过程本质安全及其应用与评价ppt课件.ppt
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1、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,本质安全的内涵(1)物质和过程的存在具有其固有
2、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,01,采用方式不同,02,介入时机不同,03,本质安全:根据物质和过程的固有属性消除或最小
3、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,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,本质安全设计与
4、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,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,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,
5、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
6、其原理,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, 本质安全及其原理,控制保护层安全设计原理, 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
7、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,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
8、, 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。, 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;
9、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 。,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
10、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
11、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, 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
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