化工單元操作和過(guò)程的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

冉亮

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

化工單元操作和過(guò)程的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

冉亮

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

闡述了化工單元操作和過(guò)程的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。化工單元操作是系統(tǒng)的要素，經(jīng)過(guò)組合形成化工過(guò)程（工段）——低層系統(tǒng)，若干化工過(guò)程（工段）再經(jīng)組合形成工藝流程——高層系統(tǒng)；構(gòu)成工藝流程的化工過(guò)程之間相互有一定的聯(lián)系，具有一定的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

化工單元操作；系統(tǒng)；層次結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

系統(tǒng)方式和層次結(jié)構(gòu)都是物質(zhì)之間相互聯(lián)系的形式。若干要素之所以能結(jié)合成系統(tǒng)，以及能結(jié)合成更大的系統(tǒng)從而相互作用，均在于它們之間通過(guò)物質(zhì)、能量、信息的交換而發(fā)生了相互作用。

系統(tǒng)是由若干要素組成的，各要素之間存在著特定關(guān)系，形成一定的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它成為一個(gè)有特定功能的整體。系統(tǒng)與外部環(huán)境的相互作用表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)所決定的功能。

層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是（1）低層系統(tǒng)對(duì)高層系統(tǒng)具有構(gòu)成性關(guān)系。低層系統(tǒng)必然是高層系統(tǒng)的構(gòu)成部分，而高層系統(tǒng)也只能以低層系統(tǒng)為基礎(chǔ)。同一結(jié)構(gòu)內(nèi)的分層排布現(xiàn)象之所以不是層次結(jié)構(gòu)，就在于各層次之間并不存在構(gòu)成性關(guān)系。（2）同一層次的系統(tǒng)之間存在相干性關(guān)系[1]。

化工單元操作是化工過(guò)程中很重要的，但并不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的步驟?；卧僮鞫际俏锢硇圆僮鳎桓淖兾锪系臓顟B(tài)或其物理性質(zhì)，并不改變其化學(xué)性質(zhì)；都是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，但不同的化工過(guò)程中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序各異；某個(gè)單元操作，用于不同的化工過(guò)程，其基本原理并無(wú)不同，進(jìn)行該操作的設(shè)備往往也是通用的。

若干個(gè)單元操作可以構(gòu)成一個(gè)化工過(guò)程，也稱為工段（工序）；若干個(gè)工段（工序）可以構(gòu)成一個(gè)更大的化工過(guò)程（工藝流程）。

但是這些化工單元操作并不是簡(jiǎn)單的組合，過(guò)程中的單元操作既形成一個(gè)過(guò)程，又相互有一定的聯(lián)系，構(gòu)成一定的系統(tǒng)，具有一定的層次結(jié)構(gòu)。

2 化工單元操作和過(guò)程的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)關(guān)系

2.1 化工單元操作的分類

化工單元操作按其所依據(jù)內(nèi)在的化學(xué)化工理論基礎(chǔ)，可以歸并為3類[2]。

（1）以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，包括流體輸送、沉降、過(guò)濾、離心分離、攪拌、固體流態(tài)化等。

（2）以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)，包括加熱、冷卻、蒸發(fā)等。

（3）以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)，包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等。進(jìn)行這些操作的目的一般都是將混合物分離，故又稱為分離過(guò)程。

各單元操作的基礎(chǔ)都可以歸入到動(dòng)量、熱量與質(zhì)量3種傳遞理論中。這3種理論又有彼此相類似的規(guī)律可以合起來(lái)研究，這就形成了傳遞過(guò)程這門學(xué)科。它是單元操作在理論方面深入一步的發(fā)展。

2.2 化工單元操作形成的系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

化工單元操作形成的系統(tǒng)（化工過(guò)程）所具有的基本特點(diǎn)符合系統(tǒng)的一般定義。

單元操作是形成過(guò)程的要素。例如，離子膜制堿的蒸發(fā)過(guò)程[3]，可以簡(jiǎn)單的概括為稀堿液輸送到蒸發(fā)單元，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，堿液濃度合格后，再經(jīng)輸送單元送出成品。3個(gè)單元操作過(guò)程構(gòu)成燒堿蒸發(fā)過(guò)程（系統(tǒng)），這個(gè)過(guò)程的特定功能就是將稀堿液濃縮到規(guī)定濃度。

各單元操作之間具有一定的物質(zhì)和能量交換。如上例所示，堿液從前一步單元操作傳遞到下一步單元操作要進(jìn)行物質(zhì)的交換。在蒸發(fā)單元操作過(guò)程中，物料進(jìn)行加熱和冷卻有能量的傳遞。如采取多效蒸發(fā)，從上一蒸發(fā)單元到下一蒸發(fā)單元，不僅有物質(zhì)的交換還有能量的交換。

各單元操作由于組成的順序以及數(shù)量不同，可以使所形成的過(guò)程具有的功能得到強(qiáng)化，也可以得到不同的功能。如下圖所示，將上例的單元操作進(jìn)行修改，加入3個(gè)蒸發(fā)過(guò)程，就形成了多效蒸發(fā)，使得整個(gè)過(guò)程的蒸發(fā)效果得到強(qiáng)化，節(jié)約了能耗，降低了生產(chǎn)成本。

又如聚氯乙烯的產(chǎn)品包裝過(guò)程，粗粉進(jìn)行篩分，合格品去成品包裝，不合格粗粉輸送到破碎單元進(jìn)行破碎后返回篩分，如下圖所示。

假如將單元過(guò)程進(jìn)行如下調(diào)整，又可以用于電石的破碎。

2.2.2 系統(tǒng)中整體與部分的關(guān)系

整體與部分是存在于系統(tǒng)中的一對(duì)矛盾。在這對(duì)矛盾中，部分與整體可以經(jīng)由加和性和非加和性兩種方式而相互過(guò)渡。

比如，選用5 000 L的反應(yīng)釜和選用12 500 L的反應(yīng)釜。顯然，后者的容積大于前者，具有加和性，然而，后者的容積雖然增大了，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)能耗降低了，又具有非加和性。所以，工程放大問(wèn)題比較復(fù)雜。

2.3 化工過(guò)程的層次結(jié)構(gòu)

2.3.1 層次結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)

若干個(gè)化工單元操作構(gòu)成1個(gè)化工過(guò)程（子系），在化工中又稱為工段（或工序）。每一工段具有特定功能，是低層系統(tǒng)，對(duì)形成高層系統(tǒng)—生產(chǎn)流程具有構(gòu)成性關(guān)系。各工段之間相對(duì)獨(dú)立，不具有構(gòu)成性關(guān)系，而存在相干性關(guān)系。上一個(gè)工段是下一工段物質(zhì)的提供者，上一工段的操作影響下一工段的進(jìn)行。

2.3.2 層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度

層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度具有遞減的趨勢(shì)，高層系統(tǒng)的解體可以不影響低層系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還有可能在穩(wěn)定的低層結(jié)構(gòu)上重新建立新構(gòu)型，出現(xiàn)變構(gòu)過(guò)程的穩(wěn)定轉(zhuǎn)變。例如，前述三效蒸發(fā)減去1個(gè)蒸發(fā)和輸送單元，使得所構(gòu)成的系統(tǒng)解體，但是剩下的系統(tǒng)仍然可以構(gòu)成雙效系統(tǒng)，并沒(méi)有影響到低層系統(tǒng)—工段的穩(wěn)定性，反而可以在工段所具有功能的基礎(chǔ)上重新構(gòu)建新的化工過(guò)程。

這也是利用既有設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行改造生產(chǎn)的哲學(xué)理論基礎(chǔ)。

2.3.3 層次結(jié)構(gòu)的因果鏈

層次結(jié)構(gòu)具有雙向因果鏈。低層系統(tǒng)作為原因可以在高層系統(tǒng)中引起一定結(jié)果，稱為上向因果鏈；高層系統(tǒng)作為原因又會(huì)在低層系統(tǒng)中引起某些結(jié)果，稱為下向因果鏈。

同樣，對(duì)于化工工藝流程也具有這2種因果鏈。例如，各個(gè)工段作為低層系統(tǒng)構(gòu)成了高層系統(tǒng)—工藝流程，使得整個(gè)工藝具有特定的生產(chǎn)功能，這可以稱為上向因果鏈；高層系統(tǒng)—工藝流程一旦確定，各個(gè)工段—低層系統(tǒng)就受高層系統(tǒng)的約束，各個(gè)工段必須適應(yīng)工藝流程的需要和要求，否則，就要對(duì)其進(jìn)行改造，這可以稱之為下向因果鏈。

3 結(jié)論

化工單元操作是系統(tǒng)的要素，所構(gòu)成的化工過(guò)程系統(tǒng)具有一定的層次結(jié)構(gòu)。

理清具體的化工過(guò)程的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，可以使化工工作者從宏觀上掌握化工過(guò)程，通曉過(guò)程的前因后果，靈活處理生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，也便于積極改進(jìn)工藝，更有利于根據(jù)過(guò)程之間的關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)合理有效的自動(dòng)化控制方案。

另外，化工工作者學(xué)習(xí)自然辯證法，可以提高自身的哲學(xué)素養(yǎng)，積極探索化工工程設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律，為提升中國(guó)化工行業(yè)做出更多貢獻(xiàn)。

[1]國(guó)家教委社科司.自然辯證法概論.北京：高等教育出版社，1991.

[2]譚天恩等.化工原理上冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

[3]程殿彬主編.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

Operation of chem icalunitand system hierarchy analysisof process

RAN Liang
(AnhuiChemical Industry Design Institute,Hefei230009,China)

Operation of chemicalunitand system hierarchy analysisof processwere discussed.Chemicalunit operaiton was themain elements of system.The chemical process(section)was combined to a low level system.Several chemical process systems were combined to form a chemical proces(section)high level system.The chemicalprocesswas related to each otherand had some system hierarchy.

chemicalunitoperation;system;hierachy structure

book=6,ebook=183

TQ021.8

B

1009－1785(2010)06－0037-03

2009-12-30