从博帕尔到更安全的未来：运用 Stoessel 危险度指数保障工艺安全

想象一下：您正在一座宁静小镇的家中安然入睡，突然被远处的一声爆炸惊醒。几分钟后，天空变暗，一团有毒气体云朝您飘来。遗憾的是，此类事件已发生过多次，例如 1976 年意大利的塞韦索 (Seveso) 事件和 1984 年印度的博帕尔 (Bhopal) 事件。

这两起事件都与我们博客中反复提及的一个主题有关——热失控。当放热反应向周围环境释放能量时，就可能发生热失控。如果体系无法散去这些热量，温度就会升高。而随着温度升高，化学反应速率也随之加快，由此形成正反馈循环，可能造成灾难性后果，包括爆炸和危险物质泄漏。不过，情况并不像听起来那么严峻：在过去四十年里，人们一直在持续努力降低与化学反应相关的风险。正是此类事件催生了工艺安全工程。

在本文中，我们将介绍工艺安全管理中使用的工具之一：Stoessel 临界度指数。

四个关键温度……

Francis Stoessel 建立了一个框架¹，用于确定化学工艺的固有风险以及预防事故所需的缓解策略。为此，他定义了四个临界温度及其相互关系。

工艺温度——T_p：发生冷却失效之前工艺运行的温度。

合成反应最高温度——MTSR：MTSR 是指所有累积的反应物耗尽后，反应器可达到的最高温度。其计算方法是将工艺操作温度加上反应进行过程中引起的温升。因此，该数值取决于工艺设计（例如间歇、半间歇或连续工艺）。

TD₂₄——绝热过程（无热损失）中最大反应速率到达时间 (TMR) 为 24 小时所对应的起始温度。它代表失控反应在 24 小时内达到最大速率时的温度。

技术原因决定的最高温度——MTT：取决于具体体系，可以是沸点（对于开放体系），也可以是压力达到最大允许值时的温度。

……以及五种可能的情形

基于这四个温度，并根据它们数值之间的相对大小，会出现五种不同的情形。下面我们逐一来看。

情形 1——安全反应：MTT 和 MTSR 均低于 TD₂₄，因此这种情形被视为安全。但仍存在潜在危害，例如，如果散热不足，可用的溶剂可能全部汽化。

情形 2——热失控风险有限：MTSR 低于 TD₂₄。但在这种情形下，MTT 低于 TD₂₄，可作为一道屏障，阻止反应温度达到 TD₂₄。

情形 3——冷却失效导致的热失控风险：MTSR 高于 TD₂₄。这意味着 MTT 无法起到安全屏障的作用，需要对冷却进行密切监控。

情形 4——正常条件下可能发生热失控：MTSR 高于 TD₂₄。但 MTT 低于这两个数值，可作为第一层保护。

情形 5——热失控风险迫在眉睫：在这种情形下，MTSR 同样高于 TD₂₄。与上一情形不同的是，MTT 高于 TD₂₄。这使得该工艺极其危险，应尽可能避免，因为即使进行冷却也可能不足以控制。

追求更安全的未来

Stoessel 临界度指数已问世约 15 年，此后已成为通过评估热失控风险来设计更安全化工工艺的重要工具。随着各行业努力提高产量和效率，发生危险情况的可能性也随之增加。Stoessel 指数提供了一种系统化方法，用于评估潜在危险情况的风险。它根据产热与临界屏障（包括物理限制，如沸点，以及冷却能力）之间的关系对反应进行分级。由此，它为工程师提供了明确的指导原则，判断一个反应是可以安全进行（情形 1）、需要采取安全措施（情形 2 和 3），还是应当彻底重新设计（情形 4 和 5）。这种结构化的风险评估不仅提高了工厂内部的安全性，也保护了周边社区和环境，有助于防止类似塞韦索 (1976)、博帕尔 (1984) 和图卢兹 (2001) 的事故再次发生。

此外，Stoessel 指数倡导主动的安全理念，使工艺设计能够具备本质稳定性，而不是完全依赖外部控制或紧急干预。在社会迈向可持续发展的背景下，这种方法十分契合，既降低了事故发生的可能性，又减少了对资源密集型安全措施的需求。通过将安全直接融入化学工艺设计，Stoessel 指数有助于在更加可持续、更具韧性的化学工业中实现高效、安全的工业运行。

资料来源

1. Stoessel, F. Planning protection measures against runaway reactions using criticality classes. Process Saf. Environ. Prot. 87, 105–112 (2009).