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化工系统工程chemical system engineering

时间：2020-03-01 来源：网络 浏览：
将系统工程的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科，是化学工程的一个分支。它的基本内容是：从系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。借助的数学工具是运筹学和现代控制论的一些方法，依靠的技术手段是电子计算机。化工系统工程研究的对象是化工生产过程中的某个系统，谋求的目标是该系统的整体优化，即合理确定和控制系统各个组成部分输入、输出状态，使得反映系统效益的某种定量函数达到最大值或最小值。这种体现系统整体目标的函数称为目标函数。例如进行某个化工装置的最优设计时，通常选用投资费用和操作费用作为目标函数，以寻求总费用最小的设计方案。化工系统工程是一门发展中的学科，到目前为止，人们对这门学科的理解和定义亦不完全相同。
　　化工系统 　同所有的系统一样，化工系统具有嵌套性的特点，即一个系统总是另一个更大系统的一部分，为该大系统的子系统；同时它又可能是由更小的子系统所构成。一般把单元操作和反应过程作为化工系统的基本元素，系统可看成是一系列基本元素按一定联结方式组成的网络。因此，可将化工系统的特性归结为基本元素的特性和系统结构上的特性两个部分。
　　化工系统的结构从物料流(如 A与B反应生成C)的角度看，可分成两类：没有物料流循环的“树”结构（图1）以及带有物料流循环的“再循环”结构（图2）。显然，后一类结构更加复杂，但对物料和能源的合理利用比较有利。系统的结构，在用电子计算机处理时，可用不同的数学表示方法，例如过程矩阵、流路联结矩阵、关联矩阵等。

图1

 

图2

　　学科内容 　化工系统工程可大致分为系统分析、系统优化、系统综合等分支。系统分析的任务是对于各个子系统及系统结构均已给定的现有系统进行分析，即建立子系统的数学模型，并按照已知的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节，有助于现有流程的挖潜改造。随着计算机技术的发展，用于化工过程系统分析的软件日趋完善，至今已形成了一类专门的应用软件，称为化工模拟系统。它已广泛用于过程开发、设计和对现场操作的分析等。可以认为，它是系统优化及系统综合的重要辅助手段。系统优化是对于结构业已确定的系统求出其最优解。由于化工系统中包含大量的非线性、多变量问题，因而寻求系统的优化是相当困难的。到目前为止，对于串联系统和连续系统，可运用控制论的方法加以解决，而对于在实际中更多碰到的带有再循环回路的复杂系统，一般需要在分解的基础上进行优化。系统综合是本学科中最核心的内容，即按照给定的系统特性，寻求所需要的系统结构及各子系统的性能，并使系统按给定的目标进行最优组合。在设计新建工厂时，系统综合可用于从众多的可行方案中选择最优流程。系统综合需要以系统分析作为基础，同时在综合过程中又可对系统分析提出新的要求。系统的分析和综合是化工系统工程的基本内容，分析和综合的关系如图3所示。要分析一个工艺过程（如化肥厂或石油化工厂）的性能，就要将其分解成反应器、精馏塔、……等基本元素，然后建立这些基本元素的数学模型及流程结构模型，通过计算机模拟计算，找出不同工况下的系统性能。同样，要分析一个流化床反应器或精馏塔等的性能，则要将其分解为流体力学、传热和传质等基本现象，然后用数学模拟来分析其性能。反过来，如果要综合成一个设定性能的化工厂，则要由反应器、精馏塔、……等基本元素为基础来合成。

图3

　　随着化工生产日趋复杂化、大型化和自动化，化工系统工程这门学科正在蓬勃发展。1982年在日本召开了首届国际性的过程系统工程学术会议，1983年又举行了第二届会议，标志着该学科进入了新的发展阶段。
 
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