Control and Safety Analysis of Intensified Chemical Processes

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Control and Safety Analysis of Intensified Chemical Processes

Resource on the design and safety analysis of intensified chemical processes, ranging from general methods to specific applications Control and Safety Analysis of Intensified Chemical Processes covers the basic principles of and recent developments in control and safety analysis of intensified chemical processes, ranging from dynamic simulations and safety analysis to the design and control of important processes. The text discusses general methods and tools such as dynamic simulation and safety analysis as well as design and analysis of important applications in order to provide scientists and engineers with an understanding of the design and safety considerations involved in intensified chemical processes. Sample topics covered in Control and Safety Analysis of Intensified Chemical Processes include: Simulation and optimization methods, common programs and simulators for simulation and optimization, and interfacing of simulators and optimizers Programs/simulators for dynamic simulation and control, tuning of controllers, and popular criteria for control assessment Control of a distillation column with dual steam and hot-oil reboilers, and an energy intensified side-stream extractive distillation for binary azeotropic separation Dynamics and control of middle vessel batch distillation with vapor recompression and development of a control structure of intensified biobutanol production A comprehensive resource on the subject, Control and Safety Analysis of Intensified Chemical Processes is a highly valuable reference for researchers, students and practitioners interested in process intensification and their applications. The text can be adopted by instructors for use in advanced courses on process control and safety.

《强化化学过程的控制与安全分析》涵盖了强化化学过程控制与安全分析的基本原理和最新进展，内容涉及动态模拟、安全分析，以及重要过程的设计与控制。本书探讨了动态模拟与安全分析等通用方法与工具，以及重要应用的设计与分析，旨在帮助科学家和工程师理解强化化学过程中的设计与安全考量。

《强化化学过程的控制与安全分析》中涵盖的主题示例包括：

• 模拟与优化方法、常用程序与模拟器，以及模拟器与优化器的接口
• 用于动态模拟与控制的程序/模拟器、控制器整定，以及控制评估的常用标准
• 带有蒸汽与热油双再沸器的精馏塔控制，以及用于二元共沸分离的能量强化侧流萃取精馏
• 带有蒸汽再压缩的中容器间歇精馏的动态与控制，以及强化生物丁醇生产控制结构的开发
  

作为该领域的综合性资源，《强化化学过程的控制与安全分析》是研究人员、学生及从事过程强化及其应用的从业者极具价值的参考书。本书也可被教师采用，用于过程控制与安全领域的高级课程教学。

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针对强化化学过程的控制与安全分析，结合工程实践经验，以下从技术落地角度给出关键要点：

1 动态模拟工具选型建议
- Aspen Dynamics/HYSYS（稳态-动态一体化平台）：适合连续流程的传热传质模拟（如精馏塔动态响应分析）
- gPROMS（多物理场耦合仿真）：处理反应-分离耦合过程（如膜反应器）更精准
- COMSOL Multiphysics（有限元分析）：适用于微反应器等设备级强化过程的CFD（计算流体力学）验证

2 安全评估的三大核心方法
2.1 HAZOP-LOPA（危险与可操作性分析-保护层分析）组合应用
- 对过程强化设备（如静态混合器）需特别关注流速突变导致的偏离设计工况
- 保护层设置要考虑强化过程更短的响应时间窗口

2.2 本质安全设计四原则
- 强化过程优先考虑：最小化（物料存量减少50-90%）、缓和（采用低温催化剂）
- 典型案例：微通道反应器替代传统釜式反应器

3 典型强化单元控制策略
3.1 热集成精馏塔控制要点
- 双再沸器系统需配置前馈补偿（feedforward compensation）应对蒸汽/热油热量分配扰动
- 侧线采出物流采用质量流量-组分串级控制（cascade control）

3.2 蒸汽再压缩系统（VRC）防喘振措施
- 设置转速-压差-流量三重联锁（triple interlock）
- 保持最小回流比不低于设计值120%

4 生物过程强化特殊考量
- 发酵过程强化需建立代谢物浓度软测量（soft sensor）模型
- 细胞耐受极限数据应作为安全联锁设定依据

关键风险控制指标建议：
- 强化设备操作弹性（turndown ratio）需≥3:1
- 安全仪表系统（SIS）响应时间应比传统过程缩短30-50%
- 动态模拟时间步长选择原则：小于最短传递滞后（dead time）的1/5

过程强化带来的控制挑战需要通过设备-控制-安全三位一体设计来解决，建议采用数字化孪生（digital twin）技术进行全生命周期验证。实际项目中可先通过小试模块获取关键动力学参数，再开展全流程模拟优化。   

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