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本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法研究進展

文檔作者：王杭州邱彤陳丙珍趙勁松文檔來源：清華大學化學工程系過程系統(tǒng)工程研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月27日
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第30卷第3期
2014年6月
化學反應工程與工藝
Chemical Reaction Engineering and Technology
V0l 30．No 3
June 2014
文章編號：1001-7631(2014)03—O254___08
本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法研究進展
王杭州，邱彤，陳丙珍，趙勁松
(清華大學化學工程系過程系統(tǒng)工程研究所，北京100084)
摘要：綜述了多種本質(zhì)安全化設(shè)計方法和策略，并介紹了多種描述不同反應路徑中有害物質(zhì)潛在威脅的定量
評價指數(shù)。由于化工過程的復雜性，通常存在多個穩(wěn)態(tài)操作點，而這些穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性也不盡相同；另一方
面，位于奇異點附近的操作點可能會自動引發(fā)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為解
決這一問題，探索設(shè)計了定量表征穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性的方法，用于考慮穩(wěn)定性的化工過程的優(yōu)化設(shè)計；
針對振蕩現(xiàn)象，提出了將這類奇異點所在范圍作為約束條件來考慮的流程設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全化穩(wěn)定性指標霍普夫奇異點振蕩現(xiàn)象多目標優(yōu)化
中圖分類號：TQ021．8 文獻標識碼：A
為了提高化工過程的安全性，一個有效的方法就是設(shè)計本質(zhì)安全化(Inherently Safer)的化工過
程。本質(zhì)安全的概念由Kletz[1]在1978年提出，本質(zhì)安全化是指消除事故的最佳方法不是依靠附加的
安全設(shè)施，而是通過在設(shè)計中消除危險或降低危險程度以取代這些安全裝置，從而降低事故發(fā)生的可
能性和嚴重性。經(jīng)過長期的實踐，本質(zhì)安全化的基本策略總結(jié)為四個方面的內(nèi)容：危害物質(zhì)的最小化
(Minimize)、高危物質(zhì)的替代化(Substitute)、劇烈反應的溫和化(Moderate)以及過程工藝的簡單化
(Simplify)。盡管無法完全消除所有危險源，但通過改變工藝和操作方式能減少事故發(fā)生的可能性[2]。
Hendershot[3]綜述了本質(zhì)安全化設(shè)計方法在層次保護系統(tǒng)中降低系統(tǒng)潛在風險的特性。
對工藝過程的本質(zhì)安全化的量化表征是研究的重點，研究人員提出了多種本質(zhì)安全化的評價指數(shù)
設(shè)計方法。Edwards等【4J提出了本質(zhì)安全原型指數(shù)(Prototype Inherent Safety Index，PIIS)計算不同反
應路徑的本質(zhì)安全化程度，Heikkl等 J提出本質(zhì)安全指數(shù)(Inherent Safety Index，ISI)作為PIIS的補
充，Koller 叫提出綜合考慮安全健康環(huán)境指數(shù)(Safety，Health，Safety Index，SHE)方法，增加了
對人員健康和周邊環(huán)境影響因素的考慮。Palaniappan等[7 ]針對PIIS和ISI指數(shù)區(qū)間水平不明顯的缺
點提出了i-Safe指數(shù)，當PIIS和ISI指數(shù)評價反應路徑的分數(shù)接近時，用增加的特性指數(shù)作為補充來
區(qū)分化工過程的本質(zhì)安全化水平。Gentile等【9I10l提出了基于模糊理論分析的本質(zhì)安全指數(shù)(Fuzzy
Based Inherent Safety Index)，針對PIIS，ISI和i-Safe指數(shù)方法中階梯函數(shù)在處理端點數(shù)值時的不足，
運用模糊邏輯和概率理論，將指數(shù)區(qū)間設(shè)置為連續(xù)，使用if-then的規(guī)則將定量的數(shù)據(jù)與定性的信息相
結(jié)合，具有更好的邏輯性。王艷華等Illl也使用采用基于模糊邏輯的Mamdani型模糊推理方法，確定
評價指數(shù)，結(jié)果直觀可視。李求進等L1 z】采用基于遺傳算法的Shepard插值算法在離散參照點之間插值
確定不同工藝路線本質(zhì)安全指數(shù)，Gupta等[1 3J提出了圖形化的方法表征本質(zhì)安全特性，將多方面指數(shù)
同時繪制在一張圖中進行比較，具有良好的擴展性。Khan等[14]提出了集成的本質(zhì)安全指數(shù)(Integrated
收稿日期：2014．Ol一24；修訂日期：2014．04—29。
作者簡介：王杭州(1981一)，男，助理研究員；趙勁松(1969一)，男，教授，通訊聯(lián)系人。E-mail：jinsongzhao@tsinghua．edu．cn。
基金項目：國家自然科學基金(21306100)：國家973計劃(2012CB720500)。
第30卷第3期 王杭州等．本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法研究進展 255
Inherent Safety Index，I2SI)，流程被分割為多個子流程，計算子流程安全指數(shù)，最后求解總的流程安
全指數(shù)，具有很好的靈活性。Meel等ll 5J使用博弈論的方法對化工過程的經(jīng)濟性(Profitability Index，
PI)、可控性(Controllability Index，CI)、安全性(Safety and／or Product Quality Index，S／Q)和柔性
(Flexibility Index，F(xiàn)I)進行了綜合，對多組離散的操作點進行多目標優(yōu)化。Srinivasan等『j 】提出了本
質(zhì)優(yōu)良性指數(shù)(Inherent Benign．ness Index，IBI)，用主成分分析不同反應路徑的各個方面的指數(shù)組成
一個矩陣，選擇本質(zhì)優(yōu)良性的反應路徑，具有良好的擴展性，克服了早期指數(shù)方法中主觀劃分范圍和
主觀設(shè)置權(quán)重的不足。Leong等_l7’l踟提出本質(zhì)安全指數(shù)模型的方法(Inherent Safety Index Module，ISIM)
和反應路徑指數(shù)方法(Process Route Index，PRI)，將本質(zhì)安全化理念的判斷方法集成到HYSYS流程
模擬軟件中，在模擬流程的同時找到更嚴格并且本質(zhì)更安全化的反應路徑。Khan等[19 20]對已有的一
些本質(zhì)安全評價指數(shù)方法進行了匯總和評價。樊曉華等[21,22]也對本質(zhì)安全指數(shù)的部分方法進行了報道
和評價。上述工作中定量的本質(zhì)安全化評價指數(shù)僅用于指導如何選擇反應路徑，降低事故發(fā)生時可能
帶來的損失，但不能確保降低事故發(fā)生的概率。因為，化工過程具有強非線性，對于選定的反應路徑，
系統(tǒng)存在多個穩(wěn)態(tài)，這些穩(wěn)態(tài)操作點的穩(wěn)定性不完全相同，對于穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點，它們的穩(wěn)定性也
不盡相同；另一方面，在化工過程的體系中還存在Hopf奇異點引發(fā)的周期性的振蕩，影響過程的穩(wěn)
定，降低產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在化工過程設(shè)計階段就需要考慮選擇具有更好穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)操作點，同
時盡量避免選擇可能產(chǎn)生自發(fā)振蕩過程的操作點，進而從理論上降低化工過程中可能發(fā)生事故的概率，
提高化工過程的本質(zhì)安全化水平。
l化工過程多穩(wěn)態(tài)及其穩(wěn)定性的量化表征
1．1化工過程的多穩(wěn)態(tài)特征
描述化工過程的動態(tài)方程，即狀態(tài)變量對于時間的常微分方程組，通常具有多個穩(wěn)態(tài)解。穩(wěn)態(tài)解
是指動態(tài)系統(tǒng)中使得系統(tǒng)變化率為零的操作點。根據(jù)穩(wěn)態(tài)點在擾動后，是否能夠回復到之前穩(wěn)態(tài)操作
點的動態(tài)特性，可以將穩(wěn)態(tài)操作點劃分為穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點和不穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點。Seider等【2 3_強調(diào)
了化工過程設(shè)計中對系統(tǒng)非線性特性分析的重要性。袁其朋等【2 】研究了固定化酵母粒子中生產(chǎn)乙醇的
定態(tài)分岔行為，找到了該過程的多個穩(wěn)態(tài)解。Balakotaiah等[25-28]用分岔理論分析了在簡單全混釜的多
穩(wěn)態(tài)特性。Razon等【29]在綜述了化工反應系統(tǒng)中的多態(tài)及不穩(wěn)定特性的基礎(chǔ)上，在研究中也觀察到在
簡單連續(xù)攪拌釜反應器中存在多穩(wěn)態(tài)解和周期振蕩現(xiàn)象 。Monnigmann等L3Il提出了針對強非線性過
程提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計方法，并將該方法用于醋酸乙烯酯聚合過程、甲苯加氫脫烷基化過程 2_
以及混合懸浮混合排料(MSMPR)結(jié)晶過程_3引。Meel等[151在研究多目標優(yōu)化的設(shè)計方法中也指出在
反應系統(tǒng)中存在多穩(wěn)態(tài)解的現(xiàn)象。Marquardt等[341提出了非線性動態(tài)過程構(gòu)建方法(CNLD)，并將該
方法用于色氨酸合成過程f35]。Lemoine-Nava等【3 6J利用非線性分岔分析方法分別對苯乙烯自由基聚合
反應器進行了分析，對控制系統(tǒng)的設(shè)計給出指導建議，同時也對聚亞安酯釜式反應器 ，J的開環(huán)系統(tǒng)進
行了研究，討論了系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)特性。Katariya等 8J通過分岔分析確定合成甲基叔戊基醚(TAME)的
反應精餾過程中存在多穩(wěn)態(tài)，指出進料狀態(tài)和Damkohler數(shù)的變化是產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)的原因。Mancusi等L39J
進行了工業(yè)合成氨反應器的多穩(wěn)態(tài)研究，揭示了合成氨反應器在一次操作中壓力減小造成持續(xù)震蕩進
而引發(fā)事故的機理。除了定性地判斷化工過程穩(wěn)態(tài)操作點的穩(wěn)定性之外，還需要對多個穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作
點定量描述它們的穩(wěn)定性。針對這個問題，從穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點遇到擾動后的動態(tài)響應特性來定量描述：
256 化學反應工程與工藝 2014年6月
穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點能夠承受的最大擾動范圍，穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點在擾動后回復到之前操作點的速率。
1．2穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點的穩(wěn)定性表征
1．2．1穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點所能承受的最大擾動范圍
通常情況下，對于化工過程中穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點，在遇Nd,的擾動之后，隨著時間的發(fā)展能夠回
復到擾動之前的穩(wěn)態(tài)操作點。但是，隨著擾動逐漸增大，當增大到某一個特定值后，穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點就
無法再回復到擾動之前的穩(wěn)態(tài)操作點。因此，研究化工過程穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)解能夠承受的擾動范圍，提出
抗擾動能力指數(shù)，定量表征穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)解對于擾動的承受能力 ，可以為進一步設(shè)計本質(zhì)安全化的化
工過程提供依據(jù)。
1．2．2穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點在擾動下的收斂速率
除了能夠承受的最大擾動范圍不同外，穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點在遇到擾動后，回復到擾動之前的穩(wěn)態(tài)點的
速率也不相同。即使距離很近的兩個穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點[ 們，在擾動下的回復速率差別很大，即回復到
擾動之前的穩(wěn)態(tài)操作點所需要的時間差別很大。因此，在化工過程設(shè)計中，優(yōu)先考慮擾動后回復速率
較快的操作點作為設(shè)計方案中選擇的操作點。
1．3穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性的量化表征
在化工過程設(shè)計中，為了精確地比較不同穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性，需要量化表征穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作
點在上述兩方面的特性。對于已有的多個穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點，量化表征后的穩(wěn)定性指數(shù)可以為多目標
優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。
對于化工過程的動態(tài)系統(tǒng)方程：
I ：F㈨
{
【 (0)： +
其中： 是系統(tǒng)穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)解， 是系統(tǒng)遇到的擾動。
穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)點所能承受的最大擾動范圍(彤)的量化表征的一種構(gòu)造方法為：
=
max(z~c )+max(z~c一)
— — —— — — — — ——=— — —— — — — ～
其中： △ ≤X ，Ax一≤X ， 和 一分別是系統(tǒng)所能夠承受的正向擾動和系統(tǒng)所能夠承受的
負向擾動。
用 表示穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)點在擾動后回復原來操作點速率的大小，-S0構(gòu)造 的表達式如下：
SI=
兀
Σ 兀
i=I J=l，≠i
其中： 是動態(tài)方程組雅可比矩陣在穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點處的特征值。
將 和 歸一化，定義穩(wěn)定性指標為Q，，構(gòu)造Qs的表達式如下：
QI=min(R／ 。 a1i 。d，SI 。 a1i 。d)
通過設(shè)計的 ，可以量化表征不同穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性，從而為多目標優(yōu)化提供依據(jù) ¨。
第30卷第3期 王杭州等．本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法研究進展 257
1．4多目標優(yōu)化設(shè)計
綜合考慮經(jīng)濟性和穩(wěn)定性兩方面的因素，需要進行多目標優(yōu)化設(shè)計。確定化工過程動態(tài)系統(tǒng)中穩(wěn)
定的穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性的表征方法之后，相應的優(yōu)化設(shè)計的具體步驟如下：
(1)求解動態(tài)系統(tǒng)的所有穩(wěn)態(tài)解；
(2)判斷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解的穩(wěn)定性，劃分出穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)解區(qū)域和非穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)解區(qū)域；
(3)對于穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)解區(qū)域內(nèi)的操作點，計算R，， 越大，能夠承受的擾動范圍越大；
(4)對于穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)解區(qū)域內(nèi)的操作點，計算 ， 越大，遇到擾動后收斂速率越大：
(5)將 和 歸一化，計算穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)解對應的 ；
(6)基于 建立多目標優(yōu)化方程，求解計算優(yōu)化方案l4?。
在化工過程設(shè)計中，通過對操作點穩(wěn)定性的量化表征，在化工過程設(shè)計階段就充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定
性，選擇能夠承受較大范圍擾動，同時在遇到擾動之后能夠迅速回復的穩(wěn)定的操作點作為優(yōu)化設(shè)計方案。
2化工過程中的奇異點及相應的設(shè)計方法研究
化工過程中存在復雜的非線性動態(tài)特性，除了多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象之外，在特定的操作條件下系統(tǒng)還會自
發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象，振蕩現(xiàn)象在連續(xù)發(fā)酵過程中報道較多。
2．1微生物連續(xù)發(fā)酵過程中的振蕩現(xiàn)象
微生物發(fā)酵過程是復雜的生化反應過程，常產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)、自發(fā)持續(xù)振蕩等現(xiàn)象。應用數(shù)學方法對此
類問題建模并分析其解的漸近性態(tài)，探討發(fā)酵過程的優(yōu)化控制等問題一直都是人們關(guān)注的研究方向[ 。
從文獻統(tǒng)計來看，關(guān)注較多的是以微生物連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1，3一丙二醇體系和運動發(fā)酵單胞菌連續(xù)發(fā)酵生
產(chǎn)乙醇的體系中的振蕩現(xiàn)象。
2．2微生物連續(xù)發(fā)酵過程的研究案例
2．2．1肺炎克雷伯菌連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1，3．丙二醇
1，3．丙二醇(1，3-PD)是一種重要的化工原料，是合成許多具有優(yōu)良特性的聚合物的單體。相對
于化學合成法，微生物發(fā)酵生產(chǎn)1，3．丙二醇 ， 具有原料可再生、操作簡便、反應條件溫和、副產(chǎn)物
較少和環(huán)境污染小等優(yōu)點。1，3．丙二醇發(fā)酵體系中存在Hopf奇異點，在奇異點附近會產(chǎn)生周期性的振
蕩，對應為極限環(huán)，如圖1所示。
Cs ext，(k窟·m- )
(c) Limit cycles
圖1 Hopf奇異點附近引發(fā)的極限環(huán)
Fig．1 Limit cycles generated from Hopf singularity point
在該體系中，隨著操作條件的變化，Hopf奇異點的位置也發(fā)生改變，在由兩個主要操作參數(shù)組
成的操作平面內(nèi)，Hopf奇異點的分布如圖2所示。
258 化學反應工程與工藝 2014年6月
E
E
C
． 魚
巴
n)
U
C
o
0
Dilution rate／h一’
圖2操作參數(shù)域上的Hopf奇異點
Fig．2 Hopfpoints in operation parameters panel
圖3定量描述操作參數(shù)與奇異點區(qū)域的指標
Fig_3 Schematic of distances to singluarity points
對于操作參數(shù)域上的奇異點，在優(yōu)化設(shè)計過程中，需要考慮操作點與奇異點的距離，這里定義如
下的指標來定量描述操作參數(shù)距離奇異點區(qū)域的距離。
D1=min( w ． h1
’ △ △
其中： △ 和 分別表示奇異點區(qū)域的寬度和高度； 和 分別表示操作點距離奇異點曲線
的水平距離與豎直距離，因此DI描述了操作點距離奇異點曲線的相對最小距離，具體內(nèi)容如圖3所示。
使用量化表征的操作點與奇異點區(qū)域的距離，優(yōu)化計算最佳的操作參數(shù)。當閾值為0．5時，即允
許的D1最小為0．5時，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。
從圖4的結(jié)果中可以看到，在考慮奇異點區(qū)域的約束之后，優(yōu)化結(jié)果可以有效避開可能引發(fā)振蕩
的奇異點區(qū)域。通過在設(shè)計階段考慮體系中可能存在的振蕩現(xiàn)象，有效避免在這些區(qū)域內(nèi)選擇操作點，
對于提高體系的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。
除了生產(chǎn)l，3一丙二醇的體系外，運動發(fā)酵單胞菌連續(xù)生產(chǎn)乙醇體系中的振蕩現(xiàn)象也是研究較多的對象。
Dilution rate／h?！?C／(kg·m )
圖4 DI>~0．5時的優(yōu)化結(jié)果 圖5奇異點附近產(chǎn)生的極限環(huán)
Fig．4 Optimal results when DId O．5 Fig．5 Limit cycles generated from Hopfpoint
2_3．2運動發(fā)酵單胞菌連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇
有文獻報道，與穩(wěn)態(tài)操作相比，振蕩行為難以預測和控制 ，影響產(chǎn)物收率。因此，需要加以回
避 46l，或使之弱化 。4 。運動發(fā)酵單胞菌發(fā)酵過程中存在奇異點，在奇異點附近產(chǎn)生的極限環(huán)如圖5
所示。周期性變化的振蕩現(xiàn)象對于操作過程的平穩(wěn)以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高都不利，因此，需要在設(shè)計階
段采取適當措施規(guī)避振蕩現(xiàn)象。
7r_I 一譬魯 露 口0毒 ．I 口0
0 BJlsD)∞ 量ul
田
第30卷第3期 王杭州等．本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法研究進展 259
在單個操作參數(shù)與產(chǎn)物濃度組成的平面上，
隨著參數(shù)的改變，體系中的Hopf奇異點位置相
應改變，具體如圖6所示L5叫
由兩個操作參數(shù)組成的操作參數(shù)域上，體
系的Hopf奇異點的分布如圖7所示?？梢钥吹?，
在大范圍的操作參數(shù)域內(nèi)，都存在奇異點。為
了避免從操作點引發(fā)的振蕩現(xiàn)象，需要與奇異
點區(qū)域保持一定的距離的操作點。此時，對操
作點進行優(yōu)化，得到結(jié)果如圖8所示。
D ／h?！?
圖7操作參數(shù)域內(nèi)的奇異點組成的曲線
Fig．7 Hopfpoints curve in operation parameters panel
3結(jié)論
圖6不同操作參數(shù)情況下體系中的Hopf奇異點
Fig．6 Hopfpoint under different operation conditions
D
o
／h‘
圖8優(yōu)化計算結(jié)果
Fig．8 Optimal results
化工過程的本質(zhì)安全化設(shè)計是一個復雜的工程問題。將操作點的穩(wěn)定性作為化工過程本質(zhì)安全化
設(shè)計的一個重要考慮因素，量化表征穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)點的穩(wěn)定性，通過多目標優(yōu)化，最后找到能夠承受較
大擾動范圍、同時遇到擾動能夠快速回復的化工過程操作點。特別地針對可能存在的振蕩現(xiàn)象，提出
相應的的奇異操作點的規(guī)避方法。通過對兩個連續(xù)發(fā)酵過程的研究，表明了這種方法對于規(guī)避可能產(chǎn)
生振蕩現(xiàn)象的操作點的有效性。
綜上所述，通過使用本質(zhì)安全化的化工過程設(shè)計方法，可以設(shè)計出本質(zhì)上具有在不確定因素擾動下
仍能維持穩(wěn)定運行特性的化工過程，進而從源頭上降低生產(chǎn)中事故發(fā)生的概率，提高化工過程的安全性。
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Progress on Inherently Safer Design M ethods in Chemical Process
Wang Hangzhou，Qiu Tong，Chen Bingzhen，Zhao Jinsong
(Department ofChemical Engineering，Tsinghua University,Beijing 100084，China)
Abstract： Inherently safer design methods and strategies were briefly reviewed in this article，and several
indexes to evaluate the potential harms of different reaction routines were introduced．M ultiply steady states
exist in chemical processes because of the strong nonlinearity of the processes，the stabilities of the steady
states were usually diferent from each other,and the characteristics of the stable steady states are also
different even if they are very close to each other．In addition，singularity points accompanied by oscillation
phenomenon should be avoided for stable operation and consistent product quality．A quantitative stability
index was proposed to describe the stability of all stable steady states，and an index to describe how close an
operation point was allowed to singularity points was proposed．These indexes were useful in inherently
safer process design．
Key words：inherently safer design；stability index；Hopfpoint；oscillation；multi—objective optimization

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