杏彩体育目前我国化工行业安全生产形势严峻。本文首先阐述了化工本征安全“四原则”的具体含义及其在生产源头和制造过程中降低甚至消除风险时发挥的作用，然后从技术成熟度角度出发，对本征安全“四原则”的落实情况及存在的问题进行了分析，提出重点围绕本征安全“四原则”中的最小化和替代原则对现有化工技术和装备进行提档升级，开发相应的本征安全工艺设备与技术。在此基础上，探讨了最小化和替代原则的技术路径：通过设计开发泛厘米尺度下的最小化单元设备，积极融合人工智能手段，研发智能化单元集成技术与装备，减少装置内的危化品存量和能量密度，确保生产安全风险可控。此外，还需要将最小化和替代原则拓展至化工清洁生产中，减少“三废”处置不当造成的安全隐患，实现生产、安全、环保三者之间的统一。最后列举了两项泛厘米单元智能集成技术在化学品生产和化工废气治理中的应用案例，反映出该类技术的普适性和产业化应用前景。可以预见，本征安全技术可以从根本上改变“高塔林立、釜罐成群”的化工业态，切实提升化工安全风险防控水平，助力化工产业安全化、高端化、智能化发展。

　　近年来，我国化工行业在安全生产领域存在突出问题，一些重大、特大事故影响恶劣，行业形象受损严重。为此，国家对行业的整治力度不断提升，部分地区甚至关停了三分之二的化工企业。严格的安全管控虽然取得了一些成效，但是化工系统性安全风险依然很大。以行政手段为主的外部管理和“灭火式”的事后管控，不仅导致风险被搁置和转移、难以治本，也容易形成新的社会矛盾。2020年中央两办《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》指出“加强化工危险工艺本质安全等技术及装备研发”；党的二十大报告对推进危险化学品等重点领域的安全生产风险专项整治提出了明确要求。因此，开展化工本质安全关键技术创新，将被动式的事故应急管理转变为工艺装备的本征安全和基于控制系统的主动安全，是实现化工高质量发展、重塑化工形象、重振化工雄风的必然抉择。

　　煤矿、电池等领域都存在面向电气设备的“本质安全（intrinsic safety）”概念。1916年Thoronton针对英国煤矿因电铃信号电路产生放电火花引起的瓦斯爆炸提出了本质安全电路设计方法，要求设备内部电路和引出线不论是在正常工作还是故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃可燃性气体混合物。电池的本质安全技术从电池热失控原理出发，提高电芯材料热稳定性，减少电芯结构内的热量积累，降低电池热失控风险。结合上述本质安全在煤矿、电池的应用以及参考针对电气设备的GB 3836.4—2021《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》，可将本质安全技术认为是使电子设备在爆炸性气体环境及不正常操作条件下可以安全运作的保护技术，避免设备释放足以引燃易燃物的能量。

　　著名化工安全专家Trevor Kletz于1978年首次面向化工领域提出“intrinsic safety”的理念，为了避免与电气设备本质安全产生概念混淆，Kletz教授采用“inherent safety”代替。虽然本质安全的理念在化工行业已被广泛接受，但本文作者认为，化工行业的中文专有名词“本质安全”与Keltz教授提出“inherent safety”有所区别。一方面，《“十四五”危险化学品安全生产规划方案》通过加强园区规划引导、开展企业分类整治、保障安全距离、淘汰落后工艺、加快技术改造等手段，构建准入严格、布局规范、技术先进的本质安全发展格局。该方案拟从园区安全提质、大型油气储存基地安全防控、企业安全改造、从业人员培训、“工业互联网+危化安全生产”五个方面。由此可见，我国的化工本质安全体系实际上与过程风险管理系统的五种管理类型相吻合，它们分别是：本征，采用无害物料/工艺尽可能消除危害；空间，增加间距减少危害；被动，通过工艺或设备降低危害发生的频率；主动，采用安全控制、报警、联锁等监控和处理工艺异常；程序，采用制度、培训、操作程序、管理检查、应急预案等预防事故或最大程度减少事故影响。另一方面，Keltz对“inherent safety”的解释是“通过工艺完全消除危害或者充分降低危害程度/可能性”。美国化学工程师协会化工过程安全中心亦认为“inherent safety”应用于工艺的全生命周期，侧重于从源头消除物料泄漏或能量释放的相关风险，而非被动、主动、程序等其他过程风险管理策略。因此，本文作者认为“本质安全”包含的内容更多、覆盖范围更广，其根本目的是让“人远离风险”；而本征安全主要聚焦工艺技术与装备，其目的是让“风险远离人”，使用“本征安全”代替“本质安全”描述 “inherent safety”更加精准。

　　虽然化工本征安全原则提出近半个世纪，但其应用实践效果并不理想，仅仅是局部范畴内的“最优方案”，使用最多的如针对具体工艺的“无毒代替有毒”“采用无人化操作”等，并不能真正实现整套生产装置的“本征安全”。应急管理部统计数据表明：2021年我国化工事故高达122起，死亡150人。经统计，近十年引起化工事故的原因中设备缺陷占31.1%，操作失误占17.2%，工艺问题占10.6%。

　　化工本征安全“四原则”的权重并不均等，对安全生产所起的作用也不尽相同。有文献分析近20年内本征安全原则在化工过程中的应用，简化原则的使用频率远低于其他三种原则。缓和原则主要起到降低事故发生后严重程度的作用，并没有从根本上改变工艺流程或者危险物料的使用，故无法从根本上减少事故的发生，是最小化和替代原则无法应用时才使用的第三原则。最小化原则和替代原则是针对装备和工艺的核心原则，对化工装备的本征安全运行具有决定性作用。若能在过程设计与开发过程中有效落实和深化本征安全最小化原则和替代原则，理论上可以从根源上消除化工原料、反应/分离过程、生产工艺系统带来的风险，从而真正实现化工过程的本征安全。

　　在百余年的发展过程中，化学工程始终聚焦单元操作、过程放大及相关“三传一反”规律，诞生了部分解析、数学模型、量纲分析等各类过程放大方法，旨在以投资最省、效率最高的方式将实验室试验的结果用于工业规模设计。因此，传统工业装置具有体积大、物料多、能量密度高等特征，导致发生燃烧、爆炸等事故时产生的威力也非常大。以占化工分离过程70%以上的精馏为例，工业精馏塔设备尺寸庞大、数量众多，物料在塔器内的停留时间长、存储量大。尤其是对于相对挥发度接近的难分离体系以及共沸物体系，理论板数往往超过百块，这就需要建造接近百米高度的精馏塔，与之相伴的安全风险也随之剧增，历史上精馏塔的燃烧爆炸事故屡见不鲜。大型反应装置由于物料体系更加复杂多变，一旦发生事故造成的生命危险和财产损失更是难以估量。因此，这种传统的过程放大思路与本征安全原则背道而驰。

　　原国家安全监管总局在两批《重点监管危险化工工艺名录》中罗列了近20种危险工艺，这些危险工艺包括了氯化、光气化、加氢、裂解、聚合、硝化、氧化、烷基化等化工生产中的常见反应工艺。通过对国家发展和改革委员会颁布的《产业结构调整指导目录（2019 年本）》、中国石油和化学工业联合会颁布的《石化绿色工艺名录（2019年版）》以及知名企业科技攻关项目进行广泛调研后发现，原料替代、连续化反应、微通道反应、高效移热等各类技术以及它们的组合，在给定场景下都能衍生出危险工艺的替代工艺。替代原则在实际应用时的难点在于，找到安全物料或者工艺替代原有高危物料和工艺并不容易，原料、产品、反应条件的变化也会一定程度上降低原替代工艺的可行性。此外，生产工艺替代会涉及经济成本与绿色环保方面的重新评估，这也是制约企业应用替代工艺的重要影响因素。

　　从定义上看，化工学科的过程强化原则与最小化原则相符，但实际上二者不能完全等同。绝大部分过程强化是围绕反应和分离进行的，反应强化是通过传递与反应速率的有效匹配，提高单位设备体积的生产能力、缩减设备体积，进而减少装置中的物料用量；开发高效填料、新型塔板和内构件，在理论上都可以提高分离效率、缩小装置体积。但是目前工业应用的各类塔器、釜罐的高度与直径并没有得到显著减小。原因在于上述过程强化技术是针对化工过程与装备的整体强化，装备内的物料量和能量密度虽有一定程度下降，但与“最小化”原则的要求还有很大差距，化工装置仍然呈现出“高塔林立、釜罐成群”的固有业态，因偶然因素或必然因素导致的安全风险难以根本消除。

　　微化工技术具有装置内部比表面积大、在线物料量少、温度分布均匀的特点，即使失控情况发生也不会发生大范围的危害，完全符合最小化原则杏彩体育，是国际公认的本征安全技术。我国微化工技术已蓬勃发展二十余载，具有丰富的研究成果和产业化案例，例如江苏省应急管理厅已全面要求新改扩建的硝化装置原则上采用微通道连续硝化生产工艺。但微化工技术具有很大的局限性：一方面，微化工在气-固、气-液、液-固、气-液-固等多相态体系的运用存在瓶颈；另一方面，由于内部通道过于狭小，微化工技术不适用于精馏、萃取、吸收等逆流分离过程。

　　在现有化工生产监管体系中，若以本征安全为需求导向，要求设立安全防护距离，以“开放”来降低物料在特定空间内的“绝对量”，从而降低事故发生的概率和严重程度；若以绿色环保为需求导向，要求加强集约化、提高入园率，以“封闭”来降低化学品进入特定大气、水、土壤等介质中的“相对量”。本文作者认为“开放”与“封闭”以及“绝对量”与“相对量”之间的矛盾，不仅造成了应急管理和环境保护监管标准不一、使企业无所适从，而且极大程度地破坏了企业对本质安全技术进行原始创新的内驱动力，进而加剧了化工行业面临的“心、行业烦心、企业揪心、社会闹心”的困境。事实上，安全和环保密不可分，很多安全生产事故就是因为产生的废弃物无法及时处理导致的。然而，目前我国化工安全与清洁生产协同治理的相关制度还不完善，也缺乏兼具本征安全、绿色环保功能的化工前沿技术。

　　为了从根本上解决上述本征安全原则落实过程中存在的问题，本文围绕本征安全最小化和替代原则提出了兼具可行性和先进性的解决路径。

　　针对现有化工过程与装备整体强化与“最小化”原则的要求存在差距及微化工系统的应用局限性，可以聚焦微米至米之间的尺度（以厘米级居多，可称为“泛厘米级”），重点开发泛厘米级的高效反应、分离和换热单元。与传统大型装置相比，泛厘米级单元装置内物料量可减少1~2个数量级，能量密度也随之大幅降低，有效削弱事故发生的概率和潜在威胁。由于不存在放大效应，泛厘米级单元装置的容积效率本身就比大型装置要高。此外，常见的内构件强化和外场强化的方法均可用于泛厘米级单元的过程强化，进一步提高单元容积效率。同时由于“泛厘米级”尺度与化工小试的尺度接近，因此适用于气-液、液-液、液-固、气-固、气-液-固等各种多相体系。对于精细化学品生产，少量泛厘米级化工单元即可满足生产要求；将若干个处于相同状态的单元装置进行系统集成即可实现大规模化工生产，单元之间相互独立、互不干扰，只需保证单元装置的安全运行即可使整个集成系统处于相对安全的状态。

　　根据不同的化工生产场景，将反应、分离、换热单元灵活搭配，即可形成订制化的单元集成系统。常见的方式可分为区块式集成和集束式集成两类。区块式集成系统包含反应区、分离区与换热块等。反应/分离区都有若干个平行的最小化反应/分离单元分别组成反应/分离阵列，反应区与分离区之间直接通过共享进出口相互连接，避免大量使用管道。物料在反应区内结束反应后可直接进入分离区精制提纯。通过研究系统能耗可以确定换热单元的具体结构和集成方案，实现反应热的原位利用、自由转换和对外输出。集束式集成系统比较适合于物质的分离，只需要根据具体分离对象将一定数量的泛厘米级分离单元组成分离单元阵列即可。泛厘米级单元集成技术的关键在于各单元及其装置整体精准检测与控制，保证单元的物料均匀性、状态一致性以及在少数单元发生故障时的控制精度和鲁棒性。因此5G互联网信息化技术和智能控制技术的开发与应用将提供重要支撑。整个单元智能集成系统内的物料分配均匀程度、控制精度和容错率，有望超过超重力技术的“做功驱动分配”和微化工技术的“多通道自然分配”。

　　自20世纪90年代以来，美国、英国、意大利都启动了绿色化学战略，在减少环境污染方面卓有成效。绿色化学对物料危险性、原子经济性、条件温和以及能源效率均提出了严格的要求，能够大幅减少或者消除危险物质的使用和产生，这与本征安全的替代与缓和原则不谋而合，绿色化学可以认为是实现本征安全的重要科学支撑。在上述认识的基础上，化工本征安全与绿色环保在技术层面不应该相互对立，需要对二者关系进行更加深入的思考。化工废弃物主要来源于原料利用率低、过程集成度弱等工艺缺陷而产生的反应副产物和未反应的原料。因此，可以将本征安全最小化与替代原则沿用到化工清洁生产中，通过运用源头绿色、过程减量和精准治理的策略实现“三废”量最小化。具体来说，可以开发高原子经济性反应工艺以及生物质/二氧化碳等绿色原料，研发高效绿色催化剂与新型过程强化手段，不仅能够最大程度避免副产物和反应物料逸出生产系统，而且能够有效缓和原本苛刻的反应条件、代替危险的原料和工艺，具有一举多得的效果。对于不同相态的污染物，开发临氧裂解净化技术，同时采用先进装备和自控手段杜绝无组织排放，实现化工废弃物的精准治理。更重要的是，需要将这些遵循本征安全原则的环保与安全技术嵌入到化工生产装置中，装置内的每个单元管道封闭，但单元集成系统整体保持开放，实现本征安全与绿色环保在理念与技术层面的协同一致。

　　泛厘米级单元智能集成技术是遵循本征安全原则开发出的新一代化工生产系统，目前尚未实现大规模的应用。下面通过两个例子体现该技术的应用前景。

　　（1）（氯代）苄基氯本征安全制造工艺与装备。氯化反应属于重点监管的危险工艺。本文作者面向苯系物氯化反应生产（氯代）苄基氯，遵循本征安全最小化原则，利用反应精馏技术将反应空间限域在塔板内，有效减小了反应物料量；开发与小试级反应器尺寸相当的环流反应单元，通过集束式集成即可构建规模化的氯化反应装置。开发了膜管式氯气分布装置实现氯气在各个反应单元中的均匀分布；利用气-液雾化混合与气-固错流传动混合技术，使反应转化率提高至95%，整个单元容积效率比工业反应器提高5倍以上。该装置于2018年12月在中盐集团下属公司一次性试车成功，2019年为公司创造了5000万元以上的经济效益。

　　（2）化工废气临氧裂解净化工艺与装备。临氧裂解是裂解与氧化耦合的反应工艺，二者均属于重点监管危险工艺。本文作者开发了包含流化反应区、膜管式分离区与高效换热块的临氧裂解区块式反应装置。每个反应区与分离区内均由若干个反应或者分离单元并联形成，每个单元内所有有机物的浓度均低于爆炸极限的下限。反应区与分离区之间直接通过共享隔板相互连接，完全消除了管路连接所带来的泄漏安全隐患。自2018年以来已针对不同类型的化工废气，开发了100余套临氧裂解区块式反应装置，在50余家化工企业成功运用，装置自运行至今全部零事故，累计减排废气超过13.51亿立方米，创造了良好的环境效益。

　　本征安全化生产是传统化工提档升级为现代化工产业的必经之路杏彩体育，世界各国也逐步形成了在源头消灭危险的思路。本文根据本文作者在绿色化工、本征安全领域的多年实践经验，细致分析了本征安全四原则在实施过程中出现的问题，详尽阐述化工技术与方法在本征安全生产过程中的最新进展。

　　（1）反应本征安全：物料密度和空间尺度较小的反应装置符合最小化原则，鼓励开发微通道反应器、管式反应器、区块式反应装置等。

　　（2）分离本征安全：泛厘米级单元适用于多相杏彩体育、逆流操作，通过强化可以实现分离单元空间最小化，鼓励开发多通道膜分离、集束式分离单元集成装置等。

　　（3）危险工艺/物料替代：面向重点监管危险工艺，利用绿色化学原则选择低危险性原料，重构加成、缩合等高原子经济性反应新路线，开发相应的低温催化和过程强化技术。

　　（4）装置稳定运行：多单元智能集成系统内的每个单元都智能可控，不仅装置运行负荷调节将更加灵活，而且可以与不稳定的绿能/绿电相互匹配，亦可进一步地将高耗能的产品生产转变为储能过程。

　　（5）安全、环保设施“三同时”：建议化工生产、应急管理和环境保护等相关部门也要遵循“最小化”原则，对化工工艺、装备和信息化系统进行监管，在项目立项、工程设计与施工、生产运营等各个环节提出明确要求，并从管理和技术角度严格管控。

　　（6）未来设想：随着物联网、大数据、人工智能等数字新技术与化学工程技术的深度融合，针对多单元集成系统运行的分布式多智能体控制以及绿能供给不稳定的情况下保证装置平稳运行的智控系统还处于起步阶段，需要进一步研究。可以预见，未来的化工企业有望成为具备本征安全智能制造能力的“无人工厂”。

　　1南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 211816；2江苏先进生物与化学制造协同创新中心，江苏 南京 210009

　　第一作者及通信作者：乔旭，教授，博士生导师，研究方向为绿色化工、本征安全。

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