xvi
Contents
7 Risk Assessment and Management of Chemical Processes . . . . . . . . . . . . 159
7.1 The Aim of Process Risk Assessment . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.1 Relevant Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.1.2 Chemical Process Safety . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2 Procedure of Process Risk Assessment . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3 Scope, System Definition, and Data Collection (Step 1) . . . . . . . . . . . 165
7.3.1 Scope and System Definition . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.3.2 Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4 Definition of Safe Process Conditions (Step 2) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.1 Example: Defining the Safe Use of Toluene . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5 Risk Identification (Step 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.1 Methods for Risk Identification .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.5.2 Example: Application of Risk Identification Methods .. . . 170
7.6 Risk Analysis (Step 4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6.1 Consequence Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.6.2 Probability Analysis .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.7 Risk Evaluation (Step 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.8 Risk Management (Step 6). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.8.1 Decision-Making During Risk Management .. . . . . . . . . . . . . 185
7.8.2 Residual Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.9 Example: Wet Grinding of Cyanuric Chloride ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.9.1 Scope, System Definition, and Data Collection
(Step 1) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.9.2 Definition of Safe Process Conditions (Step 2) . . . . . . . . . . . 190
7.9.3 Risk Identification (Step 3). . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.9.4 Risk Analysis (Step 4) .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.9.5 Risk Evaluation (Step 5) . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.9.6 Risk Management (Step 6) .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8 Thermal Process Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.1 Thermal Process Safety as a Part of Process Risk Assessment . . . . 199
8.2 Heat Balance and Reactor Stability . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2.1 The Batch Reactor .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.2 Heat Production.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.2.3 Heat Removal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.4 Heat Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.5 Semenov Diagram and the Critical Temperature.. . . . . . . . . 205
8.3 Assessing Thermal Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.1 Thermokinetic Concepts . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.2 Cooling Failure Scenario .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.3.3 Consequences of a Thermal Runaway .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.3.4 Probability of a Thermal Runaway . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.5 Risk Evaluation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.6 Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Contents
7 Risk Assessment and Management of Chemical Processes . . . . . . . . . . . . 159
7.1 The Aim of Process Risk Assessment . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1.1 Relevant Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.1.2 Chemical Process Safety . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2 Procedure of Process Risk Assessment . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3 Scope, System Definition, and Data Collection (Step 1) . . . . . . . . . . . 165
7.3.1 Scope and System Definition . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.3.2 Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4 Definition of Safe Process Conditions (Step 2) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4.1 Example: Defining the Safe Use of Toluene . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5 Risk Identification (Step 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.1 Methods for Risk Identification .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.5.2 Example: Application of Risk Identification Methods .. . . 170
7.6 Risk Analysis (Step 4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6.1 Consequence Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.6.2 Probability Analysis .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.7 Risk Evaluation (Step 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.8 Risk Management (Step 6). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.8.1 Decision-Making During Risk Management .. . . . . . . . . . . . . 185
7.8.2 Residual Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.9 Example: Wet Grinding of Cyanuric Chloride ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.9.1 Scope, System Definition, and Data Collection
(Step 1) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.9.2 Definition of Safe Process Conditions (Step 2) . . . . . . . . . . . 190
7.9.3 Risk Identification (Step 3). . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.9.4 Risk Analysis (Step 4) .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.9.5 Risk Evaluation (Step 5) . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.9.6 Risk Management (Step 6) .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8 Thermal Process Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.1 Thermal Process Safety as a Part of Process Risk Assessment . . . . 199
8.2 Heat Balance and Reactor Stability . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2.1 The Batch Reactor .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.2 Heat Production.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.2.3 Heat Removal .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.4 Heat Accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.5 Semenov Diagram and the Critical Temperature.. . . . . . . . . 205
8.3 Assessing Thermal Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.1 Thermokinetic Concepts . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.2 Cooling Failure Scenario .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.3.3 Consequences of a Thermal Runaway .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.3.4 Probability of a Thermal Runaway . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.5 Risk Evaluation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.6 Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213