化工過程本質安全評估方法研究進展與展望

朱佳興，郝琳，劉國釗，衛宏遠

（天津大學過程安全實驗室，天津大學化工學院，天津 300350）

可持續性是人類社會和生態系統長期發展的全球性問題。聯合國在1987 年給出了可持續發展最廣為人知的定義：“可持續發展是在不損害子孫后代利益的情況下滿足當代需要的發展。”可持續和發展的結合試圖將經濟增長與對環境保護和社會問題的關切結合起來。可持續性在制造業的發展也需要滿足可持續制造的要求，即可持續制造的發展道路需要平衡環境、社會和經濟方面。由于公眾環境意識的覺醒和政府嚴格的環境法律法規，將環境問題納入化工工藝設計已經引起了人們的高度重視。許多研究已經將環境問題整合到化工工藝的設計中。需要注意的是，將環境問題納入設計過程中的設計框架仍然是過程設計本身的框架，只是將環境問題的指標納入到了過程設計的評估指標中。制訂適當的量化環境績效指標是將環境問題納入過程設計中的主要障礙。這是因為環境績效評估缺乏一個普遍的約束性價值體系。化工設計人員可以很方便地根據流程信息和外部數據（如市場和公司數據）進行經濟指標計算（如成本或利潤等），但是還沒有相應的數據和資料來獲得行業普遍接受可以衡量環境表現的總體指數。盡管社會問題在學術界和工業界中都變得越來越重要，但將社會效應整合到過程設計中是困難的，目前大多數研究只考慮了經濟和環境因素，卻忽視了可持續發展的社會因素。此外，更好地理解安全與可持續性的關系有助于可持續發展的實施。這是因為安全這門學科與可持續發展具有相同的目標和責任，即經濟穩定、環境責任和社會保護。

本質安全設計（inherent safety design，ISD）是降低風險實現可持續化學設施的最有效的方法之一。本質安全的概念由化工安全領域的先驅者Kletz教授提出。如果不采取本質安全設計方法，化學設施遭受毀滅性事件的風險將更大。從以前的災難性化學事故中吸取的教訓表明了本質安全設計對人類、環境和社會經濟的可能影響。比如1984年印度博帕爾事件導致2000～8000人（統計來源不同）死亡。這場災難是由劇毒中間體異氰酸甲酯引發的，它的儲存量遠遠超過了可接受的安全限度。如果當時采用了最小化的中間體儲存荷載或者徹底沒有中間體儲存荷載這樣的本質安全策略或許可以避免這場災難。

目前關于本質安全設計的研究一般包括四個層面。第一個層面是闡述本質安全的理念、使用本質安全設計的好處。對本質安全的概念、原則、問題和好處的解釋，不僅可以促進對本質安全的討論，也為人們尋找解決方案和應用提出了挑戰。第二個層面是本質安全設計在實際案例中的應用，闡述如何在實際的化工設計過程中使用本質安全設計。第三個層面是本質安全設計水平的量化方法。這方面的研究目的是方便人們在化工過程中使用本質安全設計，對推動本質安全設計應用到過程設計框架中有著重要的作用。第四個層面是本質安全設計應用到過程設計框架中。將本質安全設計的思想耦合到過程設計的框架中，從而對過程設計的框架進行改進。需要注意的是，將本質安全設計納入過程設計中，可以參考將環境納入過程設計的方法和框架，而且和處理環境指標問題一樣，開發方便人們使用的量化本質安全水平的指標是將本質安全設計納入過程設計中的主要障礙。因此，本文將主要對本質安全水平的量化方法及其發展進行系統闡述，從闡述本質安全的基本概念、起源和發展入手，詳細介紹本質安全設計的使用策略、方法和機會，對本質安全設計評估方法的最新研究進展進行概述，并對其未來的發展進行了展望。

1 本質安全理念的起源與發展

本質安全（inherently safer）的提出迄今為止也不過四十多年，但這一理念在化學相關領域的第一次成功應用也許可以追溯到史前時代。當原始人類開始用燧石和鉆木取火取代森林火種時，他們無疑從根本上極大地降低了取火工藝的危險程度。1974年英國發生了嚴重的Flixborough事故，在這起環己烷裝置泄漏爆炸事故中，28人死亡，上百人受傷。這次事故引發了人們對化工設計、生產、監管各個環節的廣泛討論。受到這次事故教訓的啟發，1978年Kletz發表了標題為“What you don’t have，can’t leak”的著名論文，闡明了本質安全設計蘊含的哲學思想。本次報告被認為是本質安全的第一次正式介紹。本質安全這個概念的名詞則來自于由這篇文章擴充的一本書。1985年，本質安全設計的四大準則和策略—— 最小化（minimize）、 替代（substitution）、 簡化 （simplification）、 緩和（moderation）正式得到了確立，也標志著本質安全設計的正式確立。1985 年Kletz 將本質安全的概念帶到北美，1996 年美國化學工程師協會化學過程安全中心（CCPS）發布了第一版所謂的“黃金書”《Inherent safer chemical processes:a life cycle approach》。2010 年，美國化學工程師協會化學過程安全中心發布了對本質安全技術的定義。此外，本質安全這一理念和思想不僅僅應用到安全領域，也可以擴展到人員健康、環境保護中，形成了本質安全、人員健康、環境保護（Inherent SHE）的概念。

2 本質安全設計的使用原則和方法

1985年，本質安全設計的四大準則和策略——最小化、替代、簡化、緩和得到確立。隨著本質安全概念的發展，本質安全設計的策略也得到了發展。2010 年，Kletz 和Amyotte詳細闡明了14 種本質安全設計策略。CCPS指出這14種本質安全設計策略以及其他一些可能的方法都可以被歸納為本質安全設計的四大準則。

最小化策略是指消除或者使用少量的危害化學物質，這樣就可以降低危險的程度，所以一般也稱為強化（intensification）。替代策略是指用無害或危害性較小的物質或者材料去取代原來的化學物質或者材料，或者用一種危險性較低的工藝或加工技術代替危險性高的工藝或者加工技術。緩和策略是指使用較低危險或能量的加工或儲存條件，較低危險的材料形式或者設施，從而可以使危險材料或能量釋放的影響最小化（也稱為衰減和限制的影響）。簡化策略是指消除不必要的復雜性，降低操作錯誤發生的可能性，并且能夠容忍所犯的錯誤（也稱為容錯）的設計。

3 本質安全在化工過程全生命周期不同階段的應用

化工過程全生命周期可以分為過程設計階段、裝置建造階段和生產、運行、管理階段，最后一個階段是裝置拆除。過程設計階段包括研發階段（research and development，R&D）、概念設計階段（conceptual design） 或 叫 初 步 設 計 階 段（preliminary design）、 基礎設計階段（basic design）、 詳細設計階段 （detailed design engineering）。通常來說，早期設計階段（early design，ED）包括研究階段和概念設計階段。一般來說本質安全設計在早期設計階段使用可以發揮最大的好處，在后面的設計階段，傾向于使用安全防護裝置或設備。需要說明的是，使用本質安全設計的時候，存在信息可獲取性和使用本質安全設計可能性的矛盾，如圖1 所示。隨著過程設計的進行，可以使用本質安全設計的可能性和效果會降低，在早期設計階段使用本質安全設計是非常有效的，具有更多可選措施，并能最經濟地發揮最大的作用，但是在早期設計階段缺乏詳細的信息，使得進行安全評估和決策變得復雜。表1給出了化工過程不同階段可以獲取的信息。

圖1 整個過程生命周期的設計悖論和本質安全設計使用可能性及好處[16]

表1 化工過程不同階段可以獲取的信息

3.1 研究階段

研究階段主要目的是開發出合成產品的反應路徑，需要注意的是合成所需要產品的反應路徑可能不只有一個。在這個階段，化學家起主要作用，化學家有責任在這個階段使用本質安全設計去設計和篩選合適的反應路徑。在這個階段，本質安全設計可以發揮最大的作用而且改變設計的成本是最低的，這是因為這個階段擁有最高的設計自由度，在這個階段只有產品和規格要求得到了確定，其他的如反應路徑、設備等都還沒有確定。在選擇反應路徑的時候，需要全面考慮反應涉及的原料、中間體、溶劑的物理化學性質和安全性質，即MSDS（如毒性、穩定性、生物毒性、環境影響、相互反應性等）、反應數據（如反應熱、反應動力學和反應行為）等，從而獲取完備的數據，這些數據也是安全工藝放大和反應器設計的基礎支撐數據。此外，工藝工程師可以和化學家相互合作，從化學反應工程的角度出發給出反應熱安全（即熱產生和失控潛力）和技術可行性的相關意見，幫助化學家選擇合適的反應路徑和反應條件。

反應系統的本質安全審查需要評估反應條件（即溫度、壓力和濃度）及相關參數對過程敏感性的影響，從而避開參數敏感區域。此外，應確定反應系統中用到的化學物質之間發生失控反應、副反應或者二次反應的可能性，也要詳細研究過程污染（雜質、副產物、回收物料、殘留物和非預期物料流入）及其對反應系統的影響，這都會造成催化劑中毒、延遲反應、提高/降低反應速率和選擇性，從而導致過程中斷，也會造成相應的安全隱患（如雜質引起自催化反應，降低原料的熱穩定性）。需要重點說明的是，在研發階段重點在于物質熱穩定性和反應熱風險的研究，這方面的詳細研究方法可以參考國外著名反應熱風險專家Francis Stoessel撰寫的《Thermal safety of chemical processes risk assessment and process design》（Second, completely revised and extended edition）和國內化工安全專家天津大學衛宏遠教授主編的《化工安全》和《化工過程安全評估》等書籍，其中進行物質熱穩定性和反應熱風險判斷的有效工具包括絕熱量熱儀、差示掃描量熱儀（DSC）和反應等溫量熱儀等儀器。

在這個階段，可以使用替代、緩和、最小化策略來獲取更加本質安全的反應路徑和工藝條件。比如說可以使用替代策略來找到更加安全的反應路徑，選擇更安全、更環保、穩定和兼容性更好的原料或者反應溶劑，避免失控/副反應和化學分解的發生。同時，使用最小化策略盡量減小有害物質的濃度/荷載（inventory），從而減少失控和副反應的可能性和后果嚴重性，從而降低本質安全風險（inherent safety risk）。使用緩和策略來獲取合適的工藝條件，從而降低主反應失控/不需要的反應造成的嚴重程度，并為緊急泄放系統、報警系統或者人為干預提供足夠的反應時間。此外，通過引入特殊的添加劑和抑制劑，將有害物質的反應性降低到可接受的水平，如聚合反應添加阻聚劑，防止失控反應進一步發展。

3.2 過程概念設計階段

研發階段確定了化學反應路徑后，過程概念設計階段需要完成工藝流程的確定、完成工藝的質量和能量衡算并確定初步的設備布置圖，主要涉及使用過程綜合、過程集成和過程強化技術，并確定單元操作和設備。由于在研發階段確定了反應路徑，這一階段主要考慮分離階段和換熱過程。比如完成分離任務的單元操作，包括精餾、結晶、膜分離等，需要確定合適的單元操作。在這個階段，過程工程師可以關注過程的本質安全水平和單個設備的本質安全水平，可以使用替代、最小化策略去減少危害。通常來說最小化使用得更多，通過減少過程設備、管道、儲罐等設備中危險化學物質的荷載來提高本質安全水平。

以替代策略為例，更換萃取精餾、共沸精餾的溶劑，使用危害性更小（毒性、穩定性、反應性、燃燒性）的溶劑。此外，使用高效的溶劑可以減小過程涉及的荷載量，無疑可提高過程的本質安全性，同時提高過程的經濟性和環保性。這是因為蒸餾單元涉及大量的蒸汽使用，而蒸汽都是由燃料燃燒得到的，這涉及燃料的開采、運輸、燃燒，這一過程會產生大量的有害氣體和碳排放。

以最小化策略為例，通過過程強化技術去減少反應器、精餾塔中有害化學物質的荷載。用全混釜或者管式反應器等連續反應器或者半間歇反應器去替代間歇反應器，從而減小反應器中有害化學物質的荷載或者人員操作失誤的可能性，進而降低反應失控的后果和可能性。尤其對于放熱大的反應或者受到反應平衡限制的反應來說，可以使用反應精餾技術來降低反應失控的可能性、嚴重度或者反應器的荷載。針對放熱大的反應，反應精餾技術可以有效使用反應放出的熱量用于分離，從而提高過程的本質安全性。針對受到反應平衡限制的反應，提高反應的單程轉化率，從而避免需要大量的循環物流，簡化工藝流程和降低反應器荷載，提高了過程的本質安全性，而且減少了蒸汽的使用和設備的建造費，提高了過程的經濟性和環保性。針對精餾系統，可以使用低載荷的蒸餾設備，如薄膜蒸發器，并應考慮用于危險物質如熱敏性物質。針對換熱器，可以使用更加高效的換熱器，即減小換熱器的尺寸，從而減小換熱器中的危險化學物的荷載。管道里面的危險化學物的荷載是一個主要風險，可以通過管道的尺寸和管道的長度來減小管道里面的荷載，因此管道的合理布置需要得到重視。此外，過程強化技術通過減小物質的荷載、簡化流程設備或者降低換熱量來減小管道的尺寸、長度以及換熱器的面積，從而提高過程的本質安全性和經濟性。

3.3 基礎設計階段

基礎設計階段是在確定過程工藝流程圖（PFD） 的基礎上，確定詳細的管道和儀表圖（P&ID）、控制方案、水力學方案和工廠布局等。在這個階段可以使用緩和策略或者簡化策略。

以緩和策略為例，針對公用系統（冷熱公用系統），選擇溫度合適的公用系統可以消除意外的過度加熱或冷卻。如果使用過熱的熱源或者過冷的冷源，可能導致過度加熱（即高溫高壓）或過度冷卻（即凍結/堵塞狀態），從而造成許多操作問題，特別是發生人為失誤或者蒸汽閥失效時，合適的蒸汽溫度可以保證不會出現很高的溫度造成的物料二次分解或者物料過度蒸發造成超壓。此外，從多米諾骨牌效應的角度來看，適當的布局、間距和物理布置以及廠房的選擇，可以將化學事故的后果降到最低。以簡化策略為例，基本控制系統使用故障-安全設計，即輸入或輸出信號丟失，基本控制系統也應該被編程使其輸出到安全狀態，這是因為大多數設施都有可能發生電力或其他公用工程的失效。

3.4 詳細設計階段

詳細設計階段主要包括設備的機械設計、管道設計、結構設計、土建設計、電氣設計和規范以及配套服務設計，與工藝設計沒有關系。詳細設計階段是最后一個步驟，以適度的成本來改變過程設計。這是因為大多數設備是在詳細設計批準后購買的，一旦設施建成，改造的成本通常會顯著增加。雖然在詳細的設計過程中仍然存在整合本質安全策略的機會，但緩和、替代的可能性不大。然而，在這個階段還有許多機會實施簡化策略。

在管道布局上，檢查和核實管道布局，盡量減少含有有害物質的管道長度，并消除不必要的管道和死端管道。在設備材料的選擇上，對于腐蝕性、反應性和危險處理系統，需要特定的建筑材料。在某些情況下，例如在特定的工藝環境中，建筑材料可能與工藝流體發生反應，從而從物理上降低壁厚，削弱壁強度，這可能導致發生嚴重的事故，如物料泄漏。選擇腐蝕速率低的材料，制造過程中避免施工材料出現裂紋或凹坑，這是因為均勻腐蝕比非均勻、局部腐蝕更安全。

針對設備的機械設計有一個重要的本質安全設計——魯棒性設計（robust design），特別針對有毒有害的物質。其基本思想是通過容器的機械設計（增加壁厚）使容器可以承受可能到達的最大壓力，從而避免使用額外的保護層，如避免需要安全儀表層來關閉壓力源或者避免需要安全閥的開啟來泄壓。需要注意的是，整個系統需要采用本質魯棒性設計，按照木桶效應，如果整個系統不采用本質魯棒性設計，壓力還是會從最薄弱的地方泄漏出來。壓力的選擇需要進行認真、完整的評估和審查，比如針對反應失控，不僅需要考慮到主反應失控造成最大的壓力，也要考慮到主反應失控觸發二次反應的情況，這都需要利用專業的手段進行全面的反應熱風險研究。

對于不定期的工作，如清潔和維修，需要特別注意安全工作的實施。此時可以利用到替代策略，尋找本質上更安全的清潔劑（即使用不易燃/無毒/惰性材料）、手動工具（即防火/防爆）和工作機制（即提供氮氣保護或良好通風）。

3.5 其他階段

設計階段完成后，剩下的階段包括裝置建造階段，生產、運行、管理階段和裝置拆除階段。一般來說，在這些階段，使用本質安全策略的機會非常少。在工藝生命周期的操作和維護階段，很難去修改工藝條件或者更換化學物質，一些微小的改變也可能對工藝安全產生深遠的影響。比如pH 的微小改變可以顯著改變材料腐蝕速率。

4 本質安全評估方法的研究進展

本質安全評估方法主要方便工藝設計人員或者其他有關人員將本質安全設計應用到化工過程中。在過去十幾年間，人們提出了許多本質安全評估方法，但由于本質安全在SHE領域的應用范圍廣泛，在各個工藝階段的適用性以及本質安全除了關鍵原則之外也包含其他各種可能的原則，沒有一個統一的度量標準來評估本質安全。目前不同的研究者對于本質安全評估方法、分類都不同。本文結合前人的分類將本質安全評估方法分為5 大類：基于參數的得分索引本質安全方法、基于參數的數值索引本質安全方法、基于圖示的本質安全方法、基于風險分析的本質安全方法和基于多目標評價的本質安全方法。

可以利用圖2來說明和歸納本質安全評估方法的實現過程以及不同種類的本質安全評估方法的內在聯系。前面三種本質安全評估方法，即基于參數的得分索引本質安全方法、基于參數的數值索引本質安全方法、基于圖示的本質安全方法都可以歸結成一個大類，它們只是對安全水平計算的方法不同，即評分技術、數值計算、圖形展示三種方法。這三種方法對備選方案的危害水平進行量化，從而對備選方案中的本質安全危險水平進行排序，基于風險分析的本質安全方法則計算本質風險或者本質后果，從而選擇更安全的工藝設計。基于多目標評價的本質安全方法，提出通過經濟分析、安全約束、環境約束來實現可持續性的最佳決策。其中使用的本質安全目標函數都是前面開發的本質安全方法，如基于參數的得分索引本質安全方法、基于參數的數值索引本質安全方法、基于圖示的本質安全方法、基于風險分析的本質安全方法。

圖2 本質安全評估方法的實施框架圖

4.1 基于參數的得分索引本質安全評估方法

在基于參數的得分索引本質安全評估方法中，研究人員選擇與特定危險源相關的參數，然后根據參數的條件建立評分系統，在工藝評估的過程中，根據建立起來的評分系統和工藝的條件對工藝的本質安全性進行評分，從而獲得被評價工藝的本質安全水平。這種類型的索引方法提供了各種參數與事故發生之間的直接關系。

火災爆炸指數（fire & explosion index, F&EI）是最早提出的本質安全工具之一。F&EI 是由陶氏化學公司在1964 年開發出來的，并得到了許多關注。F&EI 基于物料和過程因素來做計算。F&EI計算包括物料危險、一般過程危險和特殊過程危險，然后將計算的F&EI 值轉換為暴露直徑。該指標工具還需要詳細的信息（如設備尺寸、材料荷載、PID 圖和繪圖計劃），這可能需要許多假設來獲得總的安全指標值。Khan和Abbasi提出了火災爆炸損失指數（fire and explosion damage index,FEDI）來對火災爆炸指數做進一步改進，改進的考慮主要有三個方面：陶氏化學提出的火災爆炸指數主要基礎在于物料因素，但是只考慮了化學能量（反應性），沒有考慮到物理能量（壓力能量）；物料因素與操作/工藝類型和工藝條件無關；在火災爆炸指數中，一般工藝危害和特殊工藝危害步驟也與工藝裝置/操作無關。由于這兩個指數的設計初衷就是用在設計階段的后期或者操作階段，需要很多詳細的信息才能完成分析，故F&EI和FEDI的完整模式不能用于早期設計階段。但是它們也可以簡化，以用于在概念設計階段來評估安全特性。

Lawrence說明了本質安全指數的目的，“提出指數是為了對一條化學路線的潛在安全或不安全程度進行評分。因此，該指數是一個本質安全指數。這個指數的設計是為了對一條化學途徑的本質安全進行定量評估。它的設計并不是非常準確的，因此它被定義為一個指數，給出了本質安全水平的指示。它是定量的，以消除路線比較中的主觀性。”Edwards 和Lawrence兩位先驅首次提出了基于參數得分索引的本質安全評估方法——本質安全指數原型（prototype index inherent safety，PIIS）。該本質安全指數原型由化學指標和過程指標組成，其中化學指標包括爆炸性、毒性、可燃性、荷載，過程指標包括壓力、溫度、收率。每個參數根據參數的范圍進行評分，以爆炸性舉例說明，如表2所示。在該本質安全指數原型中，采用爆炸上下限的范圍來表征爆炸性的大小，爆炸上下限的范圍越大，得分越高，也表示該物質爆炸性越高，越危險。每個參數根據參數得分表獲得本質安全水平分數，將每個參數的本質安全水平分數綜合起來獲得總的本質安全水平分數，來定量化所選路徑的本質安全水平。單個參數的得分綜合起來的方法是基于最壞情形假設，在計算化學指標的時候只考慮化學品性質（毒性、可燃性、爆炸性）的最大值。該指數應用到甲基丙烯酸甲酯生產工藝，并通過專家組評估的方法來確定該指數的準確性，專家評估和該指數評估的路線排序基本一致。這項開創性工作為后面的研究打下了基礎，后面的研究基本上都是以這項工作為框架進行的，一般來說有三個方面的修改，第一個是修改特定危險源相關的參數，第二個是修改參數評分系統，第三個是修改由單個參數得分得到總本質安全水平分數的方法。

表2 爆炸性得分表

PIIS涵蓋了大多數典型的化學危害，并提供了一個易于使用的程序來選擇本質更安全的合成路徑，但缺乏對工藝風險來源的充分考慮，于是Heikkil在PIIS的基礎上納入了更多了危險指示參數（設備類型、工藝結構的安全性、化學相互作用、主副反應熱、腐蝕性），修改了一些參數評分表，提出了一個修改的指標（inherent safety index,ISI），該本質安全指數考慮了更廣泛的危險源。為了提供安全評估的自動化，Palaniappan等開發出新的本質安全評估自動化工具（專家系統，i-Safe）。在這個本質安全評估自動化工具中，他們在PIIS 和ISI 的基礎上提出了一個新的本質安全指數，新的本質安全指數提出了額外的三個指數，分別是最壞化學指數、總的化學指數和最壞反應指數，通過這三個指數和總本質安全指數來對不同的反應路徑進行比較。他們將不易進行指數化的參數和問題采用啟發式的方法進行解決。此外，針對初步篩選的反應路徑，用圖形表示的方法對反應網絡進行可視化并進行詳細分析，反應網絡顯示反應原材料轉化為中間體、產品和副產品的路徑。在圖形表示方法中，反應由垂直條（vertical bar）表示，稱為頂點（vertex），反應物由圓圈表示，稱為節點（node），通過指示弧線連接反應及其相關物料，其中指示弧線來表示反應與相關物料（產品或者反應物）的關系。新的本質安全評估自動化工具可以用于反應路徑篩選和流程開發兩個階段。

無論是PIIS 和ISI，還是i-Safe 中嵌入的本質安全指數，都有一個共同的問題，即沒有考慮各種化學指標、化學品的量、設備數量之間的相互作用。而且需要考慮到一個事實，大量低毒性的物質也可能造成嚴重的后果，毒物毒性和毒物的劑量是有直接關系的。于是Li等采用每種物質的化學性質（如爆炸性、表現嚴重度）與流量相乘再求和的方法獲得了總的化學指數，過程設備指數采用設備的個數與單個設備的分數相乘再求和的策略，提出了增強性本質安全指數（enhanced inherent safety index,EISI-1）。該本質安全指數消除了ISI 和PIIS總本質安全水平指標計算方法的缺陷，在ISI 和PIIS方法中，計算總本質安全水平按照最壞情況假設考慮的，在計算化學指標的時候只考慮化學品性質（毒性、可燃性、爆炸性）的最大值，計算過程指標的時候只考慮過程參數，而沒有考慮過程設備的多少和復雜性。Gangadharan 等于2013 年提出了新的本質安全指數（comprehensive inherent safety index,CISI），該本質安全指數是對EISI 的改進，增加了過程連接分數指標，過程連接分數用來解釋相互連接單位增加的風險。這是因為相比簡單的工藝，大量的回路或高度互連的單元會增加過程的危險性。

在流程設計階段（概念設計），基于參數得分索引如PIIS 和ISI 都受到流程數據缺失的影響，Leong 和Shariff提出了工藝設計模擬器與本質安全指標直接集成的方法，提出了本質安全指標模塊（inherentsafety index module,ISIM），克服了這個缺點。這個新的框架允許從過程設計模擬器中提取和分析過程信息，來確定本質安全級別，Leong 和Shariff利用案例，基于Heikkil提出的ISI，結合過程模擬展示了ISIM在本質安全應用的能力。

除了只考慮過程安全因素，部分研究者還考慮到更多的因素，如職業健康、生物安全因素，拓展了本質安全評估的應用范圍。Hassim和Hurme將本質安全的概念拓展到職業衛生的領域，提出了本質職業健康評價指數（inherent occupational health index,IOHI）來評估工藝研發階段中工藝路線的健康風險。該本質職業健康指數采用了基于分數的方法，該本質指數包括物理和過程危害指數（index for physical and process hazards）以及健康危害指數（index for health hazards）。物理和過程危害指數表示工人接觸化學品的可能性，而健康危害指數則描述由于接觸而產生的健康影響和危險。此外還比較了用三種不同的指標計算方法，即加和型、平均型和最糟糕的案例類型。結果表明，基于平均和最壞情況的方法比基于加法的方法更好地分析了路線的特征，因為加法的方法主要受路線步數的影響。此外，還制訂了該指數的量化標準尺度，以便對單個過程進行健康水平評估。隨著工藝階段的不斷進行，Hassim 和Hurme制訂了在概念設計階段使用的HQI（health quotient index）和在基礎設計階段使用的OHI（occupational health index）。基于IOHI的方法，研究者基于分層保護（LOP）控制策略提出了一個更全面的衡量標準——本質增強的職業健康評價指數（enhanced inherent occupational health index,EIOHI）。Liew 等采用著名的本質安全指數（PIIS）、本質職業健康指數（IOHI）和本質環境毒性危害（IETH）的方法，分別對本質安全、健康和環境友好性進行評估，提出了基于SHE 的本質安全評估方法（inherent SHE assessment tool-1,ISHEAT-1），該本質安全評估方法用于研發階段，隨著工藝階段的不斷進行，Liew等制訂了在概念設計階段使用的ISHEAT-2和在基礎設計工藝階段使用的ISHEAT-3。Wei等于2019 年基于ISI 的框架納入了生物本質安全因素，提出了一個新本質安全指數（comprehensive inherent safety index，EISI-2），該本質安全指數提供了一個全面的化學、物理和生物危害分析。

基于參數索引的本質安全設計評估方法一般都事先建立固定的參數評分系統，但是當研究的系統發生變化或者發生重大改變時，預先定義的參數評分系統可能失效。Sultana 和Haugen提出了系統本質安全指數（inherent system safety index, ISSI）用于概念設計階段，該本質安全指數的特點是參數的評分基于它們與無害條件的偏差。首先通過定義一個無害系統的本質安全特性和相關參數，根據非有害系統的特性，利用其相關參數建立了四個分類指標，參數的評分是基于它們與無害條件的偏差，由各參數偏差之和得出本質安全指數的值。此外，這種方法也考慮了與化工工業有關的各種工藝參數之間的相互作用，但是正如該文所說，許多其他的相互作用沒有被考慮，例如，環境蒸汽壓與閾極限值之間的相互作用和相變與閾極限值變化之間的相互作用。

根據上面的分析，對基于參數得分索引本質安全評估方法進行總結，基于參數得分索引本質安全評估特別是PIIS、ISI 等方法具有易于理解、方便使用等特點。不需要過多的信息，不需要詳細計算工藝的物料平衡和能量平衡，只需要知道各個工藝的基本工藝參數和涉及的化學反應，非常適合用在研發階段反應路徑的篩選，也適用于概念設計階段，比如EISI，由于EISI、CISI 需要計算流量數值，需要知道基本的物料平衡，更加適用于概念設計階段，也可以用于研發階段。基于SHE 的本質安全評估方法納入了更多危害因素（SHE），可以對工藝進行更加全面的評價。

需要指出的是，基于參數得分索引本質安全評估方法存在一些缺陷。第一個問題是它在子區間內的敏感性較低，但是在子區間兩個端點處的靈敏度較高（如溫度子區間[50～100℃）得分為1，[100～150℃）得分是2，那么溫度為51℃或者99℃的時候，指數得分都是1，溫度為100℃得分為2）。根據區間得分建立的評估手段都有這個缺陷，這是因為得分函數是一個離散函數，評估的時候就是離散的，而不是連續的。為了解決這個問題，需要發展連續的得分函數。第二個問題是維度問題。為了方便對工藝進行排序，一般將單個參數的得分進行加和得到一個總的本質安全指數。為了使有不同單位的參數（如溫度、壓力）可以進行加和處理，那么得分表中不同參數的相同得分具有相同的意義，比如200～299℃和141～250psi（1psi=6894.76Pa）的得分均為3，那么意味著溫度范圍200～299℃與壓力范圍141～250psi相比，具有同樣的危險，顯然這是無法確定的。而建立這種等價性（相等風險矩陣）是一項巨大的任務，成本也巨大。此外選擇溫度（℃）、壓力（atm，1atm=10Pa）、荷載（t）等具有不同單位的參數進行相加，并通過相加得到的值來對不同路線進行比較，這從化工科學的角度是不可接受的，有些研究者在這方面做出一些努力，如Srinivasan 和Nhan使用主成分分析（PCA）來解決所選危險指數的主觀比例和權重問題；Gao等使用層次分析法（AHP）對5M1E 安全指數進行分級匯總。他們的努力為提高本質安全指數的嚴謹性、準確性和精確度提供了良好的方案。第三個問題是主觀和任意擴展的評分得分表，在建立參數評分表時，有些參數的標準是根據一些公認的標準建立的，有些參數是根據經驗判斷的。比如說可以根據化學物質的閃點和沸點來判斷物質的可燃性，芬蘭立法根據化學物質的燃點和沸點對其可燃性進行分類。這類似于歐洲聯盟關于危險物質的指令。其中火災爆炸指數和PIIS也采用了類似的方法。于是這就造成每種基于參數得分索引本質安全評估方法的參數評分表都是不同的，沒有一個統一的標準，采用不同的評估方法得到的結果可能不同，在使用過程中要仔細閱讀使用說明。第四個問題是與化學安全相關的物性都來自于標準狀態下的純化合物（如環境壓力和溫度）。由于在真正的化學過程中混合物和操作條件往往與標準狀態相距甚遠，有可能標準情況下該物質是安全的，但是在操作條件下是危險的，因此需要考慮到操作參數與危險性質的關系，也要考慮到混合物中不同參數的貢獻和參數間的相互作用。未來的研究需要緩解這些缺陷帶來的問題。

4.2 基于參數的數值索引本質安全評估方法

基于參數數值索引本質安全評估方法則是使用另一套方法獲得連續的得分函數，通過連續得分函數，解決基于參數得分索引的本質安全方法工具在子區間敏感性很低而在子區間兩個端點處靈敏度很高的弊端。Gentile等基于模糊集合理論，建立了一個模糊邏輯指數本質安全工具。模糊邏輯是基于隸屬函數（）描述的集合部分隸屬的概念，當元素完全屬于集合A 時，隸屬函數等于1，而當元素完全不屬于集合A 時，隸屬函數等于0，部分屬于在（0,1）區間內。一個模糊變量是一個語言變量（linguistic variable），語言變量表示一個變量，其值為單詞或句子中的自然或人工語言，比如說人的年齡，如果不用數字去表示（15歲），而是用語言的值（如很年輕、年輕、不太老）表示的話，年齡就是一個語言變量。模糊變量的討論域由隸屬函數劃分為模糊集，隸屬函數表示該模糊集的隸屬度。模糊集表示特定輸入值的語言變量的語言值。比如說環境溫度分為低、中、高三個模糊集，假設環境溫度為20℃，則它部分隸屬于低模糊集，隸屬函數為0.1，它也部分隸屬于中模糊集，隸屬函數為0.4。基于模糊邏輯和可能性理論，對本質安全性評價中涉及的不確定性進行了理解，并對其進行了適當的數學處理，通過模糊集提供的平滑和漸進過渡，可以消除區間內的高低靈敏性問題。該方法解決了傳統ISI 方法在評分技術方面的不確定性、主觀性和區間內的高低靈敏性問題。這種基于模糊邏輯的本質安全設計評估方法得到了研究者們的關注，Tadic 等將這種方法拓展到為食品進行本質安全性評估，關注到微生物、化學和物理危害。Song等于2018年在傳統PIIS和ISI的基礎上，不只是關注化學危害指數和工藝危害指數，而且納入了更多的危險因素，如過程安全、過程復雜性和操作性，提出了新的基于模糊邏輯的索引——本質安全性能指標（inherent safety performance indices,ISPI）。針對前面提出的模糊邏輯指數本質安全工具不能對本質安全水平進行優化的缺點，Vázquez等提出了一個新的模糊邏輯指數本質安全工具——可優化的模糊本質安全指標（optimizable fuzzy inherent safety index,OFISI），在原有本質安全評估功能的基礎上，優化本質安全水平。

不同于基于模糊集合理論，Leong 和Shariff基于定量后果的思路提出了新的本質安全指數（process route index，PRI），主要用于評價過程的爆炸性。該本質安全指數考慮了混合物的物性而不是單純考慮純物質的物性，此外還考慮了壓力和溫度對爆炸性極限的影響，該指數的參數可以很方便地從過程模擬軟件獲得，從而可以針對流程進行安全評估。Shariff 等基于PRI 的思想提出了過程物流本質安全指數（process stream index，PSI），將過程流程安全評估拓展到過程物流安全性的評估，過程物流本質安全指數允許過程設計人員識別最危險物流，從而可以將精力集中于最危險物流，使用本質安全策略降低風險。Zaini等將這種方法拓展到了毒物釋放的評估上，提出了過程毒性釋放指數（toxic release route index，TRRI）和過程物流毒性釋放指數（toxic release stream index,TRSI）兩個本質安全指數，分別用于評估路線和物流在毒性方法方面的本質安全水平。

一般來說，大多數基于指標關注的是整個工藝路線的選擇，針對單個設備進行本質安全水平評估。Pasha 等基于過程物流指數（PSI）相同的數學排列模式于2017 年開發出了單個管殼式換熱器的本質安全指數（inherent safety index for shell and tube heat exchanger，ISISTHE）。ISISTHE

關聯的參數包括過程壓力、校正傳熱對數溫差、燃燒熱和燃燒潛能（燃燒上下限的差值）。基于ISISTHE 指數，將單個管殼式換熱器的本質安全得分加和在一起，開發出換熱網絡的本質安全指數（overall safety index for heat exchanger network，OSIHEN）。Athar 等將過程物流本質安全指數進行修改，添加了物流相的指標，開發出新的本質安全指數（PCSI）用于管道的本質安全評估。但是上述針對設備的安全評估方法沒有考慮設備特性，Athar 等于2019 年將工藝設備的共同屬性整合為一種新技術（inherent safety assessment for process equipment,ISAP），在概念設計階段提供本質安全工藝設計。該本質安全評估方法包括三個部分：第一個部分是設備之間的距離，第二個部分是單個工藝設備的性質（包括組件的規格，即動設備還是靜設備、引燃源類型、設備的大小），第三個部分是設備的故障頻率。Athar 等于2020年提出了基于PRI 的方法，納入設備物料荷載信息，提出了新的本質安全指數——enhanced process route index（EPRI）。

Shariff研究團隊提出的基于參數的數值索引本質安全評估方法（基于PRI思路開發的具有相同數學規律的PRI、PSI、PCSI、ISISTHE、EPRI等）的優點是計算參數可以方便地從工藝流程模擬軟件獲取，也考慮了參數相互影響和不存在維度問題，非常適合用于早期設計階段的本質安全評估，特別是概念設計階段的本質安全評估工具。但是都只考慮了一種危險（如爆炸或者中毒），更為重要的是沒有考慮到反應危險性。此外，這種方法對壓力參數過于敏感，壓力參數往往覆蓋了其他參數的影響，因此針對壓力不變的過程無法使用（如萃取精餾、儲罐），而且與裝置生產能力沒有關系，但實際上工藝的風險與裝置生產能力呈現正相關關系，這是因為大的裝置生產能力會導致更大的物料荷載、更大的事故釋放率以及更復雜的管道系統。ISAP和EPRI 通過增加設備的物料載荷（即流量和停留時間）來解決這個問題，但是仍然沒有考慮熱風險，他們也沒有從上述角度出發解釋增加載荷的原因。

與上述的基于模糊邏輯和Shariff研究團隊提出的方法不同，Ahmad 等采用邏輯斯諦方程（logistic equations）獲得連續的得分函數，開發出基于數值描述本質安全技術（numerical descriptive inherent safety technique, NuDIST）。邏輯斯諦方程的兩個關鍵參數采用統計的方法獲取，通過統計數據庫得到數據的平均值和累積函數的斜率。該方法的另一個優點是通過考慮公司自身的歷史化學和工藝數據，提供了其他方法難以實現的靈活性。NuDIST 非常適用于概念設計階段，本質上建立NuDIST 的方法與建立PIIS、ISI 的方法一致，只是對參數評分沒有采取區間評分技術，而是用一個連續函數表示。在NuDIST 方程中，使用邏輯斯諦方程將選取的危險參數（化學參數如可燃性、爆炸性、毒性和過程參數如反應熱、荷載、壓力、溫度）進行連續化獲得各個參數得分，然后基于最壞情況考慮的假設下將各個參數的得分最大值進行加和獲得總的得分。NuDIST 也存在基于參數得分索引方法的缺陷，即NuDIST依然無法解決維度問題、參數相互作用的問題以及忽略了荷載的影響，更重要的是為什么要用邏輯斯諦方程，他們并沒有給出明確的解釋。

4.3 基于圖示的本質安全評估方法

基于圖示的本質安全評估方法使用圖對危險工藝參數進行可視化，解決基于參數索引本質安全評估方法的維度缺陷。Gupta和Edwards開發出了一個簡單基于圖示的本質安全評估方法。該方法將各個工藝的參數進行可視化，用一張圖表示出來，從而方便使用者將各個工藝的安全情況進行對比。該本質安全方法的目的不是為了得到一個總的本質安全得分，而是方便工藝設計者進行參數的對比，該方法不需要密集的數學運算就能提供更全面的評估。Hassim等基于他們以前提出的本質職業衛生健康索引的工作，將Gupta和Edwards提出的基于圖示本質安全工具應用到職業衛生健康中，發展出用于本質職業健康的基于圖示的本質安全工具，該工具主要用于工藝的研究與開發階段（R&D）。

上述兩種圖形化方法對流程每層缺乏足夠的層次關注，使得這兩種圖形化方法在突出不同工藝部分的潛在風險方面存在不足。這一缺陷可以通過SREST（substance, reactivity, equipment and safety technology）層次評價方法來解決。SREST 由物質層、反應層、設備層和安全技術層的分級評估組成，圖形化地展示了SHE參數的綜合評價結果。

Ahmad等于2016年根據前面開發出的基于數值描述本質安全技術（NuDIST），提出基于圖示的本質安全工具——基于圖示和數值描述本質安全技術 （graphical and numerical descriptive inherent safety technique，GRAND），用于工藝設計的研發階段。利用單個參數得分的圖形法比較不同工藝路線的不同參數的危險程度，識別出最危險的地方在哪。 GRAND 被擴展為二維圖形評級（2-dimensional graphical rating，2DGR）。該技術方法有兩個目的：第一個目的是通過可視化突出對最大危害有顯著貢獻的化學和工藝特性；第二個目的是對評估的工藝路線進行顏色區域分組，紅色、黃色和綠色分別表示最危險、危險和最低危險級別。Ahmad等隨后于2019年將2DGR從研發階段擴展到概念設計階段，提出GISAT階段，在概念設計階段可以獲得更多關于可燃性、爆炸性和毒性的信息。

與基于參數索引指標總是產生一個綜合的數字結果不同，圖形化的指標可以直觀和形象地使用易于理解和直截了當的圖形來顯示評估結果，通過區分每個工藝方案的每個合成步驟來實現和選擇本質更安全的解決方案。但正是由于缺乏一個綜合的數字結果，當不同危險參數（如毒性或者燃燒性）存在矛盾的時候，不容易在這兩者之間做出權衡。

4.4 基于風險分析的本質安全評估方法

上述的本質安全方法具有一個共同的缺陷：無法考慮風險場景和損失后果。其原因是這些本質安全評估方法主要量化工藝的危害（hazard），并沒有涉及具體的風險分析。于是研究者們提出基于風險分析的本質安全評估方法來估計潛在的損害或本質風險。

定量評估風險分析是一個強有力的工具，用來評估設備和過程的運行所帶來的風險，廣泛用于化學工業的風險分析中。歷史上，風險分析是作為驗證設計的一種手段來使用的，并且一般是在設計之后進行的步驟。由于這個原因，風險分析作為一種被動工具，一般只用于評估手段，通常不被認為是一種設計工具。誠然，安全方面被認為是設計前提的一部分，但沒有被作為實現基本設計目的的參數來處理。因此，安全方面主要作為驗證標準，對設計過程的反饋較弱。更糟糕的是，把風險分析放在設計工程的范圍之外，給人的印象是設計工程師沒有責任把風險作為設計參數之一來考慮。

基于上面的考慮，Khan和Abbasi提出了一種基于快速風險分析的本質安全設計工具（rapid risk analysis based design，TRRABD），將風險分析納入本質安全設計中。簡單來說，TRRABD包括生成事故場景、定義接受標準、提出設計或修改解決方案、執行確定性計算以及評估最終接受場景的結果。類似地，Shariff 等基于流程模擬軟件提出了集成風險分析工具（integrated risk estimation tool，iRET），用于爆炸后果分析。該集成風險分析工具的目的是將工藝設計階段與風險和后果評估之間進行連接，使風險和后果評估成為設計的一部分，從而實現本質安全設計。與TRRABD 中確定性的人工計算不同，iRET 采用模擬器（HYSYS）提取更多的評估數據，從而緩解了假設事故缺乏數據的風險評估困難。該工具也可以拓展到燃燒、中毒后果分析等。

Shariff 和Zaini基于iRET 工具，結合過程模擬和中毒釋放后果，開發出了毒性釋放后果分析工具（TORCAT）。Shariff和Zaini將后果的概率納入毒性釋放后果的風險中，從毒性釋放后果分析工具（TORCAT） 拓展到毒性釋放風險分析（toxic release inherent risk assessment，TRIRA）。TORCAT的方法可以描述為三個主要步驟：①生成備選方案；②使用過程模擬器基于源分布模型和分散模型獲取評估數據；③使用本質安全設計原則修改備選方案，直到結果滿足設計意圖。Shariff 和Leong基于定量評估風險的概念進一步提出了本質風險評估的新概念，用于初步設計階段的風險分析。隨后，使用類似的程序和過程模擬器，TORCAT被擴展 為 IFCET-1（inherent fire consequence estimation tool 1, IFCET-1）和IFCET-2（inherent fire consequence estimation tool 2, IFCET-2），其中IFCET-1 和IFCET-2 分別對池火和BLEVE 兩種后果進行計算。此外，Athar 等在使用PSCI（process stream characteristic index）選擇危險較小的工藝流股后，也采用了本質安全風險對該工藝流股進行風險計算，從而實現利用本質安全對工藝進行設計的意圖。

Rathnayaka 等則提出了考慮固有安全性的基于風險的設計決策工具，該工具是Khan 和Amyotte開發綜合本質安全指數（integrated inherent safety index,I2SI）的拓展。該決策工具定義了基于風險的本質安全指數（risk-based inherent safety index, RISI），RISI 定義為基礎設計風險指數和備選設計方案風險指數比例。其中基礎設計風險指數等于風險的后果和風險概率的乘積再除以風險控制因子，其中風險的后果用損失半徑去衡量。備選設計風險指數的計算思路和基礎設計風險指數基本一樣，只是乘以兩個本質安全設計原則使用潛力指數，即降低危害的潛力估計指標和降低事故發生概率的潛力估計指標。此外，Tugnoli等在2009年提出了關鍵績效指標（KPIs），該方法用一種基于結果的方法來評估替代方案的本質安全性。在這種方法中，物理參數用于量化來自材料、工藝條件和設備特性的危害，用來評估對人員和設備的損傷，采用基于結果建模的有形參數可以清晰地了解設計方案的本質安全性能。這種方法將人體目標和多米諾骨牌事故升級納入評估程序。

基于風險分析的本質安全評估方法的優點是可以估計潛在的損害或本質風險。但是也存在如下缺點。一是使用難度，在使用后果分析或者風險分析的過程中，需要有專業的知識（如后果建模、概率計算或Probit函數等），并需要大量的計算工作量。與傳統的風險評估工具相比，基于后果分析或者風險分析的本質安全評估方法考慮的情景具有本質的不確定性，如需要確定分析點與危險源的距離或者知道泄漏孔徑等，一般來說這些信息在設計階段是很難確定的，這無疑引入了不確定的因素。傳統的工具利用詳細的信息而不存在這個問題，因為它們是在詳細設計之后使用的。另外，基于風險分析的本質安全評估方法如果在概念設計階段實施，將受到概念設計階段有限信息的制約。

4.5 多目標評價的本質安全評估方法

上述的本質安全評估方法一般都忽略了經濟因素的評估，多目標評價本質安全評估方法傾向于將環境因素、經濟因素、安全因素一起進行考慮，對過程進行多目標評價或者優化。由于存在多個目標需要考慮，需要合適的決策工具（make-decision tool）進行決策，多目標評價本質安全評估方法可以粗略分成5 種決策工具，分別是多準則決策程序、多目標優化、靈敏度分析、圖形法、指數法。

基于多準則決策程序決策工具從多個維度對事物進行評價，其著重于評價。比如Qrtiz-Espinoza等提出了一個包含本質安全的框架，可以在設計階段用來比較不同技術的環境、安全和經濟性能，這個框架的特點是工藝流程模擬的結果可以方便地得到所需的數據，該框架也為將安全、環境、經濟的多目標優化打下基礎，然后采用圖形法對多個工藝的性能進行可視化，方便進行對比。Ahmad等提出本質安全和經濟評價（inherent safety and economic graphical rating, InSafE）方法，InSafE 方法使用他們之前提出的基于GRAND 技術來衡量本質指數，由于使用本質安全評估適合于研發階段，且經濟計算只涉及物料的成本和成品的價格，沒有涉及設備的成本，故該方法適合用于研發階段，研發階段的經濟評價使用戶能夠比較工藝路線的固有本質安全水平及其經濟潛力。但是基于多準則決策程序本身無法選擇各種解決方案（或替代方案），可以采用權重的方法來說明每個屬性的重要性，將多目標問題轉化為單目標問題。典型的權重方法如層次分析方法（analytic hierarchy process, AHP），是基于多準則決策程序決策工具利用權重因子找到最優解的一種常用方法。

與上述采用圖形法對評價的因素進行說明和展示不同，Khan 和Amyotte基于本質安全成本考慮提出了一個新的集成本質安全指數（integrated inherent safety index,I2SI）。該本質安全指數得到了廣泛的關注，故進行詳細的說明。該本質安全指數構建在類似于HAZOP 程序的框架上，可以同時使用本質安全潛力指數和本質安全成本指數來衡量每個工藝選項的危害程度和成本。需要指出的是，計算本質安全成本的過程包括使用本質安全方法的成本及使用過程控制措施和附加（末端）安全措施的成本。本質安全成本指數等于本質安全成本除以損失成本，其中損失成本表示發生事故造成的經濟損失。此外，使用I2SI 過程中，依賴于大量的數據，是一個數據密集型過程，故可以借鑒i-Safe專家系統自動化的優點，從而實現自動化危險識別和本質更安全的工藝路線。

這部分闡述多目標優化決策工具在多目標評價的本質安全評估方法的應用，Medina-Herrera 等基于工藝設計階段的安全考慮，針對萃取精餾，提出了一種選擇溶劑的方法。通過使用死亡風險的平均距離作為安全分析部分，傳統成本作為成本分析部分。該方法應用于萃取精餾系統的設計，首先進行溶劑的預先篩選步驟，然后在考慮安全、成本的條件下制訂了一個多目標優化問題。Eini 等提出了多目標優化規劃的耦合安全和經濟效益的新框架，安全目標函數使用基于后果模型的安全準則來進行量化，以一個簡單的制冷循環為例，實現了該優化框架。Eini 等在前面研究的基礎上，將目標函數從兩個（安全、經濟）拓展到3個（安全、經濟、環境），在評價梯級制冷系統本質安全水平的同時，考慮了經濟性、實用性和環保性等因素，進行了多目標優化。經濟目標函數中考慮了資本成本、加工成本和CO排放造成的社會成本。?效率作為第二個目標函數，定量風險評估（quantitative risk assessment，QRA）作為本質安全水平第三個目標函數。Fonseca 等為分布式能源系統建立了多目標優化的框架，其中目標函數包含總成本、CO排放、用水量、網格依賴性和本質安全指標。

在經濟評價過程中，上述的研究者采取傳統成本（如投資回報率ROI、總年成TAC、運營成本等）作為成本目標函數，部分研究人員將事件成本（如死亡、傷害、環境破壞等）與傳統成本評估（如ROI、TAC、運營成本等）一起計入傳統成本。Medina 等在設計過程的早期階段引入風險分析，提出一個既考慮成本又考慮風險（采用確定性方法）的優化方法，將風險轉化為事故損失成本，從而獲得單一的成本目標函數，并用儲罐儲存中有毒物質的釋放和BLEVE/火球兩個事故例子來說明這個方法，說明隨著儲罐數目的增加，事故是減少的，但是傳統成本是增加的，而總的成本先快速增加后緩慢增加，從而可以確定最合適的儲罐數目。需要說明在優化過程中要考慮到風險不能超過容忍閾值水平，有趣的是，在計算損失成本過程中，需要把對人的傷害轉為成本，但是給人的生命賦予價值，這無疑帶來了重大的道德和社會影響。如果不考慮安全的情況，扣除賠償花的錢后（畢竟事故發生的概率低）獲得的生產利潤多于扣除采取本質安全或者安全策略花的錢之后的生產利潤，只以錢的角度出發，賠償并不是問題，所以政府監管顯得尤為重要。

Medina等將安全風險轉為損失成本從而可以獲得單一目標函數，這也是解決多目標問題的一種常用方法，該研究沒有采取先進的優化算法，而采用了靈敏度分析來研究參數對安全、成本的影響。Medina-Herrera 等也采取靈敏度分析的方法研究了精餾塔參數對精餾塔的安全性和成本影響，其中用了定量風險評估的方法來計算精餾塔的安全性，傳統成本為成本因素考慮，并考慮到了產品純度。Guillen-Cuevas 等采取另一種方法來解決多目標權衡問題，他們基于傳統的投資回報（ROI）分析，提出安全和可持續性加權投資回報度量法（safety and sustainability weighted return on investment metric，SASWROIM）。Teh等提出基于健康、安全和環境影響的混合多目標初步工藝設計優化框架，利用毛利潤、健康商指數（health quotient index，HQI）、本質安全指數和WAR 算法分別評價工藝的經濟績效、健康、安全和環境影響。由于這四個維度經常發生沖突，該文章采用模糊優化方法來解決這個問題，同時分析了這四個方面的權衡關系。

多目標評價的本質安全評估方法不僅考慮到安全，也考慮了經濟、健康、環保等其他方面，這是符合可持續發展要求的。其中使用的本質安全目標函數都是前面開發的本質安全方法，如基于參數的數組索引本質安全評估方法、本質風險分析或者定量后果分析，由于這個原因，多目標評價的本質安全評估方法使用階段受到前面提到的本質安全評估方法的使用階段的限制。此外，要解決這個多目標問題需要合適的工具和算法，計算起來也較為復雜。

5 結語

學術界和工業界制訂了許多安全策略來避免化工過程中事故的發生，這些安全策略可以分為本質安全、被動安全、主動安全和程序安全。被動、主動和程序性過程風險管理策略作為保護層，傾向于使用附加的安全或保護裝置、系統來降低風險，危害并沒有消除或減少，而本質安全永久性地消除或減少了危險，故本質安全設計（inherent safety design，ISD）是減少風險實現可持續化學設施的最有效的方法之一。盡管化工過程本質安全評估方法已有較多的研究和應用，但是仍然存在諸多問題和挑戰。

（1）目前本質安全評估方法的趨勢傾向于將本質安全、環保、經濟、健康一起進行考慮，進行多目標評價。這些嘗試正在逐漸打破綠色化學固有的界限，通過制訂綜合的方法來管理廢物、危險、損失、傷害和保護環境，提高經濟效率，實現化工過程的可持續發展。為了實現這個目標，首先需要將本質安全與綠色化學、可持續發展和清潔技術相結合，在初步工藝設計階段，提出一項綜合考慮的工藝方案，對工藝方案進行比較和選擇；當安全、環保、經濟等這些因素存在矛盾時，需要合適的決策工具來實現這些目標的平衡，多目標優化是解決這個問題的有力工具。

（2）需要多關注本質安全指標中相互沖突的因素處理。人們主要關注開發新本質安全指數，對解決本質安全指標中相互沖突（如荷載、溫度、壓力、毒性、可燃性、爆炸性）因素的通用權重的關注度低。雖然研究者用層次分析法和主成分法解決了部分問題，他們的努力也為提高本質安全指數的嚴謹性、準確性和精確度提供了良好的方案。然而，所涉及的數學解決方案往往是知識和數據密集型的，這可能會使實際應用中的研究人員和從業人員感到沮喪。如果可以建立一個受到廣泛認同的標準，或許是解決這個問題的有效方法。

（3）在使用這些本質安全評估方法方面存在技術、學科上的障礙，基于索引的本質安全評估方法涉及物質的安全數據（如毒性、燃燒爆炸極限等），但是過程模擬軟件的數據庫上都沒有安全數據，因此未來應該建立專門的安全數據庫并嵌入流程模擬軟件中，方便工藝設計師的調取。針對基于風險分析的本質安全評估工具，可以使用風險分析模擬軟件如FLACS，但是掌握風險分析需要一定的知識儲備，這對工藝設計師來說無疑是一個負擔，建立一個方便工藝工程師和安全分析工程師的跨學科平臺是有幫助的。

（4）在使用這些本質安全評估方法方面存在忽視安全文化的障礙。雖然本質安全與可持續發展目標一致且關系緊密，盡管這種聯系在行業中是公認的，但通常由于缺乏安全文化而被忽視。大多數人認為本質安全就是一個理念，比較空洞，因此，在化工行業內推動本質安全文化的普及尤其重要，包括化學家、工藝和設備工程師、企業負責人、政府監管部門，即化工工藝的開發者、工廠操作者和化工過程監管者都要了解本質安全的內涵，從而推動本質安全設計在化工行業中廣泛、深入地應用，帶來真正的效應。