喬旭，張竹修

（1 南京工業(yè)大學材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京 211816；2 江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210009）

近年來，我國化工行業(yè)在安全生產領域存在突出問題，一些重大、特大事故影響惡劣，行業(yè)形象受損嚴重。為此，國家對行業(yè)的整治力度不斷提升，部分地區(qū)甚至關停了三分之二的化工企業(yè)。嚴格的安全管控雖然取得了一些成效，但是化工系統(tǒng)性安全風險依然很大。以行政手段為主的外部管理和“滅火式”的事后管控，不僅導致風險被擱置和轉移、難以治本，也容易形成新的社會矛盾。2020年中央兩辦《關于全面加強危險化學品安全生產工作的意見》指出“加強化工危險工藝本質安全等技術及裝備研發(fā)”；黨的二十大報告對推進危險化學品等重點領域的安全生產風險專項整治提出了明確要求。因此，開展化工本質安全關鍵技術創(chuàng)新，將被動式的事故應急管理轉變?yōu)楣に囇b備的本征安全和基于控制系統(tǒng)的主動安全，是實現化工高質量發(fā)展、重塑化工形象、重振化工雄風的必然抉擇。

1 化工本征安全“四原則”

煤礦、電池等領域都存在面向電氣設備的“本質安全（intrinsic safety）”概念。1916年Thoronton針對英國煤礦因電鈴信號電路產生放電火花引起的瓦斯爆炸提出了本質安全電路設計方法，要求設備內部電路和引出線不論是在正常工作還是故障狀態(tài)下產生的電火花和熱效應均不能點燃可燃性氣體混合物。電池的本質安全技術從電池熱失控原理出發(fā)，提高電芯材料熱穩(wěn)定性，減少電芯結構內的熱量積累，降低電池熱失控風險。結合上述本質安全在煤礦、電池的應用以及參考針對電氣設備的GB 3836.4—2021《爆炸性環(huán)境第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》，可將本質安全技術認為是使電子設備在爆炸性氣體環(huán)境及不正常操作條件下可以安全運作的保護技術，避免設備釋放足以引燃易燃物的能量。

著名化工安全專家Trevor Kletz 于1978 年首次面向化工領域提出“intrinsic safety”的理念[1]，為了避免與電氣設備本質安全產生概念混淆，Kletz教授采用“inherent safety”代替[2]。雖然本質安全的理念在化工行業(yè)已被廣泛接受，但本文作者認為，化工行業(yè)的中文專有名詞“本質安全”與Keltz 教授提出“inherent safety”有所區(qū)別。一方面，《“十四五”危險化學品安全生產規(guī)劃方案》通過加強園區(qū)規(guī)劃引導、開展企業(yè)分類整治、保障安全距離、淘汰落后工藝、加快技術改造等手段，構建準入嚴格、布局規(guī)范、技術先進的本質安全發(fā)展格局。該方案擬從園區(qū)安全提質、大型油氣儲存基地安全防控、企業(yè)安全改造、從業(yè)人員培訓、“工業(yè)互聯網+?；踩a”五個方面。由此可見，我國的化工本質安全體系實際上與過程風險管理系統(tǒng)的五種管理類型相吻合，它們分別是：本征，采用無害物料/工藝盡可能消除危害；空間，增加間距減少危害；被動，通過工藝或設備降低危害發(fā)生的頻率；主動，采用安全控制、報警、聯鎖等監(jiān)控和處理工藝異常；程序，采用制度、培訓、操作程序、管理檢查、應急預案等預防事故或最大程 度 減 少 事 故 影 響[3]。另 一 方 面，Keltz 對“inherent safety”的解釋是“通過工藝完全消除危害或者充分降低危害程度/可能性”。美國化學工程師協(xié)會化工過程安全中心亦認為“inherent safety”應用于工藝的全生命周期，側重于從源頭消除物料泄漏或能量釋放的相關風險，而非被動、主動、程序等其他過程風險管理策略[4]。因此，本文作者認為“本質安全”包含的內容更多、覆蓋范圍更廣，其根本目的是讓“人遠離風險”；而本征安全主要聚焦工藝技術與裝備，其目的是讓“風險遠離人”，使用“本征安全”代替“本質安全”描述“inherent safety”更加精準。

Keltz 教授最初總結出4 項核心原則（intensification，substitution，attenuation，limitation of effects）和12 項 附 屬 原 則（simplification，segregation，avoiding knock-on effects，making incorrect assembly impossible，making status clear，error tolerance，ease of control，understandable software for computer control，instructions and procedures，life cycle friendliness，passive safety，inherent robustness）。歷經學術界與工業(yè)界近五十年的探索、發(fā)展與實踐，結合了美國化工過程安全中心、英國化學工程師協(xié)會和國際過程安全小組的相關論述，最終形成了化工本征安全“四原則”：最小化（minimization）、替代（substitution）、緩和（moderation）與簡化（simplification），獲得了全球化工界的廣泛認同[5]。四原則的具體含義如下：最小化，通過減少裝置中的物料用量和能量密度，降低事故的發(fā)生概率和嚴重程度；替代，用危險性小的工藝或物料代替危險性高的工藝或物料；緩和，在危險性相對較低的條件下進行生產、儲存和運輸；簡化，通過減少不必要的復雜操作、流程或設備來降低危險性。

2 本征安全原則應用問題分析

雖然化工本征安全原則提出近半個世紀，但其應用實踐效果并不理想，僅僅是局部范疇內的“最優(yōu)方案”，使用最多的如針對具體工藝的“無毒代替有毒”“采用無人化操作”等，并不能真正實現整套生產裝置的“本征安全”。應急管理部統(tǒng)計數據表明：2021 年我國化工事故高達122 起，死亡150人。經統(tǒng)計，近十年引起化工事故的原因中設備缺陷占31.1%，操作失誤占17.2%，工藝問題占10.6%[6]。

化工本征安全“四原則”的權重并不均等，對安全生產所起的作用也不盡相同。有文獻分析近20 年內本征安全原則在化工過程中的應用，簡化原則的使用頻率遠低于其他三種原則。緩和原則主要起到降低事故發(fā)生后嚴重程度的作用，并沒有從根本上改變工藝流程或者危險物料的使用，故無法從根本上減少事故的發(fā)生，是最小化和替代原則無法應用時才使用的第三原則。最小化原則和替代原則是針對裝備和工藝的核心原則，對化工裝備的本征安全運行具有決定性作用[7]。若能在過程設計與開發(fā)過程中有效落實和深化本征安全最小化原則和替代原則，理論上可以從根源上消除化工原料、反應/分離過程、生產工藝系統(tǒng)帶來的風險，從而真正實現化工過程的本征安全。

2.1 傳統(tǒng)化工裝置未遵循本征安全原則

在百余年的發(fā)展過程中，化學工程始終聚焦單元操作、過程放大及相關“三傳一反”規(guī)律，誕生了部分解析、數學模型、量綱分析等各類過程放大方法，旨在以投資最省、效率最高的方式將實驗室試驗的結果用于工業(yè)規(guī)模設計。因此，傳統(tǒng)工業(yè)裝置具有體積大、物料多、能量密度高等特征，導致發(fā)生燃燒、爆炸等事故時產生的威力也非常大。以占化工分離過程70%以上的精餾為例，工業(yè)精餾塔設備尺寸龐大、數量眾多，物料在塔器內的停留時間長、存儲量大。尤其是對于相對揮發(fā)度接近的難分離體系以及共沸物體系，理論板數往往超過百塊，這就需要建造接近百米高度的精餾塔，與之相伴的安全風險也隨之劇增，歷史上精餾塔的燃燒爆炸事故屢見不鮮。大型反應裝置由于物料體系更加復雜多變，一旦發(fā)生事故造成的生命危險和財產損失更是難以估量。因此，這種傳統(tǒng)的過程放大思路與本征安全原則背道而馳。

2.2 低危險性替代工藝仍需發(fā)展

原國家安全監(jiān)管總局在兩批《重點監(jiān)管危險化工工藝名錄》中羅列了近20 種危險工藝，這些危險工藝包括了氯化、光氣化、加氫、裂解、聚合、硝化、氧化、烷基化等化工生產中的常見反應工藝。通過對國家發(fā)展和改革委員會頒布的《產業(yè)結構調整指導目錄（2019 年本）》、中國石油和化學工業(yè)聯合會頒布的《石化綠色工藝名錄（2019 年版）》以及知名企業(yè)科技攻關項目進行廣泛調研后發(fā)現，原料替代、連續(xù)化反應、微通道反應、高效移熱等各類技術以及它們的組合，在給定場景下都能衍生出危險工藝的替代工藝。替代原則在實際應用時的難點在于，找到安全物料或者工藝替代原有高危物料和工藝并不容易，原料、產品、反應條件的變化也會一定程度上降低原替代工藝的可行性。此外，生產工藝替代會涉及經濟成本與綠色環(huán)保方面的重新評估，這也是制約企業(yè)應用替代工藝的重要影響因素。

2.3 過程強化與最小化原則存在差距

從定義上看，化工學科的過程強化原則與最小化原則相符，但實際上二者不能完全等同。絕大部分過程強化是圍繞反應和分離進行的，反應強化是通過傳遞與反應速率的有效匹配，提高單位設備體積的生產能力、縮減設備體積，進而減少裝置中的物料用量；開發(fā)高效填料、新型塔板和內構件，在理論上都可以提高分離效率、縮小裝置體積。但是目前工業(yè)應用的各類塔器、釜罐的高度與直徑并沒有得到顯著減小。原因在于上述過程強化技術是針對化工過程與裝備的整體強化，裝備內的物料量和能量密度雖有一定程度下降，但與“最小化”原則的要求還有很大差距，化工裝置仍然呈現出“高塔林立、釜罐成群”的固有業(yè)態(tài)，因偶然因素或必然因素導致的安全風險難以根本消除。

微化工技術具有裝置內部比表面積大、在線物料量少、溫度分布均勻的特點，即使失控情況發(fā)生也不會發(fā)生大范圍的危害，完全符合最小化原則，是國際公認的本征安全技術。我國微化工技術已蓬勃發(fā)展二十余載，具有豐富的研究成果和產業(yè)化案例，例如江蘇省應急管理廳已全面要求新改擴建的硝化裝置原則上采用微通道連續(xù)硝化生產工藝。但微化工技術具有很大的局限性：一方面，微化工在氣-固、氣-液、液-固、氣-液-固等多相態(tài)體系的運用存在瓶頸；另一方面，由于內部通道過于狹小，微化工技術不適用于精餾、萃取、吸收等逆流分離過程[8]。

2.4 安全生產與綠色環(huán)保要求相互矛盾

在現有化工生產監(jiān)管體系中，若以本征安全為需求導向，要求設立安全防護距離，以“開放”來降低物料在特定空間內的“絕對量”，從而降低事故發(fā)生的概率和嚴重程度；若以綠色環(huán)保為需求導向，要求加強集約化、提高入園率，以“封閉”來降低化學品進入特定大氣、水、土壤等介質中的“相對量”。本文作者認為“開放”與“封閉”以及“絕對量”與“相對量”之間的矛盾，不僅造成了應急管理和環(huán)境保護監(jiān)管標準不一、使企業(yè)無所適從，而且極大程度地破壞了企業(yè)對本質安全技術進行原始創(chuàng)新的內驅動力，進而加劇了化工行業(yè)面臨的“政府操心、行業(yè)煩心、企業(yè)揪心、社會鬧心”的困境。事實上，安全和環(huán)保密不可分，很多安全生產事故就是因為產生的廢棄物無法及時處理導致的。然而，目前我國化工安全與清潔生產協(xié)同治理的相關制度還不完善，也缺乏兼具本征安全、綠色環(huán)保功能的化工前沿技術。

3 本征安全技術發(fā)展方向與實踐

為了從根本上解決上述本征安全原則落實過程中存在的問題，本文圍繞本征安全最小化和替代原則提出了兼具可行性和先進性的解決路徑。

3.1 聚焦泛厘米級單元尺度

針對現有化工過程與裝備整體強化與“最小化”原則的要求存在差距及微化工系統(tǒng)的應用局限性，可以聚焦微米至米之間的尺度（以厘米級居多，可稱為“泛厘米級”），重點開發(fā)泛厘米級的高效反應、分離和換熱單元。與傳統(tǒng)大型裝置相比，泛厘米級單元裝置內物料量可減少1～2個數量級，能量密度也隨之大幅降低，有效削弱事故發(fā)生的概率和潛在威脅。由于不存在放大效應，泛厘米級單元裝置的容積效率本身就比大型裝置要高。此外，常見的內構件強化和外場強化的方法均可用于泛厘米級單元的過程強化，進一步提高單元容積效率。同時由于“泛厘米級”尺度與化工小試的尺度接近，因此適用于氣-液、液-液、液-固、氣-固、氣-液-固等各種多相體系。對于精細化學品生產，少量泛厘米級化工單元即可滿足生產要求；將若干個處于相同狀態(tài)的單元裝置進行系統(tǒng)集成即可實現大規(guī)?；どa，單元之間相互獨立、互不干擾，只需保證單元裝置的安全運行即可使整個集成系統(tǒng)處于相對安全的狀態(tài)。

3.2 構建多樣化單元智能集成模式

根據不同的化工生產場景，將反應、分離、換熱單元靈活搭配，即可形成訂制化的單元集成系統(tǒng)。常見的方式可分為區(qū)塊式集成和集束式集成兩類。區(qū)塊式集成系統(tǒng)包含反應區(qū)、分離區(qū)與換熱塊等[9]。反應/分離區(qū)都有若干個平行的最小化反應/分離單元分別組成反應/分離陣列，反應區(qū)與分離區(qū)之間直接通過共享進出口相互連接，避免大量使用管道。物料在反應區(qū)內結束反應后可直接進入分離區(qū)精制提純。通過研究系統(tǒng)能耗可以確定換熱單元的具體結構和集成方案，實現反應熱的原位利用、自由轉換和對外輸出。集束式集成系統(tǒng)比較適合于物質的分離，只需要根據具體分離對象將一定數量的泛厘米級分離單元組成分離單元陣列即可[10]。泛厘米級單元集成技術的關鍵在于各單元及其裝置整體精準檢測與控制，保證單元的物料均勻性、狀態(tài)一致性以及在少數單元發(fā)生故障時的控制精度和魯棒性。因此5G 互聯網信息化技術和智能控制技術的開發(fā)與應用將提供重要支撐。整個單元智能集成系統(tǒng)內的物料分配均勻程度、控制精度和容錯率，有望超過超重力技術的“做功驅動分配”和微化工技術的“多通道自然分配”。

3.3 統(tǒng)籌化工安全與綠色生產

自20 世紀90 年代以來，美國、英國、意大利都啟動了綠色化學戰(zhàn)略，在減少環(huán)境污染方面卓有成效。綠色化學對物料危險性、原子經濟性、條件溫和以及能源效率均提出了嚴格的要求，能夠大幅減少或者消除危險物質的使用和產生，這與本征安全的替代與緩和原則不謀而合，綠色化學可以認為是實現本征安全的重要科學支撐[11]。在上述認識的基礎上，化工本征安全與綠色環(huán)保在技術層面不應該相互對立，需要對二者關系進行更加深入的思考?；U棄物主要來源于原料利用率低、過程集成度弱等工藝缺陷而產生的反應副產物和未反應的原料。因此，可以將本征安全最小化與替代原則沿用到化工清潔生產中，通過運用源頭綠色、過程減量和精準治理的策略實現“三廢”量最小化。具體來說，可以開發(fā)高原子經濟性反應工藝以及生物質/二氧化碳等綠色原料，研發(fā)高效綠色催化劑與新型過程強化手段，不僅能夠最大程度避免副產物和反應物料逸出生產系統(tǒng)，而且能夠有效緩和原本苛刻的反應條件、代替危險的原料和工藝，具有一舉多得的效果。對于不同相態(tài)的污染物，開發(fā)臨氧裂解凈化技術，同時采用先進裝備和自控手段杜絕無組織排放，實現化工廢棄物的精準治理。更重要的是，需要將這些遵循本征安全原則的環(huán)保與安全技術嵌入到化工生產裝置中，裝置內的每個單元管道封閉，但單元集成系統(tǒng)整體保持開放，實現本征安全與綠色環(huán)保在理念與技術層面的協(xié)同一致。

3.4 應用案例

泛厘米級單元智能集成技術是遵循本征安全原則開發(fā)出的新一代化工生產系統(tǒng)，目前尚未實現大規(guī)模的應用。下面通過兩個例子體現該技術的應用前景。

（1）（氯代）芐基氯本征安全制造工藝與裝備。氯化反應屬于重點監(jiān)管的危險工藝。本文作者面向苯系物氯化反應生產（氯代）芐基氯，遵循本征安全最小化原則，利用反應精餾技術將反應空間限域在塔板內，有效減小了反應物料量；開發(fā)與小試級反應器尺寸相當的環(huán)流反應單元，通過集束式集成即可構建規(guī)?；穆然磻b置。開發(fā)了膜管式氯氣分布裝置實現氯氣在各個反應單元中的均勻分布；利用氣-液霧化混合與氣-固錯流傳動混合技術，使反應轉化率提高至95%，整個單元容積效率比工業(yè)反應器提高5 倍以上。該裝置于2018 年12 月在中鹽集團下屬公司一次性試車成功，2019年為公司創(chuàng)造了5000萬元以上的經濟效益。

（2）化工廢氣臨氧裂解凈化工藝與裝備。臨氧裂解是裂解與氧化耦合的反應工藝，二者均屬于重點監(jiān)管危險工藝。本文作者開發(fā)了包含流化反應區(qū)、膜管式分離區(qū)與高效換熱塊的臨氧裂解區(qū)塊式反應裝置。每個反應區(qū)與分離區(qū)內均由若干個反應或者分離單元并聯形成，每個單元內所有有機物的濃度均低于爆炸極限的下限。反應區(qū)與分離區(qū)之間直接通過共享隔板相互連接，完全消除了管路連接所帶來的泄漏安全隱患。自2018 年以來已針對不同類型的化工廢氣，開發(fā)了100余套臨氧裂解區(qū)塊式反應裝置，在50 余家化工企業(yè)成功運用，裝置自運行至今全部零事故，累計減排廢氣超過13.51億立方米，創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益。

4 結語與展望

本征安全化生產是傳統(tǒng)化工提檔升級為現代化工產業(yè)的必經之路，世界各國也逐步形成了在源頭消滅危險的思路。本文根據本文作者在綠色化工、本征安全領域的多年實踐經驗，細致分析了本征安全四原則在實施過程中出現的問題，詳盡闡述化工技術與方法在本征安全生產過程中的最新進展。

（1）反應本征安全：物料密度和空間尺度較小的反應裝置符合最小化原則，鼓勵開發(fā)微通道反應器、管式反應器、區(qū)塊式反應裝置等。

（2）分離本征安全：泛厘米級單元適用于多相、逆流操作，通過強化可以實現分離單元空間最小化，鼓勵開發(fā)多通道膜分離、集束式分離單元集成裝置等。

（3）危險工藝/物料替代：面向重點監(jiān)管危險工藝，利用綠色化學原則選擇低危險性原料，重構加成、縮合等高原子經濟性反應新路線，開發(fā)相應的低溫催化和過程強化技術。

（4）裝置穩(wěn)定運行：多單元智能集成系統(tǒng)內的每個單元都智能可控，不僅裝置運行負荷調節(jié)將更加靈活，而且可以與不穩(wěn)定的綠能/綠電相互匹配，亦可進一步地將高耗能的產品生產轉變?yōu)閮δ苓^程。

（5）安全、環(huán)保設施“三同時”：建議化工生產、應急管理和環(huán)境保護等相關部門也要遵循“最小化”原則，對化工工藝、裝備和信息化系統(tǒng)進行監(jiān)管，在項目立項、工程設計與施工、生產運營等各個環(huán)節(jié)提出明確要求，并從管理和技術角度嚴格管控。

（6）未來設想：隨著物聯網、大數據、人工智能等數字新技術與化學工程技術的深度融合，針對多單元集成系統(tǒng)運行的分布式多智能體控制以及綠能供給不穩(wěn)定的情況下保證裝置平穩(wěn)運行的智控系統(tǒng)還處于起步階段，需要進一步研究?？梢灶A見，未來的化工企業(yè)有望成為具備本征安全智能制造能力的“無人工廠”。