基于HAZOP与RiskSystem分析的高校化学实验室安全管理

刘金昌 解强

摘  要：高校实验室安全管理模式落后、效率低下、效果不佳，事前查明安全隐患、分析事故风险、制定合理有效的应急预案与处置措施是完善实验室安全管理的技术途径。以化学吸收气液平衡数据测定实验为例，采用危险与可操作性（HAZOP）分析与环境风险评价系统（RiskSystem）软件对实验室安全事故的危险源、事故风险、保护措施、应急预案与处置措施等进行全面分析研究，探讨安全隐患开展风险预测与模拟分析在高校实验室安全管理应用的可行性。结果表明，依据HAZOP分析结果确定潜在安全隐患及其风险级别，制定保护措施和应急预案;RiskSystem分析计算出有毒有害物质泄漏后的扩散规律，指导合理可行的应急预案与处置措施的制定。HAZOP、RiskSystem分析等软件和工具的应用可明显提升高校化学实验室安全管理水平。

关键词：高校化学实验室;安全管理;HAZOP;RiskSystem;模拟分析

中图分类号：X921        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）23-0020-04

Abstract： The safety management model of university laboratories is backward， inefficient， and ineffective. Identifying potential safety hazards and analyzing accident risks as well as formulating reasonable and effective emergency plans and disposal measures is an effective technical methods way for improving laboratory safety management. Hazard and Operability（HAZOP） analysis and environmental risk assessment system（RiskSystem） software were adopted to analyze the hazard sources， accident risks， protective measures， emergency plans， and emergency plans of laboratory safety accidents by taking the chemical absorption gas-liquid balance data measurement experiment as an example. A comprehensive analysis and study on disposal measures were conducted and the feasibility of risk prediction and simulation analysis was explored for safety management in the university laboratory. The results show that the potential safety hazards and their risk levels were determined based on the HAZOP analysis results， and protective measures and emergency plans were formulated; the diffusion law of toxic and hazardous substances after leakage， and guided reasonable and feasible emergency plans and disposal measures by RiskSystem simulation analysis. The application of HAZOP and RiskSystem analysis can significantly improve the safety management level of the university chemical laboratory.

Keywords： university chemical laboratory; safety management; HAZOP; RiskSystem; simulation analysis

實践教学是高校人才培养的重要环节，尤其对于理工科专业，先进的实验教学方式、丰富的实验教学内容，对培养具备应用能力、创新能力与操作能力的复合型人才具有重要意义[1]。由于化学、化工、材料、环境及能源等专业知识体系的特点，在实验教学过程中，经常使用到易燃易爆、强酸强碱、压缩气体以及有毒有害的化学试剂与介质，也会使用到高温高压的实验设备，存在引发火灾、爆炸、中毒和窒息等安全事故的风险。近几年来，高校实验室安全事故频发，造成了巨大的人身伤害和财产损失[2]。高校化学实验室的安全管理工作需要更多的关注与重视。

当今，高校的安全管理部门多采用干预式和责罚式的模式管理化学实验室，即采用不定期、高频率的安全巡视方式，检查实验室中不规范的地方和颁布有关严肃处理实验室安全责任人的相关条例来预防安全事故的发生。显然，管理人员工作繁琐、效率低下，且常在事故发生后才能查明原因，管理严重滞后[3]。提前明确安全隐患、预测事故风险以及制定合理有效的应急预案与处置措施对于预防化学实验室安全事故的发生具有重要意义，也是让高校实验室安全管理工作能够做到“防患于未然”的重要手段。然而，迄今针对实验室存在的安全隐患开展风险预测与模拟分析鲜有报道[4]。

本文利用危险与可操作性（Hazard and Operability， HAZOP）分析方法对化学实验室潜在危险源和安全隐患进行识别，并结合化学吸收气液平衡数据测定实验的实例，使用环境风险评价系统（RiskSystem）软件模拟分析安全事故发生后的有毒有害物质的扩散规律，为应急预案和处置措施的制定提供参考依据，进而为高校实验室安全管理工作的开展与实施提供理论指导。

一  实例分析

化工专业实验是化学工程与工艺、能源化工等专业实践教学的重要组成部分[5]。中国矿业大学（北京）化学工程与工艺专业开设的化工专业实验课程包括化工热力学、化学反应工程及煤化学化工三个模块。化工专业实验教学过程中，经常用到有毒有害化学试剂及高温高压设备，因而安全管理工作必须覆盖和深入到每一个教学环节中。

本文以化工专业实验中常用的化学吸收气液平衡数测定实验为例开展研究。

（一）  实验简介

化学吸收是工业中气体净化和回收的常用单元操作，例如脱除化工过程副产的低浓度CO2等，通常采用热钾碱吸收或有机胺溶液吸收[6]。实验采用了气相内循环动态法测定乙醇胺水溶液吸收CO2过程的气液平衡数据。实验需要使用到N2、CO2、乙醇胺及浓硫酸等化学试剂，操作压力約为0.5 MPa、操作温度80 ℃，需配置的乙醇胺水溶液和稀硫酸浓度均为2.5 mol/L。

（二）  HAZOP分析

HAZOP分析是基于一些特定的引导词，定性地分析工艺过程与装置设备中潜在的危险源和安全隐患，并提出相应的整改与预防措施[7]。HAZOP分析首先要确定工艺过程的节点。CO2-乙醇胺水溶液吸收实验过程可以划分为准备、操作与分析三个节点，具体见表1。

在HAZOP分析中，定义各工艺节点正常运行的变量参数为标准值，其认为潜在危险源和安全隐患的起源是各工艺节点运行过程中产生了与标准值之间的偏差，并采用引导词和变量参数来判定偏差的方向和限度[8]。表1中详细列举了CO2-乙醇胺水溶液吸收实验中各节点的变量参数，并根据引导词明确了各变量参数可能出现的偏差。继而，由专业人员组成的专家小组根据各偏差的产生原因与安全隐患展开详细分析，并提出有效保护措施及应急预案建议，见表2。

通过HAZOP分析可知，在CO2-乙醇胺水溶液吸收实验的准备节点中，乙醇胺溶液预热温度过高以及乙醇胺溶液和稀硫酸溶液配置浓度过高是引发安全隐患的主要因素;操作节点中，充入系统的气压过大、吸收池温度与液位过高是导致安全事故发生的危险因素;分析节点中，取样时吸收液放出流量过大时主要的安全隐患。因此，实验室安全管理工作开展时要注意上述几点安全隐患;并针对性地制定应急预案，从而预防安全事故的发生。

（三）  RiskSystem分析

乙醇胺属于危险化学品，若接触皮肤，易造成严重皮肤灼伤和眼损伤;乙醇胺具有类似氨的强刺激性气味，吸入与吞入均有害[9]。因而乙醇胺的泄漏势必对实验人员和周围环境造成危害。RiskSystem软件可以模拟分析有毒有害物质泄漏后的扩散速度与范围，为事故发生后及时制定有效的应急处置措施提供有力的参考依据。

CO2-乙醇胺水溶液吸收实验中，因误操作导致的典型安全事故有：①学生在配置乙醇胺溶液时打翻试剂瓶，造成乙醇胺试剂大量泄漏;②在实验准备阶段，因油浴锅加热模块或热电偶损坏，导致预热温度过高，造成乙醇胺水溶液沸腾溢出，造成泄漏。使用RiskSystem软件对上述两起安全事故中的乙醇胺泄漏过程进行模拟分析。在实验室通风橱或开窗通风等单一风源作用下的模拟结果分别如图1和图2所示。

由图1可知，当大量乙醇胺试剂泄漏时，以事故发生地点为中心，往下风向扩散。10 min后，乙醇胺就能够扩散至50 m×50 m的范围，浓度最高区域达到了161 mg/m3，整个50 m×50 m范围内的平均值约为100 mg/m3。根据美国制定的安全标准，车间内乙醇胺浓度不可高于6 mg/m3[10]。由此可见，当安全事故①发生后，即使在有通风橱等通风设施的保障下，实验室内已不再适合开展实验，应该紧急撤离实验人员，并由专业人员在配有防毒面具等专业防护工具的条件下清理泄漏事故现场。

当安全事故②发生时，因为此时乙醇胺水溶液已被加热到较高温度，加快了乙醇胺的挥发与扩散速度。由图2可知，事故发生10 min后，乙醇胺已经扩散至50 m×50 m范围。与安全事故①相比，因为不是纯的乙醇胺试剂，所有浓度分布较低，但浓度最高区域也达到了32 mg/m3，整个50 m×50 m范围内的平均浓度约为20 mg/m3。此时实验室内的乙醇胺浓度已经超过了美国制定的安全标准，不再适合实验开展，应当立即疏散实验人员，并按照相关要求清理泄漏事故现场。

综上所述，通过RiskSystem模拟分析，可以获得安全事故发生后的危险化学品等危险源的扩散与分布规律，为制定合理可行的应急预案和处置措施提供理论指导。

二  结论

以化学吸收气液平衡数据测定实验为例，采用HAZOP和RiskSystem分析对高校化学实验室安全事故进行了全面模拟分析。HAZOP分析发掘了实验过程中潜在安全隐患，并根据其风险级别制定保护措施和应急预案;RiskSystem分析计算出有毒有害物质泄漏等安全事故发生后危险化学品的扩散与分布规律，并根据计算结果制定合理可行的应急预案与处置措施。将HAZOP分析和RiskSystem分析联用，可以为提前明确实验室中的安全隐患、预测事故风险以及制定有效合理的应急预案与处置措施提供有力的理论指导，从而改善高校化学实验室安全管理工作的效率与效果。

参考文献：

[1] 李太平，马秀春.走向“实践”关怀：教育类研究生培养的理性选择[J].高等教育研究，2019，40（2）：55-60.

[2] 许华杰，王先桂，田多，等.民办高校化学实验室管理中的HAZOP分析应用研究[J].广东化工，2020，47（4）：225-227.

[3] 闫春霞.新形势下高校本科教学实验室建设与管理的探讨分析[J].创新创业理论研究与实践，2021，4（15）：181-183.

[4] 张苏，王雅先，王金贵.基于蒙特卡罗法的高校实验室行为风险分析[J].实验技术与管理，2021，38（9）：279-284.

[5] 翟雪，乔金硕，孙旺，等.能源化工专业实验教学模式的探索与改革[J].实验技术与管理，2020，37（11）：205-208.

[6] 王冬涵.用于吸收解吸CO2实验的有机胺类吸收剂筛选及性能研究[D].北京：北京化工大学，2020.

[7] 郭丽杰，康建新.HAZOP分析方法在化工原理实验教学中的应用[J].化工高等教育，2021，38（1）：83-87，117.

[8] 董旺旺，吕兴连.HAZOP分析方法在环氧乙烷储罐中的应用[J].山东化工，2020，49（17）：121-123，126.

[9] 杨泽涛.基于RiskSystem模型液氨储罐预测分析研究[J].广东化工，2016，43（8）：44-46.

[10] Chemical Book.乙醇胺[EB/OL].https：//www.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB1218589.htm.

基金项目：中国矿业大学（北京）2022年本科教育教学改革与研究项目“《化工专业实验》安全准入机制优化研究”（J220307）;中国矿业大学（北京）2021年“课程思政”示范课程建设立项项目（SZ210401）

第一作者简介：刘金昌（1990-），男，汉族，江苏淮安人，博士，副教授。研究方向为化学工程与工艺教学及科研。