(shè)計(jì)，按照木桶效應(yīng)，如果整個(gè)系統(tǒng)不采用本質(zhì)魯棒性設(shè)計(jì)，壓力還是會(huì)從最薄弱的地方泄漏出來(lái)。壓力的選擇需要進(jìn)行認(rèn)真、完整的評(píng)估和審查，比如針對(duì)反應(yīng)失控，不僅需要考慮到主反應(yīng)失控造成最大的壓力，也要考慮到主反應(yīng)失控觸發(fā)二次反應(yīng)的情況，這都需要利用專業(yè)的手段進(jìn)行全面的反應(yīng)熱風(fēng)險(xiǎn)研究。

對(duì)于不定期的工作，如清潔和維修，需要特別注意安全工作的實(shí)施。此時(shí)可以利用到替代策略，尋找本質(zhì)上更安全的清潔劑（即使用不易燃/無(wú)毒/惰性材料）、手動(dòng)工具（即防火/防爆）和工作機(jī)制（即提供氮?dú)獗Ｗo(hù)或良好通風(fēng)）。

3.5 其他階段

設(shè)計(jì)階段完成后，剩下的階段包括裝置建造階段，生產(chǎn)、運(yùn)行、管理階段和裝置拆除階段。一般來(lái)說(shuō)，在這些階段，使用本質(zhì)安全策略的機(jī)會(huì)非常少。在工藝生命周期的操作和維護(hù)階段，很難去修改工藝條件或者更換化學(xué)物質(zhì)，一些微小的改變也可能對(duì)工藝安全產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。比如pH 的微小改變可以顯著改變材料腐蝕速率。

4 本質(zhì)安全評(píng)估方法的研究進(jìn)展

本質(zhì)安全評(píng)估方法主要方便工藝設(shè)計(jì)人員或者其他有關(guān)人員將本質(zhì)安全設(shè)計(jì)應(yīng)用到化工過(guò)程中。在過(guò)去十幾年間，人們提出了許多本質(zhì)安全評(píng)估方法，但由于本質(zhì)安全在SHE領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛，在各個(gè)工藝階段的適用性以及本質(zhì)安全除了關(guān)鍵原則之外也包含其他各種可能的原則，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估本質(zhì)安全。目前不同的研究者對(duì)于本質(zhì)安全評(píng)估方法、分類都不同。本文結(jié)合前人的分類將本質(zhì)安全評(píng)估方法分為5 大類：基于參數(shù)的得分索引本質(zhì)安全方法、基于參數(shù)的數(shù)值索引本質(zhì)安全方法、基于圖示的本質(zhì)安全方法、基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全方法和基于多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全方法。

可以利用圖2來(lái)說(shuō)明和歸納本質(zhì)安全評(píng)估方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及不同種類的本質(zhì)安全評(píng)估方法的內(nèi)在聯(lián)系。前面三種本質(zhì)安全評(píng)估方法，即基于參數(shù)的得分索引本質(zhì)安全方法、基于參數(shù)的數(shù)值索引本質(zhì)安全方法、基于圖示的本質(zhì)安全方法都可以歸結(jié)成一個(gè)大類，它們只是對(duì)安全水平計(jì)算的方法不同，即評(píng)分技術(shù)、數(shù)值計(jì)算、圖形展示三種方法。這三種方法對(duì)備選方案的危害水平進(jìn)行量化，從而對(duì)備選方案中的本質(zhì)安全危險(xiǎn)水平進(jìn)行排序，基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全方法則計(jì)算本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)或者本質(zhì)后果，從而選擇更安全的工藝設(shè)計(jì)。基于多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全方法，提出通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析、安全約束、環(huán)境約束來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的最佳決策。其中使用的本質(zhì)安全目標(biāo)函數(shù)都是前面開(kāi)發(fā)的本質(zhì)安全方法，如基于參數(shù)的得分索引本質(zhì)安全方法、基于參數(shù)的數(shù)值索引本質(zhì)安全方法、基于圖示的本質(zhì)安全方法、基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全方法。

圖2 本質(zhì)安全評(píng)估方法的實(shí)施框架圖

4.1 基于參數(shù)的得分索引本質(zhì)安全評(píng)估方法

在基于參數(shù)的得分索引本質(zhì)安全評(píng)估方法中，研究人員選擇與特定危險(xiǎn)源相關(guān)的參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)的條件建立評(píng)分系統(tǒng)，在工藝評(píng)估的過(guò)程中，根據(jù)建立起來(lái)的評(píng)分系統(tǒng)和工藝的條件對(duì)工藝的本質(zhì)安全性進(jìn)行評(píng)分，從而獲得被評(píng)價(jià)工藝的本質(zhì)安全水平。這種類型的索引方法提供了各種參數(shù)與事故發(fā)生之間的直接關(guān)系。

火災(zāi)爆炸指數(shù)（fire & explosion index, F&EI）是最早提出的本質(zhì)安全工具之一。F&EI 是由陶氏化學(xué)公司在1964 年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并得到了許多關(guān)注。F&EI 基于物料和過(guò)程因素來(lái)做計(jì)算。F&EI計(jì)算包括物料危險(xiǎn)、一般過(guò)程危險(xiǎn)和特殊過(guò)程危險(xiǎn)，然后將計(jì)算的F&EI 值轉(zhuǎn)換為暴露直徑。該指標(biāo)工具還需要詳細(xì)的信息（如設(shè)備尺寸、材料荷載、PID 圖和繪圖計(jì)劃），這可能需要許多假設(shè)來(lái)獲得總的安全指標(biāo)值。Khan和Abbasi提出了火災(zāi)爆炸損失指數(shù)（fire and explosion damage index,FEDI）來(lái)對(duì)火災(zāi)爆炸指數(shù)做進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)的考慮主要有三個(gè)方面：陶氏化學(xué)提出的火災(zāi)爆炸指數(shù)主要基礎(chǔ)在于物料因素，但是只考慮了化學(xué)能量（反應(yīng)性），沒(méi)有考慮到物理能量（壓力能量）；物料因素與操作/工藝類型和工藝條件無(wú)關(guān)；在火災(zāi)爆炸指數(shù)中，一般工藝危害和特殊工藝危害步驟也與工藝裝置/操作無(wú)關(guān)。由于這兩個(gè)指數(shù)的設(shè)計(jì)初衷就是用在設(shè)計(jì)階段的后期或者操作階段，需要很多詳細(xì)的信息才能完成分析，故F&EI和FEDI的完整模式不能用于早期設(shè)計(jì)階段。但是它們也可以簡(jiǎn)化，以用于在概念設(shè)計(jì)階段來(lái)評(píng)估安全特性。

Lawrence說(shuō)明了本質(zhì)安全指數(shù)的目的，“提出指數(shù)是為了對(duì)一條化學(xué)路線的潛在安全或不安全程度進(jìn)行評(píng)分。因此，該指數(shù)是一個(gè)本質(zhì)安全指數(shù)。這個(gè)指數(shù)的設(shè)計(jì)是為了對(duì)一條化學(xué)途徑的本質(zhì)安全進(jìn)行定量評(píng)估。它的設(shè)計(jì)并不是非常準(zhǔn)確的，因此它被定義為一個(gè)指數(shù)，給出了本質(zhì)安全水平的指示。它是定量的，以消除路線比較中的主觀性?！盓dwards 和Lawrence兩位先驅(qū)首次提出了基于參數(shù)得分索引的本質(zhì)安全評(píng)估方法——本質(zhì)安全指數(shù)原型（prototype index inherent safety，PIIS）。該本質(zhì)安全指數(shù)原型由化學(xué)指標(biāo)和過(guò)程指標(biāo)組成，其中化學(xué)指標(biāo)包括爆炸性、毒性、可燃性、荷載，過(guò)程指標(biāo)包括壓力、溫度、收率。每個(gè)參數(shù)根據(jù)參數(shù)的范圍進(jìn)行評(píng)分，以爆炸性舉例說(shuō)明，如表2所示。在該本質(zhì)安全指數(shù)原型中，采用爆炸上下限的范圍來(lái)表征爆炸性的大小，爆炸上下限的范圍越大，得分越高，也表示該物質(zhì)爆炸性越高，越危險(xiǎn)。每個(gè)參數(shù)根據(jù)參數(shù)得分表獲得本質(zhì)安全水平分?jǐn)?shù)，將每個(gè)參數(shù)的本質(zhì)安全水平分?jǐn)?shù)綜合起來(lái)獲得總的本質(zhì)安全水平分?jǐn)?shù)，來(lái)定量化所選路徑的本質(zhì)安全水平。單個(gè)參數(shù)的得分綜合起來(lái)的方法是基于最壞情形假設(shè)，在計(jì)算化學(xué)指標(biāo)的時(shí)候只考慮化學(xué)品性質(zhì)（毒性、可燃性、爆炸性）的最大值。該指數(shù)應(yīng)用到甲基丙烯酸甲酯生產(chǎn)工藝，并通過(guò)專家組評(píng)估的方法來(lái)確定該指數(shù)的準(zhǔn)確性，專家評(píng)估和該指數(shù)評(píng)估的路線排序基本一致。這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作為后面的研究打下了基礎(chǔ)，后面的研究基本上都是以這項(xiàng)工作為框架進(jìn)行的，一般來(lái)說(shuō)有三個(gè)方面的修改，第一個(gè)是修改特定危險(xiǎn)源相關(guān)的參數(shù)，第二個(gè)是修改參數(shù)評(píng)分系統(tǒng)，第三個(gè)是修改由單個(gè)參數(shù)得分得到總本質(zhì)安全水平分?jǐn)?shù)的方法。

表2 爆炸性得分表

PIIS涵蓋了大多數(shù)典型的化學(xué)危害，并提供了一個(gè)易于使用的程序來(lái)選擇本質(zhì)更安全的合成路徑，但缺乏對(duì)工藝風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源的充分考慮，于是Heikkil在PIIS的基礎(chǔ)上納入了更多了危險(xiǎn)指示參數(shù)（設(shè)備類型、工藝結(jié)構(gòu)的安全性、化學(xué)相互作用、主副反應(yīng)熱、腐蝕性），修改了一些參數(shù)評(píng)分表，提出了一個(gè)修改的指標(biāo)（inherent safety index,ISI），該本質(zhì)安全指數(shù)考慮了更廣泛的危險(xiǎn)源。為了提供安全評(píng)估的自動(dòng)化，Palaniappan等開(kāi)發(fā)出新的本質(zhì)安全評(píng)估自動(dòng)化工具（專家系統(tǒng)，i-Safe）。在這個(gè)本質(zhì)安全評(píng)估自動(dòng)化工具中，他們?cè)赑IIS 和ISI 的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的本質(zhì)安全指數(shù)，新的本質(zhì)安全指數(shù)提出了額外的三個(gè)指數(shù)，分別是最壞化學(xué)指數(shù)、總的化學(xué)指數(shù)和最壞反應(yīng)指數(shù)，通過(guò)這三個(gè)指數(shù)和總本質(zhì)安全指數(shù)來(lái)對(duì)不同的反應(yīng)路徑進(jìn)行比較。他們將不易進(jìn)行指數(shù)化的參數(shù)和問(wèn)題采用啟發(fā)式的方法進(jìn)行解決。此外，針對(duì)初步篩選的反應(yīng)路徑，用圖形表示的方法對(duì)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化并進(jìn)行詳細(xì)分析，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)顯示反應(yīng)原材料轉(zhuǎn)化為中間體、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的路徑。在圖形表示方法中，反應(yīng)由垂直條（vertical bar）表示，稱為頂點(diǎn)（vertex），反應(yīng)物由圓圈表示，稱為節(jié)點(diǎn)（node），通過(guò)指示弧線連接反應(yīng)及其相關(guān)物料，其中指示弧線來(lái)表示反應(yīng)與相關(guān)物料（產(chǎn)品或者反應(yīng)物）的關(guān)系。新的本質(zhì)安全評(píng)估自動(dòng)化工具可以用于反應(yīng)路徑篩選和流程開(kāi)發(fā)兩個(gè)階段。

無(wú)論是PIIS 和ISI，還是i-Safe 中嵌入的本質(zhì)安全指數(shù)，都有一個(gè)共同的問(wèn)題，即沒(méi)有考慮各種化學(xué)指標(biāo)、化學(xué)品的量、設(shè)備數(shù)量之間的相互作用。而且需要考慮到一個(gè)事實(shí)，大量低毒性的物質(zhì)也可能造成嚴(yán)重的后果，毒物毒性和毒物的劑量是有直接關(guān)系的。于是Li等采用每種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)（如爆炸性、表現(xiàn)嚴(yán)重度）與流量相乘再求和的方法獲得了總的化學(xué)指數(shù)，過(guò)程設(shè)備指數(shù)采用設(shè)備的個(gè)數(shù)與單個(gè)設(shè)備的分?jǐn)?shù)相乘再求和的策略，提出了增強(qiáng)性本質(zhì)安全指數(shù)（enhanced inherent safety index,EISI-1）。該本質(zhì)安全指數(shù)消除了ISI 和PIIS總本質(zhì)安全水平指標(biāo)計(jì)算方法的缺陷，在ISI 和PIIS方法中，計(jì)算總本質(zhì)安全水平按照最壞情況假設(shè)考慮的，在計(jì)算化學(xué)指標(biāo)的時(shí)候只考慮化學(xué)品性質(zhì)（毒性、可燃性、爆炸性）的最大值，計(jì)算過(guò)程指標(biāo)的時(shí)候只考慮過(guò)程參數(shù)，而沒(méi)有考慮過(guò)程設(shè)備的多少和復(fù)雜性。Gangadharan 等于2013 年提出了新的本質(zhì)安全指數(shù)（comprehensive inherent safety index,CISI），該本質(zhì)安全指數(shù)是對(duì)EISI 的改進(jìn)，增加了過(guò)程連接分?jǐn)?shù)指標(biāo)，過(guò)程連接分?jǐn)?shù)用來(lái)解釋相互連接單位增加的風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)橄啾群?jiǎn)單的工藝，大量的回路或高度互連的單元會(huì)增加過(guò)程的危險(xiǎn)性。

在流程設(shè)計(jì)階段（概念設(shè)計(jì)），基于參數(shù)得分索引如PIIS 和ISI 都受到流程數(shù)據(jù)缺失的影響，Leong 和Shariff提出了工藝設(shè)計(jì)模擬器與本質(zhì)安全指標(biāo)直接集成的方法，提出了本質(zhì)安全指標(biāo)模塊（inherentsafety index module,ISIM），克服了這個(gè)缺點(diǎn)。這個(gè)新的框架允許從過(guò)程設(shè)計(jì)模擬器中提取和分析過(guò)程信息，來(lái)確定本質(zhì)安全級(jí)別，Leong 和Shariff利用案例，基于Heikkil提出的ISI，結(jié)合過(guò)程模擬展示了ISIM在本質(zhì)安全應(yīng)用的能力。

除了只考慮過(guò)程安全因素，部分研究者還考慮到更多的因素，如職業(yè)健康、生物安全因素，拓展了本質(zhì)安全評(píng)估的應(yīng)用范圍。Hassim和Hurme將本質(zhì)安全的概念拓展到職業(yè)衛(wèi)生的領(lǐng)域，提出了本質(zhì)職業(yè)健康評(píng)價(jià)指數(shù)（inherent occupational health index,IOHI）來(lái)評(píng)估工藝研發(fā)階段中工藝路線的健康風(fēng)險(xiǎn)。該本質(zhì)職業(yè)健康指數(shù)采用了基于分?jǐn)?shù)的方法，該本質(zhì)指數(shù)包括物理和過(guò)程危害指數(shù)（index for physical and process hazards）以及健康危害指數(shù)（index for health hazards）。物理和過(guò)程危害指數(shù)表示工人接觸化學(xué)品的可能性，而健康危害指數(shù)則描述由于接觸而產(chǎn)生的健康影響和危險(xiǎn)。此外還比較了用三種不同的指標(biāo)計(jì)算方法，即加和型、平均型和最糟糕的案例類型。結(jié)果表明，基于平均和最壞情況的方法比基于加法的方法更好地分析了路線的特征，因?yàn)榧臃ǖ姆椒ㄖ饕苈肪€步數(shù)的影響。此外，還制訂了該指數(shù)的量化標(biāo)準(zhǔn)尺度，以便對(duì)單個(gè)過(guò)程進(jìn)行健康水平評(píng)估。隨著工藝階段的不斷進(jìn)行，Hassim 和Hurme制訂了在概念設(shè)計(jì)階段使用的HQI（health quotient index）和在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段使用的OHI（occupational health index）?；贗OHI的方法，研究者基于分層保護(hù)（LOP）控制策略提出了一個(gè)更全面的衡量標(biāo)準(zhǔn)——本質(zhì)增強(qiáng)的職業(yè)健康評(píng)價(jià)指數(shù)（enhanced inherent occupational health index,EIOHI）。Liew 等采用著名的本質(zhì)安全指數(shù)（PIIS）、本質(zhì)職業(yè)健康指數(shù)（IOHI）和本質(zhì)環(huán)境毒性危害（IETH）的方法，分別對(duì)本質(zhì)安全、健康和環(huán)境友好性進(jìn)行評(píng)估，提出了基于SHE 的本質(zhì)安全評(píng)估方法（inherent SHE assessment tool-1,ISHEAT-1），該本質(zhì)安全評(píng)估方法用于研發(fā)階段，隨著工藝階段的不斷進(jìn)行，Liew等制訂了在概念設(shè)計(jì)階段使用的ISHEAT-2和在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝階段使用的ISHEAT-3。Wei等于2019 年基于ISI 的框架納入了生物本質(zhì)安全因素，提出了一個(gè)新本質(zhì)安全指數(shù)（comprehensive inherent safety index，EISI-2），該本質(zhì)安全指數(shù)提供了一個(gè)全面的化學(xué)、物理和生物危害分析。

基于參數(shù)索引的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)評(píng)估方法一般都事先建立固定的參數(shù)評(píng)分系統(tǒng)，但是當(dāng)研究的系統(tǒng)發(fā)生變化或者發(fā)生重大改變時(shí)，預(yù)先定義的參數(shù)評(píng)分系統(tǒng)可能失效。Sultana 和Haugen提出了系統(tǒng)本質(zhì)安全指數(shù)（inherent system safety index, ISSI）用于概念設(shè)計(jì)階段，該本質(zhì)安全指數(shù)的特點(diǎn)是參數(shù)的評(píng)分基于它們與無(wú)害條件的偏差。首先通過(guò)定義一個(gè)無(wú)害系統(tǒng)的本質(zhì)安全特性和相關(guān)參數(shù)，根據(jù)非有害系統(tǒng)的特性，利用其相關(guān)參數(shù)建立了四個(gè)分類指標(biāo)，參數(shù)的評(píng)分是基于它們與無(wú)害條件的偏差，由各參數(shù)偏差之和得出本質(zhì)安全指數(shù)的值。此外，這種方法也考慮了與化工工業(yè)有關(guān)的各種工藝參數(shù)之間的相互作用，但是正如該文所說(shuō)，許多其他的相互作用沒(méi)有被考慮，例如，環(huán)境蒸汽壓與閾極限值之間的相互作用和相變與閾極限值變化之間的相互作用。

根據(jù)上面的分析，對(duì)基于參數(shù)得分索引本質(zhì)安全評(píng)估方法進(jìn)行總結(jié)，基于參數(shù)得分索引本質(zhì)安全評(píng)估特別是PIIS、ISI 等方法具有易于理解、方便使用等特點(diǎn)。不需要過(guò)多的信息，不需要詳細(xì)計(jì)算工藝的物料平衡和能量平衡，只需要知道各個(gè)工藝的基本工藝參數(shù)和涉及的化學(xué)反應(yīng)，非常適合用在研發(fā)階段反應(yīng)路徑的篩選，也適用于概念設(shè)計(jì)階段，比如EISI，由于EISI、CISI 需要計(jì)算流量數(shù)值，需要知道基本的物料平衡，更加適用于概念設(shè)計(jì)階段，也可以用于研發(fā)階段?；赟HE 的本質(zhì)安全評(píng)估方法納入了更多危害因素（SHE），可以對(duì)工藝進(jìn)行更加全面的評(píng)價(jià)。

需要指出的是，基于參數(shù)得分索引本質(zhì)安全評(píng)估方法存在一些缺陷。第一個(gè)問(wèn)題是它在子區(qū)間內(nèi)的敏感性較低，但是在子區(qū)間兩個(gè)端點(diǎn)處的靈敏度較高（如溫度子區(qū)間[50～100℃）得分為1，[100～150℃）得分是2，那么溫度為51℃或者99℃的時(shí)候，指數(shù)得分都是1，溫度為100℃得分為2）。根據(jù)區(qū)間得分建立的評(píng)估手段都有這個(gè)缺陷，這是因?yàn)榈梅趾瘮?shù)是一個(gè)離散函數(shù)，評(píng)估的時(shí)候就是離散的，而不是連續(xù)的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要發(fā)展連續(xù)的得分函數(shù)。第二個(gè)問(wèn)題是維度問(wèn)題。為了方便對(duì)工藝進(jìn)行排序，一般將單個(gè)參數(shù)的得分進(jìn)行加和得到一個(gè)總的本質(zhì)安全指數(shù)。為了使有不同單位的參數(shù)（如溫度、壓力）可以進(jìn)行加和處理，那么得分表中不同參數(shù)的相同得分具有相同的意義，比如200～299℃和141～250psi（1psi=6894.76Pa）的得分均為3，那么意味著溫度范圍200～299℃與壓力范圍141～250psi相比，具有同樣的危險(xiǎn)，顯然這是無(wú)法確定的。而建立這種等價(jià)性（相等風(fēng)險(xiǎn)矩陣）是一項(xiàng)巨大的任務(wù)，成本也巨大。此外選擇溫度（℃）、壓力（atm，1atm=10Pa）、荷載（t）等具有不同單位的參數(shù)進(jìn)行相加，并通過(guò)相加得到的值來(lái)對(duì)不同路線進(jìn)行比較，這從化工科學(xué)的角度是不可接受的，有些研究者在這方面做出一些努力，如Srinivasan 和Nhan使用主成分分析（PCA）來(lái)解決所選危險(xiǎn)指數(shù)的主觀比例和權(quán)重問(wèn)題；Gao等使用層次分析法（AHP）對(duì)5M1E 安全指數(shù)進(jìn)行分級(jí)匯總。他們的努力為提高本質(zhì)安全指數(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)性、準(zhǔn)確性和精確度提供了良好的方案。第三個(gè)問(wèn)題是主觀和任意擴(kuò)展的評(píng)分得分表，在建立參數(shù)評(píng)分表時(shí)，有些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)一些公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)建立的，有些參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷的。比如說(shuō)可以根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的閃點(diǎn)和沸點(diǎn)來(lái)判斷物質(zhì)的可燃性，芬蘭立法根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的燃點(diǎn)和沸點(diǎn)對(duì)其可燃性進(jìn)行分類。這類似于歐洲聯(lián)盟關(guān)于危險(xiǎn)物質(zhì)的指令。其中火災(zāi)爆炸指數(shù)和PIIS也采用了類似的方法。于是這就造成每種基于參數(shù)得分索引本質(zhì)安全評(píng)估方法的參數(shù)評(píng)分表都是不同的，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的評(píng)估方法得到的結(jié)果可能不同，在使用過(guò)程中要仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明。第四個(gè)問(wèn)題是與化學(xué)安全相關(guān)的物性都來(lái)自于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的純化合物（如環(huán)境壓力和溫度）。由于在真正的化學(xué)過(guò)程中混合物和操作條件往往與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)，有可能標(biāo)準(zhǔn)情況下該物質(zhì)是安全的，但是在操作條件下是危險(xiǎn)的，因此需要考慮到操作參數(shù)與危險(xiǎn)性質(zhì)的關(guān)系，也要考慮到混合物中不同參數(shù)的貢獻(xiàn)和參數(shù)間的相互作用。未來(lái)的研究需要緩解這些缺陷帶來(lái)的問(wèn)題。

4.2 基于參數(shù)的數(shù)值索引本質(zhì)安全評(píng)估方法

基于參數(shù)數(shù)值索引本質(zhì)安全評(píng)估方法則是使用另一套方法獲得連續(xù)的得分函數(shù)，通過(guò)連續(xù)得分函數(shù)，解決基于參數(shù)得分索引的本質(zhì)安全方法工具在子區(qū)間敏感性很低而在子區(qū)間兩個(gè)端點(diǎn)處?kù)`敏度很高的弊端。Gentile等基于模糊集合理論，建立了一個(gè)模糊邏輯指數(shù)本質(zhì)安全工具。模糊邏輯是基于隸屬函數(shù)（）描述的集合部分隸屬的概念，當(dāng)元素完全屬于集合A 時(shí)，隸屬函數(shù)等于1，而當(dāng)元素完全不屬于集合A 時(shí)，隸屬函數(shù)等于0，部分屬于在（0,1）區(qū)間內(nèi)。一個(gè)模糊變量是一個(gè)語(yǔ)言變量（linguistic variable），語(yǔ)言變量表示一個(gè)變量，其值為單詞或句子中的自然或人工語(yǔ)言，比如說(shuō)人的年齡，如果不用數(shù)字去表示（15歲），而是用語(yǔ)言的值（如很年輕、年輕、不太老）表示的話，年齡就是一個(gè)語(yǔ)言變量。模糊變量的討論域由隸屬函數(shù)劃分為模糊集，隸屬函數(shù)表示該模糊集的隸屬度。模糊集表示特定輸入值的語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值。比如說(shuō)環(huán)境溫度分為低、中、高三個(gè)模糊集，假設(shè)環(huán)境溫度為20℃，則它部分隸屬于低模糊集，隸屬函數(shù)為0.1，它也部分隸屬于中模糊集，隸屬函數(shù)為0.4?；谀：壿嫼涂赡苄岳碚?，對(duì)本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)中涉及的不確定性進(jìn)行了理解，并對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，通過(guò)模糊集提供的平滑和漸進(jìn)過(guò)渡，可以消除區(qū)間內(nèi)的高低靈敏性問(wèn)題。該方法解決了傳統(tǒng)ISI 方法在評(píng)分技術(shù)方面的不確定性、主觀性和區(qū)間內(nèi)的高低靈敏性問(wèn)題。這種基于模糊邏輯的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)評(píng)估方法得到了研究者們的關(guān)注，Tadic 等將這種方法拓展到為食品進(jìn)行本質(zhì)安全性評(píng)估，關(guān)注到微生物、化學(xué)和物理危害。Song等于2018年在傳統(tǒng)PIIS和ISI的基礎(chǔ)上，不只是關(guān)注化學(xué)危害指數(shù)和工藝危害指數(shù)，而且納入了更多的危險(xiǎn)因素，如過(guò)程安全、過(guò)程復(fù)雜性和操作性，提出了新的基于模糊邏輯的索引——本質(zhì)安全性能指標(biāo)（inherent safety performance indices,ISPI）。針對(duì)前面提出的模糊邏輯指數(shù)本質(zhì)安全工具不能對(duì)本質(zhì)安全水平進(jìn)行優(yōu)化的缺點(diǎn)，Vázquez等提出了一個(gè)新的模糊邏輯指數(shù)本質(zhì)安全工具——可優(yōu)化的模糊本質(zhì)安全指標(biāo)（optimizable fuzzy inherent safety index,OFISI），在原有本質(zhì)安全評(píng)估功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化本質(zhì)安全水平。

不同于基于模糊集合理論，Leong 和Shariff基于定量后果的思路提出了新的本質(zhì)安全指數(shù)（process route index，PRI），主要用于評(píng)價(jià)過(guò)程的爆炸性。該本質(zhì)安全指數(shù)考慮了混合物的物性而不是單純考慮純物質(zhì)的物性，此外還考慮了壓力和溫度對(duì)爆炸性極限的影響，該指數(shù)的參數(shù)可以很方便地從過(guò)程模擬軟件獲得，從而可以針對(duì)流程進(jìn)行安全評(píng)估。Shariff 等基于PRI 的思想提出了過(guò)程物流本質(zhì)安全指數(shù)（process stream index，PSI），將過(guò)程流程安全評(píng)估拓展到過(guò)程物流安全性的評(píng)估，過(guò)程物流本質(zhì)安全指數(shù)允許過(guò)程設(shè)計(jì)人員識(shí)別最危險(xiǎn)物流，從而可以將精力集中于最危險(xiǎn)物流，使用本質(zhì)安全策略降低風(fēng)險(xiǎn)。Zaini等將這種方法拓展到了毒物釋放的評(píng)估上，提出了過(guò)程毒性釋放指數(shù)（toxic release route index，TRRI）和過(guò)程物流毒性釋放指數(shù)（toxic release stream index,TRSI）兩個(gè)本質(zhì)安全指數(shù)，分別用于評(píng)估路線和物流在毒性方法方面的本質(zhì)安全水平。

一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)基于指標(biāo)關(guān)注的是整個(gè)工藝路線的選擇，針對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行本質(zhì)安全水平評(píng)估。Pasha 等基于過(guò)程物流指數(shù)（PSI）相同的數(shù)學(xué)排列模式于2017 年開(kāi)發(fā)出了單個(gè)管殼式換熱器的本質(zhì)安全指數(shù)（inherent safety index for shell and tube heat exchanger，ISISTHE）。ISISTHE

關(guān)聯(lián)的參數(shù)包括過(guò)程壓力、校正傳熱對(duì)數(shù)溫差、燃燒熱和燃燒潛能（燃燒上下限的差值）?；贗SISTHE 指數(shù)，將單個(gè)管殼式換熱器的本質(zhì)安全得分加和在一起，開(kāi)發(fā)出換熱網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)安全指數(shù)（overall safety index for heat exchanger network，OSIHEN）。Athar 等將過(guò)程物流本質(zhì)安全指數(shù)進(jìn)行修改，添加了物流相的指標(biāo)，開(kāi)發(fā)出新的本質(zhì)安全指數(shù)（PCSI）用于管道的本質(zhì)安全評(píng)估。但是上述針對(duì)設(shè)備的安全評(píng)估方法沒(méi)有考慮設(shè)備特性，Athar 等于2019 年將工藝設(shè)備的共同屬性整合為一種新技術(shù)（inherent safety assessment for process equipment,ISAP），在概念設(shè)計(jì)階段提供本質(zhì)安全工藝設(shè)計(jì)。該本質(zhì)安全評(píng)估方法包括三個(gè)部分：第一個(gè)部分是設(shè)備之間的距離，第二個(gè)部分是單個(gè)工藝設(shè)備的性質(zhì)（包括組件的規(guī)格，即動(dòng)設(shè)備還是靜設(shè)備、引燃源類型、設(shè)備的大小），第三個(gè)部分是設(shè)備的故障頻率。Athar 等于2020年提出了基于PRI 的方法，納入設(shè)備物料荷載信息，提出了新的本質(zhì)安全指數(shù)——enhanced process route index（EPRI）。

Shariff研究團(tuán)隊(duì)提出的基于參數(shù)的數(shù)值索引本質(zhì)安全評(píng)估方法（基于PRI思路開(kāi)發(fā)的具有相同數(shù)學(xué)規(guī)律的PRI、PSI、PCSI、ISISTHE、EPRI等）的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算參數(shù)可以方便地從工藝流程模擬軟件獲取，也考慮了參數(shù)相互影響和不存在維度問(wèn)題，非常適合用于早期設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)安全評(píng)估，特別是概念設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)安全評(píng)估工具。但是都只考慮了一種危險(xiǎn)（如爆炸或者中毒），更為重要的是沒(méi)有考慮到反應(yīng)危險(xiǎn)性。此外，這種方法對(duì)壓力參數(shù)過(guò)于敏感，壓力參數(shù)往往覆蓋了其他參數(shù)的影響，因此針對(duì)壓力不變的過(guò)程無(wú)法使用（如萃取精餾、儲(chǔ)罐），而且與裝置生產(chǎn)能力沒(méi)有關(guān)系，但實(shí)際上工藝的風(fēng)險(xiǎn)與裝置生產(chǎn)能力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)榇蟮难b置生產(chǎn)能力會(huì)導(dǎo)致更大的物料荷載、更大的事故釋放率以及更復(fù)雜的管道系統(tǒng)。ISAP和EPRI 通過(guò)增加設(shè)備的物料載荷（即流量和停留時(shí)間）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是仍然沒(méi)有考慮熱風(fēng)險(xiǎn)，他們也沒(méi)有從上述角度出發(fā)解釋增加載荷的原因。

與上述的基于模糊邏輯和Shariff研究團(tuán)隊(duì)提出的方法不同，Ahmad 等采用邏輯斯諦方程（logistic equations）獲得連續(xù)的得分函數(shù)，開(kāi)發(fā)出基于數(shù)值描述本質(zhì)安全技術(shù)（numerical descriptive inherent safety technique, NuDIST）。邏輯斯諦方程的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)的方法獲取，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)得到數(shù)據(jù)的平均值和累積函數(shù)的斜率。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)考慮公司自身的歷史化學(xué)和工藝數(shù)據(jù)，提供了其他方法難以實(shí)現(xiàn)的靈活性。NuDIST 非常適用于概念設(shè)計(jì)階段，本質(zhì)上建立NuDIST 的方法與建立PIIS、ISI 的方法一致，只是對(duì)參數(shù)評(píng)分沒(méi)有采取區(qū)間評(píng)分技術(shù)，而是用一個(gè)連續(xù)函數(shù)表示。在NuDIST 方程中，使用邏輯斯諦方程將選取的危險(xiǎn)參數(shù)（化學(xué)參數(shù)如可燃性、爆炸性、毒性和過(guò)程參數(shù)如反應(yīng)熱、荷載、壓力、溫度）進(jìn)行連續(xù)化獲得各個(gè)參數(shù)得分，然后基于最壞情況考慮的假設(shè)下將各個(gè)參數(shù)的得分最大值進(jìn)行加和獲得總的得分。NuDIST 也存在基于參數(shù)得分索引方法的缺陷，即NuDIST依然無(wú)法解決維度問(wèn)題、參數(shù)相互作用的問(wèn)題以及忽略了荷載的影響，更重要的是為什么要用邏輯斯諦方程，他們并沒(méi)有給出明確的解釋。

4.3 基于圖示的本質(zhì)安全評(píng)估方法

基于圖示的本質(zhì)安全評(píng)估方法使用圖對(duì)危險(xiǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行可視化，解決基于參數(shù)索引本質(zhì)安全評(píng)估方法的維度缺陷。Gupta和Edwards開(kāi)發(fā)出了一個(gè)簡(jiǎn)單基于圖示的本質(zhì)安全評(píng)估方法。該方法將各個(gè)工藝的參數(shù)進(jìn)行可視化，用一張圖表示出來(lái)，從而方便使用者將各個(gè)工藝的安全情況進(jìn)行對(duì)比。該本質(zhì)安全方法的目的不是為了得到一個(gè)總的本質(zhì)安全得分，而是方便工藝設(shè)計(jì)者進(jìn)行參數(shù)的對(duì)比，該方法不需要密集的數(shù)學(xué)運(yùn)算就能提供更全面的評(píng)估。Hassim等基于他們以前提出的本質(zhì)職業(yè)衛(wèi)生健康索引的工作，將Gupta和Edwards提出的基于圖示本質(zhì)安全工具應(yīng)用到職業(yè)衛(wèi)生健康中，發(fā)展出用于本質(zhì)職業(yè)健康的基于圖示的本質(zhì)安全工具，該工具主要用于工藝的研究與開(kāi)發(fā)階段（R&D）。

上述兩種圖形化方法對(duì)流程每層缺乏足夠的層次關(guān)注，使得這兩種圖形化方法在突出不同工藝部分的潛在風(fēng)險(xiǎn)方面存在不足。這一缺陷可以通過(guò)SREST（substance, reactivity, equipment and safety technology）層次評(píng)價(jià)方法來(lái)解決。SREST 由物質(zhì)層、反應(yīng)層、設(shè)備層和安全技術(shù)層的分級(jí)評(píng)估組成，圖形化地展示了SHE參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

Ahmad等于2016年根據(jù)前面開(kāi)發(fā)出的基于數(shù)值描述本質(zhì)安全技術(shù)（NuDIST），提出基于圖示的本質(zhì)安全工具——基于圖示和數(shù)值描述本質(zhì)安全技術(shù) （graphical and numerical descriptive inherent safety technique，GRAND），用于工藝設(shè)計(jì)的研發(fā)階段。利用單個(gè)參數(shù)得分的圖形法比較不同工藝路線的不同參數(shù)的危險(xiǎn)程度，識(shí)別出最危險(xiǎn)的地方在哪。 GRAND 被擴(kuò)展為二維圖形評(píng)級(jí)（2-dimensional graphical rating，2DGR）。該技術(shù)方法有兩個(gè)目的：第一個(gè)目的是通過(guò)可視化突出對(duì)最大危害有顯著貢獻(xiàn)的化學(xué)和工藝特性；第二個(gè)目的是對(duì)評(píng)估的工藝路線進(jìn)行顏色區(qū)域分組，紅色、黃色和綠色分別表示最危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和最低危險(xiǎn)級(jí)別。Ahmad等隨后于2019年將2DGR從研發(fā)階段擴(kuò)展到概念設(shè)計(jì)階段，提出GISAT階段，在概念設(shè)計(jì)階段可以獲得更多關(guān)于可燃性、爆炸性和毒性的信息。

與基于參數(shù)索引指標(biāo)總是產(chǎn)生一個(gè)綜合的數(shù)字結(jié)果不同，圖形化的指標(biāo)可以直觀和形象地使用易于理解和直截了當(dāng)?shù)膱D形來(lái)顯示評(píng)估結(jié)果，通過(guò)區(qū)分每個(gè)工藝方案的每個(gè)合成步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)和選擇本質(zhì)更安全的解決方案。但正是由于缺乏一個(gè)綜合的數(shù)字結(jié)果，當(dāng)不同危險(xiǎn)參數(shù)（如毒性或者燃燒性）存在矛盾的時(shí)候，不容易在這兩者之間做出權(quán)衡。

4.4 基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估方法

上述的本質(zhì)安全方法具有一個(gè)共同的缺陷：無(wú)法考慮風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景和損失后果。其原因是這些本質(zhì)安全評(píng)估方法主要量化工藝的危害（hazard），并沒(méi)有涉及具體的風(fēng)險(xiǎn)分析。于是研究者們提出基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估方法來(lái)估計(jì)潛在的損害或本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

定量評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，用來(lái)評(píng)估設(shè)備和過(guò)程的運(yùn)行所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，廣泛用于化學(xué)工業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析中。歷史上，風(fēng)險(xiǎn)分析是作為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的一種手段來(lái)使用的，并且一般是在設(shè)計(jì)之后進(jìn)行的步驟。由于這個(gè)原因，風(fēng)險(xiǎn)分析作為一種被動(dòng)工具，一般只用于評(píng)估手段，通常不被認(rèn)為是一種設(shè)計(jì)工具。誠(chéng)然，安全方面被認(rèn)為是設(shè)計(jì)前提的一部分，但沒(méi)有被作為實(shí)現(xiàn)基本設(shè)計(jì)目的的參數(shù)來(lái)處理。因此，安全方面主要作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的反饋較弱。更糟糕的是，把風(fēng)險(xiǎn)分析放在設(shè)計(jì)工程的范圍之外，給人的印象是設(shè)計(jì)工程師沒(méi)有責(zé)任把風(fēng)險(xiǎn)作為設(shè)計(jì)參數(shù)之一來(lái)考慮。

基于上面的考慮，Khan和Abbasi提出了一種基于快速風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)工具（rapid risk analysis based design，TRRABD），將風(fēng)險(xiǎn)分析納入本質(zhì)安全設(shè)計(jì)中。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，TRRABD包括生成事故場(chǎng)景、定義接受標(biāo)準(zhǔn)、提出設(shè)計(jì)或修改解決方案、執(zhí)行確定性計(jì)算以及評(píng)估最終接受場(chǎng)景的結(jié)果。類似地，Shariff 等基于流程模擬軟件提出了集成風(fēng)險(xiǎn)分析工具（integrated risk estimation tool，iRET），用于爆炸后果分析。該集成風(fēng)險(xiǎn)分析工具的目的是將工藝設(shè)計(jì)階段與風(fēng)險(xiǎn)和后果評(píng)估之間進(jìn)行連接，使風(fēng)險(xiǎn)和后果評(píng)估成為設(shè)計(jì)的一部分，從而實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。與TRRABD 中確定性的人工計(jì)算不同，iRET 采用模擬器（HYSYS）提取更多的評(píng)估數(shù)據(jù)，從而緩解了假設(shè)事故缺乏數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估困難。該工具也可以拓展到燃燒、中毒后果分析等。

Shariff 和Zaini基于iRET 工具，結(jié)合過(guò)程模擬和中毒釋放后果，開(kāi)發(fā)出了毒性釋放后果分析工具（TORCAT）。Shariff和Zaini將后果的概率納入毒性釋放后果的風(fēng)險(xiǎn)中，從毒性釋放后果分析工具（TORCAT） 拓展到毒性釋放風(fēng)險(xiǎn)分析（toxic release inherent risk assessment，TRIRA）。TORCAT的方法可以描述為三個(gè)主要步驟：①生成備選方案；②使用過(guò)程模擬器基于源分布模型和分散模型獲取評(píng)估數(shù)據(jù)；③使用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)原則修改備選方案，直到結(jié)果滿足設(shè)計(jì)意圖。Shariff 和Leong基于定量評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的概念進(jìn)一步提出了本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的新概念，用于初步設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析。隨后，使用類似的程序和過(guò)程模擬器，TORCAT被擴(kuò)展 為 IFCET-1（inherent fire consequence estimation tool 1, IFCET-1）和IFCET-2（inherent fire consequence estimation tool 2, IFCET-2），其中IFCET-1 和IFCET-2 分別對(duì)池火和BLEVE 兩種后果進(jìn)行計(jì)算。此外，Athar 等在使用PSCI（process stream characteristic index）選擇危險(xiǎn)較小的工藝流股后，也采用了本質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)該工藝流股進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)利用本質(zhì)安全對(duì)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)的意圖。

Rathnayaka 等則提出了考慮固有安全性的基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)決策工具，該工具是Khan 和Amyotte開(kāi)發(fā)綜合本質(zhì)安全指數(shù)（integrated inherent safety index,I2SI）的拓展。該決策工具定義了基于風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)安全指數(shù)（risk-based inherent safety index, RISI），RISI 定義為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和備選設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比例。其中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等于風(fēng)險(xiǎn)的后果和風(fēng)險(xiǎn)概率的乘積再除以風(fēng)險(xiǎn)控制因子，其中風(fēng)險(xiǎn)的后果用損失半徑去衡量。備選設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算思路和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)基本一樣，只是乘以兩個(gè)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)原則使用潛力指數(shù)，即降低危害的潛力估計(jì)指標(biāo)和降低事故發(fā)生概率的潛力估計(jì)指標(biāo)。此外，Tugnoli等在2009年提出了關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPIs），該方法用一種基于結(jié)果的方法來(lái)評(píng)估替代方案的本質(zhì)安全性。在這種方法中，物理參數(shù)用于量化來(lái)自材料、工藝條件和設(shè)備特性的危害，用來(lái)評(píng)估對(duì)人員和設(shè)備的損傷，采用基于結(jié)果建模的有形參數(shù)可以清晰地了解設(shè)計(jì)方案的本質(zhì)安全性能。這種方法將人體目標(biāo)和多米諾骨牌事故升級(jí)納入評(píng)估程序。

基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)是可以估計(jì)潛在的損害或本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。但是也存在如下缺點(diǎn)。一是使用難度，在使用后果分析或者風(fēng)險(xiǎn)分析的過(guò)程中，需要有專業(yè)的知識(shí)（如后果建模、概率計(jì)算或Probit函數(shù)等），并需要大量的計(jì)算工作量。與傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具相比，基于后果分析或者風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估方法考慮的情景具有本質(zhì)的不確定性，如需要確定分析點(diǎn)與危險(xiǎn)源的距離或者知道泄漏孔徑等，一般來(lái)說(shuō)這些信息在設(shè)計(jì)階段是很難確定的，這無(wú)疑引入了不確定的因素。傳統(tǒng)的工具利用詳細(xì)的信息而不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兪窃谠敿?xì)設(shè)計(jì)之后使用的。另外，基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估方法如果在概念設(shè)計(jì)階段實(shí)施，將受到概念設(shè)計(jì)階段有限信息的制約。

4.5 多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全評(píng)估方法

上述的本質(zhì)安全評(píng)估方法一般都忽略了經(jīng)濟(jì)因素的評(píng)估，多目標(biāo)評(píng)價(jià)本質(zhì)安全評(píng)估方法傾向于將環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素、安全因素一起進(jìn)行考慮，對(duì)過(guò)程進(jìn)行多目標(biāo)評(píng)價(jià)或者優(yōu)化。由于存在多個(gè)目標(biāo)需要考慮，需要合適的決策工具（make-decision tool）進(jìn)行決策，多目標(biāo)評(píng)價(jià)本質(zhì)安全評(píng)估方法可以粗略分成5 種決策工具，分別是多準(zhǔn)則決策程序、多目標(biāo)優(yōu)化、靈敏度分析、圖形法、指數(shù)法。

基于多準(zhǔn)則決策程序決策工具從多個(gè)維度對(duì)事物進(jìn)行評(píng)價(jià)，其著重于評(píng)價(jià)。比如Qrtiz-Espinoza等提出了一個(gè)包含本質(zhì)安全的框架，可以在設(shè)計(jì)階段用來(lái)比較不同技術(shù)的環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)性能，這個(gè)框架的特點(diǎn)是工藝流程模擬的結(jié)果可以方便地得到所需的數(shù)據(jù)，該框架也為將安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化打下基礎(chǔ)，然后采用圖形法對(duì)多個(gè)工藝的性能進(jìn)行可視化，方便進(jìn)行對(duì)比。Ahmad等提出本質(zhì)安全和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)（inherent safety and economic graphical rating, InSafE）方法，InSafE 方法使用他們之前提出的基于GRAND 技術(shù)來(lái)衡量本質(zhì)指數(shù)，由于使用本質(zhì)安全評(píng)估適合于研發(fā)階段，且經(jīng)濟(jì)計(jì)算只涉及物料的成本和成品的價(jià)格，沒(méi)有涉及設(shè)備的成本，故該方法適合用于研發(fā)階段，研發(fā)階段的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)使用戶能夠比較工藝路線的固有本質(zhì)安全水平及其經(jīng)濟(jì)潛力。但是基于多準(zhǔn)則決策程序本身無(wú)法選擇各種解決方案（或替代方案），可以采用權(quán)重的方法來(lái)說(shuō)明每個(gè)屬性的重要性，將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題。典型的權(quán)重方法如層次分析方法（analytic hierarchy process, AHP），是基于多準(zhǔn)則決策程序決策工具利用權(quán)重因子找到最優(yōu)解的一種常用方法。

與上述采用圖形法對(duì)評(píng)價(jià)的因素進(jìn)行說(shuō)明和展示不同，Khan 和Amyotte基于本質(zhì)安全成本考慮提出了一個(gè)新的集成本質(zhì)安全指數(shù)（integrated inherent safety index,I2SI）。該本質(zhì)安全指數(shù)得到了廣泛的關(guān)注，故進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。該本質(zhì)安全指數(shù)構(gòu)建在類似于HAZOP 程序的框架上，可以同時(shí)使用本質(zhì)安全潛力指數(shù)和本質(zhì)安全成本指數(shù)來(lái)衡量每個(gè)工藝選項(xiàng)的危害程度和成本。需要指出的是，計(jì)算本質(zhì)安全成本的過(guò)程包括使用本質(zhì)安全方法的成本及使用過(guò)程控制措施和附加（末端）安全措施的成本。本質(zhì)安全成本指數(shù)等于本質(zhì)安全成本除以損失成本，其中損失成本表示發(fā)生事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。此外，使用I2SI 過(guò)程中，依賴于大量的數(shù)據(jù)，是一個(gè)數(shù)據(jù)密集型過(guò)程，故可以借鑒i-Safe專家系統(tǒng)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化危險(xiǎn)識(shí)別和本質(zhì)更安全的工藝路線。

這部分闡述多目標(biāo)優(yōu)化決策工具在多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全評(píng)估方法的應(yīng)用，Medina-Herrera 等基于工藝設(shè)計(jì)階段的安全考慮，針對(duì)萃取精餾，提出了一種選擇溶劑的方法。通過(guò)使用死亡風(fēng)險(xiǎn)的平均距離作為安全分析部分，傳統(tǒng)成本作為成本分析部分。該方法應(yīng)用于萃取精餾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行溶劑的預(yù)先篩選步驟，然后在考慮安全、成本的條件下制訂了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。Eini 等提出了多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃的耦合安全和經(jīng)濟(jì)效益的新框架，安全目標(biāo)函數(shù)使用基于后果模型的安全準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行量化，以一個(gè)簡(jiǎn)單的制冷循環(huán)為例，實(shí)現(xiàn)了該優(yōu)化框架。Eini 等在前面研究的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)函數(shù)從兩個(gè)（安全、經(jīng)濟(jì)）拓展到3個(gè)（安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境），在評(píng)價(jià)梯級(jí)制冷系統(tǒng)本質(zhì)安全水平的同時(shí)，考慮了經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和環(huán)保性等因素，進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)中考慮了資本成本、加工成本和CO排放造成的社會(huì)成本。?效率作為第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（quantitative risk assessment，QRA）作為本質(zhì)安全水平第三個(gè)目標(biāo)函數(shù)。Fonseca 等為分布式能源系統(tǒng)建立了多目標(biāo)優(yōu)化的框架，其中目標(biāo)函數(shù)包含總成本、CO排放、用水量、網(wǎng)格依賴性和本質(zhì)安全指標(biāo)。

在經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)過(guò)程中，上述的研究者采取傳統(tǒng)成本（如投資回報(bào)率ROI、總年成TAC、運(yùn)營(yíng)成本等）作為成本目標(biāo)函數(shù)，部分研究人員將事件成本（如死亡、傷害、環(huán)境破壞等）與傳統(tǒng)成本評(píng)估（如ROI、TAC、運(yùn)營(yíng)成本等）一起計(jì)入傳統(tǒng)成本。Medina 等在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段引入風(fēng)險(xiǎn)分析，提出一個(gè)既考慮成本又考慮風(fēng)險(xiǎn)（采用確定性方法）的優(yōu)化方法，將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為事故損失成本，從而獲得單一的成本目標(biāo)函數(shù)，并用儲(chǔ)罐儲(chǔ)存中有毒物質(zhì)的釋放和BLEVE/火球兩個(gè)事故例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)方法，說(shuō)明隨著儲(chǔ)罐數(shù)目的增加，事故是減少的，但是傳統(tǒng)成本是增加的，而總的成本先快速增加后緩慢增加，從而可以確定最合適的儲(chǔ)罐數(shù)目。需要說(shuō)明在優(yōu)化過(guò)程中要考慮到風(fēng)險(xiǎn)不能超過(guò)容忍閾值水平，有趣的是，在計(jì)算損失成本過(guò)程中，需要把對(duì)人的傷害轉(zhuǎn)為成本，但是給人的生命賦予價(jià)值，這無(wú)疑帶來(lái)了重大的道德和社會(huì)影響。如果不考慮安全的情況，扣除賠償花的錢后（畢竟事故發(fā)生的概率低）獲得的生產(chǎn)利潤(rùn)多于扣除采取本質(zhì)安全或者安全策略花的錢之后的生產(chǎn)利潤(rùn)，只以錢的角度出發(fā)，賠償并不是問(wèn)題，所以政府監(jiān)管顯得尤為重要。

Medina等將安全風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)為損失成本從而可以獲得單一目標(biāo)函數(shù)，這也是解決多目標(biāo)問(wèn)題的一種常用方法，該研究沒(méi)有采取先進(jìn)的優(yōu)化算法，而采用了靈敏度分析來(lái)研究參數(shù)對(duì)安全、成本的影響。Medina-Herrera 等也采取靈敏度分析的方法研究了精餾塔參數(shù)對(duì)精餾塔的安全性和成本影響，其中用了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法來(lái)計(jì)算精餾塔的安全性，傳統(tǒng)成本為成本因素考慮，并考慮到了產(chǎn)品純度。Guillen-Cuevas 等采取另一種方法來(lái)解決多目標(biāo)權(quán)衡問(wèn)題，他們基于傳統(tǒng)的投資回報(bào)（ROI）分析，提出安全和可持續(xù)性加權(quán)投資回報(bào)度量法（safety and sustainability weighted return on investment metric，SASWROIM）。Teh等提出基于健康、安全和環(huán)境影響的混合多目標(biāo)初步工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化框架，利用毛利潤(rùn)、健康商指數(shù)（health quotient index，HQI）、本質(zhì)安全指數(shù)和WAR 算法分別評(píng)價(jià)工藝的經(jīng)濟(jì)績(jī)效、健康、安全和環(huán)境影響。由于這四個(gè)維度經(jīng)常發(fā)生沖突，該文章采用模糊優(yōu)化方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)分析了這四個(gè)方面的權(quán)衡關(guān)系。

多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全評(píng)估方法不僅考慮到安全，也考慮了經(jīng)濟(jì)、健康、環(huán)保等其他方面，這是符合可持續(xù)發(fā)展要求的。其中使用的本質(zhì)安全目標(biāo)函數(shù)都是前面開(kāi)發(fā)的本質(zhì)安全方法，如基于參數(shù)的數(shù)組索引本質(zhì)安全評(píng)估方法、本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析或者定量后果分析，由于這個(gè)原因，多目標(biāo)評(píng)價(jià)的本質(zhì)安全評(píng)估方法使用階段受到前面提到的本質(zhì)安全評(píng)估方法的使用階段的限制。此外，要解決這個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題需要合適的工具和算法，計(jì)算起來(lái)也較為復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界制訂了許多安全策略來(lái)避免化工過(guò)程中事故的發(fā)生，這些安全策略可以分為本質(zhì)安全、被動(dòng)安全、主動(dòng)安全和程序安全。被動(dòng)、主動(dòng)和程序性過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管理策略作為保護(hù)層，傾向于使用附加的安全或保護(hù)裝置、系統(tǒng)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，危害并沒(méi)有消除或減少，而本質(zhì)安全永久性地消除或減少了危險(xiǎn)，故本質(zhì)安全設(shè)計(jì)（inherent safety design，ISD）是減少風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化學(xué)設(shè)施的最有效的方法之一。盡管化工過(guò)程本質(zhì)安全評(píng)估方法已有較多的研究和應(yīng)用，但是仍然存在諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

（1）目前本質(zhì)安全評(píng)估方法的趨勢(shì)傾向于將本質(zhì)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、健康一起進(jìn)行考慮，進(jìn)行多目標(biāo)評(píng)價(jià)。這些嘗試正在逐漸打破綠色化學(xué)固有的界限，通過(guò)制訂綜合的方法來(lái)管理廢物、危險(xiǎn)、損失、傷害和保護(hù)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效率，實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程的可持續(xù)發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先需要將本質(zhì)安全與綠色化學(xué)、可持續(xù)發(fā)展和清潔技術(shù)相結(jié)合，在初步工藝設(shè)計(jì)階段，提出一項(xiàng)綜合考慮的工藝方案，對(duì)工藝方案進(jìn)行比較和選擇；當(dāng)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等這些因素存在矛盾時(shí)，需要合適的決策工具來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的平衡，多目標(biāo)優(yōu)化是解決這個(gè)問(wèn)題的有力工具。

（2）需要多關(guān)注本質(zhì)安全指標(biāo)中相互沖突的因素處理。人們主要關(guān)注開(kāi)發(fā)新本質(zhì)安全指數(shù)，對(duì)解決本質(zhì)安全指標(biāo)中相互沖突（如荷載、溫度、壓力、毒性、可燃性、爆炸性）因素的通用權(quán)重的關(guān)注度低。雖然研究者用層次分析法和主成分法解決了部分問(wèn)題，他們的努力也為提高本質(zhì)安全指數(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)性、準(zhǔn)確性和精確度提供了良好的方案。然而，所涉及的數(shù)學(xué)解決方案往往是知識(shí)和數(shù)據(jù)密集型的，這可能會(huì)使實(shí)際應(yīng)用中的研究人員和從業(yè)人員感到沮喪。如果可以建立一個(gè)受到廣泛認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)，或許是解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法。

（3）在使用這些本質(zhì)安全評(píng)估方法方面存在技術(shù)、學(xué)科上的障礙，基于索引的本質(zhì)安全評(píng)估方法涉及物質(zhì)的安全數(shù)據(jù)（如毒性、燃燒爆炸極限等），但是過(guò)程模擬軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)上都沒(méi)有安全數(shù)據(jù)，因此未來(lái)應(yīng)該建立專門(mén)的安全數(shù)據(jù)庫(kù)并嵌入流程模擬軟件中，方便工藝設(shè)計(jì)師的調(diào)取。針對(duì)基于風(fēng)險(xiǎn)分析的本質(zhì)安全評(píng)估工具，可以使用風(fēng)險(xiǎn)分析模擬軟件如FLACS，但是掌握風(fēng)險(xiǎn)分析需要一定的知識(shí)儲(chǔ)備，這對(duì)工藝設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)負(fù)擔(dān)，建立一個(gè)方便工藝工程師和安全分析工程師的跨學(xué)科平臺(tái)是有幫助的。

（4）在使用這些本質(zhì)安全評(píng)估方法方面存在忽視安全文化的障礙。雖然本質(zhì)安全與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)一致且關(guān)系緊密，盡管這種聯(lián)系在行業(yè)中是公認(rèn)的，但通常由于缺乏安全文化而被忽視。大多數(shù)人認(rèn)為本質(zhì)安全就是一個(gè)理念，比較空洞，因此，在化工行業(yè)內(nèi)推動(dòng)本質(zhì)安全文化的普及尤其重要，包括化學(xué)家、工藝和設(shè)備工程師、企業(yè)負(fù)責(zé)人、政府監(jiān)管部門(mén)，即化工工藝的開(kāi)發(fā)者、工廠操作者和化工過(guò)程監(jiān)管者都要了解本質(zhì)安全的內(nèi)涵，從而推動(dòng)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)在化工行業(yè)中廣泛、深入地應(yīng)用，帶來(lái)真正的效應(yīng)。