邬长城

(河北工业大学化工学院　天津 300130)



基于集对分析的化工工艺本质安全性评价方法

邬长城

(河北工业大学化工学院天津 300130)

摘要为了提高化工工艺本质安全性评价的有效性和全面性，根据集对分析理论建立了四元联系数评价模型。模型选用传统的本质安全指标及其分级标准，对各指标进行赋权，以甲基丙烯酸甲酯合成工艺路线为例进行实用性验证，最终确定了多条工艺路线的本质安全程度优劣顺序，并明确各自的本质安全程度。结果表明，集对分析方法能够客观全面地评价化工工艺路线的本质安全性，可以用于化工工艺路线的优选过程，为工艺安全管理和技术改进提供指导。

关键词化工工艺本质安全集对分析四元联系数

0引言

本质安全的概念最早由英国安全工程师Kletz提出，随后迅速被世界各国的学者和工程师所接受，并在此基础上开发了多种本质安全评价的理论方法和实用工具，包括简单的图示法[1]、本质安全指数方法[2]以及多种复杂计算方法[3-5]。然而，每一种方法都存在一定的局限性[6]，主要表现在：①往往以危险性最大的反应定义整条工艺的危险性；②只考虑最危险的一种物质，或者把不同物质的最大危险特征值相互叠加，实际夸大了物质的危险；③安全指标权重没有区别；④很多本质安全指数只在不同工艺进行对比时才有意义，却不能回答路线的安全程度。

为解决这些问题，本文在已确立的本质安全评价指标及其定量和分级方法的基础上，设定指标权重，提出基于集对分析理论的化工工艺路线本质安全性评价方法。

1方法介绍

1.1集对分析方法

20世纪80年代末，赵克勤[7]提出用集对分析理论来刻画系统中广泛存在的确定与不确定性及其之间的相互转化关系。其基本原理是：设某两个有联系的集合A和B。A有n项表征及特性，即A=(a1，a2，…，an)，B也有n项表征其特性，即B=(b1，b2，…，bn)，则集合A和B构成集对H(A，B)。那么可以用联系度来反映集对H(A，B)的关系及这种关系优劣程度，联系度的定义是

(1)

式中，s，f，p分别为具有相同、差异和对立属性的特征数，i，j分别为差异度和对立度的标记，a，b，c分别表示某特性下的同一度、差异度和对立度，a+b+c=1。

1.2本质安全指标及其定量、分级标准

本文采用文献[5]中的本质安全评价指标及其分级标准，在两两比较各指标的重要性后，采用层次分析法确定了各指标的权重。化工工艺本质安全指标、分级标准及权重列于表1。

表1　化工工艺本质安全评价指标、分级标准[5]及其权重

1.3基于集对分析的本质安全评价模型

若式(1)中差异度存在多个不同级别，则可扩展得到多元联系度。根据本质安全指标的分级情况建立四元联系数，即

(2)

式中，n为指标涉及的物质或反应总数，s，f1，f2，p分别为指标安全等级为高、中等、低、很低的物质或反应数。

=a+b1i1+b2i2+cj

(3)

式中，W为本质安全指标的权重向量；R为指标联系数矩阵；m为指标数目，m=9；E为联系分量系数矩阵，表示为E=(1,i1,i2,j)T。

反应工艺路线的本质安全等级根据综合联系度的置信度准则来判定，等级判定准则见表2。

表2　本质安全等级判定准则

其中，λ为置信度，一般在[0.50，0.70]内取值，λ越大则评估结论越倾向于保守，最终的本质安全等级可能越低，本文取值λ=0.6。

2应用实例

文献[1,5,8]对甲基丙烯酸甲酯(MMA)的合成工艺进行了本质安全性评价，给出了优劣顺序，但没有对每条工艺的本质安全水平进行讨论。本文采用集对分析的方法，针对表3中合成甲基丙烯酸甲酯的工艺路线进行分析，主要物性参数和工艺条件可由文献[5]获得。

表3　MMA合成工艺路线

各工艺所涉及化学物质的评价指标可从文献[9-10]中查得，根据表1确定的分级标准得出各物质和反应的本质安全等级见表4。

表4　MMA生产工艺路线指标分级汇总

在乙烯法生产MMA工艺中共存在乙烯、一氧化碳、氧气、甲醇、丙酸甲酯、二甲氧基甲烷、水和甲基丙烯酸甲酯共8种物质，3步反应。根据指标分级情况构建联系分量矩阵如表5所示。

表5　乙烯法生产MMA工艺各指标联系分量矩阵

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

因为μ乙烯法=0.447 6+0.144 4+0.264 0=0.856 0>λ=0.6，所以，生产MMA乙烯法路线的本质安全性等级为“低”。 同理得到其余两条路线的分析结果，见表6。

表6　MMA合成路线的集对分析结果

由集对分析结果可以看出，乙烯法生产MMA工艺的本质安全程度是最低的，而异丁烯法和异丙醇法两条工艺本质安全程度处在同一级别，但异丙醇法置信度要高于异丁烯法，所以可以认为其本质安全程度要高一些。这种差别主要来源于原料异丁烯和异丁醇危险性的差异，由于异丁醇的燃烧危险低于异丁烯，且反应热效应小，导致以之为原料的整条工艺本质安全程度要稍高。因此，3条工艺的本质安全程度由高到低的顺序为：异丙醇法>异丁烯法>乙烯法，与文献[1]是一致的。

3结论

集对分析方法可以对化学反应工艺过程中的多步反应、多种物质、多重危险属性进行综合分析，并考虑危险属性的危害差异。实例证明，采用集对分析方法评价的结果是可靠的。它不仅能指出多条工艺路线的优劣顺序，还能明确每条工艺路线所处的本质安全水平，从而提供了更加全面的信息。

参考文献

[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．化工过程本质安全评价指标的研究进展[J]．计算机与应用化学，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.

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[7]赵克勤．集对分析及其初步应用[J]．大自然探索，1994，13(47)：67-72.

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[9]张德义，张海峰．石油化工危险化学品实用手册[M]．北京：中国石化出版社，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

作者简介邬长城，男，讲师，博士，主要从事绿色催化过程与工艺开发、安全设计与评价方面的教学与科研工作。

(收稿日期：2015-03-27)