-产品生产系统

1、第三章产品生产系统第一节生产系统一.系统系统论是人类辩证思想的成果.系统是由两个或两个以上相互独立又相互制约、执行特定功能的元素或称子 系统组成的有机整体.每个系统可包括假设干个更小的子系统.每个系统也可以是 一个比它更大的系统的子系统.1 .系统分类按系统的成因,可分为：自然系统一一存在于自然界,不受人类活动的干预. 人工系统一一由人工建造,执行某一特定功能.复合系统一一介于自然系统与人 按系统之间.按系统状态的时间过程特征,可分为：动态系统一一状态随时间过 程变化.稳定系统一一状态不随时间过程变化.按系统和周围环境关系,可分为: 开放系统和封闭系统.同是一个系统可归属于不同的类型,如污染限

2、制系统是复 合系统,又是动态系统,也是开放系统.2 .系统特征(1)集合性系统由两个或两个以上相互联系并相互区别的要素(或元素)组成.如,最 简单的制造系统中包括工作机器、操作者、工具、材料、图纸和工艺卡等这些彼 此关联又相互区别的要素.这个特征又称为系统的层次性,意指大系统由子系统 有机结合而成,子系统又由二级子系统构成,形成层次结构,表达系统元素在系 统结构中的位置和隶属关系.并且,系统中存在物质的,能量的和信息的交换.(2)目的性系统均具有目的性,为到达特定目的,系统都具有特定功能.系统的目的可用一个或多个具体的目标表示.当全部目标都满足要求时,系统即实现了既定的 目的.(3)相关性系统

3、内各要素之间是相互作用,有机联系的.系统中任何一个要素的变化都 会对其他要素产生影响.(4)整体性系统由独立的要素组成,但以一个统一的整体存在.系统的构成要素和它的 机能及要素间相互联系服从系统整体目的和整体功能的要求.当系统中要素功能 不很完善时,也可能综合,统一成功能良好的系统.反之,要素功能良好也不一 定能构成一个功能良好的整体系统.(5)适应性一般地,系统是存在于环境之中.所谓环境,是指系统外部(相对于系统内 部)并与系统有关各局部.系统要适应环境变化,并与外部环境进行物质的,能 量的和信息的交流.环境往往具有对系统或其组成要素的约束.2 .生产系统人类从事的经济活动是在根本经济单位中

4、进行.在商品经济条件下,根本经 济单位是企业.企业是以满足社会需要,以获得盈利为目的,享有一定的经济权 利并履行一定的经济义务,实行独立会计核算的商品生产者和商品经营者.企业 的组织形式有独资企业、合伙企业、公司、工厂等.工厂是以机器或机器体系或 设备为主要生产手段,不同工种的劳动者分工和协作,直接从事产品生产的根本 经济组织.工厂内,一般按产品和工艺要求,由假设干车间、工段、班组和职能机 构组成.企业、工厂、车间等都可被视为一个系统.本章着重讨论对自然环境影响大,自然环境输送污染物总量多的产品生产系统生产系统所需要的原材料通过供给系统直接或间接地取自自然环境.所需的能量由供能系统提供.系统生

5、产的产品推向市场社会系统.生成的废物直接或间接经过处理排入自然环境.生产系统与自然环境和相关系统的关联简单地列于图3 1中.图3 1生产系统和相关系统关系生产系统中包含的各层次子系统因生产的产品的不同有巨大的差异,但都具 备系统的五个特征.生产系统的约束主要来自社会系统、自然环境、经济环境等.当生产系统不能通过调整系统结构消除或减轻这些约束时,系统将瓦解关闭停产 .因此,一 个动态的、开放性的生产系统才有益于适应环境的变化.第二节生产系统的物质流及物质平衡一.生产系统的工艺流程工艺流程是指原料预处理、原料反响,产物的后处理所采用的生产过程含单元操作或生产工序框图.由此构成的工艺流程是以图解的方

6、式整理、标示工艺流程、包括输入和输出系统的物流含废弃物和能量流.工艺流程图包括了产品或成品生产过程各工序.例如以硫矿生产硫酸包含以下工序：原料工序：包括原料的储存、运输、破碎、配矿等一系统单元操作过程；焙烧工序：是生成二氧化硫的单元操作过程,生产一定组成的气体；净化工序：含假设干个单元过程；转化工序：是使二氧化硫转化成三氧化硫的单元过程,包含了假设干个单元操 作在内;成酸工序：或叫吸收工序,包括假设干个单元操作.目的是使三氧化硫转变成 硫酸.其工艺流程简图见图32.图3 2 硫铁矿生产硫酸工艺流程又例如以玉米芯、棉子壳、花生皮等农副产品生产糠醛的工艺流程如图3-3图33农副产品生产糠醛的工艺流

7、程图在上图中,除标出物料流外,还标出了能量,如水蒸气等.又例如在造纸工业中广泛使用的是烧碱法草浆工艺.其流程如图3-40图34烧碱法草浆造纸工艺流程二.工艺设备流程在有关工业污染限制、清洁工业生产等领域内,工艺设备流程是指以图解的 方式标示出一个工艺过程的主要工艺设备,包括输入和输出这些工艺设备的物流含废弃物和能量流.其特点在流程中画出工艺设备.工艺设备是为实现工业 生产所需要.例如,化工产品生产过程使用的反响釜,反响管等,造纸工业中使 用的蒸煮锅,石油产品分储塔,电镀工艺中使用的电镀槽,农肥尿素生产过程使 用的吸收塔,皮革糅制过程使用的转鼓等.另外,工业生产过程中还包括一些附 属设备或辅助设

8、备等.图3-5是某炼油厂催化裂化装置工艺设备流程图.图中标 示出原料、物流、能量流向.图3-5某炼油厂催化裂化装置工艺设备流程3 .化工生产中的转化率、产率和收率在工业生产中,总希望把投入反响设备的原料尽可能多的转变成产品,力求 高产低耗.为了说明某一生产过程中原料消耗量和获得产品量之间的关系,引入转化率,产率和收率的概念.掌握这些概念,并在生产中加以应用,对确定适宜 的工艺路线操作条件,调整生产过程、提升经济效益和减少污染物排放都是非常重要的.1 .转化率参加反响的原料量与投入反响设备的原料量的百分比叫转化率.它的大小说明参加反响的原料量的多少.转化率越高,参加反响的原料越多,反之那么越少.

9、参加反响的原料量=投入反响设备原料量-未反响原料量例如：以乙烷为原料生产乙烯时,在一定生产条件下,投入反响设备的乙烷量为1500kg/时,参加反响的乙烷量为1125kg/h,那么乙烷的转化率为(1125/1500 ) X 100限 75%2 .产率由于工业生产过程的复杂性,生产过程中除生成我们需要的目的产物(主产 物)外,还会生成一些副产物.为说明反响的实际效果,衡量参加主副反响的原 料量之间的相互关系,通常用产率这个概念来表示.3 .收率转化率和产率从不同角度表示某反响进行情况.转化率仅表示投入的原料量在反响过程中的转化程度,它不管生成物是目的产物还是副产物.产率只说明被 转化的原料中生成目

10、的产物的程度,但未说明有多少原料参加了反响.在实际生 产中,希望在获得高转化率的同时,也获得较高产率.收率这个概念可描述这两 方面的关系.某产物的收率=原料转化率X目的产物产率X100%即四系统的物质平衡一一物料衡算物料衡算是研究系统内进出物料量及组成的变化.此处说的系统就是物料衡算的范围,它可以是一个设备或几个设备,也可以是一个单元操作或整个化工过 程.物料衡算是化工计算中最根本,也是最重要的内容之一,它是能量衡算的基础.一般,在物料衡算之后,才能计算所需提供或移走的能量.例如,设计或研 究一个化工过程,或对某生产过程进行分析,需要了解能量的分布情况,都必须 在物料衡算的根底上,才能进一步算

11、出物质之间交换的能量以及整个过程的能量 分布情况.因此,物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节 能分析以及过程最优化的根底.通常,物料衡算有两种情况,一种是对已有的生产设备或装置,利用实际测 定的数据,算了另一些不能直接测定的物料量.用此计算结果,对生产情况进行 分析、作出判断,提出改良举措.另一种是设计一种新的设备或装置,根据设计 任务先作物料衡算,作出进出各设备的物料量,然后再作能量衡算,求出设备或 过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程.物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立系统中,不管物质发生 任何变化,它的质量始终不变不包括核反响,因核反响能量变化非常大

12、,此定 律不适用1.物料衡算式根据质量守恒定律,对某一个系统,输入的物料量应该等于输出的物料量与系统内积累量之和,故物料衡算的根本关系式应该表示为：输入的物料质量=输出的物料量+ 系统积累的物料量31假设系统内发生反响,那么对任一组分或任一种元素作衡算时,必须把由反响消耗或生成的量也考虑在内,故3 1式成为(3 2)输入的反响生成或输出的积累的物料量消耗的物料量物料量物料量上式中,由反响而消耗的量,应取减号；由反响而生成的量,应取加号,式 32为物料衡算的普遍式,既可对系统的总物料进行衡算,也可对系统内的 任一组分或任一元素作衡算.3 1)为：(3 3)(3 4)假设系统内不积累物料,那么“积

13、累的物料量 一项等于零,那么式输入的物料量=输出的物料量假设系统为稳定状态,又有化学反响,那么式32应为：输入的 反响生成或 输出的一一一 =一一一物料量 消耗的物料量 物料量式3-4为连续稳定过程物料衡算式,式中各项均以单位时间物料量表示, 常以千克/时或摩尔/时表示.2 .物料衡算的步骤进行物料衡算时,尤其是那些复杂的物料衡算,为防止错误建议采用以下计 算步骤.a.搜集计算数据,在进行设计计算时,这些原始数据常常是定值.b.画出物料流程简图.标出所有物料线,注明所有和未知变量.假设过程 中有很多流股,可将每个流股编号.c.确定衡算体系.d.写出化学反响方程式,包括主反响和副反响,标出有用的

14、分子量.假设无反 应,此步可略去.e.选择适宜的计算基准,并在流程图上注明所选的基准值.f.列出物料衡算式,然后用数学方法求解.g.将计算结果列成输入一输出物料表.3 .物料平衡计算简单实例1过滤别离物料有2kg料浆,内含固体25% 干重质量,以下同和 75%K.用滤布进行过滤, 滤布上能截留料浆中90%勺固体即截留率为90% o过滤完毕假设滤布不沾水、 不沾固体测定滤饼含固体 90%计算料浆、滤饼、滤液中的物料量.解：先画出工艺流程图,如图3-6所示图中标示的数值是计算结果.按照题意进行以下计算：滤饼重 2 X 0.25 X 0.9/0.9 = 0.5kg滤液重 2- 0.5 = 1.5 k

15、g几个平衡关系：总物料平衡一一输入料浆 2kg =输出滤饼0.5kg + 滤液1.5kg固体物平衡一一输入 0.5kg = 输出滤饼固体0.45kg + 滤液固体0.05kg 水平衡一一输入料浆水1.5kg = 输出滤饼水0.05kg + 滤液水1.45kg将计算结果写在工艺流程图3 6上.过滤料乘一遍滤饼0.5kg水 1.5kg 固体 0.5kg 方固体 0.45kg,水 0.05kg 滤液1.5kg水 1.45kg ,固体 0.05kg 图3-6料浆过滤的工艺流程物质平衡计算2具有物质转化的过程邻二甲苯氧化制苯酊.：邻二甲苯转化率70% Q用量为理论量的150%投邻二甲苯量250Kg解：转

16、化式为C 8H0+3O = C8HQ+3HO输入：邻二甲苯：250/106 = 2.358kmol氧：2.358 X 70% 3X 150 %= 7.43kmol = 237.76kg氮：7.43 X 0.79/0.21 = 27.95kmol = 27.95输出：苯酊：2.358 X70%X 148 = 244.29kg水：2.358 X 70% 18X3 = 89.13kg氧：(7.43-2.358 X70%X3) X 32 = 79.36kg氮：782.63kg未反响邻二甲苯：250 X ( 1-70%) = 75Kg将上述计算结果写在工艺流程框图上,如图37.邻二甲苯 250kg/2.

17、358kmcl 转一M 237.76kg/7.43kmol 化 氮 782.63kg/27.95kmoi,X28 = 782.63kg苯酊 244.29kg水 89.13kg氧 79.36kg氮 782.63kg未反响邻二甲苯75kg图37苯氧化制苯酊物料计算第三节系统的能量平衡一.能量平衡当考虑生产系统的能量主要是电能和热能是从其他系统电力系统、供 热系统输入时,那么生产系统的能量平衡只涉及生产系统各子系统利用和损失的系统的电负荷可由设备的资料或系统所属电表确定.系统的总电负荷包括电制冷、空调、电加热,照明和电机负荷.进行用电负荷分析时,是指一般正常操 作时的用电负荷,而不是用电顶峰时的负荷

18、.总电负荷与电制冷、空调、电加热 和照明负荷四者总和之差值是总的电机操作负荷.TL TOR- TOE+TOAC- TOO TOM =NOM i式中,TL是系统中总操作负荷,TO溟系统中总的制冷操作负荷,TOE是系统 中总的电加热操作负荷,TOA笑系统中总的空调操作负荷,TO是照明总负荷,TOM 是总的电机操作负荷,而 O福第i个工艺电机操作负荷.热平衡是研究进入系统的能量与离开系统的能量之间的平衡.由于热是能量 利用中的主要形式,且与其他能量利用形式相比,热能利用水平较低.因此,用 热设备的热利用问题要重点研究.国家标准GB258L81中明确指出：“能量平衡简称能平衡,又称热平衡,显见热平衡的

19、主导地位.具有明确边界线的热平衡系统,以框图示出,称热平衡模型,见图38.图3 8热平衡模型在框图四周用箭头标出进入和排出系统的全部能量,并规定：由工质工艺流体,物料或半成品等输入系统的能量QW标在方框左侧,输出系统的能量 Qc标在方框右侧.由其他系统的能量外界输给系统如蒸汽、电等Qg标在方框的下面,排出系统的能量如排烟热、散热、凝结水带出热等a标在方框的上部.系统回收利用的能量 Qh的在框内,用圆弧线示出.系统的总输入热量Qr应等于系统总支出热量N zc加上系统贮存能量的变化值 Qch,所以系统的总4俞入热量N Qr = N Qc十 Qh正常工作的热设备处于热稳定状态,故系统贮存的能量恒定,

20、Qh=O.所以,在热稳定工况下,有N Qr = N Qc上式又称热平衡式.当只考察输入系统的全部热量相对于系统外的供能系统为根底的热平衡又简称全入热平衡时,那么除外部热源供给热外,还有物料带入热、化学反响 热、回收热等.此时,由于N Qr = Qr+Qg + QsZQc= Qr+Qc + Qs全入热量为：Qr ： Qr = Qr+Qg+Qs故热平衡式为：Qr = Qr+Qc+Qs二.系统的热平衡指标热平衡的技术指标是用来衡量系统子系统、设备或企业的能耗,用能水平和能源治理完善程度的指标.可分为三类.1 .能耗可分为单耗、综合能耗和可比能耗.单耗 单位产量能耗=某种能量总耗量 /产品总产量单位产

21、值能耗=某种能总耗量/产品净产值式中的某种能指某种一次能源或某种二次能源.综合能耗 单位产量综合能耗=总综合能耗量 /产品总产量单位产值综合能耗=总综合能耗量 /产品净产值可比能耗 可比能耗=总综合能耗量/标准产品产量式中的标准产品是指行业规定的基准产品.以该产品的能耗为基准,制定出 其他产品能耗的折算系数,再进行计算.2 .利用率可分别用设备热效率、企业能源利用率和装置能量利用率表示.设备热效率刀用以反映供给设备的能热量被有效利用的程度.可用 于能源转换设备和大多数用热设备,如锅炉、煤气发生炉和各种热设备等.=有效热 X 100%/供给热=QxX 100%/Qg式中,对用热设备,Qx为工艺有

22、效热；对能源转换设备,Qx为工质出入口热量始差.企业能源利用率刀nw是考察整个企业用能水平的指标.刀nw=用能设备总效热/能源供给热=2 QxX 100%/2 Qy式中,E Qy为企业所有能源供入热,包括一次和二次能源代数和.装置能量利用率“ne刀ne =有效热/全入热=输出能+回收利用能/全入热=Qc+Qh X100%/Q= Qr-Qss X100%/Qr式中,Qr为全入热,包括进入装置的全部能量.3 .回收率回收率刀ns是反映企业内部由于能量回收利用所带的节能效果指标.“ns=回收利用率/全入热=回收利用能/ 供入热十回收利用能= QsX 100%/ Qg+ Qs三.等价热量等价热量是指为得到一个单位的二次能源如汽油、柴油、煤油等石油制品,焦炭、煤气、电、蒸汽