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将陶氏的火灾和爆炸指数整合到流程设计和优化中，实现本质安全的设计
Jaffee Suardina，M. Sam Mannana，Mahmoud El Halwagib
摘要
对于加工行业，它是至关重要的经济优化和本质上更安全的设计和操作。的基本概念是实现最佳的设计基于技术和业务性能标准，同时执行在可接受的安全水平。通常情况下，安全检查和注册通常作为一个后的想法设计。因此，系统和结构化的程序，将安全纳入流程设计和优化，是兼容现有的优化和安全分析方法，必须有。
本文的目的是开发一个系统的程序纳入安全的概念设计和优化阶段。我们建议纳入的道琼斯火灾和爆炸指数（F amp; EI）作为安全度量的设计和优化框架，将F和EI的设计和优化框架内。我们首先开发的F amp; EI计算机程序来计算的F和EI值，并产生作为材料的库存和操作压力的函数的数学表达式的EI和EI。建议的程序被应用到涉及反应和分离的案例研究。然后，设计和优化的系统进行比较的情况下，没有安全作为优化约束。最终的结果是最佳的经济和本质上更安全的反应器和蒸馏塔系统的设计。
关键词：火灾爆炸指数；本质安全设计；工艺安全；工艺设计与优化
- 引言
改编自化工过程安全中心（CCP），风险被定义为物理或化学特性已为人，可能造成伤害的环境，或财产（爬，1996）。重要的是要注意的危险是内在的，是基本属性的材料或其使用条件。例如，在一定的条件和浓度，10000磅的丙烷持有相同的能量量，可以释放由28吨TNT。这些能量是固有的丙烷，不能改变，将被释放时，设备或其他故障发生，导致事件。
虽然“固有安全”的植物推断了绝对没有危害的植物，但是具有“零风险”的植物可能是不可能设计和操作的。因此，战略和系统地需要管理危险和风险，其中一个策略是固有安全的设计理念（而不是固有的安全工厂）。此外，最佳的策略是在设计的早期阶段将固有安全的设计与工艺设计和优化相结合，其中修改的自由度仍然很高。
曼斯菲尔德和卡西迪（Mansfield and Cassidy，1994）提出了一种固有的更安全的工厂设计方法以及如何将其纳入设计过程的一般理论。 Palaniappan，Srinivasan和Tan（2004）应用固有的安全指标来识别危害并产生替代设计。与上述努力类似，其他人一直专注于安全分析方法，而不是在单一框架中将其应用于设计和优化。因此，需要在设计阶段将安全度量纳入系统化。这是本文的重点。第2节描述了问题陈述和提出的方法。后来，将该方法应用于案例研究，并对结果进行了分析。
2.固有安全的设计
本质上更安全的设计意味着永久消除化学或物理过程中的危害，而不是使用保护层。 Kletz（1991）提出的本质上更安全的设计概念有四个主要原则：
1.减毒 - 减少有害物质的库存，因为更多的危险化学品库存意味着更多的危害。
2.在这个过程中使用较少的有害物质。
3.减少 - 在不太危险的工艺条件（压力，温度，流速等）下操作过程。
4.限制效果 - 根据过程提供的危害设计流程，以减少危害的影响。
美国化学工程师协会（AIChE）第十九届损失预防研讨会（Hendershot，1999年），1985年克莱兹（Kletz）提出的高度赞扬的论文，在美国本土更安全的设计开始受到更多关注。
3.安全性研究
最常见和传统的方法集中在保护层（LOP）上，其中附加的安全装置和特征被添加到过程中，如图1所示。 （美国化学工程师协会（AIChE），1994））。 LOP方法在分析安全系统方面取得了成功。然而，这种方法有以下列出的几个缺点（Crowl，1996）：
1.LOP增加了流程的复杂性，从而增加了资本和运营成本。在石油和天然气行业，15-30％的资本成本来自于安全问题、污染预防（Palaniappan et al。，2004）。
2.过程中的危害仍然存在，即使LOP安装并且基于事件的预期而构建，如图2（a）所示。由于大自然可能会发现创造性的方式来释放危害，所以总是存在着意料之外的故障机制的危险，LOP没有准备好，如图 2（b）所示。
3.由于没有LOP可以完美，LOP的故障或退化可能会造成导致事故的危害提供的风险，如图2（c）所示。
行业和研究人员对安全研究的其他努力往往侧重于危害识别和控制。 在开发更为先进的危害和风险分析方法方面已经有一些工作，如失效模式和影响分析（FMEA），故障树分析（FTA），事件树分析（ETA），原因 - 后果分析（CCA），初步危害分析 ，人类可靠性分析（HRA）和危害与可操作性研究（HAZOP），以及传统方法，如检查表，安全性评估，相对排名和“假设”分析（Wang，2004）。
美国公司和欧洲公司的美国附属公司采取的几项固有安全措施如下：
1.陶氏化学公司开发了陶氏消防与爆炸指数（美国化学工程师协会（AIChE）（1994））和陶氏化学暴露指数（AIChE，1993）作为基于固有安全原则的危险评估方法。
2.埃克森化学公司 - 描述了基于生命的内在安全，健康和环境审查过程、循环方法（Hendershot，1999）。
3.罗门哈斯重大事件预防计划 - 基于危害消除和降低风险的固有安全原则的使用清单（Hendershot，1999）。
除了消费者价格指数采取的行动外，政府还采取了联邦法规的行动，例如职业安全与卫生管理局（OSHA）和风险管理计划（RMP）颁布的过程安全管理（PSM）法规）环境保护署颁布的规定。
总体来说，这些努力是固有的更安全的设计原则尚未得到系统的应用。与保护层的理念相反，固有安全设计的概念是减少固有的危害，而不是控制它们。对危险性较低有两个优点：它们需要较少的LOP，较不复杂的LOP，并提供较低的危害程度，如图3和4所示。
传统方法的另一个印象是，努力侧重于危害识别和控制。此外，目前优化是为了提高设备的工艺设计和操作条件，实现最大的生产，最大的利润，最低的生产成本和最少的能源使用。而在传统的过程优化中，目标函数和约束条件都不包含安全参数。
4.危险指数
有几种危害指标可用作化学过程损失预防和风险管理的工具。尽管没有指标方法可以涵盖所有的安全参数，但陶氏火灾和爆炸指数（F＆EI）和安全加权危险指数（SWeHI）都被认为是健壮的（Khan＆Amyotte，2003）。 F＆EI是化学工业中最广泛使用的。以下是行业和研究中可用的指标：
1.F＆EI（美国化学工程师协会（AIChE），1994））和陶氏化学品危害（Dow，1993）作为确定火灾，爆炸和化学物质暴露危害相对排名的工具。 Etowa，Amyotte，Pegg和Khan（2002）开发了一种计算机程序自动化F＆EI计算，并使用Microsoft Visual Basic执行敏感性分析。然而，他们的计划并不是要确定业务中断和损失控制信用因素，进行流程单位风险分析，自动化灵敏度分析以整合F＆EI计算过程设计和优化框架。
2.SWeHI作为定义火灾，爆炸和有毒释放危害的工具（Khan，Sadiq，＆Amyotte，2003）。
3.来自Four Elements，Inc.的环境风险管理筛选工具（ERMST），用于排除环境危害，包括空气，地下水和地表水污染。 （Hendershot，1999）。
4.蒙德指数作为一种工具来确定火灾、爆炸、有毒危险（释放技术，1999）。危险废物指数（HWI）作为一种非凡的能力，工具性、毒性、腐蚀性的危险及废弃物（可汗et al.，2003；汗与amyotte，2003）。
5.运输风险筛选模型（adltrss）作为确定的人和环境风险的一种工具化学运输业务（可汗等人，2003）构成。
6.固有的安全指数是由Heikkila（1999）赫尔辛基工业大学。该方法将安全系数分为两类：化工过程安全。化学本质安全包括看其反应热，易燃、易爆、毒性、腐蚀性在整个过程中使用的材料的选择，和不兼容的化学品。过程内在安全包括过程设备及其条件，如库存，压力，温度，工艺设备类型，以及工艺结构。
7.爱德华和劳伦斯（1993）开发的整体固有安全指数测量固有的安全潜力，不同的反应路线，以获得同样的产品。
8.基于模糊逻辑的本质安全指标（flisi）是由氏族（2004）。在应用内在安全的主要问题之一是，安全主要是基于定性原则，不能很容易地进行评估和分析。flisi是企图利用分层模糊逻辑测量的固有安全性和提供固有的安全性分析的概念框架。模糊逻辑是结合定性信息很有帮助（专家判断）和定量数据（数值模拟）采用模糊如果–规则。
5.问题陈述和整体做法
本文要解决的问题可以说如下：“给定一个需要经济优化的处理系统，设计一个能够实现最佳过程设计的过程，同时确保设计满足一定的安全标准”。为了解决 问题，几个挑战必须克服。 这些包括以下内容：
1.在可接受的安全水平下，基于技术和业务绩效的最佳设计是什么？
2.在设计过程中如何量化安全性并纳入安全度量？
3.如何以计算有效的方式执行概念设计？
本文尝试通过修改仅针对技术和业务绩效的常见流程优化来执行此优化并分析结果。在优化中使用F＆EI作为安全参数的修改过程如图6所示，进行了以下四个步骤来说明提案方法：
1.计算陶氏的火灾和爆炸指数计算。
2.将F＆EI数学表达式作为操作压力和过程单元中的材料量的函数。
3.提出将安全参数整合到流程设计和优化中的一般流程。
4.优化反应器和蒸馏塔作为具有经济，性能和安全性的仪表的案例研究，作为验证程序的约束。
即使有一些数据来自我们开发的F＆EI计算机程序，本文仅关注方法论，因此未显示F＆EI计算机程序的开发。
6.陶氏的火与爆炸指数（F＆EI）方法
F＆EI是最广泛使用的危害指数计算，自1967年以来已经使用和修订了六次。最后一次修订是1994年发布的第七版，用于本研究。图。 5显示了F＆EI程序。
F＆EI计算如下。首先，从数据库，材料安全数据表（MSDS）或手动计算（使用可燃性，NF和反应性值，NR）获得材料因子（MF，由评估材料释放的势能的量度）。然后，确定有助于损失概率及其幅度（一般过程危险因子F1）的惩罚总和以及可能增加主要火灾和爆炸事件概率和历史影响因素的总和（特殊过程危害因素，F2）。
一般过程危害包括放热化学反应，吸热过程，物料处理和转移，封闭或室内过程单元，通入排水和溢出控制等六个项目，尽管可能无需应用它们。特殊工艺危害包括十二项：有毒物质，次大气压力，易燃范围内或附近操作，粉尘爆炸，泄压，低温，易燃/不稳定材料的数量，腐蚀和侵蚀，泄漏接头和包装，使用燃烧设备，热油换热系统和旋转设备。每个项目都用“惩罚”和“信用因素”表示。
火和爆炸指数（F＆EI）使用（美国化学工程师协会（AIChE），1994）计算）
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F3 frac14; F1 F2, |
(1) |
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Famp;EI frac14; MF F3. |
(2) |
下一步是基于F＆EI计算的业务中断计算（BI）。 F＆EI将确定半径和曝光面积。 该区域内的任何设备都将受到危险。 然后计算破坏因子，其表示由单位设备释放燃料或反应能源产生的火灾和爆炸危害的总体影响。 以原始设备成本和生产价值（VPM）作为输入，可以确定实际的最小可能财产损失（实际MPPD），然后通过公式计算BI。 （3）（美国化学工程师协会（AIChE），1994））：
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BI eth; US$THORN; frac14; |
MPDO |
VPM 0:7. |
(3) |
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30 |
7.案例研究：概述
图中的步骤为了支持将安全性整合到流程设计和优化中的优点，不需要违反经济和技术参数，就可以得到好处。因此，最终设计是反应器 - 蒸馏塔系统的最佳经济性和固有的更安全的设计。
基础化学工程过程包括反应，分离和混合。在化学工业中，反应器之后是分离器以分离未反应的原料和指定的产品是非常常见的。因此，反应釜蒸馏塔系统是化学工业中常用的系统，研究其优化非常重要。
事实上，在对反应堆进行经济分析时，应包括分离器，因为反应器分离器系统之间存在权衡，如图1所示。 7.高转换高反应堆成本与低转化率下高分离成本之间的经济平衡将决定基于总成本的最佳反应器转化率。因此，在可接受的经济利润和安全水平的范围内，需要有一个改进反应器性能和/或再蒸馏塔系统来生产所需产品的方法。
8.案例研究：反应釜和蒸馏塔系统
反应器 - 蒸馏系统如图1所示。另外，重要的是要注意，这个问题陈述中提供的数据是从几个来源进行调整而没有具体表示一个特定的过程。其背后原因在于本研究重点关注F＆EI整合价值观的概念，而不是在对包含很多变量的优化过程中真正需要专家判断的F＆EI计算的复杂性。
反应堆将每年从化学A生产6.45亿磅化学品B，反应如下：
A-B（气相）
反应性质只允许将一部分化学物质A转化为化学物B.然后将A和B混合物形式的反应器的输出送入蒸馏塔。蒸馏塔分离化学品A和B以
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