化工單元操作和過程的系統層次結構

冉亮

（安徽省化工設計院，安徽合肥230009）

化工單元操作和過程的系統層次結構

冉亮

（安徽省化工設計院，安徽合肥230009）

闡述了化工單元操作和過程的系統層次結構。化工單元操作是系統的要素，經過組合形成化工過程（工段）——低層系統，若干化工過程（工段）再經組合形成工藝流程——高層系統；構成工藝流程的化工過程之間相互有一定的聯系，具有一定的系統層次結構。

化工單元操作；系統；層次結構

1 結構特點

系統方式和層次結構都是物質之間相互聯系的形式。若干要素之所以能結合成系統，以及能結合成更大的系統從而相互作用，均在于它們之間通過物質、能量、信息的交換而發生了相互作用。

系統是由若干要素組成的，各要素之間存在著特定關系，形成一定的結構。系統的結構使它成為一個有特定功能的整體。系統與外部環境的相互作用表現出結構所決定的功能。

層次結構的特點是（1）低層系統對高層系統具有構成性關系。低層系統必然是高層系統的構成部分，而高層系統也只能以低層系統為基礎。同一結構內的分層排布現象之所以不是層次結構，就在于各層次之間并不存在構成性關系。（2）同一層次的系統之間存在相干性關系[1]。

化工單元操作是化工過程中很重要的，但并不進行化學反應的步驟。化工單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態或其物理性質，并不改變其化學性質；都是化工生產過程中共有的操作，但不同的化工過程中所包含的單元操作數目、名稱與排列順序各異；某個單元操作，用于不同的化工過程，其基本原理并無不同，進行該操作的設備往往也是通用的。

若干個單元操作可以構成一個化工過程，也稱為工段（工序）；若干個工段（工序）可以構成一個更大的化工過程（工藝流程）。

但是這些化工單元操作并不是簡單的組合，過程中的單元操作既形成一個過程，又相互有一定的聯系，構成一定的系統，具有一定的層次結構。

2 化工單元操作和過程的系統層次結構關系

2.1 化工單元操作的分類

化工單元操作按其所依據內在的化學化工理論基礎，可以歸并為3類[2]。

（1）以流體力學為基礎，包括流體輸送、沉降、過濾、離心分離、攪拌、固體流態化等。

（2）以熱量傳遞理論為基礎，包括加熱、冷卻、蒸發等。

（3）以質量傳遞理論為基礎，包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結晶、膜分離等。進行這些操作的目的一般都是將混合物分離，故又稱為分離過程。

各單元操作的基礎都可以歸入到動量、熱量與質量3種傳遞理論中。這3種理論又有彼此相類似的規律可以合起來研究，這就形成了傳遞過程這門學科。它是單元操作在理論方面深入一步的發展。

2.2 化工單元操作形成的系統

2.2.1 系統的基本特點

化工單元操作形成的系統（化工過程）所具有的基本特點符合系統的一般定義。

單元操作是形成過程的要素。例如，離子膜制堿的蒸發過程[3]，可以簡單的概括為稀堿液輸送到蒸發單元，經過蒸發，堿液濃度合格后，再經輸送單元送出成品。3個單元操作過程構成燒堿蒸發過程（系統），這個過程的特定功能就是將稀堿液濃縮到規定濃度。

各單元操作之間具有一定的物質和能量交換。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行物質的交換。在蒸發單元操作過程中，物料進行加熱和冷卻有能量的傳遞。如采取多效蒸發，從上一蒸發單元到下一蒸發單元，不僅有物質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量不同，可以使所形成的過程具有的功能得到強化，也可以得到不同的功能。如下圖所示，將上例的單元操作進行修改，加入3個蒸發過程，就形成了多效蒸發，使得整個過程的蒸發效果得到強化，節約了能耗，降低了生產成本。

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

假如將單元過程進行如下調整，又可以用于電石的破碎。

2.2.2 系統中整體與部分的關系

整體與部分是存在于系統中的一對矛盾。在這對矛盾中，部分與整體可以經由加和性和非加和性兩種方式而相互過渡。

比如，選用5 000 L的反應釜和選用12 500 L的反應釜。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，但是相對來說能耗降低了，又具有非加和性。所以，工程放大問題比較復雜。

2.3 化工過程的層次結構

2.3.1 層次結構的基本特點

若干個化工單元操作構成1個化工過程（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，對形成高層系統—生產流程具有構成性關系。各工段之間相對獨立，不具有構成性關系，而存在相干性關系。上一個工段是下一工段物質的提供者，上一工段的操作影響下一工段的進行。

2.3.2 層次結構的結合度

層次結構的結合度具有遞減的趨勢，高層系統的解體可以不影響低層系統的穩定性，還有可能在穩定的低層結構上重新建立新構型，出現變構過程的穩定轉變。例如，前述三效蒸發減去1個蒸發和輸送單元，使得所構成的系統解體，但是剩下的系統仍然可以構成雙效系統，并沒有影響到低層系統—工段的穩定性，反而可以在工段所具有功能的基礎上重新構建新的化工過程。

這也是利用既有設備和生產線進行改造生產的哲學理論基礎。

2.3.3 層次結構的因果鏈

層次結構具有雙向因果鏈。低層系統作為原因可以在高層系統中引起一定結果，稱為上向因果鏈；高層系統作為原因又會在低層系統中引起某些結果，稱為下向因果鏈。

同樣，對于化工工藝流程也具有這2種因果鏈。例如，各個工段作為低層系統構成了高層系統—工藝流程，使得整個工藝具有特定的生產功能，這可以稱為上向因果鏈；高層系統—工藝流程一旦確定，各個工段—低層系統就受高層系統的約束，各個工段必須適應工藝流程的需要和要求，否則，就要對其進行改造，這可以稱之為下向因果鏈。

3 結論

化工單元操作是系統的要素，所構成的化工過程系統具有一定的層次結構。

理清具體的化工過程的系統層次結構，可以使化工工作者從宏觀上掌握化工過程，通曉過程的前因后果，靈活處理生產中遇到的問題，也便于積極改進工藝，更有利于根據過程之間的關系來設計合理有效的自動化控制方案。

另外，化工工作者學習自然辯證法，可以提高自身的哲學素養，積極探索化工工程設計的內在規律，為提升中國化工行業做出更多貢獻。

[1]國家教委社科司.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.北京：化學工業出版社，1990.

[3]程殿彬主編.離子膜法制堿生產技術.北京：化學工業出版社，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