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本质安全化的化工过程设计方法研究进展

文档作者：王杭州邱彤陈丙珍赵劲松文档来源：清华大学化学工程系过程系统工程研究所		点击数：	更新时间： 2020年12月27日
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第30卷第3期
2014年6月
化学反应工程与工艺
Chemical Reaction Engineering and Technology
V0l 30．No 3
June 2014
文章编号：1001-7631(2014)03—O254___08
本质安全化的化工过程设计方法研究进展
王杭州，邱彤，陈丙珍，赵劲松
(清华大学化学工程系过程系统工程研究所，北京100084)
摘要：综述了多种本质安全化设计方法和策略，并介绍了多种描述不同反应路径中有害物质潜在威胁的定量
评价指数。由于化工过程的复杂性，通常存在多个稳态操作点，而这些稳态点的稳定性也不尽相同；另一方
面，位于奇异点附近的操作点可能会自动引发系统的振荡现象，降低系统的稳定性，影响产品的质量。为解
决这一问题，探索设计了定量表征稳定的稳态点的稳定性的方法，用于考虑稳定性的化工过程的优化设计；
针对振荡现象，提出了将这类奇异点所在范围作为约束条件来考虑的流程设计方法。
关键词：本质安全化稳定性指标霍普夫奇异点振荡现象多目标优化
中图分类号：TQ021．8 文献标识码：A
为了提高化工过程的安全性，一个有效的方法就是设计本质安全化(Inherently Safer)的化工过
程。本质安全的概念由Kletz[1]在1978年提出，本质安全化是指消除事故的最佳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。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：危害物质的最小化
(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可能性[2]。
Hendershot[3]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【4J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 J提出本质安全指数(Inherent Safety Index，ISI)作为PIIS的补
充，Koller 叫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[7 ]针对PIIS和ISI指数区间水平不明显的缺
点提出了i-Safe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【9I10l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i-Safe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if-then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Illl也使用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L1 z】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[1 3J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[14]提出了集成的本质安全指数(Integrated
收稿日期：2014．Ol一24；修订日期：2014．04—29。
作者简介：王杭州(1981一)，男，助理研究员；赵劲松(1969一)，男，教授，通讯联系人。E-mail：jinsongzhao@tsinghua．edu．cn。
基金项目：国家自然科学基金(21306100)：国家973计划(2012CB720500)。
第30卷第3期 王杭州等．本质安全化的化工过程设计方法研究进展 255
Inherent Safety Index，I2SI)，流程被分割为多个子流程，计算子流程安全指数，最后求解总的流程安
全指数，具有很好的灵活性。Meel等ll 5J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『j 】提出了本
质优良性指数(Inherent Benign．ness 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_l7’l踟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[19 20]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[21,22]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仅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，这些稳态操作点的稳定性不完全相同，对于稳定的稳态操作点，它们的稳定性也
不尽相同；另一方面，在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点引发的周期性的振荡，影响过程的稳
定，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。
l化工过程多稳态及其稳定性的量化表征
1．1化工过程的多稳态特征
描述化工过程的动态方程，即状态变量对于时间的常微分方程组，通常具有多个稳态解。稳态解
是指动态系统中使得系统变化率为零的操作点。根据稳态点在扰动后，是否能够回复到之前稳态操作
点的动态特性，可以将稳态操作点划分为稳定的稳态操作点和不稳定的稳态操作点。Seider等【2 3_强调
了化工过程设计中对系统非线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产乙醇的
定态分岔行为，找到了该过程的多个稳态解。Balakotaiah等[25-28]用分岔理论分析了在简单全混釜的多
稳态特性。Razon等【29]在综述了化工反应系统中的多态及不稳定特性的基础上，在研究中也观察到在
简单连续搅拌釜反应器中存在多稳态解和周期振荡现象 。Monnigmann等L3Il提出了针对强非线性过
程提高系统稳定性的优化设计方法，并将该方法用于醋酸乙烯酯聚合过程、甲苯加氢脱烷基化过程 2_
以及混合悬浮混合排料(MSMPR)结晶过程_3引。Meel等[151在研究多目标优化的设计方法中也指出在
反应系统中存在多稳态解的现象。Marquardt等[341提出了非线性动态过程构建方法(CNLD)，并将该
方法用于色氨酸合成过程f35]。Lemoine-Nava等【3 6J利用非线性分岔分析方法分别对苯乙烯自由基聚合
反应器进行了分析，对控制系统的设计给出指导建议，同时也对聚亚安酯釜式反应器 ，J的开环系统进
行了研究，讨论了系统的多稳态特性。Katariya等 8J通过分岔分析确定合成甲基叔戊基醚(TAME)的
反应精馏过程中存在多稳态，指出进料状态和Damkohler数的变化是产生多稳态的原因。Mancusi等L39J
进行了工业合成氨反应器的多稳态研究，揭示了合成氨反应器在一次操作中压力减小造成持续震荡进
而引发事故的机理。除了定性地判断化工过程稳态操作点的稳定性之外，还需要对多个稳定的稳态操作
点定量描述它们的稳定性。针对这个问题，从稳定的稳态操作点遇到扰动后的动态响应特性来定量描述：
256 化学反应工程与工艺 2014年6月
稳定的稳态操作点能够承受的最大扰动范围，稳定的稳态点在扰动后回复到之前操作点的速率。
1．2稳定的稳态操作点的稳定性表征
1．2．1稳定的稳态点所能承受的最大扰动范围
通常情况下，对于化工过程中稳定的稳态操作点，在遇Nd,的扰动之后，随着时间的发展能够回
复到扰动之前的稳态操作点。但是，随着扰动逐渐增大，当增大到某一个特定值后，稳定的稳态点就
无法再回复到扰动之前的稳态操作点。因此，研究化工过程稳定的稳态解能够承受的扰动范围，提出
抗扰动能力指数，定量表征稳定的稳态解对于扰动的承受能力 ，可以为进一步设计本质安全化的化
工过程提供依据。
1．2．2稳定的稳态点在扰动下的收敛速率
除了能够承受的最大扰动范围不同外，稳定的稳态点在遇到扰动后，回复到扰动之前的稳态点的
速率也不相同。即使距离很近的两个稳定的稳态操作点[ 们，在扰动下的回复速率差别很大，即回复到
扰动之前的稳态操作点所需要的时间差别很大。因此，在化工过程设计中，优先考虑扰动后回复速率
较快的操作点作为设计方案中选择的操作点。
1．3稳定稳态点的稳定性的量化表征
在化工过程设计中，为了精确地比较不同稳定的稳态点的稳定性，需要量化表征稳定的稳态操作
点在上述两方面的特性。对于已有的多个稳定的稳态操作点，量化表征后的稳定性指数可以为多目标
优化设计提供基础。
对于化工过程的动态系统方程：
I ：F㈨
{
【 (0)： +
其中： 是系统稳定的稳态解， 是系统遇到的扰动。
稳定稳态点所能承受的最大扰动范围(彤)的量化表征的一种构造方法为：
=
max(z~c )+max(z~c一)
— — —— — — — — ——=— — —— — — — ～
其中： △ ≤X ，Ax一≤X ， 和 一分别是系统所能够承受的正向扰动和系统所能够承受的
负向扰动。
用 表示稳定稳态点在扰动后回复原来操作点速率的大小，-S0构造 的表达式如下：
SI=
兀
Σ 兀
i=I J=l，≠i
其中： 是动态方程组雅可比矩阵在稳定的稳态操作点处的特征值。
将 和 归一化，定义稳定性指标为Q，，构造Qs的表达式如下：
QI=min(R／ 。 a1i 。d，SI 。 a1i 。d)
通过设计的 ，可以量化表征不同稳定的稳态点的稳定性，从而为多目标优化提供依据 ¨。
第30卷第3期 王杭州等．本质安全化的化工过程设计方法研究进展 257
1．4多目标优化设计
综合考虑经济性和稳定性两方面的因素，需要进行多目标优化设计。确定化工过程动态系统中稳
定的稳态点的稳定性的表征方法之后，相应的优化设计的具体步骤如下：
(1)求解动态系统的所有稳态解；
(2)判断系统稳态解的稳定性，划分出稳定稳态解区域和非稳定稳态解区域；
(3)对于稳定的稳态解区域内的操作点，计算R，， 越大，能够承受的扰动范围越大；
(4)对于稳定的稳态解区域内的操作点，计算 ， 越大，遇到扰动后收敛速率越大：
(5)将 和 归一化，计算稳定稳态解对应的 ；
(6)基于 建立多目标优化方程，求解计算优化方案l4⋯。
在化工过程设计中，通过对操作点稳定性的量化表征，在化工过程设计阶段就充分考虑系统的稳定
性，选择能够承受较大范围扰动，同时在遇到扰动之后能够迅速回复的稳定的操作点作为优化设计方案。
2化工过程中的奇异点及相应的设计方法研究
化工过程中存在复杂的非线性动态特性，除了多稳态现象之外，在特定的操作条件下系统还会自
发产生持续的振荡现象，振荡现象在连续发酵过程中报道较多。
2．1微生物连续发酵过程中的振荡现象
微生物发酵过程是复杂的生化反应过程，常产生多稳态、自发持续振荡等现象。应用数学方法对此
类问题建模并分析其解的渐近性态，探讨发酵过程的优化控制等问题一直都是人们关注的研究方向[ 。
从文献统计来看，关注较多的是以微生物连续发酵生产1，3一丙二醇体系和运动发酵单胞菌连续发酵生
产乙醇的体系中的振荡现象。
2．2微生物连续发酵过程的研究案例
2．2．1肺炎克雷伯菌连续发酵生产1，3．丙二醇
1，3．丙二醇(1，3-PD)是一种重要的化工原料，是合成许多具有优良特性的聚合物的单体。相对
于化学合成法，微生物发酵生产1，3．丙二醇 ， 具有原料可再生、操作简便、反应条件温和、副产物
较少和环境污染小等优点。1，3．丙二醇发酵体系中存在Hopf奇异点，在奇异点附近会产生周期性的振
荡，对应为极限环，如图1所示。
Cs ext，(k窟·m- )
(c) Limit cycles
图1 Hopf奇异点附近引发的极限环
Fig．1 Limit cycles generated from Hopf singularity point
在该体系中，随着操作条件的变化，Hopf奇异点的位置也发生改变，在由两个主要操作参数组
成的操作平面内，Hopf奇异点的分布如图2所示。
258 化学反应工程与工艺 2014年6月
E
E
C
． 鱼
巴
n)
U
C
o
0
Dilution rate／h一’
图2操作参数域上的Hopf奇异点
Fig．2 Hopfpoints in operation parameters panel
图3定量描述操作参数与奇异点区域的指标
Fig_3 Schematic of distances to singluarity points
对于操作参数域上的奇异点，在优化设计过程中，需要考虑操作点与奇异点的距离，这里定义如
下的指标来定量描述操作参数距离奇异点区域的距离。
D1=min( w ． h1
’ △ △
其中： △ 和 分别表示奇异点区域的宽度和高度； 和 分别表示操作点距离奇异点曲线
的水平距离与竖直距离，因此DI描述了操作点距离奇异点曲线的相对最小距离，具体内容如图3所示。
使用量化表征的操作点与奇异点区域的距离，优化计算最佳的操作参数。当阈值为0．5时，即允
许的D1最小为0．5时，优化结果如图4所示。
从图4的结果中可以看到，在考虑奇异点区域的约束之后，优化结果可以有效避开可能引发振荡
的奇异点区域。通过在设计阶段考虑体系中可能存在的振荡现象，有效避免在这些区域内选择操作点，
对于提高体系的稳定性，提高产品的质量具有重要意义。
除了生产l，3一丙二醇的体系外，运动发酵单胞菌连续生产乙醇体系中的振荡现象也是研究较多的对象。
Dilution rate／h。’ C／(kg·m )
图4 DI>~0．5时的优化结果 图5奇异点附近产生的极限环
Fig．4 Optimal results when DId O．5 Fig．5 Limit cycles generated from Hopfpoint
2_3．2运动发酵单胞菌连续发酵生产生物乙醇
有文献报道，与稳态操作相比，振荡行为难以预测和控制 ，影响产物收率。因此，需要加以回
避 46l，或使之弱化 。4 。运动发酵单胞菌发酵过程中存在奇异点，在奇异点附近产生的极限环如图5
所示。周期性变化的振荡现象对于操作过程的平稳以及产品质量的提高都不利，因此，需要在设计阶
段采取适当措施规避振荡现象。
7r_I 一譬鲁 露 口0毒 ．I 口0
0 BJlsD)∞ 量ul
田
第30卷第3期 王杭州等．本质安全化的化工过程设计方法研究进展 259
在单个操作参数与产物浓度组成的平面上，
随着参数的改变，体系中的Hopf奇异点位置相
应改变，具体如图6所示L5叫
由两个操作参数组成的操作参数域上，体
系的Hopf奇异点的分布如图7所示。可以看到，
在大范围的操作参数域内，都存在奇异点。为
了避免从操作点引发的振荡现象，需要与奇异
点区域保持一定的距离的操作点。此时，对操
作点进行优化，得到结果如图8所示。
D ／h。’
图7操作参数域内的奇异点组成的曲线
Fig．7 Hopfpoints curve in operation parameters panel
3结论
图6不同操作参数情况下体系中的Hopf奇异点
Fig．6 Hopfpoint under different operation conditions
D
o
／h‘
图8优化计算结果
Fig．8 Optimal results
化工过程的本质安全化设计是一个复杂的工程问题。将操作点的稳定性作为化工过程本质安全化
设计的一个重要考虑因素，量化表征稳定的稳态点的稳定性，通过多目标优化，最后找到能够承受较
大扰动范围、同时遇到扰动能够快速回复的化工过程操作点。特别地针对可能存在的振荡现象，提出
相应的的奇异操作点的规避方法。通过对两个连续发酵过程的研究，表明了这种方法对于规避可能产
生振荡现象的操作点的有效性。
综上所述，通过使用本质安全化的化工过程设计方法，可以设计出本质上具有在不确定因素扰动下
仍能维持稳定运行特性的化工过程，进而从源头上降低生产中事故发生的概率，提高化工过程的安全性。
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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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