<h1>1. 引言</h1><div> 化学工程的核心是化工工艺设计（Process design ），它可以是创建一种新的生产工艺，也可以是对旧有生产工艺进行的一种升级改造。无论是哪一种，化工工艺设计都可以将所有化工要素有机地整合起来。</div><div> 工艺合成（process synthesis）是工艺设计中的重要一步，也就是根据既定的目标要求，选择合适的生产装置，并将它们按照合适的方式连接起来。工艺合成的概念自上世纪60年代创建以来，取得了巨大的进展，合成过程为图1所示的洋葱模型，其核心是其关键作用的反应器，然后逐渐向外，依次是分离、循环、热回收和公用工程。<br></div> <h3 style="text-align: center">图1 洋葱模型</h3> 目前化工工艺合成方法有很多，并且这些方法大多从技术和经济的角度进行工艺的选择和优化，而过程的安全性、人身健康和对环境的影响通常在设计的后期才进行考虑。这种设计思路引起了很多争论，很多人认为在工业合成的初期就应该考虑生产的风险性，以免后期改造花费更大的成本。 就安全评估方面，Edwards和Lawrence最早开发了一种用于评估化工过程本质安全性的方法，称为本质安全指数法（Prototype Index of Inherent Safety，PIIS）。PIIS是依据主反应的压力、温度、得率、反应热、存量、可燃性、毒性和爆炸性等参数对各种可替代性生产工艺的本质安全进行分级。PIIS的问题是主要考虑的是主反应各种安全指数，没有考虑其他单元操作的安全指数。由此，Heikkila提出一种替代性安全评估方法，称为本质安全指数法（ Inherent Safety Index (ISI)）。ISI考虑的因素与PIIS相同，并且又考虑了腐蚀、副反应、界区（battery limits）内外的存量、设备的类型和工艺的结构等因素。在此基础上，Palaniappan又补充了其他的安全指数，如最差反应指数（worst reaction index）、overall chemical index 和 total chemical index，形成所谓的i-安全法（<i>i</i>-safe）。 除生产的安全性以外，许多评估方法考虑了职业健康指标对化工工艺进行评估。比如Hassim和Edwards开发的工艺路线健康指数（Process Route Healthiness Index (PRHI) ），对各种生产工艺中潜在的危害工人健康的生产因素进行了分级，但PRHI需要完整的工艺信息，如手动操作位置等，所以不适用于工艺设计的初步阶段。基于此，Hassim等人开发了一种称为本质职业健康指数（Inherent Opearational Health Index, IOHI）的评估方法，适用于工艺研究和开发（R&D）的初级阶段。升级后的IOHI称为健康商数（Health Quotient Index，HQI），它完全采用初步设计阶段的详细信息，根据逃逸性排放的健康风险值对工艺替代方案进行分级，并计算出特定工艺的风险。<div><br></div> <h1><b>2. 问题描述</b></h1><div> 在这里先把我们要研究的问题搞清楚。现在我们想生产一组产品，产品数为p，可以用p个流出流股来表示。对于这组产品，假设我们有k种可行的替代性技术路线或生产工艺，每一种技术路线又会涉及到一系列的单元操作，某个技术路线中所涉及的单元操作数我们用j来表示。第k个技术路线中的第j个单元操作的生产能力用xj，k来表示。对于第k个路线中的第j个单元操作中的第p个流股，用矩阵ap,j,k表示。同时，每种工艺路线k在经济性能、健康、安全和环境影响方面也有所不同。k的经济性能、职业健康、安全性能和环境影响分别用毛利率k(GP)评价健康商数（HQI）、本质安全指数（ISI）和潜在环境指数（WAR）来评价。<br></div><div>结合过程模拟、输入-输出建模（IOM）和模糊优化等优化方法的优点，确定GP、HQI、ISI和WAR指标的合适大小。在模糊优化过程引入了一个满意度(λk）的参数，来定量表征对每一种工艺四个指标的满意程度。最终选择满意度值较高的工艺流程。</div> 3. 初步工艺设计框架<div><br></div>