淺析近年來化工系統(tǒng)工程的發(fā)展與應(yīng)用

郭江申 張嘉欣

摘 ? 要：隨著當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化工行業(yè)取得了舉世矚目的成就。在我國科技不斷進(jìn)步的過程中，化工生產(chǎn)變得越加復(fù)雜，其規(guī)模不斷擴(kuò)大，逐步實(shí)現(xiàn)了代替人工的自動化生產(chǎn)。化工系統(tǒng)工程作為一門應(yīng)用極其廣泛的學(xué)科，受到了社會的廣泛關(guān)注，正在不斷蓬勃發(fā)展。簡要介紹了化工系統(tǒng)工程，并探討化工系統(tǒng)工程在化工生產(chǎn)中的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：化工系統(tǒng)工程;化工生產(chǎn);發(fā)展;實(shí)際應(yīng)用

20世紀(jì)50年代初，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科和計算機(jī)技術(shù)的興起和快速發(fā)展，使數(shù)學(xué)模型法得到了極大的發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。之后，人們開始開發(fā)化學(xué)過程系統(tǒng)，希望在合理的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下完成最佳過程系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行控制[1]。在20世紀(jì)60年代，過程系統(tǒng)工程學(xué)由過程控制理論、數(shù)值計算方法、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)工程和化學(xué)工程等學(xué)科交叉逐漸形成、發(fā)展起來。

化工系統(tǒng)工程是使用系統(tǒng)工程方法解決化工系統(tǒng)中的問題，從而優(yōu)化規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行，即在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和單元裝置的情況下，通過分析系統(tǒng)并合成要設(shè)計的系統(tǒng)來優(yōu)化處理系統(tǒng)的操作。

1 ? ?化工系統(tǒng)工程的性質(zhì)、內(nèi)容和作用

化學(xué)系統(tǒng)工程，也稱為過程控制系統(tǒng)，是化學(xué)工程和技術(shù)的必修課程。該課程的主要內(nèi)容包括3個部分，即過程系統(tǒng)仿真、優(yōu)化和綜合。系統(tǒng)仿真部分與工程背景緊密結(jié)合，重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆纸夥椒?、順序模塊法、聯(lián)立方程法和聯(lián)立模塊法[2]。優(yōu)化部分介紹了如何將實(shí)際的化學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。該優(yōu)化方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化從應(yīng)用的角度介紹了該算法，省去了繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明，注重解決工程問題的邏輯[2]。合成部分是通過分離順序，進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的合成和系統(tǒng)的熱集成。這些示例介紹了過程系統(tǒng)綜合的基本概念、方法以及實(shí)用性。本課程將繼續(xù)擴(kuò)大本專業(yè)專業(yè)課程的整合，鞏固和加深所學(xué)知識，提高提出和解決問題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生成為有新的工程精神的高級應(yīng)用型人才。

化學(xué)系統(tǒng)工程研究的對象是化學(xué)生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是系統(tǒng)的整體優(yōu)化，即確定和控制系統(tǒng)每個組件的輸入和輸出狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)反映系統(tǒng)收益的某個定量功能[3]。如確定最大值或最小值，反映系統(tǒng)總體目標(biāo)的功能稱為目標(biāo)功能。例如，在設(shè)計最佳化工廠時，通常將投資成本和運(yùn)營成本作為目標(biāo)函數(shù)，以找到總成本最低的設(shè)計?；瘜W(xué)系統(tǒng)工程是一門發(fā)展中的學(xué)科[4]。到目前為止，人們對該學(xué)科的理解和定義并不完全相同。

2 ? ?化工系統(tǒng)工程近年來的發(fā)展情況

化學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)是在幾門學(xué)科的邊緣發(fā)展起來的。來自不同學(xué)科的學(xué)者具有不同的學(xué)術(shù)背景。由于不同國家都有自己的學(xué)術(shù)傳統(tǒng)，因此，該技術(shù)領(lǐng)域不僅在不同國家的名稱不同，突出顯示的內(nèi)容也不同。總的來說，它可以分為兩個不同的研究領(lǐng)域：一是將系統(tǒng)工程與化學(xué)工程相結(jié)合，側(cè)重于解決化學(xué)設(shè)計問題;另一種是將系統(tǒng)工程與過程控制相結(jié)合，重點(diǎn)是系統(tǒng)控制問題[5]。因此，有許多發(fā)展方向。近年來，化學(xué)系統(tǒng)工程的發(fā)展與中國石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。

根據(jù)我國化學(xué)系統(tǒng)工程的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢的要求，我國系統(tǒng)工程研究還存在許多不足的地方，這阻礙了我國系統(tǒng)工程的整體發(fā)展[6]。因此，我國的相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要立足實(shí)際，設(shè)定項(xiàng)目發(fā)展目標(biāo)。首先，必須加強(qiáng)系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系的研究力度，從而盡快建立我國的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系。其次，通過多方合作的方式完成系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建設(shè)，提供系統(tǒng)工程各項(xiàng)內(nèi)容的實(shí)施數(shù)據(jù)[7]。再次，開展創(chuàng)新研究對系統(tǒng)工程理論的建立是十分有必要的。具體內(nèi)容可以表現(xiàn)為：對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行綜合且有針對性的研究，總結(jié)在中國系統(tǒng)工程開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)，并依據(jù)當(dāng)前研究現(xiàn)狀學(xué)習(xí)國際系統(tǒng)工程技術(shù)，從而為中國系統(tǒng)工程的發(fā)展創(chuàng)造良好的條件[7]。另外，需要建立和完善有效的系統(tǒng)工程培訓(xùn)機(jī)制，保證我國系統(tǒng)工程技術(shù)的長期可持續(xù)發(fā)展。

3 ? ?化工系統(tǒng)工程的應(yīng)用

3.1 ?化工系統(tǒng)工程在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

中國石化將進(jìn)一步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，優(yōu)化資源配置，大力發(fā)展烯烴、芳烴和三大合成材料等石化產(chǎn)品主營業(yè)務(wù)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，整合化工產(chǎn)品資源，充分發(fā)揮綜合優(yōu)勢，努力發(fā)展中國石化產(chǎn)業(yè)。

隨著人民生活水平不斷提高和相關(guān)行業(yè)不斷發(fā)展，對合成材料的質(zhì)量和性能的要求越來越高，中國石化將積極開發(fā)三大高性能合成材料技術(shù)，以提高石化技術(shù)含量。專注于開發(fā)乙烯和芳烴等有機(jī)原料的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù);以產(chǎn)品為龍頭，根據(jù)市場需求開發(fā)合成樹脂、合成橡膠、合成纖維新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品附加值，逐步形成具有中國石化特色的系列產(chǎn)品[8]。

3.2 ?化工系統(tǒng)工程在清潔生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

在環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)方面，中國石化將更加注重污染防治的全過程，不斷減少污染排放總量，完善安全、環(huán)境和健康管理體系。最大限度地減少“三廢”排放，全面促進(jìn)清潔生產(chǎn)，不斷提供節(jié)約資源的新產(chǎn)品和新技術(shù)，提高資源利用效率[9]。

中石化將發(fā)展和整合先進(jìn)的節(jié)能、節(jié)油、節(jié)水和環(huán)境保護(hù)技術(shù)，努力節(jié)約能源并減少二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的排放[10]。優(yōu)先發(fā)展清潔生產(chǎn)工藝和資源循環(huán)利用技術(shù)，控制和減少源頭污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)從原料供應(yīng)、生產(chǎn)、加工到終端消費(fèi)的清潔[10]。全面污染物控制技術(shù)的實(shí)施將有效控制“三廢”排放。發(fā)展先進(jìn)的環(huán)境保護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)廢物回收利用和副產(chǎn)品回收利用，實(shí)現(xiàn)廢物處理的減少、無害化和綠色化。

3.3 ?化工系統(tǒng)工程在煉油領(lǐng)域的應(yīng)用

中國石化將進(jìn)一步調(diào)整和改善煉油廠布局和設(shè)備結(jié)構(gòu)，提升大型集約化設(shè)備規(guī)模，逐步形成世界一流的煉油化工企業(yè)集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)煉油化工一體化優(yōu)化和區(qū)域資本優(yōu)化，降低能耗，提高資源利用率，增強(qiáng)國際競爭力，使煉油技術(shù)整體達(dá)到國際水平[11-12]。

為了確保國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，滿足對清潔能源的需求，中國石化將繼續(xù)積極研究和開發(fā)清潔燃料生產(chǎn)技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展清潔汽油和柴油生產(chǎn)技術(shù)，精煉和化學(xué)集成技術(shù)，發(fā)展重油深加工、劣質(zhì)原油和非常規(guī)原油加工技術(shù)，以合理有效地利用石油資源[13]。

4 ? ?結(jié)語

由系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法可知，化學(xué)系統(tǒng)工程不斷地將現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù)融入實(shí)際應(yīng)用中，以豐富系統(tǒng)工程的整體功能。系統(tǒng)的集成度越來越高，能夠滿足更多用戶的需求。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，系統(tǒng)工程技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛，并將逐步滲透到新的領(lǐng)域，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更強(qiáng)的動力，全面促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，現(xiàn)階段我國主要希望研究系統(tǒng)工程在化工生產(chǎn)中的最佳應(yīng)用，不斷應(yīng)用新技術(shù)，推動我國系統(tǒng)工程技術(shù)的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王健紅，馮樹波，杜增智.化工系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]佘啟明.“化工系統(tǒng)工程”數(shù)字化教學(xué)改革與實(shí)踐[J].江蘇師范大學(xué)學(xué)報：教育科學(xué)版，2013，4（2）：65-67.

[3]楊友麒.化學(xué)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和過程系統(tǒng)工程（PSE）[J].化工進(jìn)展，2018，37（3）：803-814.

[4]孟凡超.過程系統(tǒng)工程技術(shù)在中國石油化工與應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計通訊，2016，42（6）：54.

[5]曾維平.中國石油化工過程系統(tǒng)工程質(zhì)量控制技術(shù)的應(yīng)用分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（11）：16-17.

[6]曾維平.化工生產(chǎn)中系統(tǒng)工程的發(fā)展及應(yīng)用研究[J].當(dāng)代化工研究，2016（4）：15-16.

[7]宏曉晶，劉雪鵬，吳盛文，等.過程系統(tǒng)工程方法在煤化工節(jié)水優(yōu)化中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2015，35（8）：107-109.

[8]何 ?瀟.過程系統(tǒng)工程技術(shù)在中國石油化工的研究與應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（21）：37，45.

[9]王基銘.過程系統(tǒng)工程技術(shù)在中國石油化工的研究與應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報，2007（3）：329-334.

[10]李有潤.化工系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，1983（5）：14-18.

[11]張繼峰.過程氣體分析成套系統(tǒng)在石油化工行業(yè)的典型應(yīng)用[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2015.

[12]方利國.化工系統(tǒng)工程教學(xué)改革及探索[J].化工高等教育，1995（2）：56-58.

[13]楊友麒.化工系統(tǒng)工程發(fā)展前沿[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1987（3）：43-51.