第三章－产品生产系统

－51－第三章产品生产系统生产系统一．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。每个系统可包括若干个更小的子系统。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，执行某一特定功能。复合系统——介于自然系统与人工系统之间。按系统状态的时间过程特征，可分为：动态系统——状态随时间过程变化。稳定系统——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，如污染控制系统是复合系统，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，体现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，为达到特定目的，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）并与系统有关各部分。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。二．生产系统人类从事的经济活动是在基本经济单位中进行。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、－52－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基本经济组织。工厂内，一般按产品和工艺要求，由若干车间、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应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、原料反应，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下列工序：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：含若干个单元过程；转化工序：是使二氧化硫转化成三氧化硫的单元过程，包含了若干个单元操作在内；－53－成酸工序：或叫吸收工序，包括若干个单元操作。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3－3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3－4。－54－图3－4二．工艺设备流程在有关工业污染控制、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应釜，反应管等，造纸工业中使用的蒸煮锅，石油产品分馏塔，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，皮革鞣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。－55－图3－5三．化工生产中的转化率、产率和收率在工业生产中，总希望把投入反应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、提高经济效益和减少污染物排放都是非常重要的。1．转化率参加反应的原料量与投入反应设备的原料量的百分比叫转化率。它的大小说明参加反应的原料量的多少。转化率越高，参加反应的原料越多，反之则越少。参加反应的原料量＝投入反应设备原料量－未反应原料量％投入反应设备原料量参加反应原料量转化率＝100例如：以乙烷为原料生产乙烯时，在一定生产条件下，投入反应设备的乙烷量为1500kg/时，参加反应的乙烷量为1125kg/h，则乙烷的转化率为（1125/1500）×100%＝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－56－会生成一些副产物。为说明反应的实际效果，衡量参加主副反应的原料量之间的相互关系，通常用产率这个概念来表示。％参加反应的原料量量生成目的产物消耗原料产率＝1003．收率转化率和产率从不同角度表示某反应进行情况。转化率仅表示投入的原料量在反应过程中的转化程度，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的产物的程度，但未说明有多少原料参加了反应。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×目的产物产率×100%，即％投入反应设备原料量量生成目的产物消耗原料参加反应的原料量量生成目的产物消耗原料投入反应设备原料量参加反应原料量某产物的收率＝100%100四．系统的物质平衡——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基本，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基础上，才能进一步算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基础。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，提出改进措施。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，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因核反应能量变化非常大，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，故物料衡算的基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］（3－1）若系统内发生反应，则对任一组分或任一种元素作衡算时，必须把由反应消耗或生成的量也考虑在内，故（3－1）式成为物料量积累的＋物料量输出的＝消耗的物料量反应生成或物料量输入的（3－2）上式中，由反应而消耗的量，应取减号；由反应而生成的量，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进行衡算，也可对系统内的任一组分或任一元素作衡算。－57－若系统内不积累物料，则“积累的物料量”一项等于零，则式（3－1）为：[输入的物料量］＝［输出的物料量］（3－3）若系统为稳定状态，又有化学反应，则式（3－2）应为：物料量输出的＝消耗的物料量反应生成或物料量输入的（3－4）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，为避免错误建议采用下列计算步骤。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，注明所有已知和未知变量。若过程中有很多流股，可将每个流股编号。c.确定衡算体系。d.写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。若无反应，此步可略去。e.选择合适的计算基准，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—输出物料表。3．物料平衡计算简单实例（1）过滤分离物料有2kg料浆，内含固体25%（干重质量，以下同）和75%水。用滤布进行过滤，滤布上能截留料浆中90%的固体（即截留率为90%）。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）。按照题意进行下列计算：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=输出滤饼0.5kg+滤液1.5kg固体物平衡——输入0.5kg=输出滤饼固体0.45kg+滤液固体0.05kg水平衡——输入料浆水1.5kg=输出滤饼水0.05kg+滤液水1.45kg－58－将计算结果写在工艺流程图3－6上。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）具有物质转化的过程邻二甲苯氧化制苯酐。已知：邻二甲苯转化率70%，O2用量为理论量的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输出：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未反应邻二甲苯：250×（1-70%）=75Kg将上述计算结果写在工艺流程框图上，如图3－7。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未反应邻二甲苯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，则生产系统