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