化工单元操作和过程的系统层次结构

2022-09-12

引言

随着我国经济的发展, 化工产业的日趋现代化和复杂化, 整个化工工程的开展愈来愈强调工程系统的协调和多层次结构的分析。从不同的角度可以建立不同的化学层次结构, 基于科学内涵特征, 20世纪初人们将众多的工艺流程划分为单元操作或单元过程, 进而以科学的角度考察各单元基础之间信息、能量和物质的交换, 将其所含的传递过程 (动量、质量和能量) 与化学反应结合考虑[1]。最终依靠“三传一反”结构特征形成了化学工程系统的历史层次结构, 并成为后续化工模拟、模型建立不可或缺的前提。

基于科学内涵的历史层次结构指出, 若干个化工单元操作构成一个化工过程或工段 (工序) ;若干个工段 (工序) 构成一个更大的化工过程 (工艺流程) 。但是这些化工单元操作并不是简单的组合, 它们相互之间存在一定的联系, 从而形成了一个具有特定功能的有机整体或系统, 并且具有一定的层次结构[2]。理清具体的化工过程系统的层次结构关系, 有助于从业者更好的掌握化工过程, 灵活处理生产中遇到的问题。

一、化工单元操作和过程的系统层次结构关系

层次是系统科学的重要概念, 是表征系统科学的复杂程度, 反映了系统进化的阶段性, 是系统结构和功能的承担者, 从一定程度上讲研究系统就是研究层次间的相互关系、相互转化规律[3]。

1. 基本特征

化工单元操作形成的系统 (化工过程) 符合一般系统的三个基本特征, 即多元性、相关性与整体性。单元操作是形成系统的基本要素, 各单元之间有一定的能量与物质交换;通过顺序或数量的不同可形成不同功能、不等规模的系统;各部分与整体之间呈线性或非线性两种关系, 不能简单相加或相减。典型的化工系统如:离子膜制碱过程、聚氯乙烯产品包装过程。在组成结构上, 化工单元的特点和结构决定了系统的整个特点。结构形式一般有多级串联、多级并联、带有分支、再循环及综合式5种类型。

单元操作形成工段, 为低层系统, 工段形成工艺为高层系统。层次结构是由下而上逐级构成的, 层次结构之间具有相对独立性, 即低层系统之间不形成构成关系, 但相互影响存在相干性。如化工生产过程中, 前一道工序是后一道工序的物质提供者, 同时前一道工序的操作影响后一道工序。

2. 层次结构关系

(1) 层次结构的结合度随着层级由低到高推进, 呈现递减趋势。高层系统的解体可以不影响低层系统的稳定性, 还有可能重新形成新构型, 这也是既有化工设备、生产线改造升级的理论基础。

(2) 层次结构具有双向因果链。高低层系统均可作为原因在相互之间产生某种结果。如低层系统的各个工段的功能决定了高层系统的化工工艺功能, 而一旦化工工艺确定, 各个工段就必须适应工艺流程的需要和需求, 否则就要接受改造或升级。

(3) 物质从低层次系统到高层次系统的变化不可逆。低层次系统到高层次系统有一定的演化顺序且发生不可逆的变化。因此, 一旦高层系统的工艺过程发生方向性错误, 低层系统的工段生产就要为之付出相应的代价。

3. 多尺度研究

基于科学特征、时空尺度及人力和资金投入的化工层次结构, 是从不同角度对层次结构进行的划分, 目的是找寻易于进入化工复杂系统研究的切入点。系统的特性归根结底是由它不同尺度的层次结构决定的, 所谓多尺度的研究是从更低的尺度层次的规律或性质, 来预测所研究尺度的规律和性质。例如滴流床反应器、循环流化床的研究。

对于较难处理的复杂化工系统问题, 一个较常用的方法是将系统逐层分解, 降低考察尺度, 直到能够解析出一些能依靠普适知识或熟悉的方法解决下属问题。作为化工专业人员, 我们自然想在上述分析过程中采用传统的知识构架, 例如“三传一反”。然而正是这样一个多层次结构, 多尺度的研究有助于我们发现进入新的学科领域, 开展跨学科的研究, 输出新的知识。纳米尺度的研究正是在这样的环境下开展的。

另一方面, 目前化工领域正在进入量少、附加值高的产品领域, 例如功能材料。传统的化工基础知识已不能满足新领域的研究。这些材料之所以功能大, 都源于其内部结构、表面形态、表面结构的不同, 包含尺度众多, 这些结构跨越了原子、分子、纳米、微米的微尺度、发挥功能的介尺度直到能够应用与生产的宏尺度。化工复杂系统多层次结构的研究平台亟待进一步完善与发展[4]。

结论

化工单元操作是化工系统的基本构成要素, 且该系统符合一般系统的结构特征, 并具有一定的层次结构。化工系统的层次结构随着层级由低到高推进, 结合度呈现递减趋势, 且层级结构之间具有双向因果链特征。物质在层级结构间的变化呈不可逆的演化, 因此要做好化工工艺的设计工作。化工复杂系统多尺度、跨尺度的研究是未来面向功能材料等新材料的研究方向, 这需要不断完善化工系统多层次结构的研究平台。

同时, 知晓特定的化学工艺系统的层次结构, 可以促使化工从业者掌握化工过程的内涵与外延, 能够更加灵活的处理生产中发生的问题, 也便于积极参加化工工艺的改进。

摘要：进入21世纪, 化工系统日趋现代化和复杂化, 文章阐述了化工单元操作和过程的系统组成要素、系统特征及层次结构关系, 并指出通过引入多尺度的研究手段可以处理较难的复杂系统问题, 对系统进行更好的预测和控制, 并可能进入新的领域, 输出新知识。

关键词：化工单元操作和过程系统,层次结构,特征关系引言