This thesis focuses on the implementation of inherently safer design (ISD) within the life cycle of a plant. The work started from the project carried out by professor Tetsuo Fuchino and his research group at the Tokyo Institute of Technology. They wanted to define a business process model (BPM) capable to link and analyze every step of the plant life cycle that could be applied in parallel to each section of the process. At the moment, after almost 20 years of work, they developed the sections related to process production and maintenance stages and are aiming to create a process safety management (PSM) framework (with an approach similar to OSHA and Seveso directives) integrated in an activity business model (Shimada et al., 2015). The applicability of this tool to existing plants was proven by Fuchino et al. (2013, 2015b), where they demonstrate that it is a reliable analysis technique with the potential of improving the common industrial procedures. In order to consider the complete life cycle, it is necessary to create a to-be model capable to evaluate also the design phases of the plant. The development of such a methodology requires that the decision-making process applied to the life cycle engineering (LCE) study goes beyond the economic assessment. Indeed it should consider new concepts such as: safety conscious process design, environmental conscious manufacturing, risk based maintenance and inspection. This approach has to be applied to each engineering step of the life cycle itself (design, construction, operation and maintenance). Considering only the design stage, there are various possibilities to improve the safety oriented design strategy. The increase of the effectiveness of each single independent protection layer would produce a safer process from an overall point of view at the expense of higher costs. The best option is to begin refining the layers related to the core of the process (the first ones from a hierarchical point of view) in order to reduce the overall risk associated to the plant rather than mitigate the outcomes of accident events. Given the previous observation, this work considers the inherently safer design as the first option to improve the process scheme in the conceptual design (CD) stage, the one in which the best results can be achieved with this approach. The same technique can also be applied to successive LCE steps related to the design of more detailed process diagrams or to the modification of the plant structure during the production phase. However, the effectiveness of the ISD in the LCE sections that follow the CD is limited due to the fact that the key degrees of freedom have already been determined in previous design steps hence reducing the number of inherently safer alternatives. After having defined what the ISD is and what methods can be applied to enhance the overall safety, the conceptual design itself is studied and modeled by taking into consideration the new safety-oriented objective. Furthermore, ISD is implemented inside the LCE scheme. In order to achieve this goal, the methods to identify safer plant layouts, to discriminate among them and to optimize the process diagram were analyzed and combined together. These tools are based on index approaches or alternative techniques, which exploit different key parameters (e.g., the overall risk). It is better to stress that a universally applicable methodology does not exist yet. Thus, the proposed solutions are composed by multiple assessment metrics. Moreover, heuristic considerations are used along the ISD implementation (at least to provide feasible layout alternatives). The final result is represented by using the IDEF0 schematic technique, meaning that the overall system is written by employing an activity model methodology. Starting from the necessity to develop a general tool exploitable in the whole LCE structure, a to-be model was developed from scratch. Obviously, this does not mean that the business process model will be focused only on the ISD or that the CD stage will be able to generate the sole scheme in which the inherent safety (IS) is maximum. This technique is in fact a flexible general framework capable to perform both an economic and a safety assessment that will determine the optimal plant scheme (process flow diagram) depending on the chosen design strategy. Starting from the idea of providing multiple-approach possibilities, one of the key targets of the whole model was to maintain the feature of universal applicability. The method would not be interesting from an industrial point of view if it were proposed to solve only specific case studies. Hence, many efforts were made to maintain the final model as much general as possible, considering also the fact that it should be applied during the CD, one of the LCE stages where the most various choices can be taken.
Il presente lavoro di tesi ha come fulcro l’implementazione della tecnica di progettazione intrinsecamente sicura (inherently safer design, ISD) all’interno dell’analisi di ciclo di vita di un impianto. Lo studio si sviluppa utilizzando come punto di partenza il progetto portato avanti dal professore Tetsuo Fuchino e dal suo gruppo di ricerca presso il Tokyo Institute of Technology. Lo scopo dei ricercatori giapponesi è quello di creare un modello di processo commerciale (business process model, BPM) in grado di dettagliare e analizzare ogni stadio che compone il ciclo di vita di impianto parallelamente allo sviluppo dello stesso. Dopo circa venti anni di lavoro sono state completate le sezioni del modello legate alle fasi di produzione e manutenzione. Oltre a ciò, si è cercato di combinare ed esporre i risultati in modo da definire un approccio standard per la gestione della sicurezza di processo (process safety management, PSM) simile a quello delle direttive OSHA e Seveso integrato nel modello commerciale ad attività (Shimada et al., 2015). La possibilità di utilizzare tale strumento per lo studio di impianti esistenti è stata dimostrata da Fuchino et al. (2013, 2015b), i quali hanno provato l’affidabilità della tecnica proposta e le sue potenzialità per quel che riguarda il miglioramento delle comuni procedure industriali. Per considerare l’intero ciclo di vita di un processo è necessario creare un modello “ad essere” (“to be” in inglese), capace quindi di valutare anche le fasi di progettazione. Lo sviluppo di un simile strumento richiede che il metodo utilizzato per prendere decisioni durante lo studio ingegneristico del ciclo di vita (life cycle engineering, LCE) non si limiti alla semplice analisi economica. Esso si deve basare su nuovi concetti: progettazione di processo consapevole della sicurezza, produzione attenta all’ambiente, manutenzione e ispezione basate sull’analisi di rischio. Questo tipo di approccio deve essere utilizzato ad ogni passaggio chiave del ciclo di vita stesso (progettazione, costruzione, produzione e manutenzione). Parlando della sola fase di progettazione, esistono varie possibilità per migliorare la strategia generale orientata all’aumento della sicurezza. L’incremento dell’efficacia di ogni singolo livello di protezione indipendente che compone il processo produrrebbe uno schema più sicuro da un punto di vista globale, causando però un’elevata crescita dei costi. L’opzione migliore è quella di iniziare a perfezionare i livelli associati al nucleo del processo (i primi da un punto di vista gerarchico) in modo da ridurre il rischio totale legato all’impianto piuttosto che cercare di mitigare gli esiti di possibili eventi incidentali. Partendo dalla precedente osservazione, la progettazione intrinsecamente sicura è stata scelta come la prima soluzione utile per ottenere un migliore schema di processo durante il livello di progettazione concettuale (conceptual design, CD), la fase in cui tale tecnica dà i risultati più favorevoli. Lo stesso approccio può essere applicato anche ai passaggi successivi del LCE legati allo sviluppo di diagrammi di processo più dettagliati o alla modifica della struttura di impianto. In ogni modo, l’efficacia dell’ISD è in questi casi limitata in quanto la maggior parte dei gradi di libertà del processo sono già stati saturati durante i livelli di progettazione precedenti: le alternative utili per ottenere processi intrinsecamente più sicuri sono dunque ridotte. Successivamente l’avere definito cos’è l’ISD e quali metodi possono essere sfruttati per migliorare la sicurezza globale del processo, il CD stesso è stato studiato e modellizzato prendendo in considerazione l’incremento della sicurezza come obbiettivo. Oltre a ciò, l’ISD è stato implementato all’interno dell’approccio LCE. Per fare in modo di raggiungere tale risultato si sono dovute analizzare e descrivere le tecniche necessarie per identificare le varie opzioni di processo, per selezionare la migliore tra quelle proposte e per ottimizzare lo schema ottenuto. Gli strumenti di questo tipo sono basati su indici o su approcci alternativi che sfruttano differenti parametri chiave (e.g., il rischio globale). É opportuno sottolineare che una metodologia universalmente applicabile non esiste ancora. Come conseguenza le soluzioni ottenute sono basate su metri di valutazione multipli i quali, se combinati, sono in grado di dare risultati migliori rispetto a quelli del singolo indice. Inoltre, varie considerazioni euristiche sono necessarie e devono essere utilizzate parallelamente al metodo dell’ISD (per lo meno per fornire le alternative di processo utili). Il risultato finale è rappresentato per mezzo della tecnica denominata IDEF0 la quale sfrutta un sistema schematico detto modello ad attività. Partendo dalla necessità di sviluppare uno strumento generale applicabile all’intera struttura del LCE, è stato prodotto ex-novo un modello “ad-essere”. Ovviamente, questo non significa che il BPM è in grado di applicare esclusivamente l’ISD producendo solo lo schema di processo in cui la sicurezza intrinseca (inherent safety, IS) è massima. La presente tecnica è infatti flessibile ed è capace di svolgere sia analisi economiche che di sicurezza, generando come ultimo risultato lo schema di impianto migliore a seconda della strategia di progettazione desiderata. Partendo proprio dall’idea di fornire molteplici possibilità di approccio, uno degli obbiettivi cardine del modello è rimasto quello di essere universalmente applicabile. Il metodo non sarebbe infatti interessante da un punto di vista industriale se fosse in grado di risolvere soltanto specifici problemi. Proprio per questo si è cercato di produrre una tecnica che fosse il più generale possibile tenendo in considerazione che tale strumento dovrà essere applicato durante il livello di progettazione concettuale, una delle fasi in cui possono essere operate le scelte più varie.
Inherently safer conceptual design of chemical processes based on an activity model approach
FAVA, JACOPO
2015/2016
Abstract
This thesis focuses on the implementation of inherently safer design (ISD) within the life cycle of a plant. The work started from the project carried out by professor Tetsuo Fuchino and his research group at the Tokyo Institute of Technology. They wanted to define a business process model (BPM) capable to link and analyze every step of the plant life cycle that could be applied in parallel to each section of the process. At the moment, after almost 20 years of work, they developed the sections related to process production and maintenance stages and are aiming to create a process safety management (PSM) framework (with an approach similar to OSHA and Seveso directives) integrated in an activity business model (Shimada et al., 2015). The applicability of this tool to existing plants was proven by Fuchino et al. (2013, 2015b), where they demonstrate that it is a reliable analysis technique with the potential of improving the common industrial procedures. In order to consider the complete life cycle, it is necessary to create a to-be model capable to evaluate also the design phases of the plant. The development of such a methodology requires that the decision-making process applied to the life cycle engineering (LCE) study goes beyond the economic assessment. Indeed it should consider new concepts such as: safety conscious process design, environmental conscious manufacturing, risk based maintenance and inspection. This approach has to be applied to each engineering step of the life cycle itself (design, construction, operation and maintenance). Considering only the design stage, there are various possibilities to improve the safety oriented design strategy. The increase of the effectiveness of each single independent protection layer would produce a safer process from an overall point of view at the expense of higher costs. The best option is to begin refining the layers related to the core of the process (the first ones from a hierarchical point of view) in order to reduce the overall risk associated to the plant rather than mitigate the outcomes of accident events. Given the previous observation, this work considers the inherently safer design as the first option to improve the process scheme in the conceptual design (CD) stage, the one in which the best results can be achieved with this approach. The same technique can also be applied to successive LCE steps related to the design of more detailed process diagrams or to the modification of the plant structure during the production phase. However, the effectiveness of the ISD in the LCE sections that follow the CD is limited due to the fact that the key degrees of freedom have already been determined in previous design steps hence reducing the number of inherently safer alternatives. After having defined what the ISD is and what methods can be applied to enhance the overall safety, the conceptual design itself is studied and modeled by taking into consideration the new safety-oriented objective. Furthermore, ISD is implemented inside the LCE scheme. In order to achieve this goal, the methods to identify safer plant layouts, to discriminate among them and to optimize the process diagram were analyzed and combined together. These tools are based on index approaches or alternative techniques, which exploit different key parameters (e.g., the overall risk). It is better to stress that a universally applicable methodology does not exist yet. Thus, the proposed solutions are composed by multiple assessment metrics. Moreover, heuristic considerations are used along the ISD implementation (at least to provide feasible layout alternatives). The final result is represented by using the IDEF0 schematic technique, meaning that the overall system is written by employing an activity model methodology. Starting from the necessity to develop a general tool exploitable in the whole LCE structure, a to-be model was developed from scratch. Obviously, this does not mean that the business process model will be focused only on the ISD or that the CD stage will be able to generate the sole scheme in which the inherent safety (IS) is maximum. This technique is in fact a flexible general framework capable to perform both an economic and a safety assessment that will determine the optimal plant scheme (process flow diagram) depending on the chosen design strategy. Starting from the idea of providing multiple-approach possibilities, one of the key targets of the whole model was to maintain the feature of universal applicability. The method would not be interesting from an industrial point of view if it were proposed to solve only specific case studies. Hence, many efforts were made to maintain the final model as much general as possible, considering also the fact that it should be applied during the CD, one of the LCE stages where the most various choices can be taken.File | Dimensione | Formato | |
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