化工紡織百科：化工系統工程

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　　huagong xitong gongcheng

　　化工系統工程

　　chemical system engineering

　　將系統工程的理論和方法應用于化工過程領域的一門新興的邊緣學科，是化學工程的一個分支。它的基本內容是：從系統的整體目標出發(fā)，根據系統內部各個組成部分的特性及其相互關系，確定化工系統在規(guī)劃、設計、控制和管理等方面的最優(yōu)策略。借助的數學工具是運籌學和現代控制論的一些方法，依靠的技術手段是電子計算機?；は到y工程研究的對象是化工生產過程中的某個系統，謀求的目標是該系統的整體優(yōu)化，即合理確定和控制系統各個組成部分輸入、輸出狀態(tài)，使得反映系統效益的某種定量函數達到最大值或最小值。這種體現系統整體目標的函數稱為目標函數。例如進行某個化工裝置的最優(yōu)設計時，通常選用投資費用和操作費用作為目標函數，以尋求總費用最小的設計方案?；は到y工程是一門發(fā)展中的學科，到目前為止，人們對這門學科的理解和定義亦不完全相同。

　　化工系統 同所有的系統一樣，化工系統具有嵌套性的特點,即一個系統總是另一個更大系統的一部分,為該大系統的子系統;同時它又可能是由更小的子系統所構成。一般把單元操作和反應過程作為化工系統的基本元素，系統可看成是一系列基本元素按一定聯結方式組成的網絡。因此，可將化工系統的特性歸結為基本元素的特性和系統結構上的特性兩個部分。

化工系統的結構從物料流(如 A與B反應生成C)的角度看,可分成兩類：沒有物料流循環(huán)的“樹”結構(圖1[沒有物料流循環(huán)的“樹”結構] )以及帶有物料流循環(huán)的“再循環(huán)”結構(圖2[ 帶有物料流循環(huán)的“再循環(huán)”結構] )。顯然，后一類結構更加復雜，但對物料和能源的合理利用比較有利。系統的結構，在用電子計算機處理時，可用不同的數學表示方法，例如過程矩陣、流路聯結矩陣、關聯矩陣等。學科內容 化工系統工程可大致分為系統分析、系統優(yōu)化、系統綜合等分支。系統分析的任務是對于各個子系統及系統結構均已給定的現有系統進行分析，即建立子系統的數學模型，并按照已知的系統結構進行整個系統的數學模擬，預測在不同條件下系統的特性和行為，借以發(fā)現其薄弱環(huán)節(jié)，有助于現有流程的挖潛改造。隨著計算機技術的發(fā)展，用于化工過程系統分析的軟件日趨完善，至今已形成了一類專門的應用軟件，稱為化工模擬系統。它已廣泛用于過程開發(fā)、設計和對現場操作的分析等?？梢哉J為，它是系統優(yōu)化及系統綜合的重要輔助手段。系統優(yōu)化是對于結構業(yè)已確定的系統求出其最優(yōu)解。由于化工系統中包含大量的非線性、多變量問題,因而尋求系統的優(yōu)化是相當困難的。到目前為止,對于串聯系統和連續(xù)系統，可運用控制論的方法加以解決，而對于在實際中更多碰到的帶有再循環(huán)回路的復雜系統，一般需要在分解的基礎上進行優(yōu)化。系統綜合是本學科中最核心的內容，即按照給定的系統特性，尋求所需要的系統結構及各子系統的性能，并使系統按給定的目標進行最優(yōu)組合。在設計新建工廠時，系統綜合可用于從眾多的可行方案中選擇最優(yōu)流程。系統綜合需要以系統分析作為基礎，同時在綜合過程中又可對系統分析提出新的要求。系統的分析和綜合是化工系統工程的基本內容,分析和綜合的關系如圖3[系統分析和系統綜合] 所示。要分析一個工藝過程(如化肥廠或石油化工廠)的性能，就要將其分解成反應器、精餾塔、……等基本元素，然后建立這些基本元素的數學模型及流程結構模型，通過計算機模擬計算,找出不同工況下的系統性能。同樣,要分析一個流化床反應器或精餾塔等的性能，則要將其分解為流體力學、傳熱和傳質等基本現象，然后用數學模擬來分析其性能。反過來，如果要綜合成一個設定性能的化工廠，則要由反應器、精餾塔、……等基本元素為基礎來合成。

　　隨著化工生產日趨復雜化、大型化和自動化，化工系統工程這門學科正在蓬勃發(fā)展。1982年在日本召開了首屆國際性的過程系統工程學術會議，1983年又舉行了第二屆會議，標志著該學科進入了新的發(fā)展階段。