1、本質較安全設計策略本質較安全設計策略與應用與應用陳俊瑜陳俊瑜 萬能科技大學 觀光與設計學院2013/04/26（Inherently Safer Design）報告大綱報告大綱n本質較安全設計策略演進n本質較安全設計策略運用時機n本質較安全十一種設計策略概說n本質較安全設計策略實例n結論本質較安全設計策略演進n本質較安全之觀念在文獻中可以找到最早的資料是有關1870 年代的碳酸鈉製程碳酸鈉製程。n當時製造碳酸鈉的方法，是將固態石灰由人孔倒入批式蒸餾塔進行反應，當倒入石灰時，蒸氣可能會逸出，造成勞工健康上的危害。健康上的危害。n當時是由Ludwig Mond 提出解決方法，建議將乳狀石灰代替固態
2、石灰乳狀石灰代替固態石灰，用幫浦抽入幫浦抽入蒸餾塔內，使勞工免於健康之威脅。n本質較安全的觀念當時雖然沒有成為正式的學說，但工業界為解決現實的問題已採用本工業界為解決現實的問題已採用本質安全的觀念進行製程之改進質安全的觀念進行製程之改進。本質較安全設計策略演進n1970年，英國勞波拉大學(Loughborough University)化工系Kletz教授(Trevor A.KletzTrevor A.Kletz)第一次將此觀念介紹給業界。n英國在1971年辦理工廠損失預防(Loss PreventionLoss Prevention)研討會，有兩位論文發表者即提出本質較安全理念的論文。其中貝
3、爾(Bell)提出製作硝化甘油製作硝化甘油的新製程可大大降低爆炸威力的新製程可大大降低爆炸威力。本質較安全設計策略演進貝爾(Bell)提出製作硝化甘油的新製程：新製程未加裝保護設備新製程未加裝保護設備，因保護設備會故障，但是他改進了攪拌作業使反應加速改進了攪拌作業使反應加速，庫存量也庫存量也因而減少因而減少，這種程序稱為強化作用(intensification)。該製程使用一個小型的、能充分攪拌混和的小型的、能充分攪拌混和的連續性反應器連續性反應器，可容納約1Kg 的進料及產品，來取代傳統的批式反應器。本質較安全設計之精隨與其裝置複雜的安與其裝置複雜的安全控制系統，不如避免有此需求全控制系統，
4、不如避免有此需求。本質較安全設計策略演進n英國在1974 1974 年發生了震驚全球化工界的傅立傅立克斯鎮爆炸案克斯鎮爆炸案，該事件造成28人死亡，36人受傷。由於意外發生於星期六，一般行政及工程支援人員休假，否則傷亡人數更高。n廠區內大火連續了十日，並波及附近社區，總共損壞1821 座房屋及167個商站、工廠。n這家尼龍原料工廠尼龍原料工廠的爆炸爆炸對於英國的化學工程界造成很大的衝擊，也引起了政府及民眾對化工安全的關注。本質較安全設計策略演進n災變發生後，安全考慮成為影響工程設計及工廠運轉的主要因素之一。該事件所洩漏洩漏出之化學物質量約有50噸，爆炸爆炸後果慘重是因為有太多可燃性物質在廠中，
5、共約有400400噸噸的庫存。n倘使庫存量沒有那麼多，工廠會比較安全倘使庫存量沒有那麼多，工廠會比較安全。庫存量大的原因在於反應的轉換率很低（每一循環約為6%），所以大多數的進料須回收或再循環使用。回收率若能增加，則庫存量可以減少。本質較安全設計策略演進n事發之後，大多數的關注焦點在於操作程序之改進、加裝安全互鎖裝置及安全系統、以及緊急應變之改進等。nKletz 卻提出不同的意見，他建議要改變製程以消除或降低危害，如此一來，也不需要再加裝安全系統了。n本質較安全之觀念在爆炸案後始被倡導，直到19901990年才被引進化學工業年才被引進化學工業。本質較安全設計策略運用時機張一岑、徐啟銘，1996
6、，化工製程安全設計，揚智文化，高雄，p5 危害情境危害情境n情境分析所考慮的重要條件是危害、事件序列、製程偏離、事故和後果，如下圖所示：本案例是美國Battelle公司，針對石化製程所發展的，但是基本觀念可適用於任何行業或製程，甚至可用於管理系統的失效分析。危害危害事件序列事件序列製程偏離製程偏離事故事故後果後果危害情境危害情境(續續)事件序列事件序列製程偏離製程偏離事故事故後果後果製程操作條件製程操作條件偏離原先設計偏離原先設計安全或正常操安全或正常操作範圍：作範圍：-流量中斷流量中斷-溫度升高溫度升高-液面降低液面降低-進料錯誤等進料錯誤等喪失物質和能喪失物質和能量的控制，造量的控制，造成
7、工安事故：成工安事故：-火災火災-爆炸爆炸-毒性物質毒性物質 外洩等外洩等人為疏失、設人為疏失、設備故障引發事備故障引發事件序列，最後件序列，最後導致工安事故：導致工安事故：-機器故障機器故障-操作步驟錯操作步驟錯 誤誤-設備失效設備失效-外來因素等外來因素等嚴重的後果嚴重的後果或損失：或損失：-人員傷亡人員傷亡-財物損失財物損失-營運中斷營運中斷-環境污染環境污染 等等危害危害具危害的物質具危害的物質和能量，在正和能量，在正常操作狀態下，常操作狀態下，均被有效的控均被有效的控制，常見的石制，常見的石化製程危害有：化製程危害有：-毒性毒性-可燃性可燃性-反應性反應性-高溫高溫-高壓等高壓等危害
8、危害事件序列事件序列製程偏離製程偏離事故事故後果後果危害情境危害情境(續續)本質安全設計預防矯正消減/應變工程控制策略工程控制策略控制 風險 控制策略 工程控制 管理控制 重大危害 應變與消減 防溢堤 外洩偵測系統 除毒抑制系統 消防噴撒系統 防火排煙閘門 緊急應變計畫 個人防護具 程序偏離 矯正 警報 連鎖迴路(系統)緊急關斷設備 線上備份系統 釋壓排放系統 故障保養 事故調查 稽核 故障原因 預防 本質安全設計 預防預知保養 標準操作程序 工作許可 訓練 變更管理 本質較安全十一種設計策略概說張國基、陳俊瑜，2006，”以本質較安全設計探討火力發電廠汽力機組鍋爐設備操作之危害預防”，化工技
9、術月刊，157期4月號，p195 本質安全設計本質安全設計的製程特性的製程特性強強 化化(Intensification)取取 代代(Substitution)減弱減弱(Attenuation)簡單化簡單化(Simplification)防呆設計(Making Incorrect Assembly Impossible)、狀態清晰（Making Status Clear)、容忍較差的操作或維修（Tolerance of Maloperation or Poor Maintenance)、易於控制(Ease of Control)發展具偵測(Detection)、預測(Prognosis)、診斷
10、(Diagnosis)及自我組構(Self-configuring)的系統經由製程方法設計及設備型式選擇達到減量之目的使用較低毒性、反應性、易燃性之原料、觸媒、添加劑、中間物或產物及其替代製程以低溫冷凍取代加壓程序、以濕式漿料取代乾燥粉體、.較少的洩漏點或較少操作錯誤的機會傳統設計傳統設計 改良設計改良設計精緻化的本質安全設計精緻化的本質安全設計1.1.強化強化(Intensification)(Intensification)n本質較安全設計理念原則上為儘可能採取製程必需的最小使用量n經由製程方法設計及設備型式選擇經由製程方法設計及設備型式選擇 達到減量之目的達到減量之目的1.1.強化強化(
11、Intensification)(Intensification)n本質較安全設計理念原則上為儘可能採取製程必需的最小使用量，i.e.使用量減少，所以投入的反應氣體、化學品也將減少，這也代表可以試著將反應器尺寸或截面積縮小，例如在爐管製程中多採用整批製造，改換為單片製造等方式來達成策略。2.2.取代取代 (Substitution)(Substitution)n取代即是使用比較安全之化學物質取代危害性高的物質，將不可燃、可燃性較低、或毒性較低等物質來取代可燃性或毒性物質，其中也要考慮中間產物之特性。另外，反應能量也是考量因素。n舉例來說，有些環氧乙烷(ethylene oxide)工廠使用大量
12、的沸騰鏈烷烴(paraffin)來冷卻反應管線，沸騰鏈烷烴比管線中作為反應物的乙烯(ethylene)和氧的混合物之危害還大。n現代的工廠則使用水來取代鏈烷烴做為冷卻之用。n丙烯酸酯的製作最初是使用Reppe 製程，由乙炔、一氧化碳、與醇類反應，使用毒性高的四羰醯鎳當作催化劑。其中乙炔受壓縮時具有爆炸性，一氧化碳具毒性，製造原料具有高危害性。n現在則將丙烯酸酯的製程改為將丙烯氧化產生丙烯酸，再經酯化製造成不同的酯類，製造過程避免了危害物質之存在，新舊製程之化學方程式如下所示。n除了反應物之選擇外，還可以思考溶劑之危害性是否可以減少。溶劑的使用對製程的本質安全有很大的影響，不同的溶劑會改變反應物
13、、中間產物、及產物之危害性。但是如果溶劑本身具有毒性或可燃性，則該溶劑對該製程來說也是一種潛在危害。n溶劑的危害性在考慮本質安全時也是不可忽略的。例如水性的乳膠漆取代溶劑性的油漆，不但能減低其對使用者之健康的危害性，對於工作人員之健康也是有大有幫助。n許多清潔作業或去除油脂作業已避免使用有機溶劑，而改用水性的去污清潔劑，以保護製造人員及使用者之健康。n舉一個聚合反應的案例，某個聚合反應需在有機溶劑中進行，採用慢慢加入批式反應器的方式完成。在此反應過程中，需使用大量的有機溶劑以保持該反應系統的低黏度，如此才能有效的進行混合與熱傳導。n如果聚合過程中發生失控情形時，大量的毒性及可燃性物質會經由破裂
14、盤洩出反應器，反應器必須具備緊急洩放系統。為了避免使用昂貴的緊急洩放系統，製程設計人員重新考慮該反應之化學特性，發現該反應可以在水中以懸浮聚合方式進行反應，反應過程中只需加入少量的溶劑即可完成。n由於水的熱容量較高，如果反應過程中因故有不當放熱時，水比溶劑可吸收較多的反應熱，因此減少了失控反應發生的可能性，危害性自然降低了。n選擇取代物質時要注意避免引進新的危害及風險。n例如，為了保護環境並預防對臭氧層的傷害，業界採用液化石油氣及氮氣來取代氟氯碳冷煤，但是若沒有適當的控制，有引起火災、危害安全與衛生之風險。3.3.溫和溫和(Moderation)(Moderation)n此策略也稱為減弱(At
15、tenuation)，主張使用危害性較小的操作條件、使用物質時以其危害性較小的形式使用之、或使用之設施可將危害物質或能量釋放之衝擊降至最低。n製程設計人員必須了解控制反應途徑及反應速率的因素，才能據以設計較低的操作溫度與壓力。催化劑常在本質較安全的反應中扮演重要的角色。n利用催化作用可以提昇產能的功能，不但可以使用較小的反應器，反應器周邊的設備及下游的純化設備也相對的可以使用較小的尺寸，同時，也可降低操作溫度與操作壓力，製程的危害性也因此而減少。n氨氣工廠1960 年代時所採用的操作壓力一般為600 bar，隨著科學家對製程化學之瞭解，製造氨氣所使用的操作壓力逐漸向下調整。n至1980 年代時
16、，製造氨氣所需之操作壓力已降至100150 bar，僅為50年前的四分之一以下。而此新的方法不但更有效率，且製造價格更為低廉。4.4.簡化簡化(Simplify)(Simplify)n在一個複雜的工廠中，不但人為過失機會較高且有更多的設備可能故障。此策略是指將製程及設施之設計盡可能簡單化，避免不必要的複雜性，以減少操作錯誤的機會，並且可以容忍一些操作失誤。n例如儘量避免中間產物之產生，減少中間產物之儲存需求，同時避免中間產物在工廠中之運輸路徑。n設備簡化的結果可能會產生其他的問題，譬如取代的設備本身之複雜度可能會增加，此時就要衡量二者之危害性高低再做最後決定。Separation of Pro
17、cess StepsnA multistep batch process can be carried out in a single vessel,or in several vessels,each optimized for a single processing step.nThe complexity of the batch reactor in Figure 3.7,with many potential process fluid and utility interactions,can be greatly reduced by dividing the same proce
18、ss into three vessels as shown in Figure 3.8.nThis is an example of an inherent safety conflict.The system in Figure 3.7 requires only one reactor,although it is extremely complex,and process intermediates never leave the reaction vessel.n The system in Figure 3.8 uses three vessels,each of which ca
19、n be optimally designed for a single task.Although each vessel is considerably simpler,it is necessary to transfer intermediate products from one vessel to another.n If one of those intermediate products is extremely toxic,it may be judged to be preferable to use the single reactor(a one pot process
20、)to avoid transfer of the toxic intermediate.n As always,the inherent safety advantages and disadvantages of each system must be evaluated with careful consideration of all of the hazards of a particular chemical process.Figure 3.7.A complex batch reactor for a multistep processFigure 3.8.The same p
21、rocess as Figure 3.7 in a series of simple reactorsn前面三種本質較安全的策略之實施，與製程之簡化常密不可分，製程之簡化有時雖不是刻意要求，但卻因製程之改變而自然形成，此策略常伴隨著前面所提的策略共同完成。n以上四種是本質較安全製程設計研究最常引用的策略，其他相關的策略也不斷的有專家學者提出。其他相關策略說明如下。5.5.選擇其他反應途徑選擇其他反應途徑n此策略與取代策略有相似處，主張除了使用較安全的化學物質外，可以改變反應途徑以減少製程上的風險。最廣為人知的改變反應途徑要屬1974年印度泊帕事件中，製造西維因殺蟲劑Carbaryl的化學反應。
22、n原來的反應過程為 甲胺(methylamine)+光氣(phosgene)=二異氰酸甲酯(methyl isocyanate)二異氰酸甲酯(methyl isocyanate)+-naphthol Carbaryln反應的中間產物二異氰酸甲酯即為該案件造成大災難的高危害物質，而經改變過的反應途徑是使用同樣的反應物，但反應順序有所變更，光氣與-naphthol 可以反應生成naphthyl chloroformate，再與甲胺生成所要的產物。在這個反應途徑下就不會產生二異氰酸甲酯，因此該物質之危害性自然就不存在了。n光氣(phosgene)+-naphthol naphthyl chlorof
23、ormate naphthyl chloroformate+甲胺(methylamine)Carbaryln在考慮選擇不同的反應途徑時，要考慮反應物、催化劑、溶劑、中間產物及所有反應中使用的化學物質之相容性。n例如，在某個放熱反應的製程中使用丙酮作為溶劑，當反應物之加入控制不當或冷卻系統失效時，溫度的升高會導致混合物劇烈的沸騰，有可能會造成反應器壓力過大並損失其內容物。n若將此製程之丙酮以沸點較高的甲苯取代之即能化解這個危害。6.6.儲存管制儲存管制n當所使用的化學物質無法減量或無法以危害性較少者取代時，則可以從化學物質使用方式著手，以該物質危害性最小的形式或最少的量來處理。n例如，大量的氨氣
24、、氯氣、及液化石油氣目前多以冷藏氣體的形式儲存，以低壓且沸點以下之條件儲存，而不是儲存在大氣溫度與高壓。如果在此種情況下發生洩漏，則洩漏的速度較低且蒸發的速度相對的也較小。n可燃性或毒性物質如果無法在現場製造，但有可靠及固定的供應管道，若採取每日送貨、或庫存低於設定值時才訂貨的方式，則其庫存量可巨幅地減少。若以此法管理庫存量，則即使有洩漏情形發生，雖然洩漏量仍是很大，還是減低其危害性。7.7.能量限制能量限制n此方法係限制製造程序中的可用能量來減低潛在危害。n其觀念在於為預防發生過熱情形，與其依賴安全互鎖裝置，不如限制熱交換液體的溫度，因為安全互鎖裝置有可能故障。8.8.限制失誤所造成的影響限
25、制失誤所造成的影響n此方法係指不是藉加裝保護設備，而是藉由設備之安全設計或改變使用條件來達到安全的目的。n除了本質較安全之設計策略外，可以加強工廠本質安全性之方法如下：1.避免連鎖或骨牌效應。2.使不正確的組合很難或不可能達成利用設備之 設計，必須要裝設完全正確才可以操作以避免錯誤的發生。3.將設備使用狀態（開或關）標示清楚提醒操作人員正確的狀況。4.將設備設計成無法進行錯誤的組合或操作。5.設備應該要能容易控制。高科技廠房的本質較安全應用實例高科技廠房的本質較安全應用實例製程特殊氣體及化學品供應的限制影響製程特殊氣體及化學品供應的限制影響 管路雙套管照片管路雙套管照片 高科技廠房的本質較安全
26、應用實例高科技廠房的本質較安全應用實例緊急停機按鈕照片緊急停機按鈕照片 避免骨牌效應及防愚策略的良好設計避免骨牌效應及防愚策略的良好設計 高科技廠房的本質較安全應用實例高科技廠房的本質較安全應用實例製程警示燈號製程警示燈號 製程操作與顯示面板製程操作與顯示面板 狀態清晰策略與軟體的良好設計狀態清晰策略與軟體的良好設計 本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境n理想的本質安全製程是能不使用危害物質，也不會產生有危害性的中間產物及最終產品，當然最好也不會產生有害的廢棄物；不但能在常溫常壓下操作，些微的操作偏離也不會影響製程，生產率高，而投資與操作成本也最好是很低廉。n但是現實世界與理想狀況
27、間有重重困難等待克服，例如，取代可燃性物質者可能是毒性物質，或者，是否要提高操作條件之危害來換取避免使用物質危害性等等。n同時，除非製程工程師確信本質較安全製程是可達到的，才有可能達到該安全標準。n這樣的訊息必須經由研討會、研習課程等各種管道傳達給相關人員，本質較安全的製程設計才會應用的廣泛。n雖然本質比較安全的設計觀念漸受重視，但卻不若危害及可操作分析（HAZOP）或定量危害評估受到採用。原因如下：本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境1.時間以及設計程序 改革所需的時間比修改原有設計所需的時間要長。假設行銷部門認為有必要建新廠以增加產能時，他們會要求儘快完成以免失去商機。因此，應
28、儘早洞察建築新廠的需求，以爭取時間來討論各種設計選擇，也可能因此節省下許多經費。2.對改變的抗拒 人們害怕新的製程或設備有可能產生意想不到的問題而影響到生產作業。本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境n約在1980 年的時候，一位國際化學公司的資深工程師曾針對人們對改革的態度做過調查。他研究了15 個送交給總公司的重要經費計畫書，除了其中一二個以外，均宣稱該計畫不含任何改革事項，並認為這樣的說法是一項優勢。他認為其中有一兩個案例是含有一些改革，但創始者卻希望隱藏起來。n綜合限制本質較安全製程發展，或者未能將其充分利用的因素說明如下：1.缺乏開發製程的時間，開發製程費時費人力，中小型的
29、企業不一定有人力與經費進行製程研發。2.擔心會遭遇不預期的問題，不可知的未來常會使人裹足不前。3.大型高額的工作計畫對承攬商或建築商更有利益，因此承攬商或建築商不會支持簡單化的小型建築。本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境4.缺乏標準化的方法以便於應用於製程危害分析，業者因無標準化的方法，無法確認所做的是否正確，缺乏實施的動力。5.缺乏被業界認可的、能融合本質比較安全理念於製程安全管理程序中的方法。6.許多使用這些方法的工作小組缺乏足夠的經驗與知識。經驗與知識是選擇最適當反應途徑之重要因素。本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境除了成本、人力、缺乏標準作業方法外，為實現本
30、質較安全設計的觀念，業者尚需克服的困難有：1.人們總是相信：庫存大量的危害物質是我們可以控制的。許多工程師認為其工廠具有之安全技術與管理技術足以預防或控制潛在的危害，認為該風險是可以接受的風險而不積極甚或反對進行本質較安全之改進。2.設計的程序必須改變，否則本質較安全設計無法實現。業者為了節省金錢，往往不願對已有的設計再做更改。本質較安全設計之推廣困境本質較安全設計之推廣困境1.要發展本質較安全的化學製程甚或較安全的產品並不是一蹴可及的，其需要改革性的思考方式並改變傳統操作模式。本質較安全的做法是可以達成的，或許在短期內並無利益可言，但從中長期來看是絕對具有經濟效益的。同時還可以保護所有相關工
31、作人員，甚或消費者的安全與健康，也能顧及環境之保護。2.本質較安全設計之觀念若能應用於製程研發階段則效用最大，但在工廠運作的各階段中皆可應用，惟應用於既有之設施時會有較多限制，但在製程變更時也是很好的應用時機。結論與建議結論與建議3.許多化學工程師或相關研發人員並不熟悉本質 較安全設計的觀念，這個觀念不但可應用於新工 程的設計，亦可應用於既有的設備與設施。4.在製程研發過程與變更既有設施時，該如何應 用本質較安全的策略，目前並未制式化，因此研發可靠的工具來辨識與評估適當策略是有必要的。而要推動業界採行本質較安全設計分析，需要一個簡單與有效的方法使得業界易於接受進而應用之。結論與建議結論與建議二
32、、建議依照目前國際發展趨勢及業界實務運作之需求，本質較安全設計之落實是業界提升安全衛生水準所必要之走向。於此僅將建議事項列述如下：1.建議化學工業將本質較安全之設計納入製程安全評估 中，以確保工作場所之安全。2.加強勞工安全衛生教育訓練課程內容規劃，將本質較 安全之觀念納入課程中。結論與建議結論與建議51AuditingProcessTechnologyOperatingProcedures and SafePracticesManagement ofChangeProcess HazardsAnalysisQuality AssurancePre-start Up SafetyReviews
33、Mechanical IntegrityManagement of“Subtle”ChangeEmergency Planningand ResponseManagement of ChangeIncident Investigationand ReportingContractor Safetyand PerformanceTraining andPerformanceMANAGEMENTLEADERSHIP&COMMITMENTMANAGEMENTMANAGEMENTLEADERSHIP&LEADERSHIP&COMMITMENTCOMMITMENT製程安全管理 (PSM/OSHA)參考資
34、料與文獻參考資料與文獻1.勞委會勞工安衛研究所研究報告，主持人:張承明博士，本質安全在化學製程設計之應用(2002年3月)2.Trevor Kletz，”process plants：a handbook for Inherently Safer Design”，Taylor Francis，New York（1998）3.張國基、陳俊瑜，”高科技產業製程本質較安全設計與應用之研究”，經濟部工業安全科技季刊，63期6月號，p18，2007 4.陳俊瑜、張國基，“高科技產業製程風險控制與本質較安全設計應用”化工，Vol.54，No.3，pp.33-48，2007 5.張國基、陳俊瑜，高科技製程機
35、台電系統本質較安全設計最佳化應用研究，經濟部2007年安全衛生技術輔導成果發表會暨文研討會，台，2007 6.張國基、陳俊瑜，高科技廠房製程風險管與本質較安全設計應用，2007年整合風險管學術研討會，高雄，2007 7.陳俊瑜、廖雁亭、張國基，“以本質較安全策略進行機台安全設計實例分析以TFT-LCD廠為例”，勞委會勞工安全衛生研究季刊，16期3月號，2008 8.張國基、陳俊瑜，”以本質較安全設計探討火力發電廠汽力機組鍋爐設備操作之危害預防”，化工技術157期4月號，p195，2006 9.陳俊瑜，“以本質較安全設計策略探討高科技製程安全與製程設備完整性”，化工，Vol.56，No.1，61-72，Feb(2009).10.陳春盛、陳俊瑜、謝明淇，“本質較安全策略進行冷卻水塔系統維護之探討”，工業安全衛生月刋，No.240，39-50，June(2009).
