第二章 反应风险研究

与西方发达国家相比较,我国化工产品的工艺研发和大规模生产起步较晚、相对落后,特别是化工本质安全研究,在我国处于起步或初始阶段。精细化工行业以间歇或半间歇操作为主,大多数反应是有机合成反应,并且以放热反应居多,在反应过程中伴随有热量和气体的放出,生产过程中的风险主要来自于反应工艺单元操作失控导致的爆炸风险。在化学反应进行过程中,一旦发生冷却失效或反应失控,就会导致反应体系热量的累积,此时,体系的移热能力可以忽略不计,近似处于绝热条件,将导致体系温度的迅速升高,有可能达到反应混合物料的热分解温度,促使物料发生分解反应,进一步放出大量的热量或迅速放出气体,最终导致体系发生剧烈的分解反应,甚至导致爆炸事故的发生。此外,在热交换失效的情况下,很容易就达到反应体系溶剂或反应混合物的沸点,造成体系剧烈的沸腾甚至冲料,遇空气、静电或明火后发生爆燃事故。因此,化工工艺开展反应风险研究,尤其是对化学反应的热风险和压力风险进行研究和评估是实现化工本质安全的首要问题。

反应风险研究的主要内容包括物质风险研究、工艺过程风险研究和反应失控风险研究,并重点关注反应的热风险和压力风险。通过物质风险研究确定工艺所使用的各种化学物质的安全操作条件,并充分考虑物料工艺条件下和工艺偏离条件下对反应危险性的影响。物质风险研究主要对反应过程中涉及的所有原料、中间体、产品、废弃物,以及工艺过程涉及受热操作的蒸馏物料等进行热稳定性研究,获取起始热分解温度、分解热、温升及压升速率等数据,测试的样品量由小到大,可以采用差示扫描量热、快速筛选量热、绝热加速量热、微量热等方法进行研究,并进一步配合动力学仿真,预测放大规模下的热行为,为产业放大和储存运输提供安全技术参数。对化学品的物理危险性进行测试,考虑化合物的化学结构、氧平衡等情况,并进行必要的安全性测试研究。工艺过程风险研究主要是研究并获取反应过程表观反应热,确定热交换条件,获得表观反应热、放热速率、绝热温升,以及失控体系能够达到的最高温度等数据,可以根据反应工艺的不同,选择反应量热、微量热和绝热量热等测试手段。开展反应失控风险研究,研究失控反应气体逸出情况、温度升高情况和压力升高情况,确定反应失控后可能导致的最坏后果,建立风险控制措施,为工艺优化、工艺设计和风险控制措施建立提供技术参数。

本章主要阐述反应风险研究体系,包括反应风险的相关概念和理论;反应风险研究涉及的物质风险的种类和研究方法;反应过程涉及的反应类型及其风险研究方法,以及工艺偏离和失控反应等风险研究。