基本信息
- 作者： 王杭州，陈丙珍，赵劲松，邱彤
- 出版社：清华大学出版社
- ISBN：9787302429319
- 上架时间：2017-3-7
- 出版日期：2017 年3月
- 开本：16
- 版次：1-1
- 所属分类：化学 > 基础化学 > 化学工艺
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本书在综述现有化工过程本质安全化研究工作的基础上，重点对化工生产过程在不确定因素扰动下维持稳定操作的关键科学问题进行了论述。首先介绍了化工过程多稳态现象及多稳态解的求解方法，化工过程多稳态解的稳定性分析方法，稳定稳态解的稳定性量化的表征方法；然后介绍了化工过程中可能引发振荡现象的奇异点的求解方法以及在化工过程设计中规避这些奇异点的方法；之后介绍了综合考虑稳定性和系统奇异点特性的化工过程本质安全化的设计方法；接着详细介绍了工业聚丙烯过程的多稳态现象及其稳定性分析；并展望了在设计过程中将稳定性与柔性分析相结合的方法。在本书的写作过程中，我们参考了有关的重要专著和相关的众多期刊文献，书中大部分内容为作者多年来从事化工过程多稳态解及稳定性分析的基础理论与应用研究工作的一些成果。
内容简介
书籍
化工书店
研究表明，减少化工事故*有效的方法是从源头上设计本质安全化的化工过程。本质安全化是指通过在设计中利用*性的、与化工过程不可分割的物理或化学的措施消除危险或降低发生事故的概率和后果的严重程度，而不是依靠控制系统、联锁或冗长的操作程序等预防事故。现有的研究工作通过在设计阶段选择不同的反应路径降低事故发生时带来的损失，但是这不能确保降低事故发生的概率。对于复杂的化工过程，即使确定了反应路径，系统也可能存在多个稳态操作点，而它们的稳定性不尽相同，在外部扰动的情况下脱离该操作点进入不稳定区域的概率也不尽相同。另一方面，化工过程的体系中存在Hopf奇异点，在这些奇异点会引发周期性的振荡，影响化工过程的平稳操作，进而给安全生产带来较大挑战。本书介绍了化工过程的多稳态及其稳定性现象，建立了量化表征稳定的稳态点的稳定性的方法；介绍了化工过程动态系统中操作参数区域内Hopf奇异点的识别方法，建立了表征操作点可能落入奇异点操作区域产生振荡现象的潜在风险的方法；*后，在上述方法的基础上建立了综合考虑稳定稳态点的稳定性，同时尽量规避Hopf奇异点区域的化工过程优化设计方法框架，为设计本质更安全的化工过程提供理论依据。
化工书店
研究表明，减少化工事故*有效的方法是从源头上设计本质安全化的化工过程。本质安全化是指通过在设计中利用*性的、与化工过程不可分割的物理或化学的措施消除危险或降低发生事故的概率和后果的严重程度，而不是依靠控制系统、联锁或冗长的操作程序等预防事故。现有的研究工作通过在设计阶段选择不同的反应路径降低事故发生时带来的损失，但是这不能确保降低事故发生的概率。对于复杂的化工过程，即使确定了反应路径，系统也可能存在多个稳态操作点，而它们的稳定性不尽相同，在外部扰动的情况下脱离该操作点进入不稳定区域的概率也不尽相同。另一方面，化工过程的体系中存在Hopf奇异点，在这些奇异点会引发周期性的振荡，影响化工过程的平稳操作，进而给安全生产带来较大挑战。本书介绍了化工过程的多稳态及其稳定性现象，建立了量化表征稳定的稳态点的稳定性的方法；介绍了化工过程动态系统中操作参数区域内Hopf奇异点的识别方法，建立了表征操作点可能落入奇异点操作区域产生振荡现象的潜在风险的方法；*后，在上述方法的基础上建立了综合考虑稳定稳态点的稳定性，同时尽量规避Hopf奇异点区域的化工过程优化设计方法框架，为设计本质更安全的化工过程提供理论依据。
目录
第1章引言
1.1背景简介
1.2本质安全化设计方法研究进展
1.3本书内容介绍
参考文献
第2章化工过程中的多稳态现象
2.1引言
2.2非线性方程组求解方法
2.2.1线性方程组高斯消元法和共轭梯度法
2.2.2牛顿法及其变体
2.2.3同伦延拓法
2.2.4多启动延拓法
2.2.5单纯形算法和长方体算法
2.2.6郭涛算法
2.2.7扩展的同伦延拓法
2.2.8算法小结
2.3案例一全混釜串联反应过程
2.3.1反应过程简介
2.3.2反应过程数学模型
2.3.3单参数变化时的多稳态解现象
1.1背景简介
1.2本质安全化设计方法研究进展
1.3本书内容介绍
参考文献
第2章化工过程中的多稳态现象
2.1引言
2.2非线性方程组求解方法
2.2.1线性方程组高斯消元法和共轭梯度法
2.2.2牛顿法及其变体
2.2.3同伦延拓法
2.2.4多启动延拓法
2.2.5单纯形算法和长方体算法
2.2.6郭涛算法
2.2.7扩展的同伦延拓法
2.2.8算法小结
2.3案例一全混釜串联反应过程
2.3.1反应过程简介
2.3.2反应过程数学模型
2.3.3单参数变化时的多稳态解现象
书摘
第1章引言
1.1背景简介
化工过程的安全需要法规、制度、管理和技术等多方面配合来解决这一问题。在技术方面，需要应用化学、化工、材料、机械、自动化等多个学科的知识来综合分析。为提高化工过程的安全性，目前常采用层次保护系统，而*有效的途径是在设计阶段就采用本质安全化的设计方法来设计化工过程。本节首先介绍层次保护系统，之后介绍本质安全化设计的方法，并且对系统的多稳态和稳定性进行阐述。
图11化工过程的层次保护系统
层次保护［1，2］系统如图11所示，化工过程的安全保护层次由内往外依次为： 过程设计、基本控制、监控报警、自动防护、物理防护、工厂应急预案和社区应急预案。
如图12所示，经过一层层的保护措施之后，化工过程*终面临的风险大幅降低。但是随着时间的推移、设备的老化、控制器的失灵等，层次保护措施的作用会减弱，化工过程面临的潜在风险增加，如图13所示。因此，为了设计更加安全的化工系统，本质安全化的设计方案是*选择，在理想情况下如图14所示。
图12化工过程的层次保护系统
面临的风险
图13化工过程的层次保护系统失效
时面临的风险
图14本质安全化设计的潜在风险
1.2本质安全化设计方法研究进展
本质安全的概念由Kletz［3］在1978年提出，本质安全化(inherently safer)是指消除事故的*方法不是依靠附加的安全设施，而是通过在设计中消除危险或降低危险程度以取代这些安全装置，从而降低事故发生的可能性和严重性［4，5］。本质安全化是基于事物自身特性、规律，通过消除或减少工艺、设备中存在的危险物质或危险操作的数量，避免危险而非控制危险。实现本质安全化取决于生产所用材料的基本特性、工艺操作条件以及与工艺自身密切联系的其他相关特性，而不是依靠控制系统、互锁、冗长而特殊的操作程序来预防事故［6］。经过长期的实践，本质安全化的基本策略总结为四个方面的内容： 危害物质的*小化(minimize)、高危物质的替代化(substitute)、剧烈反应的温和化(moderate)以及过程工艺的简单化(simplify)。尽管无法完全消除所有危险源，但通过改变工艺和操作方式能减少事故发生的危害性［7］。Hendershot［8］综述了本质安全化设计方法在层次保护系统中降低系统潜在风险的特性。
对工艺过程的本质安全化的量化表征是研究的重点，研究人员提出了多种本质安全化的评价指数设计方法。Edwards等［9］提出了本质安全原型指数(prototype inherent safety index，PIIS)计算不同反应路径的本质安全化程度。Heikkl等［9］提出本质安全指数(inherent safety index，ISI)作为PIIS的补充。Koller等［10］提出综合考虑安全健康环境指数(safety，health，safety index，SHE)方法，增加了对人员健康和周边环境影响因素的考虑。Palaniappan等［11，12］针对PIIS和ISI指数区间水平不明显的缺点提出了iSafe指数，当PIIS和ISI指数评价反应路径的分数接近时，用增加的特性指数作为补充来区分化工过程的本质安全化水平。Gentile等［13，14］提出了基于模糊理论分析的本质安全指数(fuzzy based inherent safety index)，针对PIIS、ISI和iSafe指数方法中阶梯函数在处理端点数值时的不足，运用模糊逻辑和概率理论，将指数区间设置为连续，使用ifthen的规则将定量的数据与定性的信息相结合，具有更好的逻辑性。王艳华等［15］采用基于模糊逻辑的Mamdani型模糊推理方法，确定评价指数，结果直观可视。李求进等［16］采用基于遗传算法的Shepard插值算法，在离散参照点之间插值确定不同工艺路线本质安全指数。Gupta等［17］提出了图形化的方法表征本质安全特性，将多方面指数同时绘制在一张图中进行比较，具有良好的扩展性。Khan等［18］提出了集成的本质安全指数(integrated inherent safety index，I2SI)，流程被分割为多个子流程，计算子流程安全指数，*后求解总的流程安全指数，具有很好的灵活性。Meel等［19］使用博弈论的方法对化工过程的经济性(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，FI)进行了综合，对多组离散的操作点进行多目标优化。Srinivasan等［20］提出了本质优良性指数(inherent benignness index，IBI)，用主成分分析不同反应路径的各个方面的指数组成一个矩阵，选择本质优良性的反应路径，具有良好的扩展性，克服了早期指数方法中主观划分范围和主观设置权重的不足。Leong等［21，22］提出本质安全指数模型的方法(inherent safety index module，ISIM)和反应路径指数方法(process route index，PRI)，将本质安全化理念的判断方法集成到HYSYS流程模拟软件中，在模拟流程的同时找到更严格并且本质更安全化的反应路径。Khan等［23，24］对已有的一些本质安全评价指数方法进行了汇总和评价。樊晓华等［25，26］也对本质安全指数的部分方法进行了报道和评价。
上述工作中定量的本质安全化评价指数更多地用于指导如何选择反应路径，降低事故发生时可能带来的损失，但不能确保降低事故发生的概率，因为化工过程具有强非线性，对于选定的反应路径，系统存在多个稳态(如图15所示)，这些稳态操作点的稳定性不完全相同(如图16所示)，对于稳定的稳态操作点它们的稳定性也不尽相同(如图17所示)； 另一方面，在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点(如图18所示)引发的周期性的振荡(如图19所示)生成复杂的极限环(如图110所示)，影响过程的稳定性，降低产品的质量。因此，在化工过程设计阶段就需要考虑选择具有更好稳定性的稳态操作点，同时尽量避免选择可能产生自发振荡过程的操作点，进而从理论上降低化工过程中可能发生事故的概率，提高化工过程的本质安全化水平。
图15化工过程的多稳态
图16稳态操作点的不同稳定性
图17稳定稳态点的不同稳定性收敛范围
图18不同操作参数情况下体系中的霍普夫（Hopt）奇异点
图19化工过程中的振荡现象
1.1背景简介
化工过程的安全需要法规、制度、管理和技术等多方面配合来解决这一问题。在技术方面，需要应用化学、化工、材料、机械、自动化等多个学科的知识来综合分析。为提高化工过程的安全性，目前常采用层次保护系统，而*有效的途径是在设计阶段就采用本质安全化的设计方法来设计化工过程。本节首先介绍层次保护系统，之后介绍本质安全化设计的方法，并且对系统的多稳态和稳定性进行阐述。
图11化工过程的层次保护系统
层次保护［1，2］系统如图11所示，化工过程的安全保护层次由内往外依次为： 过程设计、基本控制、监控报警、自动防护、物理防护、工厂应急预案和社区应急预案。
如图12所示，经过一层层的保护措施之后，化工过程*终面临的风险大幅降低。但是随着时间的推移、设备的老化、控制器的失灵等，层次保护措施的作用会减弱，化工过程面临的潜在风险增加，如图13所示。因此，为了设计更加安全的化工系统，本质安全化的设计方案是*选择，在理想情况下如图14所示。
图12化工过程的层次保护系统
面临的风险
图13化工过程的层次保护系统失效
时面临的风险
图14本质安全化设计的潜在风险
1.2本质安全化设计方法研究进展
本质安全的概念由Kletz［3］在1978年提出，本质安全化(inherently safer)是指消除事故的*方法不是依靠附加的安全设施，而是通过在设计中消除危险或降低危险程度以取代这些安全装置，从而降低事故发生的可能性和严重性［4，5］。本质安全化是基于事物自身特性、规律，通过消除或减少工艺、设备中存在的危险物质或危险操作的数量，避免危险而非控制危险。实现本质安全化取决于生产所用材料的基本特性、工艺操作条件以及与工艺自身密切联系的其他相关特性，而不是依靠控制系统、互锁、冗长而特殊的操作程序来预防事故［6］。经过长期的实践，本质安全化的基本策略总结为四个方面的内容： 危害物质的*小化(minimize)、高危物质的替代化(substitute)、剧烈反应的温和化(moderate)以及过程工艺的简单化(simplify)。尽管无法完全消除所有危险源，但通过改变工艺和操作方式能减少事故发生的危害性［7］。Hendershot［8］综述了本质安全化设计方法在层次保护系统中降低系统潜在风险的特性。
对工艺过程的本质安全化的量化表征是研究的重点，研究人员提出了多种本质安全化的评价指数设计方法。Edwards等［9］提出了本质安全原型指数(prototype inherent safety index，PIIS)计算不同反应路径的本质安全化程度。Heikkl等［9］提出本质安全指数(inherent safety index，ISI)作为PIIS的补充。Koller等［10］提出综合考虑安全健康环境指数(safety，health，safety index，SHE)方法，增加了对人员健康和周边环境影响因素的考虑。Palaniappan等［11，12］针对PIIS和ISI指数区间水平不明显的缺点提出了iSafe指数，当PIIS和ISI指数评价反应路径的分数接近时，用增加的特性指数作为补充来区分化工过程的本质安全化水平。Gentile等［13，14］提出了基于模糊理论分析的本质安全指数(fuzzy based inherent safety index)，针对PIIS、ISI和iSafe指数方法中阶梯函数在处理端点数值时的不足，运用模糊逻辑和概率理论，将指数区间设置为连续，使用ifthen的规则将定量的数据与定性的信息相结合，具有更好的逻辑性。王艳华等［15］采用基于模糊逻辑的Mamdani型模糊推理方法，确定评价指数，结果直观可视。李求进等［16］采用基于遗传算法的Shepard插值算法，在离散参照点之间插值确定不同工艺路线本质安全指数。Gupta等［17］提出了图形化的方法表征本质安全特性，将多方面指数同时绘制在一张图中进行比较，具有良好的扩展性。Khan等［18］提出了集成的本质安全指数(integrated inherent safety index，I2SI)，流程被分割为多个子流程，计算子流程安全指数，*后求解总的流程安全指数，具有很好的灵活性。Meel等［19］使用博弈论的方法对化工过程的经济性(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，FI)进行了综合，对多组离散的操作点进行多目标优化。Srinivasan等［20］提出了本质优良性指数(inherent benignness index，IBI)，用主成分分析不同反应路径的各个方面的指数组成一个矩阵，选择本质优良性的反应路径，具有良好的扩展性，克服了早期指数方法中主观划分范围和主观设置权重的不足。Leong等［21，22］提出本质安全指数模型的方法(inherent safety index module，ISIM)和反应路径指数方法(process route index，PRI)，将本质安全化理念的判断方法集成到HYSYS流程模拟软件中，在模拟流程的同时找到更严格并且本质更安全化的反应路径。Khan等［23，24］对已有的一些本质安全评价指数方法进行了汇总和评价。樊晓华等［25，26］也对本质安全指数的部分方法进行了报道和评价。
上述工作中定量的本质安全化评价指数更多地用于指导如何选择反应路径，降低事故发生时可能带来的损失，但不能确保降低事故发生的概率，因为化工过程具有强非线性，对于选定的反应路径，系统存在多个稳态(如图15所示)，这些稳态操作点的稳定性不完全相同(如图16所示)，对于稳定的稳态操作点它们的稳定性也不尽相同(如图17所示)； 另一方面，在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点(如图18所示)引发的周期性的振荡(如图19所示)生成复杂的极限环(如图110所示)，影响过程的稳定性，降低产品的质量。因此，在化工过程设计阶段就需要考虑选择具有更好稳定性的稳态操作点，同时尽量避免选择可能产生自发振荡过程的操作点，进而从理论上降低化工过程中可能发生事故的概率，提高化工过程的本质安全化水平。
图15化工过程的多稳态
图16稳态操作点的不同稳定性
图17稳定稳态点的不同稳定性收敛范围
图18不同操作参数情况下体系中的霍普夫（Hopt）奇异点
图19化工过程中的振荡现象
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