化工过程本质安全技术研究进展

杨 哲

(中石化安全工程研究院有限公司，山东 青岛 266000)

化工生产过程通常会涉及多种危险化学品，具有易燃易爆、有毒有害、高温高压、危险源集中等特点，一旦发生安全事故，将给人民生命健康、生态环境、社会稳定等带来严重损害。

当前，数字化变革正在重塑化学品生产、消费模式，工业互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与安全管理深度融合，“工业互联网+安全生产”成为有效提升行业安全治理水平的必然选择。此外，我国作出“碳达峰、碳中和”的战略部署，未来能源结构将产生重大变革，以氢能、太阳能、风能等为代表的新能源形式将会逐步代替传统的化石能源。因此，在相当长的时期内传统化石能源将与新能源共存发展，安全风险叠加。

化工生产过程在新时期、新发展阶段面临的安全问题需要通过科技创新、技术进步来解决，安全技术的进步是防范和化解安全生产风险的重要途径，过程强化、风险感知与监测预警、风险管控与处置等一系列技术手段能够有效降低和控制安全风险，实现化工生产过程的本质安全化。本文将系统介绍化工生产过程本质安全技术的研究进展，并分析未来化工生产过程安全化技术的发展趋势，为化工过程安全生产技术开发提供指导。

1 化工过程本质安全化概述

本质安全(inherent safety)概念最早由英国的Trevor Kletz于1976年提出，其理念是从工艺源头上永久地消除风险，而不是单独靠控制系统、报警系统、联锁系统的使用来减小事故发生概率和减轻事故后果的严重性[1-3]。本质安全是绝对安全的理想状态，生产运行上很难达到，实际中需要通过本质安全化(inherently safer)的一系列技术措施降低过程风险，使化工过程本质上更安全。化工过程全生命周期的本质安全如图1所示，最小化、替代、缓和、简化这4个本质安全化策略适用于研发、设计、建设、操作、变更和维护等化工过程的整个生命周期[4]。工艺过程的本质安全化与被动型、主动型和程序型安全防护措施一起构成了化工过程的保护层，其中本质安全化工艺技术在所有保护层中处于最核心的部分，对安全风险控制起到决定性作用[5]。

图1 化工过程全生命周期的本质安全

在化工过程工艺研发和装置设计的早期阶段，本质安全化的需求最迫切，相应的风险降低效果最明显。早期阶段的本质安全化投入可以减少装置建成及运行后安全设备、设施的投入及维护成本，在化工过程的整个生命周期内提升综合效益[6-7]。然而，仅通过工艺技术本身并不能做到绝对安全，仍需要保护层策略来控制安全风险。本质安全化工艺技术和其他保护层技术共同发挥作用，才能确保化工过程的安全风险降低到可接受水平。

通常，降低化工过程风险的保护层策略主要有5个方面[8-10]：①通过调整物料组成或工艺条件减小或消除危险性；②通过增大安全距离减小对人员或周围环境的危害；③通过提升工艺或设备设计能力减小过程危害；④通过执行报警、联锁等安全控制措施监控过程异常工况；⑤通过实施操作规程、培训、应急响应等管理措施防止安全事故。保护层各自能够独立发挥作用，降低危险事故发生的频率或严重程度，但这并不意味着保护层措施越多越有效。过多的保护层措施会增加相应的操作维护成本，并可能增加误动作几率。

因此，化工过程首先要提高工艺技术本身的安全性，从源头上降低过程风险，然后采取适当的保护层技术措施，降低事故发生的频率和严重程度，从而实现化工过程的本质安全化。

2 化工过程本质安全化技术

图2 基于风险的本质安全化技术实施路线

近年来，化工过程本质安全化技术和保护层理念不断进步，逐渐向系统化、工程化、智能化的方向发展。笔者认为，化工过程的本质安全化要从图2所示的几个方面实现。在辨识化工过程固有安全风险的基础上，首先通过提高工艺技术本身的安全性，尽可能从源头上降低风险；其次，在装置运行过程中，运用工业互联网、人工智能等手段对风险进行实时感知和监测预警；最后，对化工装置的重大风险，要采取有效地管控和处置措施进行抑制和控制。将上述技术手段反复迭代，实现化工过程的安全风险渐次降低，不断提升本质安全水平。下面将从基于过程强化的本质安全化工艺、风险感知与监测预警、风险管控与处置等方面介绍最新技术研究进展。

2.1 基于过程强化的本质安全化工艺技术

过程强化技术是将化学工程小型化、清洁化、安全化、节能化的技术，涉及反应、传质、传热等多个学科，包含强制传递强化、外加能量场强化、反应介质强化等方面。过程强化技术通过提高生产效率，降低工艺设备尺寸、危化品存量和能量消耗，从而提升化工过程的安全性。

近年来，基于过程强化的新型反应器和分离技术不断发展[11-16]，如微反应器、振荡挡板反应器、膜反应器、旋转圆盘反应器、含有静态混合单元的管式反应器、离心精馏技术、高比表面积换热器等。采用微反应器、膜反应器等可强化传递过程，提高反应转化率和选择性；采用紧凑型和微型热交换器可提高传热效率，避免热量累积；采用填充床接触器和离心吸收器等可促进流体流动与混合，强化分离过程的传质。

微反应技术是一种重要的过程强化技术。当反应器微通道尺寸降低到微米级别时，反应器内比表面积和物料相的界面面积显著增加，传热和传质的效率比传统反应器提升1～2个数量级[17-19]，显著降低了危险工艺过程的火灾、爆炸风险，极大地提高了过程的安全性。在加氢、氧化、氯化、氟化、硝化、格氏、叠氮和磺化等涉及强放热、强腐蚀、高危险、有毒物料的反应中具有明显优势。国内外研发机构对微尺度下的物料流动与反应过程开展了大量基础研究，建立了微尺度下物料流动、传热、传质与反应行为的理论模型[20-24]。以康宁、拜耳等为代表的国外公司在高端材料和精细化学品制造领域广泛采用微反应器，工业化应用走在前列；国内方面，微化工技术在磷酸二氢铵、己内酰胺、硝基三氟甲氧基苯、石油磺酸盐等生产工艺中进行了工程示范应用[25-26]。

通过施加外场能量提升反应效率是另一种重要的过程强化手段，能量形式包括电场、等离子体、超重力、超声、微波等。其中，等离子体技术是气体分子在等离子体发生器作用下产生激发态，发生在常规条件下难以进行的化学反应，目前已在新工艺路线开发、功能材料与催化剂制备等方面广泛应用，如采用等离子化学技术分解硫化氢、催化甲烷转化、处理VOCs等。超重力反应技术利用超重力条件下流体的独特流动行为，强化多相传质与传热，实现高效的反应过程，已经应用于气体净化、废水处理、水脱氧等领域[13，27-28]。

反应介质强化技术是从绿色化学合成的理念出发，选择能够强化传递、反应过程且能简化溶剂回收工艺的反应媒介，降低原料和能源消耗。例如，离子液体具有不挥发、不可燃的特点，可以作为反应溶剂和某些反应的催化剂，目前在烯烃环氧化、加氢、脱硫脱硝、酰基化、选择性烷基化等反应中得到广泛应用[29-30]，在溶剂萃取、核燃料和核废料的分离与处理等方面也体现出一定的应用前景。上述新技术、新材料的应用，为解决化工装置的安全问题提供了新思路，能够从源头上提高过程的安全性。

2.2 风险感知与监测预警技术

化工装置运行状态大致可分为正常、异常和事故3种。实际运行中，由于变量波动或外界扰动会导致系统偏离原始设计条件，出现异常工况。如果不及时进行监测和处理，异常工况可能会演变为事故，因此，对异常工况进行风险的早期监测和感知至关重要。化工装置的风险感知是通过对装置的技术参数和状态进行监控实现的，主要监测内容包括工艺运行情况、设备状态、气体泄漏等。目前国内监测预警技术面临的问题主要包括[31-34]：对事故预测、预警方法与模型的研究不足，对偶然性、突发性事故难以提炼反映风险本质的关键指标；工业互联网、人工智能和大数据等前沿技术在风险监测预警方面的应用较少，智能化水平有待提升；化工企业生产流程复杂、耦合因素众多，安全监测预警技术的可靠性、可用性和稳定性仍面临很大的挑战。未来化工装置的安全风险感知及监测预警，需要集成工艺安全动态风险评估、设备健康度动态评估、泄漏监测智能感知、装置在线故障诊断等，形成化工装置故障诊断与动态风险监测平台，健全化工生产和储运场所极端恶劣环境(如强腐蚀、强干扰、雷电灾害等)下的监测预警技术，以实现化工装置全生命周期状态可感知、风险可管控，支撑危化品企业数字化、智能化建设。

近年来，各种用于过程监控和故障诊断的技术逐渐发展起来。根据诊断模型构建过程对机理知识和过程数据的需求关系，化工过程故障诊断技术一般分为基于机理模型、基于知识和基于数据的3类技术[35-36]。基于机理模型的故障诊断技术利用先验的物理、化学知识，构建精确的数学模型并用于故障诊断；基于知识的故障诊断技术依赖于操作经验和专家知识；基于数据的故障诊断技术则是通过大量数据分析，建立具有故障诊断功能的系统或算法模型。得益于集散控制系统(DCS)等自动控制系统带来的海量过程数据和分析数据，采用机器学习算法深度挖掘数据建立过程模型变得可行。数据驱动模型在训练阶段需要较少的过程机理，在使用阶段具有计算量小、求解快、在模型建立的数据范围内准确度高等优点，因而在各类故障诊断任务中取得了良好的效果[37-39]。随着网络化、信息化、智能化技术的不断应用，化工过程风险感知与监测预警技术将实现快速发展，工业互联网、大数据分析、数字孪生等新技术在数据采集、实时数据和视频图像传输、数据交互等方面应用更加广泛，以满足数据快速响应的要求。以催化裂化装置为例，将数字孪生与异常监测预警技术相结合，构建反应器、再生器单元，分馏单元和吸收、稳定单元(简称反再-分馏-吸稳单元)的工艺混合驱动模型和油浆系统的数字孪生模型，可实现深层信息感知、性能趋势预测、异常监测预警和操作优化指导，助力装置长周期安全平稳运行。

对设备腐蚀及运行状态的监测是设备运行风险感知的重要手段。对于设备的腐蚀检测，常规的技术有超声波检测、涡流检测，新兴的有相控阵技术等，这些检测技术均为逐点检测，不能实现大范围覆盖。进行设备状态的在线监测是风险感知技术的发展方向，包括声发射、超声导波、光纤传感、电磁超声、脉冲涡流等技术[40-43]。例如，可将机械振动参数的变化转换成电量或电参数的变化，传输至控制器处理，并判断大机组动设备异常工况；采用声波、声阻抗、张力波等传感器可监测管道或储罐内非正常物料的侵蚀、设备腐蚀损伤情况及结构部件中的裂纹；建立设备非侵入、在线、实时的无缝隙化健康在线监测技术体系，可有效解决设备腐蚀损伤缺陷的识别、定位和程度分级，以及二维温度应变场、异常振动实时动态监测问题。在获取设备腐蚀多源数据基础上，开发腐蚀机理预测模型、基于大数据算法的关键腐蚀参数预测模型，构建设备腐蚀监测预警平台，可实现装置腐蚀风险的远程监测与推送，未来通过与物联网、智能穿戴、人工智能等技术结合，逐渐向设备状态监测系统发展，能够接入更多实时腐蚀监测数据，智能推送设备风险、寿命及检修方案等[44-47]。

目前，监测有毒有害气体的传感器以半导体、电化学以及催化燃烧气体传感器为主。该类型传感器技术成熟、寿命长，但体积大、响应时间长、选择性差、准确度低、检出限高、价格高，因而应用场合有限，无法满足复杂气体环境监测的需求[48]。随着纳米材料制备技术、微机电加工技术以及人工智能和大数据处理技术的发展，给研发更加便携、便宜和精确的气体传感器提供了理论和技术支持[49-52]。比如，开发基于微纳传感器阵列的高灵敏气体监测仪、基于声发射原理的泄漏源定位监测仪、非制冷式红外光谱成像监测仪等多元感知设备，构建基于工业互联网融合的点面结合、多元感知的全方位气体泄漏监测体系。在多元感知体系获取数据的基础上，建立基于覆盖率算法的监测有效性评估、优化技术，开发多元数据融合的泄漏预警模型与算法，及将分子特征数据库与扩散模型相结合的快速、高效泄漏溯源算法，能够实现泄漏的提早感知、及时预警和精准溯源，极大提升企业泄漏监测与风险感知水平。

2.3 风险管控与处置技术

采用工艺本质安全化、风险感知与监测预警等技术手段，可以有效降低化工过程的安全风险；而对于火灾、爆炸等重大安全风险，仍需要采取专用的风险管控技术，如石化装置阻火抗爆技术、化工装置事故应急救援与处置技术等。这些风险管控技术虽然不能从源头上降低安全风险，但能够在很大程度上减轻事故的危险程度。

在建筑结构抗爆方面，目前除少数新建的化工装置外，大部分距离高爆炸危险性装置较近的内部人员用建筑物，仅考虑防火性能而未考虑抗爆性能，因而存在较大安全风险。对现有建筑物的加固改造步骤通常包括风险识别与量化、建筑物分类、破坏评估和减轻破坏等。对既有建筑物抗爆改造，要综合考虑结构特征、爆炸载荷、改造成本、施工难度等因素，通常比新建建筑物复杂。建筑物抗爆改造的对象包括结构连接处、框架结构、砌体墙等；而常用的抗爆改造方法有：为墙壁安装垂直钢柱，对墙壁进行外层钢筋混凝土加固，在墙面上粘合高强度纤维复合材料、喷涂抗爆涂层等。其中，负载纤维复合材料、抗爆涂层加固方法充分利用材料强度高的特点，加固效果显著，且施工方便、操作性强，相比其他加固方法有较大优势，应用更加广泛[53-54]。

在事故应急救援处置方面，当化工装置发生事故后，现场环境极其复杂，难以获取事故现场数据。因此，有效的感知事故现场态势对科学研判事故发展趋势，高效指挥和调度，防止次生、衍生事故发生，降低事故损失具有重要意义。当前，我国在应急处置中对事故风险的研判能力还需要进一步提高，而应急救援处置的指挥与协调能力亟待提升[55-56]。近年来，应急处置技术正借助新技术、新材料的优势向智能化、精确化、系统化方向发展。红外侦测与无人机集成技术已经用于事故现场远距离非接触侦检；视频智慧处理及结构化技术正不断促进事故现场重构与评估技术的升级换代；借助沉浸式虚拟演练和外部识别装备等先进手段，可对事故现场风险进行动态研判，预测事故发展态势。比如，采用虚拟现实(VR)及交互式应急推演技术、典型情景构建技术，可建立基于云架构的化学事故信息捕获与动态研判系统，能够解决面向事故现场数据融合与分发、事故动态研判与应急处置方案生成等技术性难题。

3 总结与展望

本质安全化理念已深入到化工过程的全生命周期，在新材料应用、过程强化、人工智能等技术进步的带动下，本质安全化技术取得了快速发展，成为化工装置安全平稳运行的重要保障和企业持续健康发展的核心竞争力。化工过程风险控制是一个系统工程，需要本质安全化工艺技术、风险感知与监测预警、风险管控与处置等一系列保护层措施共同发挥作用。当前，我国经济发展、产业结构正在发生深刻变革，新技术、新领域、新业务的应用和发展也影响着安全生产形势，工业互联网、大数据分析、云计算、人工智能等新生代技术对化工过程的本质安全带来新的机遇和挑战。

(1)促进传统能源化工领域安全高质量发展。传统能源化工产业在重特大事故的遏制方面仍面临较大压力。针对危化品生产、储存、运输等重点环节事故致灾机理尚缺乏系统深入的认识，特别是工艺热失控、泄漏扩散与燃爆、环境的相互作用机制有待进一步研究，需积累不同尺度各类关键基础科学数据。随着自主创新工艺技术的开发和应用，安全保障技术创新和攻关的步伐亟需加快。

(2)通过工业互联网技术提升危化品安全生产水平。随着国家“中国制造2025”工业计划的实施和人工智能、工业互联网等技术的应用，化工企业逐步向智能工厂方向发展。当前，需要通过新一代网络信息技术提升行业的安全监管智能化水平；而未来，要以工业互联网为脉络，将智能传感器、测量仪表和边缘计算网关串联起来，实现全要素生产信息采集和参数指标快速感知，打通种类繁多的生产控制及优化系统，打破系统孤岛化、信息碎片化的现状，实现信息的高效流转和综合分析。

(3)构建可虚实交互的数字孪生体。数字孪生体是在数字空间内生成的虚拟装置，是智能感知、过程机理、大数据分析、人工智能等技术高度集成后的产物。它能通过实时数据交互自适应地调整自身，从而与物理实体在全生命周期内保持一致，并模拟实体在现实环境中的行为。因此，以数字孪生体为基础，可有效实现透视化的全息感知、智能化的预警分析、动态化的运行模拟。

(4)布局系统化新能源安全保障技术体系。国家提出碳达峰、碳中和的发展战略，氢能是实现碳中和的重要途径，绿色洁净的氢能产业将会快速发展，围绕氢气制备、储存、运输、加注等过程的氢能安全防护技术需加快研发步伐。未来，需要建立针对高压临氢部件和设备安全可靠性的检测评价技术能力，确保零部件与氢的兼容性；研发基于氢致变色和微传感器的氢气早期泄漏感知技术，保证泄漏可感知；基于物联网、大数据构建氢能安全风险预警平台，实现对氢能全流程风险的智能感知与决策；开发氢气阻燃抗爆、应急处置等全产业链安全防护技术，确保事故后果可控。此外，针对化学储能、光伏发电等新能源形式，要研发安全防护、监测预警及应急处置等安全保障技术。