英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
本质上更安全的工艺路线的选择:
一个案例研究
Chidambaram Palaniappan, Rajagopalan Srinivasanlowast;, Reginald Tan
新加坡国立大学化学与环境工程系化学工程智能应用实验室，10 Kent Ridge Crescent，新加坡119260
摘要
随着公众对安全问题的关注和严格的环境标准的提高，工厂设计师开始考虑内在的安全设计。术语“内在安全”意味着过程本身是安全的，而不是外部限制使用附加系统和设备是安全的。在设计的早期阶段，开发内在更安全的工艺的机会是最高的。时间、知识的缺乏和固有安全分析工具的不足等限制因素经常被认为是开发和实施固有安全设计的障碍。在这篇文章中，我们描述了一种在过程开发的早期阶段可以应用的固有安全分析方法。该方法是基于内在安全指数比较过程路线和启发式识别危险和产生替代设计。这种方法已经作为一个模块在iSafe中实现，iSafe是一个自动进行固有安全性分析的智能系统。iSafe的一个关键好处是大大减少了进行安全性分析所需的时间和精力。内在安全性分析的自动化也使其更加彻底和详细，最大限度地减少或消除人为错误，便于记录，并使研究结果可在线获得，以便在工艺设计的后期进行详细的安全性分析和审查。本文讨论了路线选择阶段固有安全性分析的细节，并通过比较醋酸生产的竞争工艺加以说明。
关键词:固有的安全;流程设计;路线选择;醋酸的过程
1.简介
近年来，化学工业对生命、财产和环境造成的风险显著增加，原因有很多:工业综合体附近的人口密度增加、操作规模增大、复杂性和使用极端操作条件。这导致了更好的危险识别和分析技术的发展和使用，如FMEA、QRA、HAZOP等，试图减少事故的频率和后果。这种安全性分析在后期会使设计复杂化，并增加成本。据估计，在石油和化工行业，目前15-30%的资本成本用于安全和污染预防措施[1]。这给化学工业带来了挑战，要求它们开发出本质上更安全、更环保、更简单和更具成本效益的工艺。
一个内在安全的过程避免或减少危险，而不是控制它们。它依赖于自然发生的现象和健壮的设计，消除或大大减少了对仪器或管理控制的需求，从而降低了与安全和环境相关的成本。这通常是通过应用固有安全原则的整个设计过程，从概念到完成。这些原理的例子有强化、替代、衰减、限制效果、简化等。这些原则有助于通过使用更安全的材料和操作条件，减少库存，并通过设计一个更简单和友好的工厂来避免或减少危险。在早期设计阶段，识别和开发溶剂、反应路径、催化剂等内在更安全的过程替代品的机会很高。在早期设计阶段做出的关于产品合成路线的选择、生产地点和吞吐量的决定是至关重要的，并固定了80%的资本成本[2]。多位作者[3-5]讨论了内在安全概念的工业应用所实现的好处，包括改善公众形象、降低生命周期成本、提高生产率、提高可靠性、减少公司负债，改善安全和环保表现。尽管固有安全性设计的重要性显而易见，但针对固有安全性分析的支持工具的开发工作却非常有限。我们已经开发了一个智能设计支持系统，称为iSafe，用于在设计的早期阶段进行内在安全性分析。iSafe识别危险问题并提出内在的更安全的替代方案来消除或减少它们。iSafe可以贯穿整个设计生命周期，但本文的重点是在路线选择阶段，从安全的角度对竞争路线进行排序。本文的组织结构如下。在第2节中，概述了工艺设计和固有安全性。在第3节中，我们使用竞争醋酸过程的例子来说明在iSafe中实现的基于索引和启发式的方法来评估过程。本研究的结论载于第4节。
2. 工艺设计和本质安全性
一个流程经历了研究、流程开发、设计、建造、运行、维护、修改，最后退役等不同阶段。本质上更安全的过程设计和开发方法包括化学工程和过程生命周期中每个决策点固有的安全原则的迭代应用。关键决策点包括:(1)产品规范;(2)综合航路选择;(3)工艺开发;(4)概念设计;(5)详细工程;(6)施工调试。传统的过程设计一次解决一个特定的问题，并在认识到约束和机会时对设计进行修订。产品成本、原材料和工艺收率是早期筛选特定产品路线时使用的一些指标。安全性通常起被动作用，是最终设计的验证标准。从传统的顺序设计到并行设计的转变有助于采用固有的安全措施来消除或减少危险，而不是通过增加保护层来减少风险。工艺路线的筛选对于本质上更安全的设计是至关重要的。为了在早期阶段对工艺路线进行排序，Edwards和Lawrence[6]基于影响工艺路线内在安全性的参数，开发了一种称为固有安全原型指数(PIIS)的指标。指标值越低，表示固有安全程度越高。PIIS的一个主要缺点是它只关注反应而不考虑其他过程方面。Heikkila[7]克服了这一点，在固有安全指数(ISI)中考虑了更广泛的影响工艺固有安全性的因素。ISI考虑了工艺安全结构、副反应、腐蚀性、化学反应、设备类型和基于年吞吐量而不是产量的库存。因此，它既适用于路线选择阶段，也适用于流程阶段。指数是一种衡量尺度，它反映了由于过程的变化而导致的个别灾害的大小和方向的变化。它还可以作为设计团队为进一步的设计工作确定优先级的指南。索引计算本身不足以决定流程路径的选择。对每条工艺路线进行详细的内在安全性分析是必要的，以识别危险和纠正它们的替代方案。由健康与安全管理局对英国内在安全性工艺设计的现状进行了审查，从而促成了欧洲共同体共同资助的名为INSIDE的项目，旨在开发内在安全性[8]系统应用的工具和方法。INSIDE项目导致了一种基于纸张的工具包的开发，称为INSET，它促进了内在安全原则在整个工艺生命周期的应用。尽管人们对内在安全设计的兴趣越来越大，其重要性也越来越明显，但将其应用到实践中却进展缓慢。采用内在更安全的方法的主要障碍是项目的时间和成本压力，不允许在早期阶段对备选方案进行系统研究，在设计和管理上保守，缺乏意识和缺乏支持工具[8-10]。Rushton等人[11]强调需要一种计算机辅助工具，它将在工艺生命周期的每个关键决策点执行全面的内在安全性分析。自动化的主要好处是大量减少时间和工作，增强决策，改进文档，以及更好地理解过程。为此，我们开发了一种智能设计支持工具，称为iSafe，它可以在设计的早期阶段自动进行固有安全性分析[12,13]。iSafe可以使用固有的安全指数对竞争的工艺路线进行排序，也可以帮助设计师在设计生命周期的不同阶段识别安全问题和设计备选方案。在iSafe中实现的用于分析工艺路线的方法将在下一节中解释，并使用竞争性醋酸工艺进行说明。
3.使用iSafe对工艺路线进行本质安全性分析
工艺路线的选择是设计过程的核心。在这一阶段，工艺配置-反应器，分离单元，和回收的需要-因此原料，副产物，中间体，催化剂和反应条件确定。因此，在这一阶段内，固有的过程危险在很大程度上是固定的。iSafe识别与工艺路线中涉及的反应和化学品相关的危险，并对在产品规格说明阶段选择的产品的可用工艺路线进行排序。用于分析的信息包括反应条件、所涉及的材料、反应热、催化剂、反应相、所涉及的单元过程和过程收率。单元工艺的例子包括氯化、硝化、氧化、羰基化反应、聚合反应等。可用来制造一种化学品的工艺路线可以使用固有的安全指数进行排序。iSafe的路由索引是基于ISI[7]中使用的得分模式，它使跨设计阶段的索引值具有一致性。
进程名称 相关反应 反应条件
温度（℃） 压力（atm） 催化剂 反应阶段 制程良率 -Delta;Hr(kJ/g)
Halcon气相 乙烯 氧 215-250 10-20 二氯化钯、 蒸汽 60 6.374
氧化 →乙酸 氧化钒
乙烯氧化 乙烯 氧 150 4.5 钯、磷酸 蒸汽 80 6.374
→乙酸
丁烷氧化 丁烷 氧 150-200 56 醋酸钴 液体 75 8.185
→乙酸 水
Huels丁烯 丁烯 氧 180-240 2-30 钛钒 蒸汽 46 4.4
氧化 →乙酸 甲酸 氧化物
乙醛氧化 乙醛 氧 60-80 3-10 醋酸锰 液体 95 4.528
→乙酸
乙烷氧化 乙烷 氧 150-450 15-30 无 气体 25 9.809
→乙酸 水
乙醇氧化 乙醇 氧 60-115 1-4 醋酸钴 液体 90 7.593
→乙酸 水
低压 甲醇 一氧化碳 150-200 4-15 碘化铑 液体 99 1.532
羰基化 →乙酸
高压 甲醇 一氧化碳 250 700 碘化钴 液体 99 1.532
羰基化 →醋酸
甲烷氧化 甲烷 氧→甲醇 350-500 60-100 无 气体 无 12.296
一氧化碳 水
甲醇 一氧化碳→乙酸 150-250 1-1.5 碘化铑 1.532
表1.醋酸工艺路线详图[14-18]
3.1醋酸工艺路线指标的计算
本节通过对10条不同的醋酸工艺路线的比较[14-18]，说明了iSafe的应用。表1显示了每个工艺路线中涉及的反应以及用于固有安全性分析的信息。计算了单个路线选择的指数，并使用iSafe识别了与流程相关的安全问题和天生更安全的减少危险的替代方案。表2和表3说明了低压羰基化过程的指数计算方法。总体安全指数(OSI)说明了由于化学物质在工艺路线和反应条件中的危害。OSI不考虑安全问题相关的因素，如:(1)反应阶段;(2)催化剂和溶剂的使用;(3)相生成;(4)形成副产品;(5)自燃;(6)分解;(7)化学所涉及的单元过程类型。单个化学指数(ICI)表征某一路线中涉及的每一种化学物质，而单个反应指数(IRI)表征反应。在ICI和IRI的计算中，除工艺收率指数来自Edwards和Lawrence的PIIS[6]外，计算各分指标的得分均来自Heikkila的ISI[7]。在设计的早期阶段，库存信息通常是缺乏的，反应产率可以作为库存的衡量标准，因为较高的产率会导致反应器和回收的缩小。可燃性指数和工艺收率指数的得分分别见表4和表5。iSafe对各路线计算的指标如表6所示。总反应指数(ORI)表征了工艺路线中的危险条件。当主反应数量较多时，工艺路线的ORI值较高。因此，有较少反应器的路线(对应于几个主要反应)比有较多反应器的路线更可取。这将有助于集中注意减少危险化学品的库存和消除危险反应。危险化学品指数(HCI)和危险反应指数(HRI)是工艺路线中最危险的化学品和反应的指标。如果路由中只有一个反应，HCI和HRI的值与ORI和OCI相同。
计算OSI的方法不区分基于化学物质或反应的数量及其危险性质的路线。我们通过引入三个额外的补充指标——最差化学指数(WCI)、最差反应指数(WRI)和总化学指数(TCI)来克服这一局限性。WCI是a中涉及的所有材料的可燃性、毒性、反应性和爆炸性指数最大值的总和的反应步骤。同样，WRI是过程中所有反应的温度、压力、产率和反应热各单项指标的最大值之和。TCI是对路线中涉及的危险化学品数量的度量。也就是说，只有一种剧毒化学物质的路线比有几种剧毒化学物质的路线更安全。计算了工艺路线中所有化学品的WCI和TCI。OSI连同三个补充索引被用来排序如下的工艺路线。路由首先根据OSI排序。对
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[260271]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
