1、第三章產品生產系統(tǒng)第節(jié)生產系統(tǒng)一.系統(tǒng)系統(tǒng)論是人類辯證思想的成果。系統(tǒng)是由兩個或兩個以上相互獨立又相互制約、執(zhí)行特定功能的元素或稱子系統(tǒng)組成的有機整體。每個系統(tǒng)可包括若干個更小的子系統(tǒng)。每個系統(tǒng)也可以是一個比它更大的系統(tǒng)的子系統(tǒng)。1 .系統(tǒng)分類按系統(tǒng)的成因，可分為：自然系統(tǒng)一一存在于自然界，不受人類活動的干預.人工系統(tǒng)一一由人工建造，執(zhí)行某一特定功能。復合系統(tǒng)一一介于自然系統(tǒng)與人按系統(tǒng)之間。按系統(tǒng)狀態(tài)的時間過程特征，可分為：動態(tài)系統(tǒng)一一狀態(tài)隨時間過程變化。穩(wěn)定系統(tǒng)一一狀態(tài)不隨時間過程變化。按系統(tǒng)和周圍環(huán)境關系，可分為:開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)。同是一個系統(tǒng)可歸屬于不同的類型，如污染控制系統(tǒng)是復合系統(tǒng)

2、，又是動態(tài)系統(tǒng)，也是開放系統(tǒng)。2 .系統(tǒng)特征(1)集合性系統(tǒng)由兩個或兩個以上相互聯系并相互區(qū)別的要素(或元素)組成。如，最簡單的制造系統(tǒng)中包括工作機器、操作者、工具、材料、圖紙和工藝卡等這些彼此關聯又相互區(qū)別的要素。這個特征又稱為系統(tǒng)的層次性，意指大系統(tǒng)由子系統(tǒng)有機結合而成，子系統(tǒng)又由二級子系統(tǒng)構成，形成層次結構，體現系統(tǒng)元素在系統(tǒng)結構中的位置和隸屬關系。并且，系統(tǒng)中存在物質的，能量的和信息的交換。(2)目的性系統(tǒng)均具有目的性，為達到特定目的，系統(tǒng)都具有特定功能。系統(tǒng)的目的可用一個或多個具體的目標表示。當全部目標都滿足要求時，系統(tǒng)即實現了既定的目的。(3)相關性系統(tǒng)內各要素之間是相互作用，有機

3、聯系的。系統(tǒng)中任何一個要素的變化都會對其他要素產生影響。(4)整體性系統(tǒng)由獨立的要素組成，但以一個統(tǒng)一的整體存在。系統(tǒng)的構成要素和它的機能及要素間相互聯系服從系統(tǒng)整體目的和整體功能的要求。當系統(tǒng)中要素功能不很完善時，也可能綜合，統(tǒng)一成功能良好的系統(tǒng)。反之，要素功能良好也不一定能構成一個功能良好的整體系統(tǒng)。(5)適應性一般地，系統(tǒng)是存在于環(huán)境之中。所謂環(huán)境，是指系統(tǒng)外部(相對于系統(tǒng)內部)并與系統(tǒng)有關各部分。系統(tǒng)要適應環(huán)境變化，并與外部環(huán)境進行物質的，能量的和信息的交流。環(huán)境往往具有對系統(tǒng)或其組成要素的約束。2 .生產系統(tǒng)人類從事的經濟活動是在基本經濟單位中進行。在商品經濟條件下，基本經濟單位是企

4、業(yè)。企業(yè)是以滿足社會需要，以獲得盈利為目的，享有一定的經濟權利并履行一定的經濟義務，實行獨立會計核算的商品生產者和商品經營者。企業(yè)的組織形式有獨資企業(yè)、合伙企業(yè)、公司、工廠等。工廠是以機器或機器體系或設備為主要生產手段，不同工種的勞動者分工和協作，直接從事產品生產的基本經濟組織。工廠內，一般按產品和工藝要求，由若干車間、工段、班組和職能機構組成。企業(yè)、工廠、車間等都可被視為一個系統(tǒng)。本章著重討論對自然環(huán)境影響大,自然環(huán)境輸送污染物總量多的產品生產系統(tǒng)。生產系統(tǒng)所需要的原材料通過供應系統(tǒng)直接或間接地取自自然環(huán)境。所需的能量由供能系統(tǒng)提供。系統(tǒng)生產的產品推向市場（社會系統(tǒng)）。生成的廢物直接或間接（

5、經過處理）排入自然環(huán)境。生產系統(tǒng)與自然環(huán)境和相關系統(tǒng)的關聯簡單地列于圖31中。圖31生產系統(tǒng)和相關系統(tǒng)關系生產系統(tǒng)中包含的各層次子系統(tǒng)因生產的產品的不同有巨大的差異，但都具備系統(tǒng)的五個特征。生產系統(tǒng)的約束主要來自社會系統(tǒng)、自然環(huán)境、經濟環(huán)境等。當生產系統(tǒng)不能通過調整系統(tǒng)結構消除或減輕這些約束時，系統(tǒng)將瓦解（關閉停產）。因此，一個動態(tài)的、開放性的生產系統(tǒng)才有益于適應環(huán)境的變化。第二節(jié)生產系統(tǒng)的物質流及物質平衡一.生產系統(tǒng)的工藝流程工藝流程是指原料預處理、原料反應，產物的后處理所采用的生產過程（含單元操作或生產工序）框圖。由此構成的工藝流程是以圖解的方式整理、標示工藝流程、包括輸入和輸出系統(tǒng)的物流

6、（含廢棄物）和能量流。工藝流程圖包括了產品或成品生產過程各工序。例如以硫礦生產硫酸包含下列工序：原料工序：包括原料的儲存、運輸、破碎、配礦等一系統(tǒng)單元操作過程；焙燒工序：是生成二氧化硫的單元操作過程，生產一定組成的氣體；凈化工序：含若干個單元過程；轉化工序：是使二氧化硫轉化成三氧化硫的單元過程，包含了若干個單元操作在內;成酸工序：或叫吸收工序，包括若干個單元操作。目的是使三氧化硫轉變成硫酸。其工藝流程簡圖見圖32。圖32階鐵礦生產琉酸1.片流柝又例如以玉米芯、棉子殼、花生皮等農副產品生產糠醛的工藝流程如圖3-3圖33農副產品生產糠醛的I光流程圖在上圖中，除標出物料流外，還標出了能量，如水蒸氣等

7、。又例如在造紙工業(yè)中廣泛使用的是燒堿法草漿工藝。其流程如圖3-40圖34燒堿法草漿造紙1.片流梆二.工藝設備流程在有關工業(yè)污染控制、清潔工業(yè)生產等領域內，工藝設備流程是指以圖解的方式標示出一個工藝過程的主要工藝設備，包括輸入和輸出這些工藝設備的物流（含廢棄物）和能量流。其特點在流程中畫出工藝設備。工藝設備是為實現工業(yè)生產所需要。例如，化工產品生產過程使用的反應釜，反應管等，造紙工業(yè)中使用的蒸煮鍋，石油產品分儲塔，電鍍工藝中使用的電鍍槽，農肥尿素生產過程使用的吸收塔，皮革糅制過程使用的轉鼓等。另外，工業(yè)生產過程中還包括一些附屬設備或輔助設備等。圖3-5是某煉油廠催化裂化裝置工藝設備流程圖。圖中標

8、示出原料、物流、能量流向。圖3-5某煉油催化裂化裝置工藝設備流程3 .化工生產中的轉化率、產率和收率在工業(yè)生產中，總希望把投入反應設備的原料盡可能多的轉變成產品，力求高產低耗。為了說明某一生產過程中原料消耗量和獲得產品量之間的關系，引入轉化率，產率和收率的概念。掌握這些概念，并在生產中加以應用，對確定適宜的工藝路線操作條件，調整生產過程、提高經濟效益和減少污染物排放都是非常重要的。1 .轉化率參加反應的原料量與投入反應設備的原料量的百分比叫轉化率。它的大小說明參加反應的原料量的多少。轉化率越高，參加反應的原料越多，反之則越少。參加反應的原料量=投入反應設備原料量-未反應原料量例如：以乙烷為原料

9、生產乙烯時，在一定生產條件下，投入反應設備的乙烷量為1500kg/時，參加反應的乙烷量為1125kg/h,則乙烷的轉化率為(1125/1500)X100限75%2 .產率由于工業(yè)生產過程的復雜性，生產過程中除生成我們需要的目的產物(主產物)外，還會生成一些副產物。為說明反應的實際效果，衡量參加主副反應的原料量之間的相互關系，通常用產率這個概念來表示。3 .收率轉化率和產率從不同角度表示某反應進行情況。轉化率僅表示投入的原料量在反應過程中的轉化程度，它不管生成物是目的產物還是副產物。產率只說明被轉化的原料中生成目的產物的程度，但未說明有多少原料參加了反應。在實際生產中，希望在獲得高轉化率的同時，

10、也獲得較高產率。收率這個概念可描述這兩方面的關系。某產物的收率=原料轉化率X目的產物產率X100%即四系統(tǒng)的物質平衡一一物料衡算物料衡算是研究系統(tǒng)內進出物料量及組成的變化。此處說的系統(tǒng)就是物料衡算的范圍，它可以是一個設備或幾個設備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。物料衡算是化工計算中最基本，也是最重要的內容之一，它是能量衡算的基礎。一般，在物料衡算之后，才能計算所需提供或移走的能量。例如，設計或研究一個化工過程，或對某生產過程進行分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡算的基礎上，才能進一步算出物質之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況。因此，物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設計、過

11、程經濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎。通常，物料衡算有兩種情況，一種是對已有的生產設備或裝置，利用實際測定的數據，算了另一些不能直接測定的物料量。用此計算結果，對生產情況進行分析、作出判斷，提出改進措施。另一種是設計一種新的設備或裝置，根據設計任務先作物料衡算，作出進出各設備的物料量，然后再作能量衡算，求出設備或過程的熱負荷，從而確定設備尺寸及整個工藝流程。物料衡算的理論依據是質量守恒定律，即在一個孤立系統(tǒng)中，不論物質發(fā)生任何變化，它的質量始終不變（不包括核反應，因核反應能量變化非常大，此定律不適用）1.物料衡算式根據質量守恒定律，對某一個系統(tǒng)，輸入的物料量應該等于輸出的物料量與系統(tǒng)內積累

12、量之和，故物料衡算的基本關系式應該表示為：輸入的物料質量=輸出的物料量+系統(tǒng)積累的物料量（31）若系統(tǒng)內發(fā)生反應，則對任一組分或任一種元素作衡算時，必須把由反應消耗或生成的量也考慮在內，故（31）式成為(32)輸入的l一反應生成或=-輸出的1十一積累的|物料量|消耗的物料量|物料量：|物料量_上式中，由反應而消耗的量，應取減號；由反應而生成的量，應取加號，式（32）為物料衡算的普遍式，既可對系統(tǒng)的總物料進行衡算，也可對系統(tǒng)內的任一組分或任一元素作衡算。若系統(tǒng)內不積累物料，則“積累的物料量”一項等于零，則式（31）為：輸入的物料量=輸出的物料量（33）若系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)，又有化學反應，則式（32）

13、應為：一輸入的一反應生成或一輸出的.I±|=|（3一4）|物料量一消耗的物料量一|物料量一式（3-4）為連續(xù)穩(wěn)定過程物料衡算式，式中各項均以單位時間物料量表示，常以千克/時或摩爾/時表示。2 .物料衡算的步驟進行物料衡算時，尤其是那些復雜的物料衡算，為避免錯誤建議采用下列計算步驟。a.搜集計算數據，在進行設計計算時，這些原始數據常常是定值。b.畫出物料流程簡圖。標出所有物料線，注明所有已知和未知變量。若過程中有很多流股，可將每個流股編號。c.確定衡算體系。d.寫出化學反應方程式，包括主反應和副反應，標出有用的分子量。若無反應，此步可略去。e.選擇合適的計算基準，并在流程圖上注明所選的

14、基準值。f.列出物料衡算式，然后用數學方法求解。g.將計算結果列成輸入一輸出物料表。3 .物料平衡計算簡單實例（1）過濾分離物料有2kg料漿，內含固體25%（干重質量，以下同）和75%K。用濾布進行過濾，濾布上能截留料漿中90%勺固體（即截留率為90%o過濾完畢（假設濾布不沾水、不沾固體）測定濾餅含固體90%計算料漿、濾餅、濾液中的物料量。解：先畫出工藝流程圖，如圖3-6所示（圖中標示的數值是計算結果）。按照題意進行下列計算：濾餅重2X0.25X0.9/0.9=0.5kg濾液重2-0.5=1.5kg幾個平衡關系：總物料平衡一一輸入料漿2kg=輸出濾餅0.5kg+濾液1.5kg固體物平衡一一輸入

15、0.5kg=輸出濾餅固體0.45kg+濾液固體0.05kg水平衡一一輸入料漿水1.5kg=輸出濾餅水0.05kg+濾液水1.45kg將計算結果寫在工藝流程圖36上。過濾料乘一遍濾餅0.5kg（水1.5kg固體0.5kg+（固體0.45kg,水0.05kg）濾液1.5kg（水1.45kg,固體0.05kg）圖3-6料漿過濾的工藝流程物質平衡計算（2）具有物質轉化的過程鄰二甲苯氧化制苯酊。已知：鄰二甲苯轉化率70%Q用量為理論量的150%投鄰二甲苯量250Kg解：轉化式為C8H0+3O=C8HQ+3HO輸入：鄰二甲苯：250/106=2.358kmol氧：2.358X70%3X150%=7.43k

16、mol=237.76kg氮：7.43X0.79/0.21=27.95kmol=27.95輸出：苯酊：2.358X70%X148=244.29kg水：2.358X70%18X3=89.13kg氧：(7.43-2.358X70%X3)X32=79.36kg氮：782.63kg未反應鄰二甲苯：250X(1-70%)=75Kg將上述計算結果寫在工藝流程框圖上，如圖37。鄰二甲苯250kg/2.358kmcl轉一M237.76kg/7.43kmol化氮782.63kg/27.95kmoi,X28=782.63kg苯酊244.29kg水89.13kg氧79.36kg氮782.63kg未反應鄰二甲苯75kg

17、圖37苯氧化制苯酊物料計算第三節(jié)系統(tǒng)的能量平衡一.能量平衡當考慮生產系統(tǒng)的能量（主要是電能和熱能）是從其他系統(tǒng)（電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)）輸入時，則生產系統(tǒng)的能量平衡只涉及生產系統(tǒng)各子系統(tǒng)利用和損失的系統(tǒng)的電負荷可由設備的資料或系統(tǒng)所屬電表確定。系統(tǒng)的總電負荷包括電制冷、空調、電加熱，照明和電機負荷。進行用電負荷分析時，是指一般正常操作時的用電負荷，而不是用電高峰時的負荷。總電負荷與電制冷、空調、電加熱和照明負荷四者總和之差值是總的電機操作負荷。TLTOR-TOE+TOAC-TOOTOM=2OMi式中，TL是系統(tǒng)中總操作負荷，TO溟系統(tǒng)中總的制冷操作負荷，TOE是系統(tǒng)中總的電加熱操作負荷，TOA笑系

18、統(tǒng)中總的空調操作負荷，TO是照明總負荷，TOM是總的電機操作負荷，而O福第i個工藝電機操作負荷。熱平衡是研究進入系統(tǒng)的能量與離開系統(tǒng)的能量之間的平衡。由于熱是能量利用中的主要形式，且與其他能量利用形式相比，熱能利用水平較低。因此，用熱設備的熱利用問題要重點研究。國家標準GB258L81中明確指出：“能量平衡簡稱能平衡，又稱熱平衡”，顯見熱平衡的主導地位。具有明確邊界線的熱平衡系統(tǒng)，以框圖示出，稱熱平衡模型，見圖38。圖38熱T項模"J在框圖四周用箭頭標出進入和排出系統(tǒng)的全部能量，并規(guī)定：由工質（工藝流體，物料或半成品等）輸入系統(tǒng)的能量QW標在方框左側，輸出系統(tǒng)的能量Qc標在方框右側。

19、由其他系統(tǒng)的能量（外界）輸給系統(tǒng)（如蒸汽、電等）Qg標在方框的下面，排出系統(tǒng)的能量（如排煙熱、散熱、凝結水帶出熱等）Qs標在方框的上部。系統(tǒng)回收利用的能量QhSS在框內，用圓弧線示出。系統(tǒng)的總輸入熱量Qr應等于系統(tǒng)總支出熱量2zc加上系統(tǒng)貯存能量的變化值Qch,所以系統(tǒng)的總輸入熱量2Qr=2Qc十Qh正常工作的熱設備處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，故系統(tǒng)貯存的能量恒定，Qh=O。所以，在熱穩(wěn)定工況下，有NQr=NQc上式又稱熱平衡式。當只考察輸入系統(tǒng)的全部熱量（相對于系統(tǒng)外的供能系統(tǒng)）為基礎的熱平衡（又簡稱全入熱平衡）時，則除外部熱源供給熱外，還有物料帶入熱、化學反應熱、回收熱等。此時，因為NQr=Qr+Qg

20、+Qs藝Qc=Qr+Qc+Qs全入熱量為：Qr：Qr=Qr+Qg+Qs故熱平衡式為：Qr=Qr+Qc+Qs二.系統(tǒng)的熱平衡指標熱平衡的技術指標是用來衡量系統(tǒng)（子系統(tǒng)、設備或企業(yè)）的能耗，用能水平和能源管理完善程度的指標?？煞譃槿?。1 .能耗可分為單耗、綜合能耗和可比能耗。單耗單位產量能耗=某種能量總耗量/產品總產量單位產值能耗=某種能總耗量/產品凈產值式中的某種能指某種一次能源或某種二次能源。綜合能耗單位產量綜合能耗=總綜合能耗量/產品總產量單位產值綜合能耗=總綜合能耗量/產品凈產值可比能耗可比能耗=總綜合能耗量/標準產品產量式中的標準產品是指行業(yè)規(guī)定的基準產品。以該產品的能耗為基準，制定出

21、其他產品能耗的折算系數，再進行計算。2 .利用率可分別用設備熱效率、企業(yè)能源利用率和裝置能量利用率表示。設備熱效率（刀）用以反映供給設備的能（熱）量被有效利用的程度?？捎糜谀茉崔D換設備和大多數用熱設備，如鍋爐、煤氣發(fā)生爐和各種熱設備等。Y=有效熱X100%/供給熱=QxX100%/Q式中，對用熱設備，Qx為工藝有效熱；對能源轉換設備，Qx為工質出入口熱量（始）差。企業(yè)能源利用率（刀nw）是考察整個企業(yè)用能水平的指標。（刀nw）=用能設備總效熱/能源供給熱=NQxX100%/2Qy式中，EQy為企業(yè)所有能源供入熱，包括一次和二次能源代數和。裝置能量利用率“ne刀ne=有效熱/全入熱=（輸出能+回收利用能）/全入熱=（Qc+Qh）X100%/Q=（Qr-Qss）X100%/Qr式中，Qr為全入熱，包括進入裝置的全部能量。3 .回收率回收率（刀ns）是反映企業(yè)內部由于能量回收利用所帶的節(jié)能效果指標?！皀s=回收利用率/全入熱=回收利用能/（供入熱十回收利用能）=QsX100%/（Qg+Qs）三.等價熱量等價熱量是指為得到一個單位的二次能源（如汽油、柴油、煤油等石油制品，焦炭、煤氣、電、蒸汽等）或一個單位的耗能工質（如壓