前言

現代化工生產具有規模超大、能量密集、產物多樣等特點，歷來都是安全生產的重中之重。近年來，隨著我國經濟的飛速發展，對各類基本化學品的需求日益增長，裝置規模不斷擴大，其中相當一部分生產過程是在高溫高壓條件下處理大流量的易燃易爆物料，不難想象，這些裝置一旦發生事故，后果很難局限在廠區范圍之內，極易演變成危害長遠的生態災難。最近幾年發生的一系列化工事故及其引發的后續災害，使人們認識到提高化工生產過程安全的重要性和緊迫性。化工安全是一個復雜的系統工程問題，既有政策、法規方面的問題，也有技術、管理方面的問題。目前，人們關注的重點大多放在事故發生當時和隨后的應急措施上面，這是完全必要的。但要保證化工生產安全，從技術角度來看，關鍵是要從源頭上減少事故發生的概率，即在設計階段，就要著力設計出具有本質安全特征的生產過程，這種過程本身就具有維持其穩定運行及不易發生事故的能力。至今，化工領域已通過強化、代替、緩和、簡化等途徑使所設計的過程具有比較小的危險性，例如，避免選擇具有危險中間產品的反應路徑；采用比較溫和的操作條件（避免高溫、高壓）；盡可能采用基于先進技術的易于控制的簡單流程等。這些工作都為本質安全化工過程的設計奠定了很好的基礎。

長期以來，雖然化工過程設計水平隨計算機技術的發展有很大的提高，但總體來說，目前化工過程設計都以利潤最大為目標，而對安全要求相對考慮不夠；此外，每個過程都是針對固定的工況進行優化設計的，這樣設計出來的化工系統雖能實現預定的經濟目標，但在生產中暴露出的致命弱點是缺乏適應外界條件變化的能力。事實上，影響化工生產的不確定性因素很多，工廠投入生產以后，原來設計時考慮的原料、操作工況及產品結構都有可能發生變化，這些不確定參數的變化往往會使實際工況遠離設計工況，致使系統的操作不能很好地滿足生產過程的約束條件，導致產品不合格以及許多參數，諸如溫度、壓力等不能控制在需要的范圍內，操作難以穩定。有些過程反應本身是強非線性的，在有些特殊的操作點，溫度和壓力稍有上升，即這些參數稍有變化，反應就會變得特別強烈，嚴重時就會導致事故發生，甚至引起重大災難。根據本質安全的理念，消除事故的最佳方法不是依靠更加可靠的附加安全設施，而是通過消除危險或者降低危險程度以取代這些安全裝置，從而降低事故發生的可能性和嚴重性。因此，化工過程設計除了考慮經濟性外，還要考慮如何使設計出的過程系統本身就具有維持其穩定運行及不易發生事故的本質安全的特征。安全性是一個綜合的指標，它通常是由過程的穩定性、柔性和可控性等多個過程特征來綜合分析量化的。近十年來，國內外學者圍繞穩定性、柔性和可控性做了大量的工作，為設計出面向本質安全化的化工過程奠定了基礎。

本書在綜述現有化工過程本質安全化研究工作的基礎上，重點對化工生產過程在不確定因素擾動下維持穩定操作的關鍵科學問題進行了論述。首先介紹了化工過程多穩態現象及多穩態解的求解方法，化工過程多穩態解的穩定性分析方法，穩定穩態解的穩定性量化的表征方法；然后介紹了化工過程中可能引發振蕩現象的奇異點的求解方法以及在化工過程設計中規避這些奇異點的方法；之后介紹了綜合考慮穩定性和系統奇異點特性的化工過程本質安全化的設計方法；接著詳細介紹了工業聚丙烯過程的多穩態現象及其穩定性分析；并展望了在設計過程中將穩定性與柔性分析相結合的方法。在本書的寫作過程中，我們參考了有關的重要專著和相關的眾多期刊文獻，書中大部分內容為作者多年來從事化工過程多穩態解及穩定性分析的基礎理論與應用研究工作的一些成果。

本書的編寫得到了清華大學化工系過程系統過程研究所團隊的關心及支持，本書第7章的內容主要取材于劉柱彬的碩士論文（2014），第8章的內容主要取材于蔣浩的學士論文（2013），張楠對書中的多張圖片做了仔細修改，在此向他們表示衷心的感謝！自2006年以來，編著者在這方面的研究先后獲得一項“973”課題（2012CB720500）、一項國家自然科學青年基金（21306100）、一項博士點科研基金（20100002110021）、兩項博士后科研基金（20100480282、2012T50099）的資助，借此對上述各單位的支持表示感謝！

面向本質安全化的化工過程設計的理論與方法等仍是當前國內外的研究熱點課題。由于我們的研究能力與水平所限，錯誤與不足之處在所難免，懇請讀者給予批評指正。

編著者

2016年1月于清華大學