模糊理论在化工领域的应用情况和案例

模糊理论在化工领域的应用情况和案例
模糊理论在化工领域的应用情况和案例

模糊理论在化工领域的应用情况和案例
作者 王艳华 陈宝智 黄俊
　　【摘要】 在综合分析化工过程构成的基础上,建立的化工过程本质安全性评价指标,借鉴国内外本质安全评价的研究,应用Matlab模糊推理系统,以评价指标的等级划分、隶属度函数设计及推理规则设定等为主线,建立化工过程本质安全性模糊评价系统,实现评价指标和评价推理结果的可视化.通过甲苯高温加氢脱烷烃制取苯的工艺过程,实施不同工艺路线及其操作条件改变的本质安全性评价,验证了所建立模糊评价系统的可行性.研究结果对指导化工安全设计和安全评价、减少和消除重大危险源,进一步提升我国化工行业的整体安全水平具有重要的理论和现实意义.
　　【关键词】 化工过程；本质安全；本质安全性评价；评价指标；模糊逻辑
　　0 引言
　　化学工业传统的危险源控制方法是通过采取控制措施和附加安全系统及消防设施,在危险源和人员、环境或重要设备之间设置保护层,以降低潜在事故的可能性或后果严重度,从而降低过程的危险陡.虽然,足够数量的高可靠性保护层可以将危险性降到非常低的程度,然而一旦控制系统故障、安全措施失效、生产装置失控,易燃、易爆、有毒物质的泄漏和火灾、爆炸、中毒等重大工业事故的发生就无法避免.因为,添加保护层并没有从根本上消除危险源,它仍然存在于系统之中.近年来,随着经济的快速发展,我国工矿企业连续发生具有重大社会影响的灾害性事故,其中不乏重特大化学事故.例如：
　　1997年6月27日,北京东方化工厂储罐区在由铁路罐车经油泵往储罐卸轻柴油时,由于操作工开错阀门,使轻柴油进入了满载的石脑油储罐,导致石脑油从罐顶排气口大量溢出(约637 m3),溢出的石脑油及其油气在扩散过程中遇到明火,产生第一次爆炸和燃烧,继而引起罐区内乙烯储罐和其他储罐的燃烧爆炸,酿成特大爆炸和火灾事故,造成9人死亡、39人受伤,直接经济损失1.17亿元[1].
　　1998年2月9日,山东章丘第一化肥厂由于生产、生活蒸汽串联,热电厂蒸汽压力的波动导致煤气串入浴池,致使该厂对外营业的浴池发生重大煤气中毒事故,43人当场中毒,其中9人死亡[1].
　　进入21世纪以来,我国相继推出了《安全生产法》和《危险化学品安全管理条例》等法律法规及规范标准,极大地强化了安全生产执法力度和安全管理,重大事故总体上大大减少,但不时还有发生.又如：
　　2005年11月13日我国吉林石化双苯厂苯胺装置发生了特大爆炸火灾事故.由于当班操作工停车时,疏忽大意,未将应关闭的阀门及时关闭,误操作导致进料系统(预热器及附属管线)温度超高,长时间后引起爆裂,随后引起硝基苯精馏塔及其附属设备和储罐的相继爆炸,并导致与该车间相邻的罐区内一台硝基苯储罐、两台苯储罐发生燃烧.事故造成8人死亡,60人受伤,直接经济损失6908万元.事故致使松花江水严重污染,哈尔滨市被迫全市停水4天.且波及邻国俄罗斯,造成恶劣的国际影响.
　　2007年5月11日,中国化工集团沧州大化TDI有限公司TDI车间硝化装置中的一台静态分离器的故障,引发了一硝基甲苯储槽和废酸罐的爆炸,继而导致甲苯储罐的起火爆炸.爆炸造成5人死亡,80人受伤,其中14人重伤,附近村庄几千名群众被迫疏散转移.
　　纵览分析重大事故,尽管直接诱发原因各异,但概括起来除了人失误之外,化工生产过程的设计缺陷和装置本身的老化,也是导致重大事故发生的重要原因；另外,化工生产规模的不断扩大也提高了化工生产过程的潜在危险,加剧了事故的严重后果.因此,为了预防和减少重大事故的发生,就必须设法提高化工过程的本质安全性.
　　化工过程本质安全是指在没有任何附加安全系统的环境条件下,仅凭过程自身设计性能就能够消除和控制生产过程所涉及的物料和(或)工艺操作条件等带来的潜在危险,达到生产过程的高度安全.
　　欧美等经济发达国家,早在20世纪60—80年代,也由于化学工业高速发展而重大事故多发提出了同样的问题.为了解决该类重大难题,当今世界著名的英国安全专家Trevor Kletz在深刻剖析1974年6月英国弗里克斯堡环己烷泄漏和1976年7月意大利塞维索的四氯二苯并对二恶烯剧毒物泄漏等重大工业事故后,在1984年的一个国际会议上明确提出了化工过程本质安全原理,即“最小化、替代、缓和、后果限制、简单化”原理[2].也就是说,化工过程本质安全原理提倡采用低储量储存危险性物料,即便发生泄漏,也不足以造成重大危害；采用无害或危险陛小的物料；在缓和的工艺条件下进行物料的加工处理和储存；尽量避免使用高能系统,如高压容器、高真空、高速旋转设备；降低工艺设计和操作的复杂性以减少设备故障及人失误的概率,避免意外事故发生,降低事故发生的概率和严重度.因此,化工过程本质安全技术不依赖于可能失效的附加安全系统,而是采取措施提高了工艺过程本身的安全性能,从根本上消除或减少了危险源.显然,完全符合化工过程本质安全原理的化工厂是不会发生重大事故的,应该在化工工艺设计阶段,尽可能早地应用本质安全原理,以获得最佳效果[3].
　　随着当代人类安全和环保意识的不断加强和可持续发展战略的实施,世界各国对化学工业的生产都提出了越来越高的安全与环保要求.于是,化工过程本质安全原理的应用也愈发受到重视,现已成为世界范围化工安全领域的热点前沿课题.化工过程本质安全化成为化学工业安全生产的主要发展方向.自20世纪90年代末期以来,英国、芬兰、美国和加拿大等发达国家的有关专家学者[4]先后进行了化工过程本质安全性评价方法的开发研究,取得了可喜的成果.综合起来,可以将其归纳为两类：
　　一类是迄今研究较集中的以经典集合论为基础的各种本质安全指数评价方法,英国、芬兰和加拿大等国学者的研究大都属于该类研究；
　　另一类是以现代模糊数学理论为基础的模糊推算本质安全程度方法,这种方法起步较晚,主要以美国德克萨斯A&M大学[5]的研究为代表.
　　比较而言,模糊推算本质安全程度方法比指数评价法更能客观地定量评价化工系统的本质安全程度.
　　我国在化工过程本质安全化方面的研究工作,近几年才刚刚起步,与国外相比有很大差距.从我国21世纪可持续发展战略的需求及建立化工企业安全生产长效机制考虑,化工过程本质安全程度评价的研究具有重要的现实意义和深远的经济意义[6].基于安全是一个相对的概念,化工工艺过程的本质安全性不能简单地表达为“安全”或“不安全”.同时,由于在评价过程中,特别是设计初期,有些详细信息的获得比较困难,达到绝对的精确是不可能也是不必要的.
　　笔者在借鉴国内[7-8]外研究工作的基础上,结合我国的相关法律法规和标准规范,应用Mamdani型模糊推理算法来解决化工过程本质安全性的系统评价问题,以期为指导化工安全设计和安全评价工作、减少和消除重大危险隐患,进一步提升我国化工行业的整体安全水平提供可靠的科学依据.
　　1 化工过程本质安全性评价指标体系的确立和量化
　　进行化工过程本质安全性的模糊评价,首先就是要建立本质安全性评价指标体系.考虑到化工生产过程一般由反应过程、分离过程及其相应设备所构成,其本质安全性主要由“化工工艺过程固有危险性”所决定,具体受工艺过程所加工处理的物料数量和性质、相应操作条件的苛刻程度及设备构造负荷所影响[9].
　　“化工工艺过程固有危险性”可以概括用两个二级评价指标“物质危险性”和“工艺条件危险性”表征；其中,物质危险性又由“物质一般危险性”及“物质反应特性”两个三级指标来体现,工艺条件危险性由“操作条件”、“设备”及“工艺结构”3个三级指标的危险性来体现,再继续分析影响各三级指标的主要因素,结合本质安全原理并考虑评价体系的便捷应用,筛选确定了表1中的各本质安全评价指标,以此构建化工过程本质安全性评价指标体系.
　　表1 化工过程本质安全性评价指标
　　为了便于进行模糊评价,需要将各个评价指标加以量化处理.为此,笔者将表1中的各评价指标按照描述的危险程度或状态分为5级,即为“很低危险”；“低危险”；“中度危险”；“高危险”；“很高危险”.其中,“火灾危险性”参数,随着闪点值的增加,危险程度降低；其他参数,随着设定参数值的增加,危险性也增加.作为代表,表2、表3列出“火灾危险性”和“爆炸危险性”评价指标的相应分级、代码和分级判据.
　　表2 “火灾危险性”分级及其隶属度函数
　　表3 “爆炸危险性”分级及其隶属度函数
　　2 Mamdani型推理过程
　　模糊推理以模糊集合为基础,借助于隶属函数把模糊概念从“完全不属于”到“完全隶属于”的过渡全部表达出来,能够对所有的模糊概念进行准确、连续的定量表示,以模糊信息为前提进行有效的判断和决策,弥补在工艺设计初期信息的不完善,实现在“安全”和“危险”之间的平滑过渡,从而避免了参数值小幅度变化可能带来结果的跳跃,与经典集合论相比较提高了评价结果的精确度.
　　笔者借助模糊集合隶属度函数描述事故“可能性”,也就意味着确定了给定条件下化工工艺过程的本质安全性.具体本质安全性评价的模糊推理过程以Mamdani型推理[10]为基础,采用图1所示程序进行.
　　图1 模糊推理程序图
　　1)输入量的模糊化
　　将数字表示形式的输入量转化为模糊逻辑中常用的语言值表示的某一模糊集,并由其隶属度函数来定义.如前所述,采用5级的分级制对各个指标进行量化分级.对于“火灾危险性”、“爆炸危险性”、“中毒危害”、“反应热”、“温度”、“压力”、“物料量”等参数指标,以标准、规范、数据统计等为依据进行量化；对于“反应活性”、“设备”、“工艺结构”及中间和最终结果参数等不变直接定量的,采取将[0,1]区间均匀分为5个等级,参照国外标准规范、数据统计,通过专家打分进行评价.至于建立模糊集合的隶属函数主要选取三角形、梯形隶属度函数,这样既简单又有效.
　　2)建立模糊推理规则
　　构造总体推理关系“IF…,THEN…”推理规则是模糊推理系统的核心.对于两个输入的参数,若其术语数分别为n个和m个,可知其规则数应该为nm个,即两个参数术语数的积.每一条推理规则都是一条模糊条件语句,所有规则恰好是一个多重复合模糊条件语句.形如：If A1 and B1,then C1；If A2 and B2,then C2；…；If Ai and Bi,then Ci.本质安全评价推理系统的推理规则的建立以专家经验和化工生产实际情况为设计依据.
　　3)采用重心法对输出量进行反模糊化处理
　　对于给定的输入,经过推理得到的输出是论域中的模糊集,采用重心法对其进行反模糊化处理,以得到确定的数值.
　　在构建模糊推理结构的基础上,具体的推理运算均由Matlab模糊逻辑工具箱完成.
　　例如：就“火灾危险性”及“爆炸危险性”两个指标而言,采用表2列出的物质闪点作为火灾危险性等级的度量依据,用表3给出的物质爆炸极限作为爆炸危险性等级的度量依据；由Matlab模糊逻辑工具箱就推算出图2、图3所示的对应隶属度函数图和表2、表3中相应的隶属度函数区间；类似地,根据物质的火灾危险性和爆炸危险性进行模糊推理,可以得出图4所描述的物质火灾爆炸危险性(用FE表示)的隶属度函数分布在论域中的曲面关系图.
　　图2 “火灾危险性”指标隶属度函数图
　　图3 “爆炸危险性”指标隶属度函数图
　　图4 输出参数“火灾爆炸危险性”模糊推理曲面图
　　3 实证研究
　　为了验证基于模糊推理所建立的化工过程本质安全性系统评价方法的可行性,以甲苯脱烷基制取苯的生产工艺过程为例,进行化工过程本质安全性评价.
　　甲苯脱烷基制取苯可以采用催化加氢脱烷基化工艺过程,亦可以在高温氢气流中用甲苯直接脱烷基工艺.原料一般是甲苯和二甲苯的混合物,或者是含有甲苯及其他烷基芳烃和非芳烃的馏分.
　　表4 设备设计参数一览
　　工艺A：由美国烃研究所和大西洋富田公司在1962年所开发的HAD加氢脱烷基过程.原料为甲苯、二甲苯的混合物.从反应釜不同部位通人氢气并控制反应温度在600～760℃,反应压力为3.43～6.85 MPa,氢烃比为1：5,停留时间为5～30 s.所用主体设备主要有进料罐、反应釜和回流罐,其主要设计参数和所处理物料的有关理化性质分别如表4和表5所示.
　　表5 工艺过程涉及主要物料的理化性质
　　工艺B：由日本三菱石油化学公司和千代田建设公司在1967年开发的NHC加氢脱烷基过程.原料采用含甲苯的芳烃馏分,其中烷基苯和非芳烃成分限于30%以内.操作温度为500～800℃,操作压力0.98 MPa,氢烃比为1：10.产品纯度99.99%.
　　工艺A'：采用工艺A,降低物质的量为100 t.
　　工艺B'：采用工艺B,降低物质的量为100 t.
　　根据工艺流程及其作用划分评价单元,再确定各评价单元的评价指标的范围后,就可以采用图1所示程序进行各单元的本质安全水平评价了.
　　首先,对工艺A进行本质安全性的模糊评价,计算确定进料罐、反应釜、回流罐3个评价单元的工艺过程固有危险性分别为0.117,0.788和0.141.显然,反应釜单元固有危险性最大；
　　其次,为回流罐；再其次是进料罐,即反应釜、回流罐、进料罐3个评价单元的本质安全程度依次减小.这是因为在反应釜中发生了放热反应,且温度、压力、物质的量均较高；类似地,回流罐单元比进料罐单元固有危险性高.
　　对危险性最大的反应釜评价单元,分别对温度、压力、物质的量进行最小化调整,即采用工艺A',B,B',再应用本质安全原理,评价其在工艺操作条件变化情况下的本质安全性,评价结果如表6所示.评价结果分析表明,工艺A的固有危险性较工艺B高,即工艺A的本质安全性较工艺B要差,实际生产应优先采用工艺B；另外,当反应釜压力降低,其他条件基本维持不变时,系统固有危险性降低；物质处理量减少时,系统固有危险性也减小.这些都和生产实际十分吻合,证明了所建立模糊评价系统的可行性.
　　表6 各工艺方案下反应釜单元本质安全评价结果
　　4 结论
　　1)在综合分析化工过程构成的基础上,建立了简捷有效的化工过程本质安全性评价指标体系,为模糊系统评价和相关研究奠定了良好基础.
　　2)采用基于模糊逻辑的Mamdani型模糊推理方法,确定了评价指标参数及其合理组合推理的隶属函数,实现了输入评价指标参数和评价结果的直观可视化.
　　3)实证分析表明,模糊评价系统能够反映不同工艺路线的本质安全性以及工艺条件变化对化工过程本质安全性的影响,证明了所建立模糊评价系统的可行性.
　　4)尽管模糊评价系统相对指数评价系统更具客观,但由于评价指标的选取和量化分级当前尚难脱离主观因素影响.因此,如何使得评价系统更加客观还有待于深入探索.