危险化学品安全丛书--化工过程本质安全化设计

全书从设计角度出发，从源头上降低化工系统固有危险性，提升化工过程的本质安全度，使其在生命周期内具有更宽的稳定运行条件，降低事故发生概率。同时在事故发生后有系统足够可控性，尽可能地减轻事故后果，控制次生衍生灾害的发生。 全书围绕本质安全化设计的强化、替代、减弱和限制四大基本原则，结合典型案例，详细阐述了化工过程本质安全化设计的内涵、基本原理、方法以及应用，具有较强的系统性。

化学工业是国民经济的基础性、支柱性产业，和人类的生产生活密切相关。现代化学工业的迅猛发展，给经济社会发展做出了巨大贡献。随着化工产业规模日益扩大、化工过程日趋复杂，生产过程连续化、生产装置大型化、化工产品精细化的特点愈发显著。伴随而来，化工过程中的火灾、爆炸、中毒等重特大事故时有发生，事故常常造成重大人员伤亡、财产损失、环境生态污染和社会负面影响，严重影响和制约了化学工业的健康可持续发展。国内外专家学者、工程技术人员针对化工事故的预防与控制理论及技术做了大量的研究与实践应用，取得了卓有成效的进步。然而化工过程固有风险的辨识与管控、事故发生发展演化及其防控的复杂性使得化工安全任重而道远。
化工过程本质安全化设计是从设计的角度出发，以化工过程安全技术为基础，以化学工业生产工艺为对象，降低化工系统的固有危险性，提升化工过程的本质安全度，使其在生命周期内具有更宽的稳定运行条件，降低事故发生概率。一方面，系统在发生异常偏离情况下有良好的韧性与柔性，使系统自身具有一定的“免疫力”；另一方面，在事故发生后系统有足够可控性，尽可能地减轻事故后果，控制次生衍生灾害事故的发生。可见，化工过程本质安全化设计理论与技术是有效预防化工过程重特大事故的治本之策和重要途径。
在国家自然科学基金重点项目（No.21436006）、面上项目（No.20976081）和青年项目（No.21006045，51804167,51904157）的资助下，著者课题组在化工过程本质安全化设计研究方面开展了相关研究，本书主要根据课题组十余年的研究成果编写而成。同时，书稿力争反映近年来国内外在化工过程本质安全化设计领域的最新研究进展，以求全书内容的充实和完善。本书紧紧围绕本质安全化设计的“强化”“替代”“减弱”“限制”四大基本原则，重点通过案例，分别介绍化工过程本质安全化设计的内涵、基本概念、原理与方法、本质安全度评估方法、本质安全化设计方法、典型应用案例及发展趋势等内容。希望能够帮助读者理解化工过程本质安全化设计的基本原理及内涵，并将这些原理与知识应用到实际的化工过程生产实践和研究开发中去，保障化工过程的安全平稳运行，减少重特大安全事故的发生。
本书适合于化工尤其石油化工行业从事研发、设计、生产和安全等工作的科技人员和管理人员阅读参考，也可供高等学校化工和安全等相关专业师生学习参考。
本书由蒋军成、潘勇等著。具体编写人员有：南京工业大学/常州大学蒋军成教授（第一、三、六章部分）、南京工业大学潘勇教授（第一、二、六章部分）、南京工业大学江佳佳博士（第二章部分、第四章）、南京工业大学倪磊博士（第三章部分、第五章）。全书由蒋军成教授统稿。
谨以此书献给同心协力奋力抗击新冠肺炎疫情的全国人民。感谢国家自然科学基金委员会对著者课题组研究项目的资助。感谢著者课题组全体师生所做的研究工作、成果贡献和图文整理。本书在撰写过程中，参阅了大量期刊文献及学术著作，吸纳了国内外本领域相关学者专家的优秀研究成果，在此向他们表示衷心感谢。化工过程本质安全化设计涉及的知识综合性强、学科交叉性强，限于著者的水平，在撰写过程中难免出现疏漏与不足之处，敬请广大读者给予批评指正。

著者
2020年4月5日

蒋军成，1967年9月生，江苏淮安人，中国矿业大学安全技术及工程专业研究生毕业，博士，教授，博士生导师。常州大学校长、党委副书记。 历任南京工业大学安全工程研究所副所长和城市建设与安全环境学院院长。1996年至1998年，中南工业大学（现中南大学）博士后。曾赴加拿大国家科学院（NRC）做访问学者。2008年6月任南京工业大学副校长、党委常委。2018年9月任现职。 主要从事危险化学品与化工过程安全、城市公共安全与应急领域的研究与教育工作。带领科研团队先后入选中国石油与化学工业联合会科技创新团队和江苏省青蓝工程科技创新团队。主持国家基金重点项目、国家科技支撑计划、国家重点研发计划与省部级课题30余项。主持项目获国家科学技术进步二等奖1项，省部级科技进步一、二等奖9项，省部级教学成果奖5项，获得第八届侯德榜化工科学技术奖创新奖。发表学术论文300余篇，150余篇被SCI/EI收录，撰写专著8部。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年首席科学家、国家百千万人才工程，被评为国家有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。

《化工过程本质安全化设计》是“危险化学品安全丛书”的一个分册。本书依据作者研究团队以及国内外化工过程安全评估与设计的最新研究进展，从基础到应用较全面地阐述了化工过程本质安全化设计的相关理论和方法。首先介绍了化工过程安全的基本概念和基础知识，详细叙述了分别针对物料危险性和反应过程危险性的化工过程本质安全度评估方法，重点阐述了基于强化、替代、减弱和限制等本质安全化设计原则的化工过程与化工装置本质安全化设计以及化工装置平面布局安全设计方法与实例。最后，介绍了五个典型危险化学工艺的本质安全化评估与设计实例。
《化工过程本质安全化设计》适合化工行业从事研发、设计、生产和安全等工作的科技和管理人员阅读,也可供高等院校化工、安全工程及相关专业的师生参考。

第一章绪论1
第一节化工安全概述1
一、我国化工安全现状1
二、化工生产的危险性及其分类3
三、化工事故的特征及主要原因4
第二节化工过程本质安全化设计内容7
一、化工设计7
二、化工安全设计8
三、化工过程本质安全化设计24
第三节化工过程本质安全化设计的发展33
一、化工过程本质安全化设计的由来33
二、化工过程本质安全化设计展望35
参考文献37

第二章化工过程本质安全度评估39
第一节基本概念及基础知识39
一、化学反应热效应39
二、化学反应热平衡43
三、失控反应47
四、反应热失控风险评估53
第二节化工物料的固有风险评估55
一、易燃易爆化工物料的固有结构危险性及致灾机理55
二、易燃易爆化工物料危险特性的定量预测58
三、易燃易爆化工物料的固有安全风险评估63
第三节化工物料的热危险性评估69
一、热危险性评价的理论模型69
二、基于实验测试的化工物料热危险性评估82
第四节化学反应过程热危险性评估93
一、基于特征温度的反应热危险性评估93
二、基于事故概率与临界判据的反应热失控定量风险评估方法103
第五节化工过程安全评估128
一、指数型安全评估方法128
二、基于数学模型的安全评估方法138
三、其他本质安全评估方法143
四、化工过程安全评估方法的比较143
参考文献145

第三章化工过程本质安全化设计151
第一节基于过程强化原则的本质安全化设计151
一、过程强化原则的优点与不足151
二、过程强化原则下不同类型反应器选择152
三、强化原则提高精馏过程本质安全度169
四、强化原则提高换热过程本质安全度173
五、强化原则在微化工技术中的应用175
第二节基于替代原则的本质安全化设计178
一、替代原则的优点与不足178
二、使用更安全的非反应性物料179
三、选择危险性更低的工艺187
四、基于替代原则的本质安全设计实例192
第三节基于减弱原则的本质安全化设计202
一、减弱原则的优点与不足202
二、减弱原则的应用202
三、基于减弱原则的本质安全设计实例204
第四节基于限制原则的本质安全化设计206
一、限制原则206
二、限制原则在优化反应条件中的应用206
参考文献209

第四章化工装置本质安全化设计215
第一节基于简化原则的化工装置本质安全化设计215
一、简化原则的优点与不足215
二、工厂设计复杂原因分析216
三、简化原则的应用217
第二节基于强化、减弱、限制原则的本质安全化设计220
一、强化原则在化工装置本质安全化设计中的应用220
二、减弱原则在化工装置储存和运输本质安全化设计中的应用227
三、限制原则在化工装置本质安全化设计中的应用228
第三节基于其他原则与方法的化工装置本质安全化设计244
一、正确组装工艺设备244
二、使用更易于观察工艺状态的设备244
三、设备应能容忍错误安装或操作245
四、设备应易于控制245
五、计算机控制注意事项246
六、加强操作指令的可读性247
七、工厂全生命周期的本质安全设计247
参考文献248

第五章化工装置平面布局安全设计250
第一节化工装置外部安全距离设计250
一、基于事故后果的化工装置外部安全距离设计250
二、基于定量风险评价的化工装置外部安全距离设计256
三、基于指数法的化工装置外部安全距离设计267
第二节基于连锁效应的化工装置平面布局安全设计273
一、化工装置事故连锁效应273
二、连锁效应风险评估275
三、基于风险的化工装置区布局优化技术285
四、基于保护层的事故连锁效应削弱技术289
第三节基于性能化的化工装置平面布局安全设计297
一、性能化目标的确定297
二、性能化目标判定准则的确定299
三、事故模式的确定308
四、基于性能化思想的设计框架流程311
参考文献313

第六章化工过程本质安全化评估与设计实例317
第一节过氧化叔丁酯合成工艺本质安全化评估与设计317
一、工艺简介317
二、过氧化叔丁酯合成工艺本质安全化评估流程318
三、过氧化叔丁酯合成工艺本质安全评估与设计319
第二节正丁基溴化镁格氏试剂制备工艺本质安全化评估与设计324
一、工艺简介324
二、正丁基溴化镁格氏试剂等温合成工艺的安全性评估325
三、正丁基溴化镁格氏试剂合成工艺的本质安全化设计327
第三节1-乙酰氨基-3,5-二甲基金刚烷合成工艺的本质安全化评估与设计328
一、工艺简介328
二、医药中间体合成工艺的安全性评估329
三、医药中间体合成工艺的本质安全化设计333
第四节二环酮合成工艺的本质安全化评估与设计334
一、工艺简介334
二、狄尔斯-阿尔德反应过程安全评估334
三、狄尔斯-阿尔德反应过程本质安全化设计339
第五节基于微化工技术的二硝基萘合成工艺优化设计342
一、工艺简介342
二、微通道中二硝基萘合成工艺设计342
三、工艺参数对二硝基萘收率及选择性的影响343
四、微反应器中二硝基萘硝化的最优工艺346
参考文献346

索引349