1.3　本质安全定义及原理

1.3.1　本质安全定义

“本质安全”在英文中有三种比较接近的词组：“Inherent safety”“Intrinsic safety”“Essential safety”，通常采用“Inherent safety”词组。

在中文中，各个行业所提出的本质安全范畴各不相同。交通、电力、石油化工和煤炭等行业都给出了具有代表性的本质安全定义[5]。

在交通体系中，本质安全化理论认为：由于受生活环境、作业环境和社会环境的影响，人的自由度增大，可靠性比机械差，因此要实现交通安全，必须有某种“即使存在人为失误的情况下也能确保人身财产安全”的机制和物质条件，使之达到本质的安全化。

在电力行业中，对本质安全是这样界定的：本质安全可以分解为两大目标，即“零工时损失，零责任事故，零安全违章”长远目标与“人、设备、环境和谐统一”终极目标。

在石油化工行业中，对本质安全最具有代表性的定义是：“通过追求人、机、环境的和谐统一，实现系统无缺陷、管理无漏洞、设备无故障”。实现本质安全型企业，要求员工素质、劳动组织、装置设备、工艺技术、标准规范、监督管理、原材料供应等企业经营管理的各个方面和每一个环节都要为安全生产提供保障[6]。

在煤炭行业中所说的本质安全是指安全管理理念的变化，即“煤矿发生事故是偶然的，不发生事故是必然的”，这就是本质安全。

美国化工过程安全中心对本质安全的定义[7]是：“本质安全就是营造一种安全的环境，在这种环境下的生产过程中，伴随的物料及生产操作存在的安全隐患都已经被减少或消除，并且这种减少或消除是永久性的”。

实际上，本质安全概念源于20世纪50年代世界宇航技术的发展，这一概念被广泛接受是和人类科学技术的进步以及对安全文化的认识密切相连的，是人类在生产、生活实践的发展过程中，对事故由被动接受到积极事先去除隐患，以实现从源头杜绝事故和人类自身安全保护需要，是在安全认识上取得的一大进步。狭义的概念指的是通过设计手段使生产过程和产品性能本身具有防止危险发生的功能，即使在误操作的情况下，也不会发生事故。广义的角度来说就是通过各种措施（包括教育、设计、优化环境等）从源头上堵住事故发生的可能，即利用科学技术手段使人们生产活动全过程实现安全无危害化，即使出现人为失误或环境恶化也能有效阻止事故发生，使人的安全健康状态得到有效保障。

《化工企业安全卫生设计规范》（HG 20571—2014）将生产过程的本质安全化定义为：采用无毒或低毒原料代替有毒或剧毒原料，采用无危害或危害性比较小的符合卫生要求的新工艺、新技术、新设备。此外还包括从原料入库到成品包装出厂整个生产过程中应具有比较高的连续化、自动化和机械化，为提高装置安全可靠性而设计的监测、报警、联锁、安全保护装置，为降低生产过程危险性而采取的各种安全卫生措施和迅速扑救事故装置。

《职业安全卫生术语》（GB/T 15236—2008）本质安全定义：通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故。

本质安全是从根源上预先考虑工艺、设备可能潜在的危险，从而在设计过程中予以避免，即通过工艺、设备本身的设计消除或减少系统中的危险。

本质安全技术是从源头上消减生产过程中的危险。通过改进设计，消减工艺、过程、设备中存在的危险物质或危险操作的数量，使用安全材料代替危险材料等综合措施，避免生产、服务和产品使用中的危险和事故发生。本质安全的实现取决于生产所用材料的基本特性、工艺、操作条件及与工艺技术本身有密切联系的其他相关特性。

化工本质安全定义：类似绿色化学“利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染”的定义，作者将化工本质安全定义为“利用化学原理和化学工程理论从源头上减少和消除化学工业中生产、储存、输送、使用等环节存在的安全隐患。其理想在于：化工生产不存在易燃、易爆、有毒、有害、高温、高压等物质或过程”。

1.3.2　本质安全原理及应用简介

本质安全原理是本质安全设计的依据，是保证过程朝本质安全方向发展的一般性原则。最早由Kletz教授提出，后被引入到本质安全设计中，具体实施的基本原理包括[8～12]：危害物质的最小化（Minimize）、高危物质的替代化（Substitute）、剧烈反应的温和化（Moderate）以及过程工艺的简单化（Simplify）。后来，其范围又扩大到包含提高可靠性/提高失误（错误）容忍度、限制影响等方面，详见表1.2[12]。

表1.2　本质安全原理　　

“最小化”指减少危险物质的使用数量，或减少危险物质在工艺过程中的使用次数。系统中危险物质数量或能量越少，发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”指使用安全的物质或相对安全的物质来替代原危险物质，使用相对安全的生产工艺来替代原生产工艺。“缓和”指采用危险物质的最小危害形态或最小危险的工艺条件，即在作业时，采用更加安全的作业条件（例如常温、常压和液态），或者能减小危险材料或能量释放影响，或者用更加安全的方式存储、运输危险物质。“简化”指通过设计，简化操作，从而减少人为失误的机会[7]。简单的工艺、设备和系统往往具有更高的本质安全性，因为简单的工艺、设备所包含的部件较少，可以减少失误。“限制影响”指通过改进设计与操作，限制或减小事故可能造成的破坏程度，使过程释放的物质或能量所产生的影响最小化。“容错”指使工艺、设备具有容错功能，保证设备能够经受扰动，反应过程能承受非正常反应。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。

本质安全原理的应用包括以下几方面[3]：在化工过程整个生命周期的不同阶段，本质安全原理应用的机会和程度是不同的，相关研究主要集中于过程的早期阶段，研究对象可分为物质和过程两类，前者主要包括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，后者主要包括反应器的强化、反应器的选择、操作方式的选择、过程条件的改良等。

（1）最小化原理

最小化原理的重要应用之一是反应器的选择，反应器的大小和处理物料的量成为重要的考虑因素，人们根据各类反应器自身的特点，应用最小化原理进行分析，提出了各类反应器的本质安全潜力。一般认为，CSTR（Continuous Stirred Tank Reactor，连续搅拌槽反应器）比BSTR（Batch Stirred Tank Reactor，间歇搅拌槽反应器）本质安全性更好，因为对一定的生产任务，前者具有更小的反应器体积，物料混合更充分，减少了副产物的生成，且浓度、温度等参数均一，易于控制并降低了过程失效的概率。PFR（Plug Flow Reactor，活塞流或平推流反应器）具有最小的反应器体积，且设计简单，设备连接少，对放热反应的换热效率高，但沿管长压降较高，不利于控制。环流反应器在很多场合可代替BSTR，因为更高的传质效率使环流反应器体积大为降低。如果仅从反应器体积和物料的量值考虑反应器的安全性，按优劣依次为PFR、环流反应器、CSTR、BSTR。但是，应在深刻理解反应机理的基础上应用最小化原理，综合考虑和权衡各安全因素，确定最优的反应器。最小化原理还应用于减少设备数量，将若干单元操作合并在一个设备中进行，从而使过程的设备数量最小化。储存和输送的物料应满足最小化原理，根据生产的需要确定危害性原料或中间产物最小的储存量，因为储存设备和输送管线是发生泄漏的重要危险源，所以必须确认其最小量值，尤其对于具有危害性的中间产物或副产物，应采取措施尽量避免对它们的储存和运输。如，在萘甲胺生产过程中，通过改变反应路径可消除危害性原料2-萘酚和异氰酸甲酯的使用，即其用量达到最小值零。焦巍等[13]提出了考虑安全的反应路径综合策略，并将其应用于萘甲胺反应路径综合实例，得到了安全性优良的化学反应路径，即2-萘酚和异氰酸甲酯不作为原料，如表1.3所示。根据筛选结果，建立从原料到产品的原子平衡方程，编程求解得到可行的化学反应路径计量式组合（见表1.4），其中路径13为考虑安全的最优解，与其他仅考虑环境因素的最优解吻合。

表1.3　考虑安全的萘甲胺生产原料筛选　　

表1.4　可行化学反应路径的化学计量式　　

再如，将丙烯腈流程的副产物氢氰酸直接作为其他生产单元的原料，可消除对氢氰酸的储存，即储存量最小值为零。丙烯氨氧化合成丙烯腈主副反应如下式所示。该过程副产大量氢氰酸。直接利用该氢氰酸与丙酮液缩合制备丙酮氰醇，从而避免了氢氰酸的储存[14，15]。

（2）替代原理

主要应用于对反应物和溶剂的替代。通过采用新原料，改变反应路线，开发新型过程和技术，实现对危害反应物（或反应路径）的替代。如，通过环境影响最小化的反应路径综合，提出了若干生产萘甲胺的可替代方案，可消除中间产物异氰酸甲酯[13]。再如，氨氧化过程生产丙烯腈，以氨和丙烯代替乙炔和氰化氢作原料，消除危害性原料氰化氢[14]，见图1.2。

图1.2　丙烯腈传统和改进合成方法对比

此外，新型过程和技术的开发促进了替代原理的应用，如超临界过程、多米诺反应（是一种有效提高合成效率的方法，是将多个反应条件相似的反应结合起来一次性完成，将上一个反应得到的新官能团用于下一个反应，或是将上一个反应生成的活性中间体在合适的条件下直接进行下一步反应而跨越了取出中间产物这一环节。这样，在一次反应中形成多个化学键，从而有可能将简单的原料经过很短的步骤转化成很复杂的分子）、酶催化过程等。易燃性溶剂在高于闪点或沸点下操作是火灾危害的主要原因之一，所以用水或低危害有机溶剂代替高挥发性有机溶剂是替代原理的另一重要应用。美国环境保护局开发了专家系统辅助纺织工业中溶剂的选择，阐述了用低危害物质代替苯，取代易燃性溶剂，以次氯酸钠代替氯气净化水等替代过程。

（3）缓和原理

通过物理和化学两种方式来实现，前者包括稀释、制冷等，后者是通过化学方法改良苛刻的过程条件。沸点较低的物质常储存于压力系统中，通过用高沸点溶剂进行稀释能够降低系统压力，发生泄漏时可有效降低泄漏速率，如果过程允许可在稀释状态下储存和操作危害性物质，常见的该类物质如氨水代替液氨、盐酸代替氯化氢、稀释的硫酸代替发烟硫酸等。稀释系统还可应用于缓和反应速率，限制最高反应温度等方面，但增加稀释系统会提高过程的复杂性，所以需要权衡对过程安全性的利弊。制冷具有类似于稀释的优点，危害性物质如氯，通常在低于其常压沸点下储存，可以减小物质蒸气压，有效降低泄漏时物质的气化速率，减少或消除液体气溶胶的形成，从而提高过程的本质安全性。关于低温储存的研究表明，制冷储存的安全性优于高压储存。改善苛刻的反应条件是缓和原理另一个重要应用。如采用新型催化剂实现了在低压下甲醇氧化生产醛；聚烯烃技术的改进使过程压力有效降低；采用高沸点溶剂可以降低过程压力，同时降低过程失控时的最大压力等。

（4）简化原理

反应器设计的强化能够减少复杂的安全装置，如反应器设计压力大于反应失效时的最大压力，则不需要超压安全联锁装置，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。如，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，但分解后反应器数量增加，且中间产物的属性及输送也会增大过程的复杂性。与最小化实例相比，恰为相反的过程，可见，各原理在应用时会出现矛盾，所以应根据反应实际情形，对不同实现过程进行综合评价，以确定安全性最优过程。

各原理在应用时存在一定交叉，原理之间可能相互抵触，如反应精馏满足最小化原理，但不符合简化原理，只能通过深入理解反应及失效时的特性，综合评价过程的本质安全性。