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。
1
化工本征安全“四原则”
煤矿、电池等领域都存在面向电气设备的“本质安全（intrinsicsafety）”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GB3836.4—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。
2
本征安全原则应用问题分析
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。
2.1
传统化工装置未遵循本征安全原则
2.2
低危险性替代工艺仍需发展
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。
2.3
过程强化与最小化原则存在差距
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，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。
2.4
安全生产与绿色环保要求相互矛盾
3
本征安全技术发展方向与实践
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。
3.1
聚焦泛厘米级单元尺度
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。
3.2
构建多样化单元智能集成模式
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”。
3.3
统筹化工安全与绿色生产
3.4
应用案例
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。
4
结语与展望
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，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、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。
（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”。
化工本征安全技术发展路径的思考与探索
乔旭，张竹修
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
引用本文
乔旭,张竹修.化工本征安全技术发展路径的思考与探索[J].化工进展,2023,42(7):3319-3324.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0309
作者简介●●
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。
深入流动化学的基础研究，化学、物理、机械、电子、软件、自动化的综合协调，是欧世盛科技体系化研制流动化学设备的基础。
与传统的间歇式方法相比，微反应器不仅可以提高反应性能，还可以提高安全性。由于微通道的孔径极细，传热效率高，可以安全地进行间歇实验中的一些危险反应，如硝化反应、氟化反应、叠氮化物反应、氧化还原反应等。
欧世盛科技的流动化微反应解决方案，基于将微化工底层技术与合成工艺的结合，构建流动化微反应的工业级解决方案。通过多样化的流动化学产品线不断满足更多的反应需求。
欧世盛方案从流动化学的“心脏”——稳定无脉动的高压输液泵开始，到“插拔式”微反应器的微反应合成平台、g级kg级及放大的微反应连续加氢平台、微反应连续流臭氧平台、连续气液&液液分离设备、反应动力学设备、全自动气液性质测定仪，1-16通道全自动催化剂评价装置以及公司最新的自动配液及连续微反应多通道（间歇）合成工作站平台等设备。
集合在线检测、传感器及应用型平台方案，帮助越来越多科研机构、精细化工企业解决研发生产过程中的瓶颈问题，使越来越多的危险反应工艺向着绿色、安全、高效和可持续化方向发展。
MO-FLOW-S微反应合成平台，包括在能源效率、反应速度和产率、安全性、可靠性、可扩展性、放大，更好和更精确地控制反应条件，更好的混合，更高效安全的处理不稳定危险中间体。特别是针对反应剧烈，放热高，易爆炸的危险快反应独具优势。
01
反应案例对比
痛点：
反应收率提高8.5%，避免反应冲料，提高安全性
副产物有效控制，反应收率达到91.2%
反应溶剂沸点高，纯化困难，体系产生气体，反应收率低
纯化简单，反应收率达到80%
过氧化物反应及处理易爆，反应易冲料
降低过氧化物蓄积导致的危险，反应收率达到85%
02
支持反应类型众多
MO-FLOW-S微反应合成平台，反应器涵盖液液均相反应器、液液非均相反应器、气液非均相反应器及光化学反应器。
经过验证的反应类型如下：
液液均相反应：硝化反应、磺化反应、锂化反应、格式反应、取代反应、高温关环反应等。
液液非均相反应：中和反应、氧化反应等。
气液反应：氧化反应（O2）、钯催化的Heck羰基化反应（CO），CO2气体参与的反应等。
光化学反应：芳环或杂环的三氟甲基化反应、烯烃加成反应、自由基反应等。
不同的反应类型均可以通过快速插拔反应器切换。平台内置部分案例并提供案例的流速、压力、温度等参数，为工艺开发与设备匹配提供依据。
03
“即插即用”的反应器让化学合成更友好
根据反应器材料、反应器通道类型，持液量不同，提供近60种不同类型的微通道反应器，适用于不同通量的液液均相、液液非均相、气液、光化学等反应，提供统一标准的插卡接口。更换反应器“一插一拔”即插即用。
图：插拔式反应器卡槽
图：微通道反应器
将反应器插入设备插槽中后，软件系统可自动识别不同类型反应器，微反应器类型、材质、持液体积等基本信息一目了然。
平台内置案例并提供案例的流速、压力、温度等参数,为工艺开发与设备匹配提供依据。
04
专用软件工作站全流程尽在掌握
操作系统，支持多窗口、多任务的操作模式。可显示反应器压力参数变化，提供堵塞与否的预警及连锁控制功能。记录整个工艺过程实验轨迹，包括参数设置、修改，过程数据追溯等实验开发全过程进行记录管理，完善地实验开发记录管理方案，为工艺开发者提供最有利帮助。
05
让合成更容易更高效
精确控制反应温度
得益于微反应器极大的换热面积，反应过程中物料的温度可以维持恒定。特别是对于强放热的反应，避免了间歇釜式反应器传质与传热局限造成的局部过热现象，降低副反应发生。
精确控制物料配比
微反应器传质系数比间歇反应器高几个数量级，因此物料在接触的瞬间即混合均匀，避免物料配比过量造成的副反应。
安全可控
具有专利技术的插卡结构设计,实现无紧固螺钉条件下6MPa高压密封。特殊的接口设计，可防止插拔反应器时，液体溅出。
06
连续化工艺开发从此革新
与传统的“批次化学”相比，“乐高”积木式组合的MO-FLOW-S微反应合成平台，各系统单元及微反应器均可快速插拔式更换，兼容性及便利性高。
解决连续流工艺开发过程中遇到的供液不稳、合成效果难预判、过程数据记录缺失、统计分析、合成结果监测难、设备占地面积大，更换微反应器繁琐，自动化低等，制约连续化工艺开发效率的痛点问题，从而加速研发、生产中不同工艺条件开发及验证。
可选配在线样品采集器，定时对反应产物采样，省去人工取样困扰；
可选配在线傅里叶红外或在线紫外检测器，可实时监测反应结果，快速优化工艺路线；
可连接高压气液分离器，实现高压下任何流量、气液在线连续分离；连接液液分离仪，实现不互溶液体连续在线分离，建立自动化、智能化、连续体系。
MO-FLOW-S微反应合成平台搭载供料单元、在线压力控制单元、微反应器工作平台、在线检测单元、在线样品采集单元等多个单元，各单元可根据应用需求快速更换，适合研发、生产中不同工艺条件开发及验证。
MO-FLOW-S微反应合成平台
一个通风橱就是一个反应平台；
一个平台可做1000+种反应；一天可以筛选百个以上的工艺条件；
一台设备可更换60种反应器（含光化学反应器）；
业内首创插拔式高压微反应器，一插一拔，反应器可在3秒内快速更换，反应器内置数字芯片（升级后可显示反应器的RTD,分隔因子，持液量，通道类型，型号等参数）；
全流程自主精准控制、内置大数据案例，向导式，界面操作；
工作压力可达到6MPa，持液体积有3ml——50ml，通量可达到600ml/min，864L/天；
体积小可放通风橱内，节省实验室宝贵空间；
主动及被动安全保护设计装置，一键紧急停止按钮保护，实现化工过程全生命周期本质安全；
(内含4个微反应器快速插拔卡槽)(每个反应器持液量3mL或10mL)
配套的专用软件工作站，提供实验方案设计、数据跟踪采集记录，检测结果实时分析及多种报告格式输出等功能。强大软、硬件功能；配置灵活、丰富，积木式组合的模块单元；将流动化学微反应技术的应用发挥到极致，是化学合成的一站式解决方案。
视频解读
流动化学微反应欧世盛整体解决方案
全自动微反应连续加氢
解决方案设备构成反应类型加料系统
硝基还原、氢化去硫反应
气路控制
单元
烯烃和炔烃的还原反应
温度控制
N-、O-去苄基化反应
反应单元
脱卤反应
压力控制
羰基化反应
氢气气源
腈类化合物还原反应
样品采集
吡啶芳香环衍生物还原反应
流动化学
管理系统
H-Flow管理软件
亚胺还原反应
平台型装置
点击设备名称，了解详情
微反应器能解决哪些问题
液液均相反应器
反应类型
硝化反应、磺化反应、锂化反应、格式反应、取代反应、高温关环反应……
液液非均相反应器
中和反应、氧化反应……
气液反应器
氧化反应（O2）、钯催化的Heck羰基化反应（CO）CO2气体参与的反应……
光化学反应器
芳环或杂环的三氟甲基化反应、烯烃加成反应、自由基反应……