本质安全篇

TraditionalRiskManagement传统的风险管理ProcessDesignBasicControls,Alarms,基本控制OperatorSupervision操作监控CriticalAlarms,OperatorSupervision,紧急报警\操作的监控andManualIntervention和人为干预AutomaticActionSafetyInterlockSystemEmergencyShutdownSystem连锁系统PhysicalProtection(Relief)物理防护安全阀等PhysicalProtection(Dikes)物理防护(爆破片)PlantEmergencyResponse工厂的应急救援预案CommunityEmergencyResponse社会应急响应传统的安全管理TypicalLayersofProtection本质安全（化）的起源•1862年，比利时人索尔维（ErnestSolvay,1832-1922）以食盐、氨、二氧化碳为原料，制得了碳酸钠，是为氨碱法（ammomiasodaprocess）。反应分三步进行：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O反应生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用：2NH4Cl+CaO===2NH3+CaCl2+H2O(*****)氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率得到提高，产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。本质安全化的革新：•（1）索尔维方法存在的问题，添加石灰时会由于打开密封盖而产生氨气的泄露，造成污染和人员受到伤害；•（2）索尔维方法的改进先将石灰配置成石灰乳，然后利用泵和管线输入到储罐中，使得泄露问题彻底解决，大大提高了生产的安全性。•当时生产工艺实现本质安全的一个成功的案例(T.Kletz广泛称道的一个案例）。•例1：有机物的硝化反应，比如在国防、采矿和水利建设中广泛应用的TNT炸药的生产，是通过对一种有机化合物进行硝化反应来生产的。有机物的硝化反应速度非常快，几乎是瞬间就可完成，同时释放大量的反应热。反应过程中如果生成的热量不能及时移出体系，就会引起爆炸。•传统的硝化反应一般是在带冷却夹套的搅拌釜式反应器内进行的。这种结构的反应器由于换热面积小，传热效率非常有限，不得不通过控制反应物加料速度来避免热量积累导致的反应失控。因而不仅反应釜的体积庞大，而且反应所需时间也很长。•以年产15吨硝基化合物来说，反应釜的体积甚至达到13m3，每次硝化反应的时间长达18（h）小时以上。（a）微反应器的物理模型（b）微反应器的模拟模型•Sulzer（瑞士的苏尔寿公司）公司开发成功了一种利用热交换管作为静态混合微构件来强化物料混合的反应器，在实现物料高效混合反应的同时将反应热从体系中快速移走，能极大地缩小设备体积、增加生产能力，特别适用于强放热反应过程。将该静态混合反应器技术用于TNT的生产，反应器的体积减小至200毫升，只有传统夹套式反应釜体积的1/6500；硝化反应的时间只有0.25秒，为原来的1/259200；而年生产能力却提高了2.2倍。•同时，由于硝化反应的时间非常短，基本上消除了副产物的生成，减少了环境污染。•例2：Grignard试剂酮还原反应，该反应是德国Merck公司生产某种精细化学品工艺过程的一个组成部分，可以在数秒内完成。•该反应也是一个强放热过程，在实际生产中为了导出反应热必须延长反应时间，一般需要数小时。若利用交叉型微混合器，不仅可以实现过程的连续化，而且可将反应时间降至几秒钟。这一发现证实微混合器是一种实现过程准确控制、强化反应过程的有效工具，进而极大地推动了Merck公司建立连续生产装置的计划。•1998年8月建成一套采用5个小型混合器并联操作的全自动连续生产中试装置并成功运行。中试生产的产率为92%，明显高于实际间歇式生产中的72%。•此外，反应时间从以前的5小时缩短为现在的10秒以内。更值得一提的是，利用小型混合器，可以在较高的温度下实现该反应，从而有效地减小冷却设备的技术投资，并可节约能源。化学工业的发展方向：（本质安全+绿色化工）•化工过程强化带来的益处是多方面的。设备生产能力的显著提高，导致单位产品成本大幅降低。设备体积的微型化，将带来设备和基建投资及土地资源的节省。由于能充分利用能量、生产效率高，能耗将显著降低。•由于反应迅速、均匀，副反应少，从而大大减少了副产物的生成，污染环境的废物排放也会显著减少。•甚至有人提出了一种取代庞大、复杂的传统化工厂的微型未来化工厂（实验室型的化工厂）的设想。化工系统的本质安全化•对于化工企业，实现本质安全化主要是将本质安全化原则应用于具体的化工工艺和技术装备的设计和选择。应该强调的是本质安全化原则最初是应用于石油化工行业，但是现在可推广应用于其它行业。3.1生产工艺过程的本质安全化•生产过程的风险控制策略通常被分成如下的类别：本质的（inherent）、被动的（passive）、主动的（active）和程序性的（procedural）。•（1）本质的（inherent）•消除危险源或者减轻危险，使得其作用于对象的潜在后果是能够承受的。例如水溶性漆和涂料由于不含溶剂（甲苯、二甲苯等），消除了其火灾爆炸危险性及毒性。•（2）被动的（passive）•对危险源的后果进行控制和减轻的装置，这些装置不需要探头或者启动（激活）部件。例如，一个化学反应在最危险的情况下，可以产生12MPa的压力，而反应器的设计压力为20MPa。这样即使在反应器内发生了失控反应，但是该反应器无须任何压力探测装置来对压力进行监测。•（3）主动的(active)•报警、联锁以及减缓装置被设计用来探测到系统处于不安全状态，并且是通过这个装置使系统恢复到安全状态，通常是采取紧急行动使得系统恢复到正常的运行状态或是被关闭。主动系统可以被设计用来防止事故发生，或是降低事故的后果。例如，储罐的高位开关检测到可能发生溢流时，将上料阀和上料泵关闭，从而避免溢流发生，高位开关被设计用来防止事故发生。•自动喷淋系统检测到火灾并自动喷淋，以降低火势的蔓延和潜在的损失。该系统被设计用来减少损失。它不是用来防止火灾发生，而是减少火灾的损失。•（4）程序性的（procedural）•标准的操作程序，操作人员的训练，安全检查表，以及其他的依赖于人的管理系统。例如，化学反应器的操作人员被训练，当反应器温度操作达到某一温度的时候，关闭上料阀，并对反应器进行紧急冷却。•通常来讲，从可靠性和稳定性来看，这些措施的有效性排序如下：本质的（inherent）、被动的(passive)、主动的(active)和程序性的(procedural)。但是实际的系统由于存在着多种危险因素，任何实际的系统都需要以上几种措施结合起来以便对危险源进行有效的控制。事实上，当从本质上减少了一种危险，可能增加了另一种风险。本质安全化的原则：本质安全化理论的创始人•TrevorKletz•ProfessorofChemicalEngineering•[e-mail]•提出了化工本质安全化的十一个原则（1）强化（intensification）•本质安全化设计中最常用的方法就是强化（或最小化）。强化包括使用最少量的危险物质，即使全部的物料泄漏也不会造成紧急情况。危险的反应物，应由临近的车间就地生产，使得输送管线中的实际保有的物料量最少。强化原则可以应用到反应器、液气接触设备、热交换器、混合器和干燥器等。MinimizeExampleTwoMethylAcetateProcessesTheleftoneisaconventionalprocess.Therightisbasedonreactivedistillationtechnology.Therighthandprocessminimizesinventory.乙酸甲酯的生产过程的简化强化:减小生产装置,提高生产效率.强化原则在化工装置中的应用序号项目采取的措施以及应注意的问题1反应器应充分掌握化学反应动力学；尽可能采用连续反应器；就地生产和使用危险原材料；将反应物料用泵连续添加到批次反应器中。2分离系统在蒸馏过程中及时移走危险物料；利用柱状结构以减少支撑和连接；对其他类型的分离系统进行评估；减少热交换器的面积以减少其物料存量。3储存系统减少危险物料和中间产品的储存量；考虑及时的生产供应；减少输送压力以便减少泄漏；利用较大的物料颗粒、糊、浆料来减少粉尘爆炸危险性；当处于以下情况时，较小的储罐确实可以减小危险性：危险主要存在于连结和分离处；利用罐车和槽车装卸物料。4管线系统等设计堤式排放系统（地下储罐），以防可燃性物料在储罐周边积聚；减少毒性物质和具有高蒸气压物质的溢流口的面积；优化管线的长度；管线的截面积不宜过大；对小直径管线提供足够的支撑；条件许可时，尽可能采用气态输送。（2）替代（substitution）•如果强化措施不可行，可以采取替代措施，即在生产过程中采用较安全的原料。例如，利用不燃的或闪点较高的液体，毒性较小的溶剂（制冷剂、导热材料）来代替那些易（可）燃性的、毒性的原料。例如，某些氧化乙烯（ethyleneOxide）工厂原先利用数百吨的石蜡来对装置进行冷却，使得石蜡的危险性甚至比反应器中的氧气和乙烯混合物还要高。现在，许多现代化的工厂已使用水来代替石蜡作为冷却介质。替代:用安全的物料来替代危险的物料.替代原则在化工装置中的应用序号项目采取的措施以及应注意的问题1化学品替代聚合后再卤化以避免使用危险的单体；生产并立即使用危险物质（减少危险物料的储存）。2溶剂利用水基溶剂来替代有机溶剂；减少清洗时使用的氯氟烃的使用；在提取蒸馏过程中采用低毒性溶剂。3辅助系统使用水和蒸汽作为热媒；如不能使用水和蒸汽作为热媒，可利用高闪点油品、熔盐作为热媒。（3）改变工艺路线（AlternativeReactionRoutes）•除了使用较为安全的化学品以外，还可以通过改变反应路线来降低生产过程的危险性。最典型的改变反应路线的例子是印度博帕尔的美国联合碳化学公司生产的杀虫剂—甲萘威（Carbaryl）。•原来反应路线是甲胺（methylamine）和光气（Phosgene）反应生成甲基异氰酸盐，然后再和α-萘酚（α-naphthol）反应生成甲萘威（Carbaryl）。正是由于中间产品甲基异氰酸盐的泄漏造成了博帕尔的惨痛事故。•新的可供选择的工艺路线是利用同样的原料，但是改变了其反应顺序。光气首先和α-萘酚反应生成氯甲酸，然后再和甲胺反应生成甲萘威。这样在反应过程中避免了甲基异氰酸盐的产生。（4）减缓（modifiedStorageArrangements）•在生产中如确实需要大量的危险物质的话，那么在生产中应以最安全和最小的量来保存这些化学品。例如，大量的氨、氯和液化石油气应以液态储存（而不是以压力的形式存储），即使发生泄漏，泄漏的速率也会较小。如果毒性和易燃性化学品不用在现场制造，而且又能保证可靠的供应，那么其储存量可以由数百吨降到数十吨。在这种情况下，即使发生泄漏，可以大大降低潜在的危险性。这种方法不需要对现有的装置做任何改进，仅仅降低了储存量。减缓:以最安全和最小的量来保存这些化学品。ModerateExampleThecontainmentbuildingmoderatestheconsequenceofaleak,accidentorfailure.（a）大量存储（b）降低存储量减缓原则在化工装置中的应用序号项目采取的措施以及应注意的问题1稀释以稀释来降低蒸气压；以稀释来减少初始释放浓度；2冷冻通过冷冻来减少液化气体储存压力；通过冷冻来减少泄漏事故时的初始闪燃（减少泄漏推动力，减少过热，减少两相喷射流）。3粒径采用较