1.3　本質安全定義及原理

1.3.1　本質安全定義

“本質安全”在英文中有三種比較接近的詞組：“Inherent safety”“Intrinsic safety”“Essential safety”，通常采用“Inherent safety”詞組。

在中文中，各個行業所提出的本質安全范疇各不相同。交通、電力、石油化工和煤炭等行業都給出了具有代表性的本質安全定義[5]。

在交通體系中，本質安全化理論認為：由于受生活環境、作業環境和社會環境的影響，人的自由度增大，可靠性比機械差，因此要實現交通安全，必須有某種“即使存在人為失誤的情況下也能確保人身財產安全”的機制和物質條件，使之達到本質的安全化。

在電力行業中，對本質安全是這樣界定的：本質安全可以分解為兩大目標，即“零工時損失，零責任事故，零安全違章”長遠目標與“人、設備、環境和諧統一”終極目標。

在石油化工行業中，對本質安全最具有代表性的定義是：“通過追求人、機、環境的和諧統一，實現系統無缺陷、管理無漏洞、設備無故障”。實現本質安全型企業，要求員工素質、勞動組織、裝置設備、工藝技術、標準規范、監督管理、原材料供應等企業經營管理的各個方面和每一個環節都要為安全生產提供保障[6]。

在煤炭行業中所說的本質安全是指安全管理理念的變化，即“煤礦發生事故是偶然的，不發生事故是必然的”，這就是本質安全。

美國化工過程安全中心對本質安全的定義[7]是：“本質安全就是營造一種安全的環境，在這種環境下的生產過程中，伴隨的物料及生產操作存在的安全隱患都已經被減少或消除，并且這種減少或消除是永久性的”。

實際上，本質安全概念源于20世紀50年代世界宇航技術的發展，這一概念被廣泛接受是和人類科學技術的進步以及對安全文化的認識密切相連的，是人類在生產、生活實踐的發展過程中，對事故由被動接受到積極事先去除隱患，以實現從源頭杜絕事故和人類自身安全保護需要，是在安全認識上取得的一大進步。狹義的概念指的是通過設計手段使生產過程和產品性能本身具有防止危險發生的功能，即使在誤操作的情況下，也不會發生事故。廣義的角度來說就是通過各種措施（包括教育、設計、優化環境等）從源頭上堵住事故發生的可能，即利用科學技術手段使人們生產活動全過程實現安全無危害化，即使出現人為失誤或環境惡化也能有效阻止事故發生，使人的安全健康狀態得到有效保障。

《化工企業安全衛生設計規范》（HG 20571—2014）將生產過程的本質安全化定義為：采用無毒或低毒原料代替有毒或劇毒原料，采用無危害或危害性比較小的符合衛生要求的新工藝、新技術、新設備。此外還包括從原料入庫到成品包裝出廠整個生產過程中應具有比較高的連續化、自動化和機械化，為提高裝置安全可靠性而設計的監測、報警、聯鎖、安全保護裝置，為降低生產過程危險性而采取的各種安全衛生措施和迅速撲救事故裝置。

《職業安全衛生術語》（GB/T 15236—2008）本質安全定義：通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故。

本質安全是從根源上預先考慮工藝、設備可能潛在的危險，從而在設計過程中予以避免，即通過工藝、設備本身的設計消除或減少系統中的危險。

本質安全技術是從源頭上消減生產過程中的危險。通過改進設計，消減工藝、過程、設備中存在的危險物質或危險操作的數量，使用安全材料代替危險材料等綜合措施，避免生產、服務和產品使用中的危險和事故發生。本質安全的實現取決于生產所用材料的基本特性、工藝、操作條件及與工藝技術本身有密切聯系的其他相關特性。

化工本質安全定義：類似綠色化學“利用化學原理從源頭上減少和消除工業生產對環境的污染”的定義，作者將化工本質安全定義為“利用化學原理和化學工程理論從源頭上減少和消除化學工業中生產、儲存、輸送、使用等環節存在的安全隱患。其理想在于：化工生產不存在易燃、易爆、有毒、有害、高溫、高壓等物質或過程”。

1.3.2　本質安全原理及應用簡介

本質安全原理是本質安全設計的依據，是保證過程朝本質安全方向發展的一般性原則。最早由Kletz教授提出，后被引入到本質安全設計中，具體實施的基本原理包括[8～12]：危害物質的最小化（Minimize）、高危物質的替代化（Substitute）、劇烈反應的溫和化（Moderate）以及過程工藝的簡單化（Simplify）。后來，其范圍又擴大到包含提高可靠性/提高失誤（錯誤）容忍度、限制影響等方面，詳見表1.2[12]。

表1.2　本質安全原理　　

“最小化”指減少危險物質的使用數量，或減少危險物質在工藝過程中的使用次數。系統中危險物質數量或能量越少，發生事故的可能性以及事故可能造成的危害程度就越小。“替代”指使用安全的物質或相對安全的物質來替代原危險物質，使用相對安全的生產工藝來替代原生產工藝。“緩和”指采用危險物質的最小危害形態或最小危險的工藝條件，即在作業時，采用更加安全的作業條件（例如常溫、常壓和液態），或者能減小危險材料或能量釋放影響，或者用更加安全的方式存儲、運輸危險物質。“簡化”指通過設計，簡化操作，從而減少人為失誤的機會[7]。簡單的工藝、設備和系統往往具有更高的本質安全性，因為簡單的工藝、設備所包含的部件較少，可以減少失誤。“限制影響”指通過改進設計與操作，限制或減小事故可能造成的破壞程度，使過程釋放的物質或能量所產生的影響最小化。“容錯”指使工藝、設備具有容錯功能，保證設備能夠經受擾動，反應過程能承受非正常反應。過程能夠在一定程度上容忍操作失誤、錯誤安裝和設備失效。

本質安全原理的應用包括以下幾方面[3]：在化工過程整個生命周期的不同階段，本質安全原理應用的機會和程度是不同的，相關研究主要集中于過程的早期階段，研究對象可分為物質和過程兩類，前者主要包括反應原料和路徑的選擇、溶劑的選擇、物質儲存和輸送的方式等，后者主要包括反應器的強化、反應器的選擇、操作方式的選擇、過程條件的改良等。

（1）最小化原理

最小化原理的重要應用之一是反應器的選擇，反應器的大小和處理物料的量成為重要的考慮因素，人們根據各類反應器自身的特點，應用最小化原理進行分析，提出了各類反應器的本質安全潛力。一般認為，CSTR（Continuous Stirred Tank Reactor，連續攪拌槽反應器）比BSTR（Batch Stirred Tank Reactor，間歇攪拌槽反應器）本質安全性更好，因為對一定的生產任務，前者具有更小的反應器體積，物料混合更充分，減少了副產物的生成，且濃度、溫度等參數均一，易于控制并降低了過程失效的概率。PFR（Plug Flow Reactor，活塞流或平推流反應器）具有最小的反應器體積，且設計簡單，設備連接少，對放熱反應的換熱效率高，但沿管長壓降較高，不利于控制。環流反應器在很多場合可代替BSTR，因為更高的傳質效率使環流反應器體積大為降低。如果僅從反應器體積和物料的量值考慮反應器的安全性，按優劣依次為PFR、環流反應器、CSTR、BSTR。但是，應在深刻理解反應機理的基礎上應用最小化原理，綜合考慮和權衡各安全因素，確定最優的反應器。最小化原理還應用于減少設備數量，將若干單元操作合并在一個設備中進行，從而使過程的設備數量最小化。儲存和輸送的物料應滿足最小化原理，根據生產的需要確定危害性原料或中間產物最小的儲存量，因為儲存設備和輸送管線是發生泄漏的重要危險源，所以必須確認其最小量值，尤其對于具有危害性的中間產物或副產物，應采取措施盡量避免對它們的儲存和運輸。如，在萘甲胺生產過程中，通過改變反應路徑可消除危害性原料2-萘酚和異氰酸甲酯的使用，即其用量達到最小值零。焦巍等[13]提出了考慮安全的反應路徑綜合策略，并將其應用于萘甲胺反應路徑綜合實例，得到了安全性優良的化學反應路徑，即2-萘酚和異氰酸甲酯不作為原料，如表1.3所示。根據篩選結果，建立從原料到產品的原子平衡方程，編程求解得到可行的化學反應路徑計量式組合（見表1.4），其中路徑13為考慮安全的最優解，與其他僅考慮環境因素的最優解吻合。

表1.3　考慮安全的萘甲胺生產原料篩選　　

表1.4　可行化學反應路徑的化學計量式　　

再如，將丙烯腈流程的副產物氫氰酸直接作為其他生產單元的原料，可消除對氫氰酸的儲存，即儲存量最小值為零。丙烯氨氧化合成丙烯腈主副反應如下式所示。該過程副產大量氫氰酸。直接利用該氫氰酸與丙酮液縮合制備丙酮氰醇，從而避免了氫氰酸的儲存[14，15]。

（2）替代原理

主要應用于對反應物和溶劑的替代。通過采用新原料，改變反應路線，開發新型過程和技術，實現對危害反應物（或反應路徑）的替代。如，通過環境影響最小化的反應路徑綜合，提出了若干生產萘甲胺的可替代方案，可消除中間產物異氰酸甲酯[13]。再如，氨氧化過程生產丙烯腈，以氨和丙烯代替乙炔和氰化氫作原料，消除危害性原料氰化氫[14]，見圖1.2。

圖1.2　丙烯腈傳統和改進合成方法對比

此外，新型過程和技術的開發促進了替代原理的應用，如超臨界過程、多米諾反應（是一種有效提高合成效率的方法，是將多個反應條件相似的反應結合起來一次性完成，將上一個反應得到的新官能團用于下一個反應，或是將上一個反應生成的活性中間體在合適的條件下直接進行下一步反應而跨越了取出中間產物這一環節。這樣，在一次反應中形成多個化學鍵，從而有可能將簡單的原料經過很短的步驟轉化成很復雜的分子）、酶催化過程等。易燃性溶劑在高于閃點或沸點下操作是火災危害的主要原因之一，所以用水或低危害有機溶劑代替高揮發性有機溶劑是替代原理的另一重要應用。美國環境保護局開發了專家系統輔助紡織工業中溶劑的選擇，闡述了用低危害物質代替苯，取代易燃性溶劑，以次氯酸鈉代替氯氣凈化水等替代過程。

（3）緩和原理

通過物理和化學兩種方式來實現，前者包括稀釋、制冷等，后者是通過化學方法改良苛刻的過程條件。沸點較低的物質常儲存于壓力系統中，通過用高沸點溶劑進行稀釋能夠降低系統壓力，發生泄漏時可有效降低泄漏速率，如果過程允許可在稀釋狀態下儲存和操作危害性物質，常見的該類物質如氨水代替液氨、鹽酸代替氯化氫、稀釋的硫酸代替發煙硫酸等。稀釋系統還可應用于緩和反應速率，限制最高反應溫度等方面，但增加稀釋系統會提高過程的復雜性，所以需要權衡對過程安全性的利弊。制冷具有類似于稀釋的優點，危害性物質如氯，通常在低于其常壓沸點下儲存，可以減小物質蒸氣壓，有效降低泄漏時物質的氣化速率，減少或消除液體氣溶膠的形成，從而提高過程的本質安全性。關于低溫儲存的研究表明，制冷儲存的安全性優于高壓儲存。改善苛刻的反應條件是緩和原理另一個重要應用。如采用新型催化劑實現了在低壓下甲醇氧化生產醛；聚烯烴技術的改進使過程壓力有效降低；采用高沸點溶劑可以降低過程壓力，同時降低過程失控時的最大壓力等。

（4）簡化原理

反應器設計的強化能夠減少復雜的安全裝置，如反應器設計壓力大于反應失效時的最大壓力，則不需要超壓安全聯鎖裝置，同時有效減小泄放系統的尺寸，從而使過程設備簡化，前提是充分理解失效條件下的反應機理、熱力學和動力學特性并進行評價。如，將1個進行復雜反應的間歇反應器分解成3個較小的反應器完成，可以減小單個反應器的復雜性，減少物料流股間的交互作用，但分解后反應器數量增加，且中間產物的屬性及輸送也會增大過程的復雜性。與最小化實例相比，恰為相反的過程，可見，各原理在應用時會出現矛盾，所以應根據反應實際情形，對不同實現過程進行綜合評價，以確定安全性最優過程。

各原理在應用時存在一定交叉，原理之間可能相互抵觸，如反應精餾滿足最小化原理，但不符合簡化原理，只能通過深入理解反應及失效時的特性，綜合評價過程的本質安全性。