基于模糊综合评价的化工工艺本质安全指数探讨模板.doc

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化工生产安全论文化工安全生产论文：
基于模糊综合评价化工工艺本质安全指数研究
【摘　要】　 建立化工工艺本质安全评价指标体系,包含可燃性、爆炸性、毒性、反应性、温度、压力、储量等7个指标。为处理前人指数法中边界波动效应,采取模糊综合评价建立化工工艺本质安全评价指数模型,确定各指标权重、危险分级及对各分级隶属函数。以甲基丙烯酸甲酯5条工艺路线为例进行分析,结论和前人提出指数方法评价结果相吻合,表明该指数方法能够用来进行化工工艺本质安全评价,以指导设计早期本质安全型工艺路线选择。
【关键词】　 化工工艺;　本质安全;　边界波动效应;　模糊综合评价;　隶属函数
0　引　言
化学工业作为国民经济支柱产业,多年来正日趋大型化、复杂化、连续化和自动化。它在不停带来了巨大物质财富同时,也因为其传统工艺技术落后,增加了事故和环境污染风险。如11月13日中国吉林石化双苯厂苯胺装置发生了特大爆炸火灾事故,造成8人死亡, 60人受伤,直接经济损失6 908万元,并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,造成恶劣国际影响。7月28日8时45分左右,在江苏省射阳县临海镇盐城氟源化工氯化反应器在试生产过程中发生爆炸,继而发生连续爆炸,造成硝化、氯化两个车间厂房全部坍毁,造成22人死亡, 29人受伤。这些事故严重性表明,事故预防和风险管理技术深入开发和应用迫在眉睫。从根本上预防人员伤亡和环境污染事故,实现绿色化学、清洁发展含相关键现实意义[1]。在实现本质安全化过程中,进行本质安全评价必不可缺,中国外已经有很多个本质安全评价方法,笔者在此基础上提出了一个基于模糊综合评价法本质安全评价模型,意在深入处理前人指数法中边界波动效应。
1　本质安全和本质安全评价
本质安全化理念是大家对灾难性事故反思产物,反应了人类安全生产和环境保护思想由被动末端治理到主动源头控制客观发展过程。本质安全化不是依靠被动、主动程序方法,而是经过化学和物理学来预防事故,即经过改善设计,消减工艺、设备中存在危险物质或危险操作数量,使用安全材料替换危险材料等综合方法,以消除或降低工艺、设备中危险性。本质安全化设计往往能够得到一个简化而又节省工艺过程,因为危险消减,降低了安全装置使用和维护[1-6]。
每个工艺过程全部同时存在很多个危险性,如易燃易爆性、毒性、高温、高压等。在具体采取本质安全方法时,往往全部是针对某一类或某几类危险进行消减,实施本质安全化。对于其它危险性,可能没有影响,或增加其危险性。如使用氟利昂作为制冷剂,替换了液氨和轻烃,即使降低了易燃易爆性和毒性,但氟利昂可对臭氧层造成破坏,对环境造成了影响。再如:某个使用相对无害水和二氧化碳超临界工艺却需要高温高压。
所以,在实施具体本质安全方法前后就需要对工艺中全部危险进行辨识和分析,以进行权衡和评价。此时就需要有一个合理可行本质安全评价工具[5, 7]。
从1978年Kletz提出本质安全化理念以来,世界各国已经有很多学者投入到本质安全评价指标体系研究中。经典几套指标体系有: 1993年Ed-wards和Lawrence提出Prototype Index for InherentSafety(PIIS)[8]; 1996年Heikkila提出InherentSafety Index( ISI)[9]; Palaniappan提出i-Safe指数[10]; Gupta和Edwards在PIIS基础上提出了一个基于图表评价方法[8]; Gentile提出基于模糊推理本质安全指数[11];Khan和Amyotte提出Integrated InherentSafety Index(I2SI)[12]等。
Gentile指出了PIIS, ISI及i-safe中边界波动效应问题,即在指标子范围边界处分值出现忽然跳跃而指标值在子范围内部变动时分值不变现象。Gentile把模糊推理Mamdani算法应用到指数模型中,处理了这一问题[11]。但模糊推理算法较复杂,笔者尝试在其基础上简化,使用模糊综合评价法建立指标体系,以处理边界波动效应问题[13-14]。
2　本质安全指数模型建立
笔者建立本质安全指数模型关键用于在设计早期工艺路线分级和选择。而此时能够取得工艺信息极少,只有部分物性、工艺参数等,故只能经过它们建立模型[15]。
化工工艺本质安全程度关键由其固有危险性决定,具体受工艺过程中原料、半成品、成品数量和性质、对应操作条件苛刻程度等影响。所以,能够分为两个二级指标:物质危险性和工艺条件危险性。在物质危险性中,关键考虑可燃性、爆炸性、毒性、反应性等4个三级指标。在工艺条件危险性中,关键考虑操作温度、操作压力、储量等3个三级指标[8-11, 16-17],指标体系见表1。

可燃性指物质在空气中被点燃难易程度,该模型中以闪点表示,闪点越低,则可燃性越高。
爆炸性指物质在空气中形成爆炸性混合物难易程度,由其爆炸极限决定。显然,爆炸区间(爆炸上限-爆炸下限)越大,爆炸下限越低,则爆炸性越高,故该模型中以爆炸危险度表示爆炸性[16]:
EH=(UEL-LEL) /LEL (1)
式中,EH为物质爆炸危险度;UEL,LEL分别为物质爆炸上限于爆炸下限。
毒性能够经过阈限值(Threshold LimitValue,TLV)或半数致死剂量LD50、半数致死浓度LC50等指标表示。TLV指是8小时工作日或40小时工作周中几乎全部工人天天反复接触而不致受到有害影响时间加权平均浓度限值。因为对于大多数物质全部能够获取其TLV值,故该体系中用TLV来表征物质毒性。TLV越小,毒性越大。
2.1　指标权重确实定
在ISI中,不一样指标取值范围不一样,取值范围大小表示是该指标对本质安全程度关键程度。它们是经过国际上部分过程安全教授头脑风暴得出,有很大可信度。在此参考这一系列取值范围,并对其归一化,作为文中指标对于总指标权重系数,见表1[9]。

2.2　备择集建立
备择集是评价者对评价指标可能作出多种评价评语所组成集合,通常以程序语言或评定取值区间作为评价目标。笔者将各个评价指标根据危险程度分为5级,即“很高危险”、“高危险”、“中度危险”、“低危险”和“很低危险”[3,16]。以模糊语言表示为　
V={很高危险(VH),高危险(H),中度危险(MH),低危险(L),很低危险(VL)}
2.3　指标等级划分及隶属函数确实定
隶属函数曲线形式有三角形、梯形和高斯形等,隶属函数之间应有重合,通常重合为25% ~50%。依据文件[13, 16],两端区间采取梯形隶属函数,中间区间采取三角形隶属函数,而且相邻隶属函数之间重合为50%时描述简单,计算方便。故文中也据此设置隶属函数。通常设在中间区间中点其隶属函数取最大值1,而在相邻两区间中点其隶属函数取最小值0,连接1和0,得指标对该评语等级隶属函数。
笔者关键参考化工行业相关国家标准规范,结合中国外危险指数或安全评价指标中等级划分,制订出各个指标具体分级标准见表2,并确定了各个指标对备择集中各个评语隶属函数[8-10, 16]。因篇幅有限,现仅列举可燃性和温度隶属函数图2、图3所表示。

2.4　指数计算方法
中国外危险指数计算方法关键有3种,即加和型、平均型和最坏模式型[18]。
加和型计算方法强调对每个工艺步骤进行指数计算,把所用步骤指数值相加得到整个工艺指数值,这一方法即使能够反应出工艺复杂性所表示危险性,但评价结果受工艺步骤数影响很大,正确性太低。
平均型计算方法即对各个步骤指数值相加再除以步骤数,以消除工艺步骤数对评价结果影响。
最坏模式型则是出于保守考虑,选择工艺中最危险物质属性、最危险操作条件等代表整个工艺危险程度以进行指数计算,是最合理。
在文中,即选择最坏模式型进行指数计算。
2.5　指数计算步骤
1)对化工工艺进行分析:经过化学品安全说明书(MSDS)、国际化学品安全卡(ICSC)等获取工艺中全部物质危险特征,包含闪点、爆炸极限及TLV等;经过化工手册等查出各部反应方程式中反应物和生产物标准生成焓,以计算反应热;列出各反应步骤操作温度和操作压力。
2)计算出各物质爆炸危险度。选择储量,最低闪点值、TLV值和反应热值,最高爆炸危险度、操作温度和操作压力,带入对应隶属函数中,得出对应评价指标对各评语隶属度子集。
3)把7个隶属度子集组成一个7×5模糊隶属度矩阵L。化工工艺本质安全型模糊评判矩阵为In=Q×L=[0.13　0.13　0.19　0.13　0.13　0.13　0.16]×
式中,Q为各指标权重行向量;f, e, t, r,w,p, in分别为可燃性、爆炸性、毒性、反应性、反应温度、反应压力及储量对各个危险等级隶属度。
4)设置一个列向量n=[5 4 3 2 1],则该评价模型本质安全指数值:
式中,In为化工工艺总体本质安全程度对各个危险等级隶属度,由式(2)求得。
显然InSI取值范围为[1,5]。InSI越大,本质安全程度越低。
3　实例应用
对于文中提出本质安全指数模型,编制了MATLAB函数进行计算。现使用该方法对甲基丙烯酸甲酯(MMA)5条工艺路线进行评价。MMA是一个关键有机化工原料,用作有机玻璃单体,也用于制造其它树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂、木材和软木浸润剂、纸张上光剂等。5条路线具体工艺见表3[2, 8, 17]。
　　假设5条工艺路线中物质储量全部为100 ,t经过查询MSDS和ICSC等数据库获取最危险可燃性、爆炸性和毒性参数,现整理各参数取值列于表4。
使用编制MATLAB程序进行计算,得出各条工艺路线指数值见表5。
　　经过表5可见, 5条MMA工艺路线本质安全水平由高到低排序为异丙醇法、异丁烯法、丙烯法、乙烯法、ACH法。这和相关文件中使用PIIS, ISI等方法评价结果是相吻合[2, 4, 8]。结果表明,笔者研究指标模型能够用于化工工艺路线本质安全评价。
4　结　论
为有效地处理指数值边界波动效应,笔者使用模糊综合评价法建立了本质安全评价指标模型, 关键结论以下:
1)确定了本质安全评价指标体系,由物质危险性和工艺条件危险性方面可燃性、爆炸性、毒性、反应性、温度、压力、储量等7个指标组成。
2)选择ISI中各个指标取值范围,并对其归一化,作为该模型中指标对于总指标权重系数。
3)参摄影关国家标准规范、危险指数或安全评价指标体系中等级划分,制订出该模型中各个指标具体分级,并确定了各个指标对各分级隶属函数。
4)使用矩阵相乘形式计算出该模型本质安全指数,指数值越大,本质安全程度越低。
5)经过对MMA5条工艺路线本质安全评价,证实了该方法能够科学有效地对工艺路线本质安全型进行分级。
因为化工工艺危险原因很多,文中只是提取了其中最关键7种。而且在评价指标分级、隶属度确实定等方面存在很大主观性。所以,在以后研究中,还需要深入深入探索,以提升化工工艺本质安全评价全方面性和客观性。
参考文件
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