水热反应釜使用过程中的危险性分析及安全评价

潘慧莹，韩兴威，张爱黎，郭帅

水热反应釜使用过程中的危险性分析及安全评价

潘慧莹，韩兴威，张爱黎，郭帅

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

水热釜是目前高校和科研院所采用水热法合成新材料的基本反应设备，某实验室在利用水热釜Ag/石墨烯复合材料时，发生水热釜内胆变形事故。通过事故背景调查、宏观观察、理论极限承压值计算以及安全检查表分析，找出水热釜内胆变形失效的原因。计算结果表明水热釜的极限承压值在115～167 MPa之间，事故发生时反应釜内压力为994.03 MPa，超出水热釜极限承压值，是事故反应釜内胆变形失效的直接原因。通过安全检查表法分析可知，事故水热釜使用过程中安全教育不到位、操作人员安全意识欠缺以及误操作是导致事故发生的根源。

水热反应釜； 危险性分析；安全评价

水热法作为一种简单、高效的材料合成技术，被广泛地应用于各种先进材料的合成制备过程当中。水热反应釜（水热釜）是水热法的核心反应设备。目前大部分高校和科研院所都选用图1所示的水热反应釜来开展水热合成实验[1-2]，这种水热反应釜由聚四氟乙烯内胆和不锈钢外套两部分组成；这种水热反应釜结构简单、使用方便，正常工作条件下，可以创造一个高温（一般在220 ℃以下）、高压（一般在3 MPa以下）、密闭的反应环境，以实现常温常压条件下无法完成的反应或是慢速反应。

然而，目前研究人员的研究焦点绝大多数都聚焦在如何采用水热法合成或制备出更多的新材料，而忽略了水热合成过程中的安全问题。2021年3月，中国科学院化学研究所发生实验室安全事故，由于反应釜高温高压爆炸，导致一名研究生当场死亡。惨痛的教训为广大科研人员拉响了水热反应过程的安全警钟。因此对在用水热反应釜进行危险性分析和安全评价，具有重大意义。

本文以某实验室在用水热釜内胆受热变形事故为例，通过事故背景调查与理论承压值计算相结合的方法分析水热釜内胆变形原因；并采用安全检查表法对水热反应釜的使用过程进行系统的安全评价，并依据分析评价结果给出保障水热反应釜使用过程安全的合理化建议。

图1 水热反应釜外观示意图

1 案例背景介绍

2020年12月5日，某实验室在使用50 mL水热釜合成Ag/石墨烯复合材料的过程中，由于实验人员误将45 mL反应溶液加入反应釜中，随即拧紧釜盖，并将反应釜置于烘箱，在180 ℃下反应6 h。整个水热反应过程无异常，待反应结束，反应釜随炉冷却至室温，打开反应釜盖时，发现反应内胆发生变形如图2所示。

图2 事故水热釜内胆实物图

1）当发生屈服时，计算它的极限压力。对事故现场的水热釜进行观察，可知它的釜体发生了微小的屈服变形，假设该水热釜是理想的弹塑性材料，依据 Mises 屈服准则可以得出整个水热釜釜体达到屈服状态时的压力[3]：

2）当水热釜体爆炸，计算它的极限压力。在计算容器爆破压力时，福贝尔公式是应用最广的计算公式[4]：

其中=0/D，带入表1和表2中相关数据可得P=115 MPa，P=167MPa。

其中根据 GB/T 2975—1998，对釜体进行相应的性能测试，可得到水热釜的力学性能， 结果如表 1所示[5]。

表1 水热釜力学性能

鉴于事故反应釜没有发生爆炸，釜体本身未发生明显变形，仅内胆发生变形，釜体仅发生微小屈服，根据以上的公式计算可知水热釜的极限承压值在 115～167 MPa。

2 水热釜爆炸压力范围计算

发生事故反应釜的结构尺寸参数如表2 所示。

图3 水热釜结构剖面图

表2 水热釜结构尺寸表

事故发生时水热釜中所盛装的反应液溶剂为去离子水。从化学反应角度分析，反应过程中无气体组分生成。因此，在水热过程中仅依靠水蒸气产生的压力对反应过程施压。

其中水添加的比例为1，物质的量为1，釜中初始的气体体积为0=5 mL，然后加热生成蒸汽的物质的量为0’。

根据化学关系式可得到1值：

加热前混合理想气体方程：

0×0=0××0。（4）

加热后，釜内温度逐渐升高，最终达到180 ℃时（200 ℃是水热釜承受最高温度），绝对温度为1，混合理想气体方程为：

1×0=0××1。 （5）

式中：0—内衬里气体的体积，L；

—理想气体常数，8.314 J·mol-1·K-1；

0’，0—反应前、后内衬里气体的物质的量，mol。

联立（1）-（5）公式，可得到水热釜内胆变形时，反应釜内部产生的压力为1=994.03 MPa。根据2.1部分的计算结果可知，水热釜的极限承压值115～167 MPa，而 994.03 MPa>167 MPa，已经超出反应釜的极限承压范围。因此可知，导致事故反应釜内胆变形的直接原因是，实验人员误操作，将过量的反应液加入反应釜中，导致反应釜在水热反应过程中超压。

3 水热釜使用过程安全评价

安全检查表法是识别实验室安全危害的首选方法，安全检查表的评定结果具有较好的客观性，能反映被检查对象管理水平并对安全隐患进行预警。实验室管理人员可以通过直观的安全检查表来识别潜在的危害[6，9]。

本文采用安全检查表法对水热反应釜的使用过程进行了全面评价。具体的安全检查表如表3所示。

通过上述安全检查表可知，事故水热釜在使用过程中存在管理缺失（安全教育和安全宣传不到位）、误操作和内胆清洗不到位等问题，这些问题的存在，是导致本事故发生的原因。

4 结 论

通过对水热法合成Ag/石墨烯纳米复合材料的实验过程进行分析计算，得到水热釜极限承压值在 115～167 MPa之间；水热釜内胆发生变形时，事故反应釜内部压力为994.03 MPa，超出水热釜的极限承压范围。因此得出，导致水热釜内胆变形的直接原因是人员误操作导致超压。

根据对事故水热釜进行安全检查表分析的结果可知，在事故水热釜的使用过程中存在安全宣传不到位，安全教育欠缺，操作人员误操作和对水热釜未清洗到位等问题。所以，建议实验室加强安全教育，让操作人员具有安全意识和相应的安全知识，严格按照相应的操作规程进行操作，做好实验前检查，仔细阅读水热釜的注意事项，将事故发生的概率降到最低，保证水热实验过程安全。

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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

潘慧莹（1997-），女，辽宁省沈阳市人，硕士研究生在读，2019年毕业于沈阳理工大学安全工程专业，研究方向：石墨烯基纳米复合材料的制备及过程安全评价。

韩兴威（1988-），女，副教授，博士，研究方向：石墨烯基纳米复合材料的制备与应用。

TQ052

A

1004-0935（2021）12-1915-04