喬·威爾莫特｜文 張微明｜摘譯

實驗室內的化學反應和規(guī)模化生產的化學反應，在化學、物理和操作方面存在巨大差異，這種差異是生產擴大要面臨的主要挑戰(zhàn)。規(guī)模化生產蘊含的風險，大多數(shù)都是因為熱損失發(fā)生了變化。

政府還制定了專門的文件來幫助企業(yè)識別和削減風險，如英國職業(yè)安全與健康執(zhí)行局（HSE）的《設計和操作安全化學反應過程》。熱損失變化還會帶來次生影響，如壓力升高、反應熱失控。

問題的背后涉及一個基本原因：反應器容量的增速大于表面積的增速。實驗室反應可通過表面散熱冷卻下來，但它無法在大規(guī)模生產中實現(xiàn)。舉例說明，1 cm3和1 m3的體積與表面積之比的差異：1 cm3的立方體表面積為6 cm2，體積和面積之比為1∶6；1 m3（100萬cm3）的立方體表面積為6萬cm2，比率為1∶0.06，這意味著相對冷卻能力也是100倍的差異。要想安全地規(guī)?；a，就必須考慮到這個效應。

眾所周知，大多數(shù)規(guī)?；a的風險是因為存在兩個要素，有時只需其中一個，有時兩個都會涉及：

一是許多反應是放熱的，由此產生的熱量可以安全地分散在實驗室環(huán)境中，因為它的量很小。如果擴大規(guī)模，體積和表面積之比降低，就需要額外的冷卻機制。

二是體量大的反應成分在某些條件下會變得不穩(wěn)定，如長期儲存、不被攪拌、人為操作不當。這會產生額外的熱危害，最好要避免或至少進行管理。

在各個階段建立過程安全

根據(jù)筆者的經驗，解決過程安全問題的理想方法應該是戰(zhàn)略性方法；讓所有職能部門，無論是財務、管理還是實驗室，都接受規(guī)模化生產的基本原則，理解其目的并致力于落實原則。這就為從實驗室到規(guī)?；a所需要的“設計安全”創(chuàng)造了基礎。

設計安全要求過程安全和操作者的安全高于所有其他表現(xiàn)，沒有什么比安全更重要。該如何實現(xiàn)這一點呢？

我們可以把過程安全的需求分為三大塊，每個都是降低生產安全風險，實現(xiàn)安全、高效擴大生產的重要步驟。方法如下：在探索階段，通過測試對潛在危險進行篩查；在化工過程開發(fā)階段，評估主要反應（包括可能的意外副反應）并盡可能消除或減輕危害；在擴大生產的階段，通過情景假設的方法來確定并實施適當?shù)陌踩刂撇呗浴?/p>

為了在擴大生產的過程中實施有效的化工過程安全，我們要在產品開發(fā)的每個階段考慮、識別并減輕盡可能多的熱危害和壓力危害。

危害測試和評估必須盡早開始，并在整個開發(fā)過程中持續(xù)進行。要采取系統(tǒng)化方法，讓人們在整個探索、過程開發(fā)和商業(yè)生產期間都有效合作。只有堅持不懈地將安全置于其他績效之上，才能達到最高的標準。

通過測試消除危害

為切實落實安全設計，筆者認為，可將測試分成探索、過程開發(fā)、擴大規(guī)模和生產四個階段。

探索階段

探索階段的測試比較粗略，通常能快速完成。我們要對原材料、反應混合物、原型產品和最終產品進行小規(guī)模樣本測試，這是了解重大危害的一種低成本方法，有助于避免在流程開發(fā)期間出現(xiàn)延誤，而任何延誤都會影響產品上市時間。因此，最好在早期階段就通過測試來決定我們對替代性、低風險化學品的選擇和對合成方法的選擇。

探索階段的危害測試要有足夠的數(shù)據(jù)支持，這樣才能讓團隊快速決策。

小規(guī)模的熱量測定能夠測量化學反應及狀態(tài)變化過程中釋放或吸收的熱量。它能測定原材料的熱特征，但無法提供壓力變化速度相關的關鍵信息。要知道，對規(guī)?；a最危險的反應是那些產生非可凝性氣體的反應，因為它會導致壓力快速升高，形成潛在的爆炸風險。

問題的解決方法就是在同一平臺上快速、同步進行溫度和壓力樣品測試。這個測試設備要能識別出起始分解溫度（Td）和壓力上升率（dP/dt）等基本數(shù)據(jù)，對任何材料提供強有力的初步危害評估。我們甚至可以將其作為經典的差示掃描量熱法（DSC）或差示熱分析（DTA）的補充甚至替代技術。

化工過程開發(fā)階段

過程開發(fā)階段也很關鍵，它能讓我們全面了解產品的理想合成路線。這個階段內，我們最好對以下三種連貫情景采用綜合性方法來評估危害并減輕其影響：對所期望的反應進行全面探索；說明如何避免反應熱失控；以及如何修改操作條件，以減輕或消除已識別到的危害。

圖1 化工過程要避免的潛在后果（紫色線是正常的反應溫度變化，綠色線是冷卻故障后達到的最高溫度，粉色線是冷卻失控會導致的意外副反應或分解反應，即二次熱失控）

筆者往往建議在過程開發(fā)測試期間進行廣泛、詳細的反應研究。在這里，要使用熱量測定的方法來評估主要反應和任何可能的、非預期的副反應或分解反應；然后通過優(yōu)化操作條件減輕危害。為此，我們首先要測量反應過程中熱特性的變化，這樣才能計算出規(guī)模化生產期間要保持反應的恒定溫度（Tp）工廠需要多大的冷卻能力。為了模擬工廠冷卻故障，我們還要了解主要反應在操作不當?shù)那闆r下會達到的最高溫度。

確保測試設備既能計算出合成反應的最高溫度（MTSR），又能對多種反應條件進行測試。這有助于我們了解反應的動力學。這些數(shù)據(jù)能讓我們評估出工廠是否有足夠的時間和冷卻能力來應對溫度上升，還能評估工廠的應急能力（見圖1）。

為了獲得完整的測試材料，還應該進行混合物危害測試。再將它與反應熱數(shù)據(jù)結合起來，來確定反應的危險性，以及怎樣定義安全操作條件。還要評估引發(fā)意外副反應或分解反應的風險；如果MTSR大于反應混合物中某個組分的起始分解溫度（Td），就有可能發(fā)生這種情況。同時，在研究廢物流時，要留意反應混合物中的任何壓力情況。

擴大規(guī)模

為保證安全，最好在規(guī)?；a之前進行測試，也就是說，只有當我們可以證明自己的方案能充分減輕各種危害，從最壞情況到后果小得多的情況，我們才能進行規(guī)模化生產。因此，規(guī)模擴大期間測試仍要繼續(xù)進行。

大規(guī)模反應通常是絕熱的，它們向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量非常少。這與實驗室的小規(guī)模容器非常不同，后者散熱的比例要大得多。這個差異是擴大規(guī)模會面臨的一個重要問題，如不加解決，生產過程會保留過多的熱量，最好的情況是工廠需要額外的冷卻來控制溫度，最壞的情況是引發(fā)熱失控反應。擴大規(guī)模階段的測試要模擬大規(guī)模生產的反應：反應和失控期間產生的熱量很少會傳導給反應器壁。

我們可以用專門的絕熱量熱儀來進行測試，反應容器的熱質量要小，產生的Phi因數(shù)較低（譯者注：在放熱反應中，部分熱量會被反應器吸收，這時會用Phi因數(shù)來形容。Phi因數(shù)高，意味著有大量的熱轉移到了容器壁）。

通過測試，我們就能獲得幾組關鍵的溫度數(shù)據(jù)。使用絕熱量熱法來確定起始分解溫度（Td），再利用動力學數(shù)據(jù)來計算達到最大反應速率（TMR）所需的時間、絕熱溫升（ΔTad）、壓力變化速度（dp/dt）。這幾組關鍵參數(shù)有助于我們了解熱失控的危害程度（見圖2）。測試中，我們既要模擬大規(guī)模生產的過程，又要以實驗室規(guī)模的反應體積進行操作，這樣更安全，成本更低。

圖2 規(guī)?；a中的熱失控特征

Phi因數(shù)低的樣品測試與大規(guī)模生產中的化學反應非常類似。要想成功實施測試，就要讓實驗室測試容器壁的熱質量更小，容器壁更薄。再與其他裝置相結合，消除熱損失，讓熱量重新回到樣品中。這樣，樣品會進一步被加熱，反應的熱失控的熱釋放率也會增加。

雖然高Phi因數(shù)的試驗也能實現(xiàn)類似的結果，但我們要對數(shù)據(jù)進行更大程度的操控，那樣將很難取得可靠的測試數(shù)據(jù)。

在產品開發(fā)的某個階段，我們可能要和第三方供應商合作。這種情況下，要保持同樣的安全預期，不能降低期待?？梢园阉麄円暈閳F隊的重要組成部分，把對質量和安全的期望延伸到他們身上。這就創(chuàng)造了一種氛圍，每個人都感到自己受歡迎，能自由分享觀點，讓安全成為每個人的首要考慮事項。以這種方式去增進理解，統(tǒng)一行動，會對工作效率產生積極影響，這也應該被視為對安全維護的一種關鍵投資。

總結

實驗室化學反應擴大到規(guī)?；a時，存在熱損失和壓力相關的風險，這是無法回避的事實。在產品開發(fā)的每個階段去識別、評估和減輕危害，才是面對化工過程安全的合理反應。盡早測試，廣泛測試，讓安全設計橫跨整個開發(fā)過程。安