化工紡織百科：化工系統(tǒng)工程

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　　huagong xitong gongcheng

　　化工系統(tǒng)工程

　　chemical system engineering

　　將系統(tǒng)工程的理論和方法應(yīng)用于化工過程領(lǐng)域的一門新興的邊緣學(xué)科，是化學(xué)工程的一個(gè)分支。它的基本內(nèi)容是：從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成部分的特性及其相互關(guān)系，確定化工系統(tǒng)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、控制和管理等方面的最優(yōu)策略。借助的數(shù)學(xué)工具是運(yùn)籌學(xué)和現(xiàn)代控制論的一些方法，依靠的技術(shù)手段是電子計(jì)算機(jī)?；は到y(tǒng)工程研究的對(duì)象是化工生產(chǎn)過程中的某個(gè)系統(tǒng)，謀求的目標(biāo)是該系統(tǒng)的整體優(yōu)化，即合理確定和控制系統(tǒng)各個(gè)組成部分輸入、輸出狀態(tài)，使得反映系統(tǒng)效益的某種定量函數(shù)達(dá)到最大值或最小值。這種體現(xiàn)系統(tǒng)整體目標(biāo)的函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)。例如進(jìn)行某個(gè)化工裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常選用投資費(fèi)用和操作費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，以尋求總費(fèi)用最小的設(shè)計(jì)方案。化工系統(tǒng)工程是一門發(fā)展中的學(xué)科，到目前為止，人們對(duì)這門學(xué)科的理解和定義亦不完全相同。

　　化工系統(tǒng) 同所有的系統(tǒng)一樣，化工系統(tǒng)具有嵌套性的特點(diǎn),即一個(gè)系統(tǒng)總是另一個(gè)更大系統(tǒng)的一部分,為該大系統(tǒng)的子系統(tǒng);同時(shí)它又可能是由更小的子系統(tǒng)所構(gòu)成。一般把單元操作和反應(yīng)過程作為化工系統(tǒng)的基本元素，系統(tǒng)可看成是一系列基本元素按一定聯(lián)結(jié)方式組成的網(wǎng)絡(luò)。因此，可將化工系統(tǒng)的特性歸結(jié)為基本元素的特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的特性兩個(gè)部分。

化工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從物料流(如 A與B反應(yīng)生成C)的角度看,可分成兩類：沒有物料流循環(huán)的“樹”結(jié)構(gòu)(圖1[沒有物料流循環(huán)的“樹”結(jié)構(gòu)] )以及帶有物料流循環(huán)的“再循環(huán)”結(jié)構(gòu)(圖2[ 帶有物料流循環(huán)的“再循環(huán)”結(jié)構(gòu)] )。顯然，后一類結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但對(duì)物料和能源的合理利用比較有利。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在用電子計(jì)算機(jī)處理時(shí)，可用不同的數(shù)學(xué)表示方法，例如過程矩陣、流路聯(lián)結(jié)矩陣、關(guān)聯(lián)矩陣等。學(xué)科內(nèi)容 化工系統(tǒng)工程可大致分為系統(tǒng)分析、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)綜合等分支。系統(tǒng)分析的任務(wù)是對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均已給定的現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行分析，即建立子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并按照已知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬，預(yù)測(cè)在不同條件下系統(tǒng)的特性和行為，借以發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，有助于現(xiàn)有流程的挖潛改造。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用于化工過程系統(tǒng)分析的軟件日趨完善，至今已形成了一類專門的應(yīng)用軟件，稱為化工模擬系統(tǒng)。它已廣泛用于過程開發(fā)、設(shè)計(jì)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的分析等?？梢哉J(rèn)為，它是系統(tǒng)優(yōu)化及系統(tǒng)綜合的重要輔助手段。系統(tǒng)優(yōu)化是對(duì)于結(jié)構(gòu)業(yè)已確定的系統(tǒng)求出其最優(yōu)解。由于化工系統(tǒng)中包含大量的非線性、多變量問題,因而尋求系統(tǒng)的優(yōu)化是相當(dāng)困難的。到目前為止,對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)，可運(yùn)用控制論的方法加以解決，而對(duì)于在實(shí)際中更多碰到的帶有再循環(huán)回路的復(fù)雜系統(tǒng)，一般需要在分解的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)綜合是本學(xué)科中最核心的內(nèi)容，即按照給定的系統(tǒng)特性，尋求所需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按給定的目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)組合。在設(shè)計(jì)新建工廠時(shí)，系統(tǒng)綜合可用于從眾多的可行方案中選擇最優(yōu)流程。系統(tǒng)綜合需要以系統(tǒng)分析作為基礎(chǔ)，同時(shí)在綜合過程中又可對(duì)系統(tǒng)分析提出新的要求。系統(tǒng)的分析和綜合是化工系統(tǒng)工程的基本內(nèi)容,分析和綜合的關(guān)系如圖3[系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合] 所示。要分析一個(gè)工藝過程(如化肥廠或石油化工廠)的性能，就要將其分解成反應(yīng)器、精餾塔、……等基本元素，然后建立這些基本元素的數(shù)學(xué)模型及流程結(jié)構(gòu)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,找出不同工況下的系統(tǒng)性能。同樣,要分析一個(gè)流化床反應(yīng)器或精餾塔等的性能，則要將其分解為流體力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)等基本現(xiàn)象，然后用數(shù)學(xué)模擬來(lái)分析其性能。反過來(lái)，如果要綜合成一個(gè)設(shè)定性能的化工廠，則要由反應(yīng)器、精餾塔、……等基本元素為基礎(chǔ)來(lái)合成。

　　隨著化工生產(chǎn)日趨復(fù)雜化、大型化和自動(dòng)化，化工系統(tǒng)工程這門學(xué)科正在蓬勃發(fā)展。1982年在日本召開了首屆國(guó)際性的過程系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議，1983年又舉行了第二屆會(huì)議，標(biāo)志著該學(xué)科進(jìn)入了新的發(fā)展階段。