本質較安全設計

序
「本質較安全設計」是一種製程安全的設計理念，它主張設計者以「去除或減少製程中的危害，以提升製程本質的安全程度」。這種設計理念與傳統的理完全不同。傳統的理念是從不探討現有製程中是否有危害存在，只是應用工程與行政管理手段由外部控制或降低系統中的風險。換句話說，傳統的作法是增加外在的安全設施，並沒有提升系統本質上的安全程度。
二次世界大戰後，石油與塑化產品需求量大增，為了降低成本，不僅規模愈來愈大，高溫高壓製程與危害性物質使用量日益增加，外在安全與控制設施亦成比例成長。由於複雜度高，化工製程的安全操作日趨困難。任何操作上或設備的失誤皆可能造成可怕的災難。
1974年，英國傅立克斯堡（Flixborough, UK）人纖原料工廠爆炸事件發生後，震驚整個化工界，傳統的理念開始受到挑戰。工業界發現增加外在安全防護設施，僅能防止災害的擴散，卻無法去除危害。只有改善製程，去除危害因子，才可真正降低風險。
1978年，英國卜內門化學公司（Imperial Chemical Industries, ICI）的資深安全顧問克萊茲（Trevor A. Kletz）首先提出「以消除或降低危害，而不是以控制危害為原則」的設計理念。1990年，他又發表本質較安全的設計概念與策略。此後，本質較安全設計的理念開始在化工界發酵。1996年，美國化學工程師學會將相關工業案例彙總於《本質較安全化學製程：生命週期的途徑》（Inherently Safer Chemical Processes: A Life Cycle Approach）書中。2009年，美國化學工程師學會又將後續所發展相關發展彙總於第二版中。目前，「本質較安全設計」理念不僅普遍為製程設計工程師所接受，而且被奉為創新製程設計的圭臬。
自從103年12月我國勞動部訂定「製程安全評估定期實施辦法」後，從事石油產品的裂解反應，以製造石化基本原料或製造、處置或使用危險物及有害物的工作場所，皆必須實施製程安全評估。然而，絕大多數業者仍拘泥於傳統思維，發現危害後，僅消極地從外部增加安全設施，並未積極地去除危害，因此無法提升本質安全。
由歐美先進國家的經驗可知，實施製程安全評估只是邁向製程安全管理的第一步。雖然可以發現製程中的危害，但是仍須持續地去除危害，才能降低風險。製程安全評估有如健康檢查，如果僅執行健檢與吃藥打針，但不強化體質，僅能治標，卻無法長期維持健康。因此，必須強化製程本質，才能有效降低風險。
有鑑於此，筆者乃蒐集歐、美、日本等先進國家期刊中相關資訊與跨國公司的案例，撰寫本書，除了介紹本質較安全設計的基本理念外，並強調實際案例的應用。
本書分為基本概念、強化、取代、調節、簡化等五個主要部分，彙總於十個章節中。第一章與第二章分別介紹本質安全的基本觀念與設計策略，期以提供讀者一個基本架構。第三章至第七章則討論觸媒、單元設備、替代能源、反應器與製程單元整合相關的強化設計。取代、調節、簡化等相關設計則列入第八、九、十章中。
本書文字淺顯易懂，除了介紹基本觀念外，多輔以實例，盡量避免理論的探討與數學公式的演繹；因此舉凡大學工程相關科系畢業生皆可理解。本書除了可提供從業工程師參考外，並可作為研究所教科書。
筆者才疏學淺，雖廣泛蒐集資訊，但個人能力與資源有限，難以考量周全。未盡善美之處，不勝枚舉，尚祈學者專家指正。
本書承揚智文化事業有限公司葉忠賢先生鼎力支持，閻富萍小姐負責編輯與出版事宜，得以順利出版，謹在此向他們表示最大的謝意。
本書出版之時，適逢中央研究院院士葉玄博士（美國賓州大學前講座教授、工學院院長、工研院能源研究所創所所長）百年壽誕。葉先生望重士林，為連續體力學與磁流體動力學等領域的世界級大師，桃李滿天下。筆者當年曾蒙 先生提拔，有幸追隨左右，推動能源研究與發展。謹將本書獻給他老人家，以感激他知遇與教誨之恩。

張一岑
民國105年9月

序
「本質較安全設計」是一種製程安全的設計理念，它主張設計者以「去除或減少製程中的危害，以提升製程本質的安全程度」。這種設計理念與傳統的理完全不同。傳統的理念是從不探討現有製程中是否有危害存在，只是應用工程與行政管理手段由外部控制或降低系統中的風險。換句話說，傳統的作法是增加外在的安全設施，並沒有提升系統本質上的安全程度。
二次世界大戰後，石油與塑化產品需求量大增，為了降低成本，不僅規模愈來愈大，高溫高壓製程與危害性物質使用量日益增加，外在安全與控制設施亦成比例成長。由於複雜度高，化工製程的安全...

序 i

Chaper 1 本質安全的基本觀念 1
1.1 危害 2
1.2 安全與風險 2
1.3 本質安全概念 4
1.4 安全工廠 4
1.5 製程安全概念 6
1.6 製程安全策略 9
1.7 本質安全指標與評估方法 10
1.8 結語 16

Chaper 2 本質較安全設計策略 23
2.1 前言 24
2.2 定義 25
2.3 設計策略 26
2.4 實踐方式 31
2.5 迷思與限制 37
2.6 結語 39

Chaper 3 強化一：觸媒 41
3.1 前言 42
3.2 奈米級形狀選擇性觸媒 44
3.3 單層觸媒或反應器 49
3.4 雙功能觸媒 54
3.5 耐磨損觸媒 55
3.6 封閉式均勻相觸媒 55
3.7 兼具吸附功能的觸媒 58
3.8 薄膜觸媒 58
3.9 乾式沸石觸媒 60
3.10 結語 60

Chaper 4 強化二：單元設備 65
4.1 前言 66
4.2 結構化填料 66
4.3 碎形分配器與蒐集器 70
4.4 熱交換器 73
4.5 混和設備 88
4.6 蒸餾 93
4.7 薄膜分離 96
4.8 結語 99

Chaper 5 強化三：替代能源 103
5.1 前言 104
5.2 微波 105
5.3 超音波 110
5.4 光 116
5.5 超重力技術 129
5.6 結語 149

Chaper 6 強化四：反應器 155
6.1 前言 156
6.2 連續式反應器 156
6.3 振盪式流動化學反應器 160
6.4 旋轉碟反應器 164
6.5 微反應器 171
6.6 毫反應器 174
6.7 結語 182

Chaper 7 強化五：製程單元整合 185
7.1 前言 186
7.2 反應與混和 187
7.3 反應與熱能交換 195
7.4 反應與分離 203
7.5 結語 216

Chaper 8 取代 221
8.1 前言 222
8.2 取代策略 222
8.3 以低危害性物質取代高危害性物質 223
8.4 應用危害性較低的製程 239
8.5 結語 250

Chaper 9 調節 253
9.1 前言 254
9.2 稀釋 254
9.3 冷凍 257
9.4 調整操作與儲存條件 260
9.5 改變固體的物理特性 269
9.6 廠址選擇與評估 272
9.7 廠區布置 275
9.8 結語 282

Chaper 10 簡化 285
10.1 前言 286
10.2 強化設備結構與材料 287
10.3 避免造成人為失誤的機會 289
10.4 避免應用複雜儀控系統 294
10.5 去除不必要的設備 295
10.6 避免修改所產生的連鎖反應 295
10.7 整合與簡化的取捨 296
10.8 其他簡化案例 298
10.9 結語 299

附錄　本質製程安全檢核表 301

序 i

Chaper 1 本質安全的基本觀念 1
1.1 危害 2
1.2 安全與風險 2
1.3 本質安全概念 4
1.4 安全工廠 4
1.5 製程安全概念 6
1.6 製程安全策略 9
1.7 本質安全指標與評估方法 10
1.8 結語 16

Chaper 2 本質較安全設計策略 23
2.1 前言 24
2.2 定義 25
2.3 設計策略 26
2.4 實踐方式 31
2.5 迷思與限制 37
2.6 結語 39

Chaper 3 強化一：觸媒 41
3.1 前言 42
3.2 奈米級形狀選擇性觸媒 44
3.3 單層觸媒或反應器 49
3.4 雙功能觸媒 54
3.5 耐磨損觸媒 55
3.6 封閉式均勻相觸媒 55
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