基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，主要解决现有技术中边界条件难以准确确定、安全性较差的问题。本发明专利技术通过采用一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，包括反应模型建立、全局参数敏感性分析计算、安全边界条件与安全域确定，基于全局参数敏感性分析方法，得到各种反应模式下的热失控的临界判据，同时考虑外部冷却介质，催化剂颗粒内、颗粒间的传热、传质对热失控区域的影响，获得多变量共同作用条件对系统的反应危险性、物料危险性及分离过程危险性的影响规律，确定化工安全操作域的技术方案较好地解决了上述问题，可用于化工安全操作域确定中。

Determination of chemical safety operation area based on sensitivity analysis of global parameters

The invention relates to a method for determining the safe operation area of chemical industry based on the sensitivity analysis of global parameters, which mainly solves the problems of difficult to accurately determine the boundary conditions and poor safety in the prior art. The invention adopts a method for determining the safe operation area of chemical industry based on the sensitivity analysis of global parameters, including the establishment of reaction model, the sensitivity analysis and calculation of global parameters, the determination of safety boundary conditions and safety area, and based on the sensitivity analysis method of global parameters, obtains the critical criteria for thermal runaway under various reaction modes, taking into account the external cooling medium and catalyst particles The influence of the heat and mass transfer between the inner and the particles on the heat runaway area is obtained. The law of the influence of the multi variable interaction conditions on the reaction risk, the material risk and the separation process risk of the system is obtained. The technical scheme to determine the chemical safety operation area solves the above problems well and can be used in the determination of the chemical safety operation area.

【技术实现步骤摘要】
基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法
本专利技术涉及一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法。
技术介绍
在化工过程中，划分反应系统安全操作和热失控的界限，即确定安全操作域具有十分重大的意义，特别是当操作参数在参数敏感临界值附近变化时，参数的微小变化将引起温度的急剧变化。参数敏感性分析方法有助于从理论上揭示出反应器安全操作范围，使之由于不同操作参数变化引起的不良后果能在反应器设计中和操作前就能避免。由于化学反应系统的复杂性，尤其是系统状态对操作条件的变化相当敏感，所以影响化学反应系统过程的设计参数和操作参数是多方面的。参数敏感性分析的重要目的之一是确定模型的关键输入值(参数和初始条件)，同时定量得到输入值的不确定性如何影响模型结果，有助于定量得到一个模型的可靠程度，从而能够确定合适的模型选择，同时能够帮助我们识别显著影响结果的主要参数及其影响大小。前人关于安全临界判据的预测大多采用局部敏感度分析方法甚至是简单的数据直接拟合，往往脱离了反应的本征动力学，忽略了操作变量之间的相互作用，在实际复杂工况下难以精确预测反应结果。实际化工生产过程绝大多数为多参数非线性系统，具有两个显著的特征一是参数众多，二是参数之间存在着强烈的交互效应，一个参数微小变动便可能使系统的输出结果产生很大的变化。多参数非线性系统的优化设计不仅计算工作量大，而且难以获得理论上的最优解。文献表明(蒋军成,江佳佳,潘勇.化学放热系统热失控临界判据的研究进展[J].化工进展,2009,28(11):1890-1895.)，固定床等化工反应器的参数敏感性区域可以通过反应热效应和反应器冷却参数之间的经验关系来大致确定，但是由于局部敏感度分析方法无法衡量参数间的相互耦合作用对模型结果的间接影响，使得安全操作域的范围确定往往存在较大误差。因此，具有较高计算效率的代理模型技术和能够筛选重要参数的全局敏感性分析已成为多参数非线性系统的重点研究内容。全局敏感性分析方法基于数值求解方法，在重要性度量、模型正交分解等方面具有独特的优势，在计算物理学、化学反应工程、生物医学、宏观经济学等领域应用广泛，近年来随着非线性科学的发展，全局敏感度分析的思路被认为能够有效地解决高维复杂模型建立的难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中安全操作的边界条件难以准确确定、安全性较差的问题，提供一种新的基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，具有安全性较好的优点。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，包括反应模型建立、全局参数敏感性分析计算、安全边界条件与安全域确定，基于全局参数敏感性分析方法，得到各种反应模式下的热失控的临界判据，同时考虑外部冷却介质，催化剂颗粒内、颗粒间的传热、传质对热失控区域的影响，获得多变量共同作用条件对系统的反应危险性、物料危险性及分离过程危险性的影响规律，确定化工安全操作域，主要包括以下步骤：(1)反应模型建立：根据不同反应动力学特性建立能量和物料平衡方程，结合设备性质与冷却介质的传热建立反应器模型；(2)全局参数敏感性分析计算：根据反应模型，令每个参数在可能的取值范围内变动，研究和预测这些参数的变动对模型输出值的影响程度，考察变量在全部输入空间变化的综合影响；(3)安全边界条件与安全域确定：根据全局参数敏感性分析结果计算输入参数的不确定性对系统输出的影响，定量计算每一个操作参数的各阶敏感数指数及总敏感数指数，进而得到每一项参数变化对模型结果的直接和间接影响，最终识别出影响系统安全参数的主要参数变化规律，实现误差溯源，确定安全操作边界。上述技术方案中，优选地，步骤(1)中涉及的基本操作参数包括初始浓度、初始进料温度、冷却介质温度、反应器参数、催化剂参数、操作压力，不同工艺需根据主要的影响变量分别建立模型。上述技术方案中，优选地，步骤(2)中，针对不同过程非线性的复杂变化规律分析，采用基于模型输出结果方差分解的方法或者基于抽样的计算方法。上述技术方案中，优选地，反应模型建立后，还包括散点图与模型初步评估步骤，利用抽样方法模拟来生成所需的抽样样本，代入反应系统模型中计算相应的输出，以输出参数为纵坐标，输入参数为横坐标，将输入参数值和对应的输出参数结果表示在散点图上，定性分析输入参数的不确定性对输出参数的影响，考察输入参数与输出参数之间的关系，然后利用其它全局敏感性分析方法做进一步的深入分析。上述技术方案中，优选地，全局参数敏感性分析方法包括FAST、EFAST、MonteCarlo、Sobol、Morris方法。上述技术方案中，优选地，全局参数敏感性分析计算后，还包括方差分解与计算结果分析步骤，由各输入参数及各参数间耦合作用共同得到模型的总方差，进而将模型输出方差分解，计算每个参数直接贡献比重和通过参数之间耦合作用间接对模型输出总方差的贡献比重之和，得到各个参数的总敏感度指数。上述技术方案中，优选地，安全边界条件与操作域确定中，结合反应系统模型结果与参数全局敏感性，得到整体敏感性序列，得到参数波动对系统关键参数的影响规律，进而确定化学反应过程的安全临界值。上述技术方案中，优选地，在反应模型建立前，还包括确定输入变量与分布步骤，全面分析待考察的反应系统，识别相关变量，并确定变量波动范围。上述技术方案中，优选地，全局参数敏感性分析计算中，根据散点图的分析结果，加入输入参数的不确定性表征，采用相应的全局参数敏感性分析方法定量分析输入参数对输出结果的影响，考虑参数间的耦合作用，分别计算每个输入变量对输出结果的总方差的贡献。上述技术方案中，优选地，基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法由三个部分六个步骤组成，计算过程中六个步骤依次进行，顺序如下：(1)确定输入变量与分布；(2)建立反应系统模型；(3)散点图与模型初步评估；(4)参数敏感性分析计算；(5)方差分解与计算结果分析；(6)安全边界条件与操作域确定。本专利技术将全局参数敏感性分析的思路引入化工过程模型中，通过全局敏感性分析得到各操作参数之间的内在联系及其对系统安全关键参数的影响规律，进而确定多参数共同影响下反应系统的安全边界条件，为化工过程安全稳定运行提供保障。本专利相比于现有的化工过程安全操作域确定方法，可以减少数据分析处理的工作量，降低模型的复杂度，同时基于系统本质动力学特征进行理论推导与模型建立，在很大程度上提高了模型的精度，研究人员与工程技术人员可利用各参数敏感性系数的结果和对系统安全的影响规律解决相应的问题，对于确定化工过程安全操作范围、保障化工设备安全运行具有重要的应用推广价值，取得了较好的技术效果。附图说明图1为基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定流程示意图。图2为某环氧化工艺全局参数敏感性指数。图3为同一pH值条件下，传统模型与结合全局参数敏感性的模型对氧气含量随温度与空速的变化的预测结果(传统模型/一阶敏感性计算方法)。图4为同一pH值条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，包括反应模型建立、全局参数敏感性分析计算、安全边界条件与安全域确定，基于全局参数敏感性分析方法，得到各种反应模式下的热失控的临界判据，同时考虑外部冷却介质，催化剂颗粒内、颗粒间的传热、传质对热失控区域的影响，获得多变量共同作用条件对系统的反应危险性、物料危险性及分离过程危险性的影响规律，确定化工安全操作域，主要包括以下步骤：/n(1)反应模型建立：根据不同反应动力学特性建立能量和物料平衡方程，结合设备性质与冷却介质的传热建立反应器模型；/n(2)全局参数敏感性分析计算：根据反应模型，令每个参数在可能的取值范围内变动，研究和预测这些参数的变动对模型输出值的影响程度，考察变量在全部输入空间变化的综合影响；/n(3)安全边界条件与安全域确定：根据全局参数敏感性分析结果计算输入参数的不确定性对系统输出的影响，定量计算每一个操作参数的各阶敏感数指数及总敏感数指数，进而得到每一项参数变化对模型结果的直接和间接影响，最终识别出影响系统安全参数的主要参数变化规律，实现误差溯源，确定安全操作边界。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，包括反应模型建立、全局参数敏感性分析计算、安全边界条件与安全域确定，基于全局参数敏感性分析方法，得到各种反应模式下的热失控的临界判据，同时考虑外部冷却介质，催化剂颗粒内、颗粒间的传热、传质对热失控区域的影响，获得多变量共同作用条件对系统的反应危险性、物料危险性及分离过程危险性的影响规律，确定化工安全操作域，主要包括以下步骤：
(1)反应模型建立：根据不同反应动力学特性建立能量和物料平衡方程，结合设备性质与冷却介质的传热建立反应器模型；
(2)全局参数敏感性分析计算：根据反应模型，令每个参数在可能的取值范围内变动，研究和预测这些参数的变动对模型输出值的影响程度，考察变量在全部输入空间变化的综合影响；
(3)安全边界条件与安全域确定：根据全局参数敏感性分析结果计算输入参数的不确定性对系统输出的影响，定量计算每一个操作参数的各阶敏感数指数及总敏感数指数，进而得到每一项参数变化对模型结果的直接和间接影响，最终识别出影响系统安全参数的主要参数变化规律，实现误差溯源，确定安全操作边界。


2.根据权利要求1所述基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，其特征在于步骤(1)中涉及的基本操作参数包括初始浓度、初始进料温度、冷却介质温度、反应器参数、催化剂参数、操作压力，不同工艺需根据主要的影响变量分别建立模型。


3.根据权利要求1所述基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，其特征在于步骤(2)中，针对不同过程非线性的复杂变化规律分析，采用基于模型输出结果方差分解的方法或者基于抽样的计算方法。


4.根据权利要求1所述基于全局参数敏感性分析的化工安全操作域确定方法，其特征在于反应模型建立后，还包括散点图与模型初步评估步骤，利用抽样方法模拟来生成所需的抽样样本，代入反应系统模型中计算相应的输出，以输出参数为纵坐标，输入参数为横坐标，将输入参数值和对应的输出参数结果表示在散点图上，定性分析输入参数的不确定性对输出参数的影响，考察输入参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯俊杰，姜杰，徐伟，石宁，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37