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| 編輯推薦： |
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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。
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| 內容簡介： |
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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永久性的、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。
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| 目錄：
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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最大扰动范围
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最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
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| 內容試閱：
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前言
现代化工生产具有规模超大、能量密集、产物多样等特点，历来都是安全生产的重中之重。近年来，随着我国经济的飞速发展，对各类基本化学品的需求日益增长，装置规模不断扩大，其中相当一部分生产过程是在高温高压条件下处理大流量的易燃易爆物料，不难想象，这些装置一旦发生事故，后果很难局限在厂区范围之内，极易演变成危害长远的生态灾难。最近几年发生的一系列化工事故及其引发的后续灾害，使人们认识到提高化工生产过程安全的重要性和紧迫性。化工安全是一个复杂的系统工程问题，既有政策、法规方面的问题，也有技术、管理方面的问题。目前，人们关注的重点大多放在事故发生当时和随后的应急措施上面，这是完全必要的。但要保证化工生产安全，从技术角度来看，关键是要从源头上减少事故发生的概率，即在设计阶段，就要着力设计出具有本质安全特征的生产过程，这种过程本身就具有维持其稳定运行及不易发生事故的能力。至今，化工领域已通过强化、代替、缓和、简化等途径使所设计的过程具有比较小的危险性，例如，避免选择具有危险中间产品的反应路径； 采用比较温和的操作条件避免高温、高压； 尽可能采用基于先进技术的易于控制的简单流程等。这些工作都为本质安全化工过程的设计奠定了很好的基础。
长期以来，虽然化工过程设计水平随计算机技术的发展有很大的提高，但总体来说，目前化工过程设计都以利润最大为目标，而对安全要求相对考虑不够； 此外，每个过程都是针对固定的工况进行优化设计的，这样设计出来的化工系统虽能实现预定的经济目标，但在生产中暴露出的致命弱点是缺乏适应外界条件变化的能力。事实上，影响化工生产的不确定性因素很多，工厂投入生产以后，原来设计时考虑的原料、操作工况及产品结构都有可能发生变化，这些不确定参数的变化往往会使实际工况远离设计工况，致使系统的操作不能很好地满足生产过程的约束条件，导致产品不合格以及许多参数，诸如温度、压力等不能控制在需要的范围内，操作难以稳定。有些过程反应本身是强非线性的，在有些特殊的操作点，温度和压力稍有上升，即这些参数稍有变化，反应就会变得特别强烈，严重时就会导致事故发生，甚至引起重大灾难。根据本质安全的理念，消除事故的最佳方法不是依靠更加可靠的附加安全设施，而是通过消除危险或者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。因此，化工过程设计除了考虑经济性外，还要考虑如何使设计出的过程系统本身就具有维持其稳定运行及不易发生事故的本质安全的特征。安全性是一个综合的指标，它通常是由过程的稳定性、柔性和可控性等多个过程特征来综合分析量化的。近十年来，国内外学者围绕稳定性、柔性和可控性做了大量的工作，为设计出面向本质安全化的化工过程奠定了基础。
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。
本书的编写得到了清华大学化工系过程系统过程研究所团队的关心及支持，本书第7章的内容主要取材于刘柱彬的硕士论文2014，第8章的内容主要取材于蒋浩的学士论文2013，张楠对书中的多张图片做了仔细修改，在此向他们表示衷心的感谢！自2006年以来，编著者在这方面的研究先后获得一项973课题2012CB720500、一项国家自然科学青年基金21306100、一项博士点科研基金20100002110021、两项博士后科研基金20100480282、2012T50099的资助，借此对上述各单位的支持表示感谢！
面向本质安全化的化工过程设计的理论与方法等仍是当前国内外的研究热点课题。由于我们的研究能力与水平所限，错误与不足之处在所难免，恳请读者给予批评指正。
编著者2016年1月于清华大学
第3章化工过程多稳态点的稳定性分析
3.1引言化工过程的稳定性在安全生产中发挥着重要作用，许多重大事故都是由于系统运行不稳定，人为操作失误，引发事故或者使得事故进一步恶化，进而造成财产损失和人员伤亡。有文献统计［1］表明，每10000起难于维持稳定的事故中，大约500起会造成财产的损失，有接近100起造成轻微的人身伤害，其中可能有1起事故会造成人员的严重伤害或死亡，如图31所示。由此可见，化工系统的稳定性在化工安全生产中占有重要位置，为减少重大事故的发生概率，一个有效的方法是提高系统的稳定性。
图31化工过程中各类事故的比例示意图
稳定性的概念最先出现在力学研究中，用于描述一个刚体运动的平衡状态。如果一个平衡状态是稳定的，那么这个刚体在受到干扰从原来位置微微移动后，最终仍能回到它原来的位置。反之，如果这个平衡状态不稳定，那么当这个刚体受到干扰的时候，它会趋于一个新位置，远离最初的平衡态，如图32所示。
图32力学中的稳定性示意图
在实际应用中，常常使用微分方程来描述系统的变化规律。在建立微分方程的过程中，我们只能考虑影响该过程的主要因素，忽略一些次要因素，而这些因素可以认为是干扰因素。干扰因素是不可避免的，可以瞬时起作用，也可以持续起作用。从数学上来看，瞬时干扰引起初值的变化，而持续干扰则会引起微分方程本身的变化。在某些系统中，系统初始条件或者微分方程的微小变化都会引起稳态解的巨大变化，因此，对于新设计的系统进行稳定性分析可以及时发现问题，避免设计方案实施后系统运行的不稳定。运动系统稳定性的概念是力学中平衡稳定性的扩展。李雅普诺夫定义下的运动稳定性理论主要研究微小干扰性因素对于系统运动的影响。微小的干扰因素普遍存在，不可避免，而且不确定。对于一些系统，微小的干扰因素的影响并不显著，因此，受干扰的运动与不受干扰的运动差别很小，这类运动系统称为稳定的； 对于另外一些运动，无论干扰多么小，随着时间的推移，受干扰的运动与不受干扰的运动总是相差巨大，这类运动系统称为不稳定的。由于干扰不可避免，所以运动稳定性的问题有着重要的理论和实际意义，在自然科学与工程技术领域受到了普遍关注。众所周知，化工过程是强非线性［2，3］过程，而非线性的系统通常存在多个稳态解［4~9］，这些稳态解的稳定性一般并不相同。在实际生产中，化工系统的操作条件受到人为操作、不确定因素的影响而不断变化，人们通常关心系统在某个操作条件不断变化时表现出来的特性，例如对于一个反应器，逐渐调整进料的流量，观察系统达到稳态时的特征。在现有的研究中，通过计算不同参数下系统的稳态解，然后判断每个稳态解的稳定特性，进而确定系统稳态解是否稳定。这种逐点判断稳定性的方法耗时巨大，本章将介绍通过奇异点划分区域快速判断稳定性区域的方法。本章首先介绍稳定性的概念和常用的判别方法，在此基础上提出通过奇异点划分区域快速判断稳定性区域的方法，之后使用1,3丙二醇厌氧发酵体系和苯乙烯聚合反应说明这种判断方法的有效性。3.2稳定性的概念化工过程是非线性很强的过程，在反应过程中伴随着物质的消耗和生成，同时有大量的能量释放和消耗。描述化工过程的系统中常常包含物料平衡、动量平衡以及能量平衡，这些过程都具有非线性的特性。为了更好地描述系统的特性，通常情况下使用动态方程来描述系统中变量随时间的变化关系，所谓动态方程即系统中的变量随时间变化的微分方程组。通常情况下，系统中具有可以改变的操作变量，随着操作条件的变化，系统的稳态解会发生变化，稳态解的稳定性也会发生变化。这样问题就抽象成为： 在含有参数的动态常微分方程组中，随着参数的不断变化，如何求解出系统中的稳态解并且判断其稳定性。首先给出稳定性严格的数学定义。对于微分方程F： DRnRn，如式（31）所示：
dxdt=Fxx0=x0 31
李雅普诺夫稳定性的原始定义［10］如下：对于给定的初值x0，令xx0,t为微分方程的解。若对任何0，存在0，使得当初值x1满足‖x1-x0‖
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