鄔長(zhǎng)城

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院　天津 300130)

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基于集對(duì)分析的化工工藝本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)方法

鄔長(zhǎng)城

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院天津 300130)

摘要為了提高化工工藝本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)的有效性和全面性，根據(jù)集對(duì)分析理論建立了四元聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)模型。模型選用傳統(tǒng)的本質(zhì)安全指標(biāo)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，以甲基丙烯酸甲酯合成工藝路線為例進(jìn)行實(shí)用性驗(yàn)證，最終確定了多條工藝路線的本質(zhì)安全程度優(yōu)劣順序，并明確各自的本質(zhì)安全程度。結(jié)果表明，集對(duì)分析方法能夠客觀全面地評(píng)價(jià)化工工藝路線的本質(zhì)安全性，可以用于化工工藝路線的優(yōu)選過程，為工藝安全管理和技術(shù)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞化工工藝本質(zhì)安全集對(duì)分析四元聯(lián)系數(shù)

0引言

本質(zhì)安全的概念最早由英國(guó)安全工程師Kletz提出，隨后迅速被世界各國(guó)的學(xué)者和工程師所接受，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種本質(zhì)安全評(píng)價(jià)的理論方法和實(shí)用工具，包括簡(jiǎn)單的圖示法[1]、本質(zhì)安全指數(shù)方法[2]以及多種復(fù)雜計(jì)算方法[3-5]。然而，每一種方法都存在一定的局限性[6]，主要表現(xiàn)在：①往往以危險(xiǎn)性最大的反應(yīng)定義整條工藝的危險(xiǎn)性；②只考慮最危險(xiǎn)的一種物質(zhì)，或者把不同物質(zhì)的最大危險(xiǎn)特征值相互疊加，實(shí)際夸大了物質(zhì)的危險(xiǎn)；③安全指標(biāo)權(quán)重沒有區(qū)別；④很多本質(zhì)安全指數(shù)只在不同工藝進(jìn)行對(duì)比時(shí)才有意義，卻不能回答路線的安全程度。

為解決這些問題，本文在已確立的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及其定量和分級(jí)方法的基礎(chǔ)上，設(shè)定指標(biāo)權(quán)重，提出基于集對(duì)分析理論的化工工藝路線本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)方法。

1方法介紹

1.1集對(duì)分析方法

20世紀(jì)80年代末，趙克勤[7]提出用集對(duì)分析理論來刻畫系統(tǒng)中廣泛存在的確定與不確定性及其之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。其基本原理是：設(shè)某兩個(gè)有聯(lián)系的集合A和B。A有n項(xiàng)表征及特性，即A=(a1，a2，…，an)，B也有n項(xiàng)表征其特性，即B=(b1，b2，…，bn)，則集合A和B構(gòu)成集對(duì)H(A，B)。那么可以用聯(lián)系度來反映集對(duì)H(A，B)的關(guān)系及這種關(guān)系優(yōu)劣程度，聯(lián)系度的定義是

(1)

式中，s，f，p分別為具有相同、差異和對(duì)立屬性的特征數(shù)，i，j分別為差異度和對(duì)立度的標(biāo)記，a，b，c分別表示某特性下的同一度、差異度和對(duì)立度，a+b+c=1。

1.2本質(zhì)安全指標(biāo)及其定量、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文采用文獻(xiàn)[5]中的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在兩兩比較各指標(biāo)的重要性后，采用層次分析法確定了各指標(biāo)的權(quán)重。化工工藝本質(zhì)安全指標(biāo)、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重列于表1。

表1　化工工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]及其權(quán)重

1.3基于集對(duì)分析的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)模型

若式(1)中差異度存在多個(gè)不同級(jí)別，則可擴(kuò)展得到多元聯(lián)系度。根據(jù)本質(zhì)安全指標(biāo)的分級(jí)情況建立四元聯(lián)系數(shù)，即

(2)

式中，n為指標(biāo)涉及的物質(zhì)或反應(yīng)總數(shù)，s，f1，f2，p分別為指標(biāo)安全等級(jí)為高、中等、低、很低的物質(zhì)或反應(yīng)數(shù)。

=a+b1i1+b2i2+cj

(3)

式中，W為本質(zhì)安全指標(biāo)的權(quán)重向量；R為指標(biāo)聯(lián)系數(shù)矩陣；m為指標(biāo)數(shù)目，m=9；E為聯(lián)系分量系數(shù)矩陣，表示為E=(1,i1,i2,j)T。

反應(yīng)工藝路線的本質(zhì)安全等級(jí)根據(jù)綜合聯(lián)系度的置信度準(zhǔn)則來判定，等級(jí)判定準(zhǔn)則見表2。

表2　本質(zhì)安全等級(jí)判定準(zhǔn)則

其中，λ為置信度，一般在[0.50，0.70]內(nèi)取值，λ越大則評(píng)估結(jié)論越傾向于保守，最終的本質(zhì)安全等級(jí)可能越低，本文取值λ=0.6。

2應(yīng)用實(shí)例

文獻(xiàn)[1,5,8]對(duì)甲基丙烯酸甲酯(MMA)的合成工藝進(jìn)行了本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)，給出了優(yōu)劣順序，但沒有對(duì)每條工藝的本質(zhì)安全水平進(jìn)行討論。本文采用集對(duì)分析的方法，針對(duì)表3中合成甲基丙烯酸甲酯的工藝路線進(jìn)行分析，主要物性參數(shù)和工藝條件可由文獻(xiàn)[5]獲得。

表3　MMA合成工藝路線

各工藝所涉及化學(xué)物質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可從文獻(xiàn)[9-10]中查得，根據(jù)表1確定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得出各物質(zhì)和反應(yīng)的本質(zhì)安全等級(jí)見表4。

表4　MMA生產(chǎn)工藝路線指標(biāo)分級(jí)匯總

在乙烯法生產(chǎn)MMA工藝中共存在乙烯、一氧化碳、氧氣、甲醇、丙酸甲酯、二甲氧基甲烷、水和甲基丙烯酸甲酯共8種物質(zhì)，3步反應(yīng)。根據(jù)指標(biāo)分級(jí)情況構(gòu)建聯(lián)系分量矩陣如表5所示。

表5　乙烯法生產(chǎn)MMA工藝各指標(biāo)聯(lián)系分量矩陣

=0.447 6+0.144 4i1+0.264 0i2+0.134 0j

因?yàn)棣桃蚁┓?0.447 6+0.144 4+0.264 0=0.856 0>λ=0.6，所以，生產(chǎn)MMA乙烯法路線的本質(zhì)安全性等級(jí)為“低”。 同理得到其余兩條路線的分析結(jié)果，見表6。

表6　MMA合成路線的集對(duì)分析結(jié)果

由集對(duì)分析結(jié)果可以看出，乙烯法生產(chǎn)MMA工藝的本質(zhì)安全程度是最低的，而異丁烯法和異丙醇法兩條工藝本質(zhì)安全程度處在同一級(jí)別，但異丙醇法置信度要高于異丁烯法，所以可以認(rèn)為其本質(zhì)安全程度要高一些。這種差別主要來源于原料異丁烯和異丁醇危險(xiǎn)性的差異，由于異丁醇的燃燒危險(xiǎn)低于異丁烯，且反應(yīng)熱效應(yīng)小，導(dǎo)致以之為原料的整條工藝本質(zhì)安全程度要稍高。因此，3條工藝的本質(zhì)安全程度由高到低的順序?yàn)椋寒惐挤?異丁烯法>乙烯法，與文獻(xiàn)[1]是一致的。

3結(jié)論

集對(duì)分析方法可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)工藝過程中的多步反應(yīng)、多種物質(zhì)、多重危險(xiǎn)屬性進(jìn)行綜合分析，并考慮危險(xiǎn)屬性的危害差異。實(shí)例證明，采用集對(duì)分析方法評(píng)價(jià)的結(jié)果是可靠的。它不僅能指出多條工藝路線的優(yōu)劣順序，還能明確每條工藝路線所處的本質(zhì)安全水平，從而提供了更加全面的信息。

參考文獻(xiàn)

[1]Gupta J P, Edwards D W. A simple graphical method for measurement of inherent safety[J]. Journal of Hazardous Materials,2003,104(1):15-30.

[2]焦巍，李忠杰，夏力，等．化工過程本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26(8)：1084-1088.

[3]Gentile M, Rogers W J, Mannan M S. Development of an inherent safety index based on fuzzy logic[J]. AIChE Journal, 2003,49(4):959-968.

[4]王艷華，陳寶智，黃?。み^程本質(zhì)安全性之模糊評(píng)價(jià)系統(tǒng)[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(7)：128-133.

[5]李求進(jìn)，陳杰，石超，等．基于本質(zhì)安全的化學(xué)工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(2)：45-50.

[6]Mimi H Hassim, Miina Gr?nlund, Markku Hurme. Inherent EHS considerations in process development[J]. Chemical Engineering Transactions, 2008,13:295-302.

[7]趙克勤．集對(duì)分析及其初步應(yīng)用[J]．大自然探索，1994，13(47)：67-72.

[8]Mostafizur Rahman, Anna M. Heikkila, Markku Hurme. Comparison of inherent safety indices in process concept evaluation [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2005,18(4):327-334.

[9]張德義，張海峰．石油化工危險(xiǎn)化學(xué)品實(shí)用手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[10]Office of Environmental health & safety, NFPA Hazard Rating System[EB/OL]. http://www.ehs.neu.edu/laboratory_ safety/general_information/nfpa_hazard_rating/guide_hazard/.

Inherent Safety Evaluation for Chemical Process Based on Set Pair Analysis

WU Changcheng

(SchoolofChemicalEngineering,HebeiUniversityofTechnologyTianjin300130)

AbstractIn order to effectively and comprehensively evaluate the inherent safety of chemical process, a model of quaternion connection number is built according to the set pair analysis principle. Nine indicators, as well as their grading standards, are adapted in the model, and the weight is given to each indicator. The model is applied in the methyl methacrylate (MMA) manufacturing routes. Finally, the inherent safety order and grade of three MMA routes are determined. The results show that the set pair analysis method can provide objective and comprehensive evaluation for inherent safety and be used in route selection, providing guidances for safety management and technical improvement.

Key Wordschemical processinherent safetyset pair analysisquaternion connection number

作者簡(jiǎn)介鄔長(zhǎng)城，男，講師，博士，主要從事綠色催化過程與工藝開發(fā)、安全設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方面的教學(xué)與科研工作。

(收稿日期：2015-03-27)