《South African Journal of Chemical Engineering》：Integrating Process Hazard Management Education in Pilot Plants through a HIRA-based Methodology: A Case Study
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Pilot Plants（中试工厂）是化学工程教育中必不可少的组成部分，在学术理论与工业应用之间起到至关重要的衔接作用。这些设施为学生提供了实践经验，但同时也存在严重的安全风险，且往往缺乏结构化的危害管理方法。本研究提出了一种实用且经济的方法，该方法改编自美国
Pilot Plants（中试工厂）是化学工程教育中必不可少的组成部分，在学术理论与工业应用之间起到至关重要的衔接作用。这些设施为学生提供了实践经验，但同时也存在严重的安全风险，且往往缺乏结构化的危害管理方法。本研究提出了一种实用且经济的方法，该方法改编自美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration, OSHA）的过程安全管理（Process Safety Management, PSM）指南，并基于危险识别与风险评t估（Hazard Identification and Risk Assessment, HIRA）框架，以改善哥伦比亚国立大学（Universidad Nacional de Colombia）中试工厂的安全状况。研究方法包括与教职员工和学生开展的两阶段研讨会，用于评估危害感知、按影响和发生频率对风险进行排序，并通过加权评分系统分析设备子单元。研究结果成功构建了该建筑的综合风险热图（heat map），并识别出需要重点关注的 critical 区域。特别是，精馏塔区域（连续精馏、萃取精馏、反应精馏、间歇精馏，危险类别为5级）被确定为最高风险区域，这促使提前发出预警并指导了风险缓解资源的配置。该方法在经验丰富的 personnel 中表现出较高的可重复性，并有助于揭示教职员工与学生之间风险感知的差异。通过将此工具整合到培训中，实验室可以显著降低危害，同时增强未来工程师的安全意识。本研究旨在介绍与哥伦比亚国立大学化学工程系成员开展的研讨会结果，在该研讨会中，参与者被要求对给定的一系列危害进行评分，以评估中试工厂中的一组工艺设备，并最终为该设施建立过程危害分析（Process Hazard Analysis, PHA）方法。研究人员将解释基于单单元评估的HIRA积分系统改编方法，并将结果与作者在前期评估中获得的结果进行比较（Leggett, 2012a, 2012b）。该案例研究的最终成果将是一组工具和执行部门所有活动的内部管理医疗技术文件，以维持中试工厂的危害管理系统。
本研究由哥伦比亚国立大学化学与环境工程系Daniel Felipe Borda López、Iván Darío Gil Chaves和Mario Andrés Noriega Valencia完成，发表在《South African Journal of Chemical Engineering》上。研究聚焦于中试工厂（Pilot Plants）在化学工程教育中的核心地位及其伴随的安全挑战，旨在解决学术设施中普遍存在的危害管理结构化不足问题。
研究背景与问题阐述方面，中试工厂作为连接实验室研究与工业生产的关键环节，为学生提供了不可替代的实践平台（Al-Dahhan, n.d.）。然而，相较于达杜邦等大型化工企业，中试工厂的事故发生率可能高达10至50倍（Banderly, 2009a）。这一严峻现实源于多重因素：学生操作经验不足、安全培训欠缺、安全标准不完善以及安全文化缺失。现有实验室安全管理多依赖OSHA实验室标准或危害通识标准，侧重于通过安全数据表（Safety Data Sheets）传递危害信息，而非构建持续的风险管理系统（Langerman, 2009a; Banerjee, 2002）。虽然OSHA过程安全管理（PSM）标准提供了更为系统的危害管理、控制、缓解和监测框架（OSHA, 1992），但该标准通常不适用于未达到强制处理量阈值的实验室和中试工厂（Sanusi等, 2022; Aziz, H.A., 2012; Langerman, 2009a）。因此，如何将PSM方法论降尺度应用于中试环境成为亟待解决的课题。已有研究表明，PSI（Process Safety Information，过程安全信息）和PHA（Process Hazard Analysis，过程危害分析）等PSM核心步骤可在中试工厂成功实施（Sanusi等, 2022; Aziz, H. A.等, 2012, 2013）。哥伦比亚国立大学波哥大校区的中试工厂占地面积逾3000平方米，自1987年投入使用以来，涵盖多种独立运行的单元操作设备，是哥伦比亚规模最大、设备最齐全的化学工程实验室（López, 2003）。该设施的非单一工艺流程特性，要求研究者开发基于节点（node-based）的系统化危害分析方法。
研究人员采用的核心技术方法包括：基于HIRA分析原理构建的加权评分系统；两阶段研讨会工作坊（分别面向教职员工和学生群体）；风险热图（heat map）可视化技术；以及通过控制子单元（control subunit）验证方法可重复性的扰动分析（perturbation analysis）策略。样本来源为参加研讨会的40名参与者，其中教职员工20人，学生20人。
研究结果部分，"加权系数确定" 通过参与者对八类危害按影响程度和暴露频率进行排序赋值获得。结果显示，高压蒸汽（High Pressure Vapor）在两个群体中均被评为最关危险因素（加权系数：教职员工16.7%，学生17.9%）；高温（High Temperature）次之（15.2% vs. 14.9%）；危险化学物质使用（Use of Dangerous Chemical Substances）在学生群体中排名更高（13.5% vs. 10.8%）。高空作业（High Altitude）在两组中均为最低（7.0% vs. 6.5%）。值得注意的是，学生对危险化学物质的评分显著高于教职员工（影响评分差值+0.5，频率评分差值+0.8），反映出其基于理论认知而非实操经验的风险感知偏差。
"子单元评估" 对20个子单元（含1个重复评估的控制单元）进行了详细分析。以0.8为上限危险限值（Upper Hazard Limit, UHL），教职员工识别出3个临界子单元和1个非操作单元（萃取精馏，HI=1.06>0.8），而学生评估中有更多单元进入高危险类别。风险热图清晰展示了精馏塔区域的高风险聚集特征，特别是建筑上下部的精馏塔群形成明显的"风险热点"。
"控制子单元验证" 采用分段精馏（Distillation in Stages, LIQPP-0030）作为控制单元进行重复评估。两组教职员工获得完全一致的HI值（0.54，危险类别3），证明该方法在经验丰富人员中具有高度可重复性；而学生组的HI值波动较大（0.31-0.63，危险类别2-4）。通过±3个百分点的权重扰动测试，HI变化保持在±0.05范围内，危险类别未发生改变，验证了加权系统的稳健性。
"HIRA框架中的不确定性考量" 系统分析了认知不确定性（epistemic uncertainty）的三个来源：评估者变异性（evaluator variability）、知识基础不确定性（knowledge-based uncertainty）以及权重系数的主观性。研究证实，经验水平是降低认知不确定性的关键因素，这与OSHA PSM要求"由合格、知识渊博的人员进行危害分析"的指导意见高度一致。
讨论部分，研究人员深入分析了精馏塔区域高风险的多重成因：多危害类别并发（高压蒸汽、高温、高压、高空作业）、设备老化（部分设施自1987年投用至今未进行重大更新）、操作复杂性（需手动调节回流比、冷凝器冷却水流量和再沸器进料速率）以及操作者经验不足。学生群体普遍高估风险的现象，尤其是酯化车间（HI差值0.49）、啤酒酿造车间和喷雾干燥系统等不熟悉的设备，进一步印证了经验在风险感知中的关键作用。但在学生有实践经验的单元上，评估结果与教职员工趋于一致，表明结构化安全培训可有效提升其评估准确性。
研究结论指出，HIRA方法是一种简单有效的PSM实施工具，能够系统识别危害、量化风险并生成直观的可视化结果。该方法已实际应用于哥伦比亚国立大学中试工厂的投资决策，包括升级精馏塔电气系统和安装高空作业生命线等措施。研究人员计划每年重复该工作坊，将其纳入年度投资规划的安全文化核心组成部分，并已在本科课程中增设过程安全专门课程、设计多门安全认证课程。未来建议优先由经验丰富的教职员工主导评估，同时为师生创造结构化的学习环境，以培养其成为安全风险管理的有价值参与者。
