第三章-产品生产系统

第三章－产品生产系统第一节消费系统一．系统系统论是人类辩证思想的效果。系统是由两个或两个以上相互独立又相互制约、执行特定功用的元素或称子系统组成的无机全体。每个系统可包括假定干个更小的子系统。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——存在于自然界，不受人类活动的干预。人工系统——由人工建造，执行某一特定功用。复合系统——介于自然系统与人工系统之间。按系统形状的时间进程特征，可分为：静态系统——形状随时间进程变化。动摇系统——形状不随时间进程变化。按系统和周围环境关系，可分为：开放系统和封锁系统。同是一个系统可归属于不同的类型，如污染控制系统是复合系统，又是静态系统，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络并相互区别的要素〔或元素〕组成。如，最复杂的制造系统中包括任务机器、操作者、工具、资料、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无机结合而成，子系统又由二级子系统构成，构成层次结构，表达系统元素在系统结构中的位置和附属关系。并且，系统中存在物质的，能量的和信息的交流。〔2〕目的性系统均具有目的性，为到达特定目的，系统都具有特定功用。系统的目的可用一个或多个详细的目的表示。当全部目的都满足要求时，系统即完成了既定的目的。〔3〕相关性系统内各要素之间是相互作用，无机联络的。系统中任何一个要素的变化都会对其他要素发生影响。〔4〕全体性系统由独立的要素组成，但以一个一致的全体存在。系统的构成要素和它的机能及要素间相互联络听从系统全体目的和全体功用的要求。当系统中要素功用不很完善时，也能够综合，一致成功用良好的系统。反之，要素功用良好也不一定能构成一个功用良好的全体系统。〔5〕顺应性普通地，系统是存在于环境之中。所谓环境，是指系统外部〔相关于系统外部〕并与系统有关各局部。系统要顺应环境变化，并与外部环境停止物质的，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。二．消费系统人类从事的经济活动是在基本经济单位中停止。在商品经济条件下，基本经济单位是企业。企业是以满足社会需求，以取得盈利为目的，享有一定的经济权益并实行一定的经济义务，实行独立会计核算的商品消费者和商品运营者。企业的组织方式有独资企业、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消费手腕，不同工种的休息者分工和协作，直接从事产品消费的基本经济组织。工厂内，普通按产品和工艺要求，由假定干车间、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，自然环境保送污染物总量多的产品消费系统。消费系统所需求的原资料经过供应系统直接或直接地取自自然环境。所需的能量由供能系统提供。系统消费的产品推向市场〔社会系统〕。生成的废物直接或直接〔经过处置〕排入自然环境。消费系统与自然环境和相关系统的关联复杂地列于图3－1中。图3－1消费系统和相关系统关系消费系统中包括的各层次子系统因消费的产品的不同有庞大的差异，但都具有系统的五个特征。消费系统的约束主要来自社会系统、自然环境、经济环境等。当消费系统不能经过调整系统结构消弭或减轻这些约束时，系统将瓦解〔封锁停产〕。因此，一个静态的、开放性的消费系统才有益于顺应环境的变化。

第二节消费系统的物质流及物质平衡一．消费系统的工艺流程工艺流程是指原料预处置、原料反响，产物的后处置所采用的消费进程〔含单元操作或消费工序〕框图。由此构成的工艺流程是以图解的方式整理、标示工艺流程、包括输入和输入系统的物流〔含废弃物〕和能量流。工艺流程图包括了产品或成品消费进程各工序。例如以硫矿消费硫酸包括以下工序：原料工序：包括原料的贮存、运输、破碎、配矿等一系统单元操作进程；焙烧工序：是生成二氧化硫的单元操作进程，消费一定组成的气体；污染工序：含假定干个单元进程；转化工序：是使二氧化硫转化成三氧化硫的单元进程，包括了假定干个单元操作在内；

成酸工序：或叫吸收工序，包括假定干个单元操作。目的是使三氧化硫转变成硫酸。其工艺流程简图见图3－2。图3－2硫铁矿消费硫酸工艺流程又例如以玉米芯、棉子壳、花生皮等农副产品消费糠醛的工艺流程如图3－3。图3－3农副产品消费糠醛的工艺流程图在上图中，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普遍运用的是烧碱法草浆工艺。其流程如图3－4。

图3－4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控制、清洁工业消费等范围内，工艺设备流程是指以图解的方式标示出一个工艺进程的主要工艺设备，包括输入和输入这些工艺设备的物流〔含废弃物〕和能量流。其特点在流程中画收工艺设备。工艺设备是为完成工业消费所需求。例如，化工产品消费进程运用的反响釜，反响管等，造纸工业中运用的蒸煮锅，石油产品分馏塔，电镀工艺中运用的电镀槽，农肥尿素消费进程运用的吸收塔，皮革鞣制进程运用的转鼓等。另外，工业消费进程中还包括一些隶属设备或辅佐设备等。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三．化工消费中的转化率、产率和收率在工业消费中，总希望把投入反响设备的原料尽能够多的转变成产品，力图高产低耗。为了说明某终身产进程中原料消耗量和取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，并在消费中加以运用，对确定适宜的工艺路途操作条件，调整消费进程、提高经济效益和增加污染物排放都是十分重要的。1．转化率参与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。它的大小说明参与反响的原料量的多少。转化率越高，参与反响的原料越多，反之那么越少。参与反响的原料量＝投入反响设备原料量－未反响原料量例如：以乙烷为原料消费乙烯时，在一定消费条件下，投入反响设备的乙烷量为1500kg/时，参与反响的乙烷量为1125kg/h，那么乙烷的转化率为〔1125/1500〕×100%＝75%。2．产率由于工业消费进程的复杂性，消费进程中除生成我们需求的目的产物〔主产物〕外，还会生成一些副产物。为说明反响的实践效果，权衡参与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停止状况。转化率仅表示投入的原料量在反响进程中的转化水平，它不论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的产物的水平，但未说明有多少原料参与了反响。在实践消费中，希望在取得高转化率的同时，也取得较高产率。收率这个概念可描画这两方面的关系。某产物的收率＝原料转化率×目的产物产率×100%，即四．系统的物质平衡——物料衡算物料衡算是研讨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进程。物料衡算是化工计算中最基本，也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。普通，在物料衡算之后，才干计算所需提供或移走的能量。例如，设计或研讨一个化工进程，或对某消费进程停止剖析，需求了解能量的散布状况，都必需在物料衡算的基础上，才干进一步算出物质之间交流的能量以及整个进程的能量散布状况。因此，物料衡算和能量衡算是停止化工工艺设计、进程经济评价、节能剖析以及进程最优化的基础。通常，物料衡算有两种状况，一种是对已有的消费设备或装置，应用实践测定的数据，算了另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，抵消费状况停止剖析、作出判别，提出改良措施。另一种是设计一种新的设备或装置，依据设计义务先作物料衡算，作出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或进程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。物料衡算的实际依据是质量守恒定律，即在一个孤立系统中，不论物质发作任何变化，它的质量一直不变〔不包括核反响，因核反响能质变化十分大，此定律不适用〕1．物料衡算式依据质量守恒定律，对某一个系统，输入的物料量应该等于输入的物料量与系统内积聚量之和，故物料衡算的基本关系式应该表示为：［输入的物料质量］＝［输入的物料量］＋［系统积聚的物料量］〔3－1〕假定系统内发作反响，那么对任一组分或任一种元素作衡算时，必需把由反响消耗或生成的量也思索在内，故〔3－1〕式成为〔3－2〕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〔3－2〕为物料衡算的普遍式，既可对系统的总物料停止衡算，也可对系统内的任一组分或任一元素作衡算。假定系统内不积聚物料，那么〝积聚的物料量〞一项等于零，那么式〔3－1〕为：[输入的物料量］＝［输入的物料量］〔3－3〕假定系统为动摇形状，又有化学反响，那么式〔3－2〕应为：〔3－4〕式〔3－4〕为延续动摇进程物料衡算式，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．物料衡算的步骤停止物料衡算时，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，在停止设计计算时，这些原始数据经常是定值。b.画出物料流程简图。标出一切物料线，注明一切和未知变量。假定进程中有很多流股，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，标出有用的分子量。假定无反响，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—输入物料表。3．物料平衡计算复杂实例〔1〕过滤分别物料有2kg料浆，内含固体25%〔干重质量，以下同〕和75%水。用滤布停止过滤，滤布上能截留料浆中90%的固体〔即截留率为90%〕。过滤终了〔假定滤布不沾水、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：先画收工艺流程图，如图3－6所示〔图中标示的数值是计算结果〕。依照题意停止以下计算：滤饼重2×0.25×0.9/0.9=0.5kg滤液重2-0.5=1.5kg几个平衡关系：总物料平衡——输入料浆2kg=输入滤饼0.5kg+滤液1.5kg固体物平衡——输入0.5kg=输入滤饼固体0.45kg+滤液固体0.05kg水平衡——输入料浆水1.5kg=输入滤饼水0.05kg+滤液水1.45kg

将计算结果写在工艺流程图3－6上。过滤过滤料浆2kg滤饼0.5kg〔水1.5kg固体0.5kg〕〔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〕具有物质转化的进程邻二甲苯氧化制苯酐。：邻二甲苯转化率70%，O2用量为实际量的150%。投邻二甲苯量250Kg解：转化式为C8H10+3O2=C8H4O3+3H2O输入：邻二甲苯：250/106=2.358kmol氧：2.358×70%×3×150%=7.43kmol=237.76kg氮：7.43×0.79/0.21=27.95kmol=27.95×28=782.63kg输入：苯酐：2.358×70%×148=244.29kg水：2.358×70%×18×3=89.13kg氧：〔7.43-2.358×70%×3〕×32=79.36kg氮：782.63kg未反响邻二甲苯：250×〔1-70%〕=75Kg将上述计算结果写在工艺流程框图上，如图3－7。转转化邻二甲苯250kg/2.358kmol苯酐244.29kg氧237.76kg/7.43kmol水89.13kg氮782.63kg/27.95kmol氧79.36kg氮782.63kg未反响邻二甲苯75kg图3－7苯氧化制苯酐物料计算第三节系统的能量平衡一．能量平衡当思索消费系统的能量〔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，那么消费系统的能量平衡只触及消费系统各子系统应用和损失的能量。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。停止用电负荷剖析时，是指普通正常操作时的用电负荷，而不是用电高峰时的负荷。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—TOEH—TOAC—TOC＝ＴＯＭ＝ΣΟΜi式中，TL是系统中总操作负荷，TOR是系统中总的制冷操作负荷，TOEH是系统中总的电加热操作负荷，TOAC是系统中总的空调操作负荷，TOL是照明总负荷，TOM是总的电机操作负荷，而Omi是第i个工艺电机操作负荷。热平衡是研讨进入系统的能量与分开系统的能量之间的平衡。由于热是能量应用中的主要方式，且与其他能量应用方式相比，热能应用水平较低。因此，用热设备的热应用效果要重点研讨。国度规范GB2587—81中明白指出：〝能量平衡简称能平衡，又称热平衡〞，显见热平衡的主导位置。具有明白边界限的热平衡系统，以框图示出，称热平衡模型，见图3－8。图3－8热平衡模型在框图周围用箭头标出进入和排出系统的全部能量，并规则：①由工质〔工艺流体，物料或半成品等〕输入系统的能量QWr标在方框左侧，输入系统的能量QWC标在方框右侧。②由其他系统的能量〔外界〕输给系统〔如蒸汽、电等〕Qgg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〕Qps标在方框的上部。③系统回收应用的能量Qhs标在框内，用圆弧线示出。系统的总输入热量Qsr应等于系统总支出热量Σzc加上系统贮存能量的变化值△Qch，所以系统的总输入热量ΣQsr＝ΣQzc＋△Qch正常任务的热设备处于热动摇形状，故系统贮存的能量恒定，△Qch＝０。所以，在热波开工况下，有ΣQsr＝ΣQzc上式又称热平衡式。当只调查输入系统的全部热量〔相关于系统外的供能系统〕为基础的热平衡〔又简称全入热平衡〕时，那么除外部热源供应热外，还有物料带入热、化学反响热、回收热等。此时，由于ΣQsr＝Qwr+Qgg+Qhs

ΣQzc＝Qwr+Qpc+Qhs全入热量为：Qpr：Qqr＝Qwr+Qgg+Qhs故热平衡式为：Qpr＝Qwr+Qpc+Qhs二．系统的热平衡目的热平衡的技术目的是用来权衡系统〔子系统、设备或企业〕的能耗，用能水平和动力管理完善水平的目的。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动力或某种二次动力。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/规范产品产量式中的规范产品是指行业规则的基准产品。以该产品的能耗为基准，制定出其他产品能耗的折算系数，再停止计算。2．应用率可区分用设备热效率、企业动力应用率和装置能量应用率表示。设备热效率〔η〕用以反映供应设备的能〔热〕量被有效应用的水平。可用于动力转换设备和大少数用热设备，如锅炉、煤气发作炉和各种热设备等。η＝有效热×100%/供应热＝Qyx×100%/Qgg式中，对用热设备，Qyx为工艺有效热；对动力转换设备，Qyx为工质出入口热量〔焓〕差。企业动力应用率〔ηnw〕是调查整个企业用能水平的目的。〔ηnw〕＝用能设备总效热/动力供应热＝ΣQyx×100％／ΣQny式中，∑Qny为企业一切动力供入热，包括一次和二次动力代数和。装置能量应用率ηneηne＝有效热/全入热＝〔输入能+回收应用能〕/全入热＝〔Qsc+Qsh〕×100％／Qqr＝〔Qqr--Qss〕×100％／Qqr式中，Qqr为全入热，包括进入装置的全部能量。3．回收率回收率〔ηns〕是反映企业外部由于能量回收应用所带的节能效果目的。ηns＝回收应用率/全入热＝回收应用能/〔供入热＋回收应用能〕＝Qhs×100%/〔Qgg＋Qhs〕三．等价热量等价热量是指为失掉一个单