水熱反應釜使用過程中的危險性分析及安全評價

潘慧瑩，韓興威，張愛黎，郭帥

水熱反應釜使用過程中的危險性分析及安全評價

潘慧瑩，韓興威，張愛黎，郭帥

（沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

水熱釜是目前高校和科研院所采用水熱法合成新材料的基本反應設備，某實驗室在利用水熱釜Ag/石墨烯復合材料時，發(fā)生水熱釜內(nèi)膽變形事故。通過事故背景調(diào)查、宏觀觀察、理論極限承壓值計算以及安全檢查表分析，找出水熱釜內(nèi)膽變形失效的原因。計算結(jié)果表明水熱釜的極限承壓值在115～167 MPa之間，事故發(fā)生時反應釜內(nèi)壓力為994.03 MPa，超出水熱釜極限承壓值，是事故反應釜內(nèi)膽變形失效的直接原因。通過安全檢查表法分析可知，事故水熱釜使用過程中安全教育不到位、操作人員安全意識欠缺以及誤操作是導致事故發(fā)生的根源。

水熱反應釜； 危險性分析；安全評價

水熱法作為一種簡單、高效的材料合成技術(shù)，被廣泛地應用于各種先進材料的合成制備過程當中。水熱反應釜（水熱釜）是水熱法的核心反應設備。目前大部分高校和科研院所都選用圖1所示的水熱反應釜來開展水熱合成實驗[1-2]，這種水熱反應釜由聚四氟乙烯內(nèi)膽和不銹鋼外套兩部分組成；這種水熱反應釜結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，正常工作條件下，可以創(chuàng)造一個高溫（一般在220 ℃以下）、高壓（一般在3 MPa以下）、密閉的反應環(huán)境，以實現(xiàn)常溫常壓條件下無法完成的反應或是慢速反應。

然而，目前研究人員的研究焦點絕大多數(shù)都聚焦在如何采用水熱法合成或制備出更多的新材料，而忽略了水熱合成過程中的安全問題。2021年3月，中國科學院化學研究所發(fā)生實驗室安全事故，由于反應釜高溫高壓爆炸，導致一名研究生當場死亡。慘痛的教訓為廣大科研人員拉響了水熱反應過程的安全警鐘。因此對在用水熱反應釜進行危險性分析和安全評價，具有重大意義。

本文以某實驗室在用水熱釜內(nèi)膽受熱變形事故為例，通過事故背景調(diào)查與理論承壓值計算相結(jié)合的方法分析水熱釜內(nèi)膽變形原因；并采用安全檢查表法對水熱反應釜的使用過程進行系統(tǒng)的安全評價，并依據(jù)分析評價結(jié)果給出保障水熱反應釜使用過程安全的合理化建議。

圖1 水熱反應釜外觀示意圖

1 案例背景介紹

2020年12月5日，某實驗室在使用50 mL水熱釜合成Ag/石墨烯復合材料的過程中，由于實驗人員誤將45 mL反應溶液加入反應釜中，隨即擰緊釜蓋，并將反應釜置于烘箱，在180 ℃下反應6 h。整個水熱反應過程無異常，待反應結(jié)束，反應釜隨爐冷卻至室溫，打開反應釜蓋時，發(fā)現(xiàn)反應內(nèi)膽發(fā)生變形如圖2所示。

圖2 事故水熱釜內(nèi)膽實物圖

1）當發(fā)生屈服時，計算它的極限壓力。對事故現(xiàn)場的水熱釜進行觀察，可知它的釜體發(fā)生了微小的屈服變形，假設該水熱釜是理想的彈塑性材料，依據(jù) Mises 屈服準則可以得出整個水熱釜釜體達到屈服狀態(tài)時的壓力[3]：

2）當水熱釜體爆炸，計算它的極限壓力。在計算容器爆破壓力時，福貝爾公式是應用最廣的計算公式[4]：

其中=0/D，帶入表1和表2中相關(guān)數(shù)據(jù)可得P=115 MPa，P=167MPa。

其中根據(jù) GB/T 2975—1998，對釜體進行相應的性能測試，可得到水熱釜的力學性能， 結(jié)果如表 1所示[5]。

表1 水熱釜力學性能

鑒于事故反應釜沒有發(fā)生爆炸，釜體本身未發(fā)生明顯變形，僅內(nèi)膽發(fā)生變形，釜體僅發(fā)生微小屈服，根據(jù)以上的公式計算可知水熱釜的極限承壓值在 115～167 MPa。

2 水熱釜爆炸壓力范圍計算

發(fā)生事故反應釜的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2 所示。

圖3 水熱釜結(jié)構(gòu)剖面圖

表2 水熱釜結(jié)構(gòu)尺寸表

事故發(fā)生時水熱釜中所盛裝的反應液溶劑為去離子水。從化學反應角度分析，反應過程中無氣體組分生成。因此，在水熱過程中僅依靠水蒸氣產(chǎn)生的壓力對反應過程施壓。

其中水添加的比例為1，物質(zhì)的量為1，釜中初始的氣體體積為0=5 mL，然后加熱生成蒸汽的物質(zhì)的量為0’。

根據(jù)化學關(guān)系式可得到1值：

加熱前混合理想氣體方程：

0×0=0××0。（4）

加熱后，釜內(nèi)溫度逐漸升高，最終達到180 ℃時（200 ℃是水熱釜承受最高溫度），絕對溫度為1，混合理想氣體方程為：

1×0=0××1。 （5）

式中：0—內(nèi)襯里氣體的體積，L；

—理想氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；

0’，0—反應前、后內(nèi)襯里氣體的物質(zhì)的量，mol。

聯(lián)立（1）-（5）公式，可得到水熱釜內(nèi)膽變形時，反應釜內(nèi)部產(chǎn)生的壓力為1=994.03 MPa。根據(jù)2.1部分的計算結(jié)果可知，水熱釜的極限承壓值115～167 MPa，而 994.03 MPa>167 MPa，已經(jīng)超出反應釜的極限承壓范圍。因此可知，導致事故反應釜內(nèi)膽變形的直接原因是，實驗人員誤操作，將過量的反應液加入反應釜中，導致反應釜在水熱反應過程中超壓。

3 水熱釜使用過程安全評價

安全檢查表法是識別實驗室安全危害的首選方法，安全檢查表的評定結(jié)果具有較好的客觀性，能反映被檢查對象管理水平并對安全隱患進行預警。實驗室管理人員可以通過直觀的安全檢查表來識別潛在的危害[6，9]。

本文采用安全檢查表法對水熱反應釜的使用過程進行了全面評價。具體的安全檢查表如表3所示。

通過上述安全檢查表可知，事故水熱釜在使用過程中存在管理缺失（安全教育和安全宣傳不到位）、誤操作和內(nèi)膽清洗不到位等問題，這些問題的存在，是導致本事故發(fā)生的原因。

4 結(jié) 論

通過對水熱法合成Ag/石墨烯納米復合材料的實驗過程進行分析計算，得到水熱釜極限承壓值在 115～167 MPa之間；水熱釜內(nèi)膽發(fā)生變形時，事故反應釜內(nèi)部壓力為994.03 MPa，超出水熱釜的極限承壓范圍。因此得出，導致水熱釜內(nèi)膽變形的直接原因是人員誤操作導致超壓。

根據(jù)對事故水熱釜進行安全檢查表分析的結(jié)果可知，在事故水熱釜的使用過程中存在安全宣傳不到位，安全教育欠缺，操作人員誤操作和對水熱釜未清洗到位等問題。所以，建議實驗室加強安全教育，讓操作人員具有安全意識和相應的安全知識，嚴格按照相應的操作規(guī)程進行操作，做好實驗前檢查，仔細閱讀水熱釜的注意事項，將事故發(fā)生的概率降到最低，保證水熱實驗過程安全。

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Hazard Analysis and Safety Evaluation During the Use of Hydrothermal Reactor

,,,

（Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China）

The hydrothermal autoclave is the basic reaction equipment for the synthesis of new materials via hydrothermal method in universities and scientific research institutes. A deformation accident occurred in the inner liner of the hydrothermal autoclave in a laboratory when the Ag/graphene composite was synthesized by the hydrothermal autoclave. Through accident background investigation, macro observation, theoretical limit pressure value calculation and safety checklist analysis, the cause of deformation and failure of the inner liner of the hydrothermal autoclave was found. The calculation results showed that the limit pressure value of the hydrothermal autoclave was between 115～167 MPa. The pressure in the reactor at the time of the accident was 994.03 MPa, which exceeded the limit pressure value of the hydrothermal autoclave, and was the direct cause of the failure of the inner tank. Through the analysis of the safety checklist method, it was known that the safety education was not in place during the use of the accident water heating kettle, the operators’ safety awareness lack and misoperation was the root cause of the accident.

Hydrothermal aunoclave; Hazard analysis; Safety evaluation

2021-04-30

潘慧瑩（1997-），女，遼寧省沈陽市人，碩士研究生在讀，2019年畢業(yè)于沈陽理工大學安全工程專業(yè)，研究方向：石墨烯基納米復合材料的制備及過程安全評價。

韓興威（1988-），女，副教授，博士，研究方向：石墨烯基納米復合材料的制備與應用。

TQ052

A

1004-0935（2021）12-1915-04