过程本质安全及其应用与评价课件.ppt

College of Information Science&,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,本质安全及其原理,?,“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,?,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,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,采用方式不同,介入时机不同,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,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,消除危害,本质安全设备,控制系统,联锁、安全切断系统,物理保护系统,报警及应急响应,本,质,安,全,设,计,物质或能量,过程,被动保护层,主动保护层,程序保护层,狭义的本质安全,广义的本质安全,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,化工过程生命周期中提升本质安全的机会,研,究,开,发,概,念,设,计,基,础,设,计,详,细,设,计,建,设,施,工,开,车,操,作,运,行,提升本质安全的机会,过程的信息资源,安全费用,化工过程生命周期,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,着眼于化工过程整个生命周期的过程安全方法,概念设计,（,Conceptual Design,）,基础设计,（,Basic Design,）,详细设计,（,Detailed Design,）,研究开发,（,Research and,Development,）,建设施工,（,Construction,）,开车,（,Start-Up,）,操作运行,（,Operation,）,维护改造,（,Maintenance and,Innovation,）,70,年代,事故预防理念,通常在过程的中后期应,用传统的安全方法，如,HAZOP,Dow F&EI,FTA,，,FMEA,ETA,等控制危害。,90,年代,本质安全理念,注重在过程的早期阶段,运用本质安全原理、评价的,方法消除或减小危害。,21,世纪,全局性的过程安全理念,着眼于整个生命周期，以本质安全,理念为指导，与传统安全方法有机结,合，从过程系统的角度出发，综合考虑,环境、健康的全局性过程安全方法。,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,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,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,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,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,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,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,本质安全原理的应用,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。,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,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,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。,Reactor,Splitter,Extractive,Distillaton,Solvent,Recovery,Methanol,Recovery,Extractor,Azeo,Column,Decanter,Flash,Column,Color,Column,Flash,Column,Water,Water,Heavies,Methyl,Acetate,Water,Catalyst,Methanol,Acetic Acid,Reactor,Column,Impurity,Removal,Columns,Water,Heavies,Acetic Acid,Methanol,Sulfuric,Acid,Methyl,Acetate,本质安全原理的应用,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,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,。,CHCN,CH,HCN,CH,CH,?,?,?,?,2,O,H,CHCN,CH,O,NH,CHCH,CH,2,2,2,3,3,2,3,2,3,?,?,?,?,?,?,传统方法：,改进方法：,消除剧毒性原料,本质安全原理的应用,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,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,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,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,Condenser,Distillate,Receiver,Refrigerated,Brine,Large,Rupture,Disk,A,B,C,D,E,Condensate,Water Supply,Steam,Water Return,A,B,C,D,E,Distillate,Receiver,Condenser,Water Supply,Water Return,Refrigerated,Brine,Steam,Condensate,Large Rupture,Disk,本质安全原理的应用,本质安全的评价,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。,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,典型本质安全评价方法的评价模式,PIIS,法,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,),(,yeild,pressure,e,temperatur,score,process,toxicity,ess,explosiven,ty,flammabili,inventory,score,chemical,PIIS,产率,压力,温度,过程指标,毒性,爆炸性,易燃性,总量值,化学物质指标,总指标,本质安全的评价,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,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,典型本质,安全评价,方法的评,价模式,I2SI,法,“火灾爆炸危,害”,50%,概率,时的破坏半径,（,Damage,Radius,）,“急性毒性危,害”,50%,概率,时的破坏半径,（,Damage,Radius,）,“慢性毒性危,害”,50%,概率,时的破坏半径,（,Damage,Radius,）,“环境破,坏”,50%,概率,时的破坏半径,（,Damage,Radius,）,四者联合求,Damage,Index,DI,计算,PHCI,Process and Hazard,Control Index,计算本质安全费用指标,Inherent Safety Cost Index,，,ISCI,计算本质安全指标,Inherent Safety Index,ISI,(,评价应用本质安全原理的潜力,),计算本质安全控制指标,Inherent Safety Control Index,ISCI,（应用本质安全原理后的控制指标值）,“危害指标”,Hazard Index,HI,“本质安全潜,力指标”,Inherent Safety,Potential Index,ISPI,计算,I2SI,值,本质安全的评价,典型本质安全评价方法的评价模式,IBI,法,本质优良性指标,IBI,安全,化学安全,过程安全,反应性,可燃性,爆炸性,反应热,压力,温度,产率,酸化,臭氧损耗,光化学氧化,全球变暖,环境,毒性,摄入毒性和陆生,态毒性、,吸入和皮肤暴露,水生态毒性,健康,本质安全的评价,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,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,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,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,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,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,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,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,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,反应子系统综合,本,质,安,全,原,理,分离子系统综合,能量子系统综合,全流程系统综合,本质安全性高的流程,基础数据,第一层次,本质安全规则,指标,策略和方法,第二层次,本质安全规则,指标,策略和方法,第三层次,本质安全规则,指标,策略和方法,整体,本质安全规则,指标体系,策略和方法,图：分层次的本质安全过程综合策略,本质安全的评价,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,图：,Shariff,等,提出的在,HYSYS,中集成,ISIM,的策略框,图,HYSYS,过程模,拟器,进一步改良？,修改设计,本质安全指标,模块（,ISIM,）,该模块评价安全,水平，提出能被,降低的指标组成,综合结果评价,工具,该模块评价意外,事件的不良结,果，也能评价多,重设计,综合概率估计,模块,该模块依据建好,的数据库估计意,外事件发生的概,率,风险因素计算,风险比较,标准,是否接受？,继续进行设计,本质安全的评价,小结,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。,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,