面向本质安全化的化工过程设计:多稳态及其稳定性分析

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内容简介: 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
2.3.4稳态解在操作参数空间中的分布
2.3.5结果讨论
2.4案例二甲苯氧化反应过程
2.4.1引言
2.4.2化工过程
2.4.3甲苯氧化过程数学模型
2.4.4甲苯氧化过程模拟
2.4.5甲苯氧化过程的多稳态解现象
2.4.6结果讨论
2.5本章小结
参考文献
第3章化工过程多稳态点的稳定性分析
3.1引言
3.2稳定性的概念
3.3稳定性的判断方法
3.3.1李雅普诺夫判断方法
3.3.2用奇异点判断系统的稳定性
3.4案例一发酵反应过程
3.4.1发酵反应过程的数学模型
3.4.2稳态点的稳定性判断
3.4.3不同操作条件下的稳定性区域划分
3.4.4结果讨论
3.5案例二苯乙烯聚合反应
3.5.1苯乙烯聚合反应过程简介
3.5.2苯乙烯聚合过程的数学模型
3.5.3苯乙烯聚合过程的多稳态及其稳定性
3.5.4结果讨论
3.6本章小结
参考文献
第4章稳定稳态点的稳定性的量化及其应用
4.1引言
4.2稳定稳态操作点稳定性的表征
4.2.1稳定稳态点所能承受的*大扰动范围
4.2.2稳定稳态点在扰动下的收敛速率
4.3稳定稳态操作点的稳定性量化表征
4.3.1稳定稳态点所能承受的*大扰动范围的量化表征
4.3.2稳定稳态点在扰动下的收敛速率的量化表征
4.4本章小结
参考文献
第5章化工过程中的奇异点及相应的设计方法研究
5.1引言
5.2微生物连续发酵过程中的振荡现象
5.3化工过程中的奇异点
5.3.1Hopf点的识别
5.3.2Hopf分岔周期解的计算
5.3.3Hopf奇异点分析框架
5.4运动发酵单胞菌连续发酵生产生物乙醇
5.4.1发酵过程模型
5.4.2体系中的Hopf奇异点与极限环
5.4.3参数变化对Hopf奇异点的影响
5.4.4结果讨论
5.5肺炎克雷伯菌连续发酵生产1,3丙二醇
5.5.1引言
5.5.2发酵过程描述
5.5.3厌氧发酵过程的代谢路径
5.5.4发酵过程的模型
5.5.5奇异点及振荡现象
5.5.6Hopf奇异点区域
5.5.7定量描述操作点到奇异点区域的表征方法
5.5.81,3丙二醇生产过程的优化设计
5.5.9考虑Hopf奇异点分布的优化计算结果
5.5.10考虑稳定性的优化计算结果
5.5.11结果讨论
5.6设计思路
5.7本章小结
参考文献
第6章本质安全化的化工过程设计方法框架
6.1引言
6.2设计框架
6.3稳定性量化表征在优化设计中的应用
6.3.1设计步骤
6.3.2计算案例
6.4考虑Hopf奇异点影响范围的优化设计
6.4.1奇异点分布
6.4.2未考虑奇异点区域影响的优化设计
6.4.3综合考虑奇异点区域影响的优化设计
6.5本章小结
参考文献
第7章稳定性分析的工业实例
7.1聚丙烯工业发展概况
7.2气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器的稳态模型
7.2.1气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器介绍
7.2.2反应器模型
7.2.3物性方法
7.2.4反应动力学
7.3气相卧式搅拌釜反应器多稳态分析及其稳定性研究
7.3.1气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器的多稳态现象
7.3.2稳定性分析及工况操作点范围识别
7.3.3多分岔变量下的多稳态现象
7.4本章小结
参考文献
第8章后续研究展望——稳定性与柔性相结合
8.1引言
8.1.1后续研究方向
8.1.2化工柔性分析简介
8.2柔性与稳定性联立计算的必要性
8.2.1甲基丙烯酸甲酯聚合反应过程
8.2.2甲基丙烯酸甲酯聚合反应过程可行域及柔性区域
8.2.3两种情况的对比
8.3柔性与稳定性联立计算算法
8.4柔性与稳定性联立计算算法的讨论
8.5本章小结
参考文献


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11化工过程的层次保护系统
层次保护[1,2]系统如图11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12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13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14所示。
图12化工过程的层次保护系统
面临的风险
图13化工过程的层次保护系统失效
时面临的风险
图14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[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[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 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[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15所示),这些稳态操作点的稳定性不完全相同(如图16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17所示); 另一方面,在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点(如图18所示)引发的周期性的振荡(如图19所示)生成复杂的极限环(如图110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15化工过程的多稳态
图16稳态操作点的不同稳定性
图17稳定稳态点的不同稳定性收敛范围
图18不同操作参数情况下体系中的霍普夫(Hopt)奇异点
图19化工过程中的振荡现象
图110奇异点附近产生的极限环
1.3本书内容介绍
本质安全化的思想是要在设计阶段就降低事故发生的概率和减少事故发生可能带来的损失,现有的研究中选择反应路径可以降低事故发生带来的损失,但不能确保降低事故发生的概率。因为化工过程是一个复杂的物理化学过程,即使对于选定的反应路径,系统可能存在多个稳态,通常情况下,这些稳态操作点的稳定性不完全相同,而且对于稳定的稳态操作点它们的稳定性也不尽相同,因此,需要量化表征稳定的稳态点的稳定性来进一步标识系统的本质安全特性。另一方面,在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点,在这些奇异点附近的操作点可能产生周期性振荡,影响化工过程的稳定操作,对于质量要求敏感的体系,这类奇异点更应该*大程度地避免。本书重点研究了化工过程的多稳态及其稳定性现象,提出了量化表征稳定稳态点稳定性的方法,同时研究了规避可能引发振荡的Hopf奇异点分布区域的方法,*后提出了面向本质安全化的化工过程设计方法框架,并且给出了一个工业过程稳定性分析的实例,以及后续的研究展望。书中详细介绍了以下内容:
(1) 介绍了化工过程的多稳态现象,给出了求解多稳态解的方法,以及稳态解的稳定性判断方法。
(2) 建立了量化表征稳定的稳态点的稳定性的方法,从稳定稳态点能够承受的*大扰动范围和扰动后回复之前操作点的速率两方面定量表征稳定的稳态点的稳定性。
(3) 提出了动态系统中操作参数区域内Hopf奇异点的识别方法,建立描述操作点距离奇异点区域的指数,量化表征操作点可能落入产生振荡现象操作区域的风险。
(4) 建立了综合考虑稳定稳态点稳定性、规避Hopf奇异点区域的化工过程设计方法框架,设计具有更好稳定性的化工过程。
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第2章化工过程中的多稳态现象
2.1引言
化工过程是复杂的物理化学过程,在新物质生成的同时伴随有能量的吸收与释放。描述化学反应系统的方程组具有很强的非线性[1,2],这类非线性问题一般具有多个稳态解[3~7]。稳态解是指使系统处于稳态的操作点对应的数值,通常有多个,稳态解不随时间的发展而变化。从数学上来看,稳态解就是非线性方程组存在的多个解。对于化工过程,稳态操作是生产中关注的,因此,求解系统的稳态解的分布情况对于深入理解化工反应系统有重要意义。
在实际生产中,反应器的操作条件会受到人为操作、不确定因素的影响而不断发生改变。在不同的操作条件参数下,系统对应的稳态解也不相同。因此,求解系统随着操作条件参数变化时的稳态解是具有实际意义的。
本章首先介绍求解非线性方程组解的主要方法,在此基础上,以理想连续搅拌全混釜串联反应过程为研究对象,计算得到该系统在操作参数空间内的多稳态解空间曲面,之后分析甲苯氧化过程中系统的多稳态解的特性。
2.2非线性方程组求解方法
对于非线性方程组F(x)=0,x=(x1,x2,…,xn)T∈Rn,其中F=(f1,f2,…,fn)T是从Ω∈Rn到Rn的光滑映射。求解非线性方程组的解具有重要意义。我们知道,牛顿迭代法和它的变体是解非线性方程组解的经典方法,至今仍是基本而重要的方法。但是通常情况下,它的收敛半径很小,因此需要寻找到较好的初值x0。而寻求一个好的初值,本身就是一个困难的问题。
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