本质安全篇

传统的安全管理 Typical Layers of Protection
本质安全（化）的起源
• 1862年，比利时人索尔维（Ernest Solvay,18321922）以食盐、氨、二氧化碳为原料，制得了碳酸钠，是 为氨碱法（ammomia soda process）。 反应分三步进行： NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl 2NaHCO3=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。
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）。
（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。
• （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。
Traditional Risk Management 传统的风险管理
Plant Emergency Response工厂的应急救援预案
Physical Protection (Relief) 物理防护安全阀等 Critical Alarms, Operator Supervision, 紧急报警\操作的监控 and Manual Intervention 和人为干预
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（Alternative Reaction Routes）
• 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。
2
分离系统
3
储存系统
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；减少毒百度文库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
（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 （ethylene Oxide）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
• 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。
• （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。
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）。
Process Design
Basic Controls, Alarms, 基本控制 Operator Supervision操作监控 Automatic Action Safety Interlock System Emergency Shutdown System 连锁系统 Physical Protection (Dikes) 物理防护(爆破片) Community Emergency Response 社会应急响应
•
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。
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。
（4）减缓（modified Storage Arrangements）
• 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。
• 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。
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）。 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。
2
The right hand process minimizes inventory.
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 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。 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。 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。 1 反应器
Minimize Example
Two Methyl Acetate Processes The left one is a conventional process. The right is based on reactive distillation technology.
乙酸甲酯的生产过程的简化
本质安全化的原则：
本质安全化理论的创始人
• Trevor Kletz
• Professor of Chemical Engineering • T.kletz@lboro.ac.uk • 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。