Структура материально-производственной системы предприятия

химико-технологических процессов и производств

 

Определение полезности и эффективности химического  производства и технологического процесса в нем производится по различным  показателям.

Технические показатели определяют эффективность химико-технологического или производственного процесса.

Производительность (мощность) производства – количество получаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени:

    ,                  (1.1)

где П – производительность; G – количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья; t – время (период).

Обычно производительность выражают в количестве продукта за 1 час или 1 сутки. Для связи часовой  или суточной производительности с  годовой принимают, что производство работает 8000 часов или 330 суток в  году. Размерность П, соответственно:  кг/ч, т/сут, т/год

Расходный коэффициент показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность:  (кг сырья/т продукта), (м³/кг продукта), (кВт×ч/кг продукта), (Гкал/т продукта) и т.д.

Выход продукта – отношение реально получаемого количества продукта к максимально возможному количеству, которое теоретически можно получить из того же количества сырья.

Интенсивность процесса – количество перерабатываемого сырья или образуемого продукта в единице объема аппарата в единицу времени.

Удельные капитальные  затраты – затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Показатель индивидуален для каждого продукта. Он может включать физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее.

Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства.

Себестоимость продукции – суммарные затраты на получение единицы продукта. Себестоимость имеет денежное выражение.

Общая структура себестоимости С:

         ,           (1.2)

где - количество продукта; и - цена и количество израсходованного сырья, энергии, материалов на производство продукта в количестве ;  
- капитальные затраты; k – коэффициент окупаемости капитальных затрат; - оплата труда.

Производительность  труда – количество продукции, произведенной в единицу времени в пересчете на одного работающего.

Экономические показатели рассчитываются на основе технических  показателей.

Эксплуатационные  показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе и производстве во время их эксплуатации при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний.

Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы.

Безопасность  функционирования – вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, окружающей среде.

Управляемость и регулируемость характеризуют возможностью поддержания показателей процесса в допустимых пределах.

Социальные  показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность  обслуживания оценивается сопоставлением санитарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами.

Степень автоматизации  и механизации определяет долю ручного и тяжелого труда в производстве.

Экологическая безопасность – степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.

 

1.3. Общие представления о химическом производстве

как химико-технологической системе

 

Система – упорядоченная совокупность большого числа материальных объектов (элементов), взаимодействующих друг с другом посредством материальных, энергетических и информационных связей и функционирующих как единое целое для достижения общей цели наилучшим способом.

Так химическое производство представляет собой совокупность машин, аппаратов и других устройств, связанных  между собой трубо-, газо- и паропроводами, а также электрическими, транспортными и телекоммуникационными (для информации и управления) линиями связи для совместного функционирования. Это позволяет представлять химическое производство как химико-технологическую систему (ХТС).

Элементом ХТС может  быть отдельный ХТП или их совокупность. Степень детализации ХТС на отдельные элементы и подсистемы зависит от задачи исследования. Исследование сложных ХТС сводится к изучению ее подсистем или элементов и способов взаимодействия между ними.

Подсистемы могут быть выделены как по масштабу, так и  функционально.

Функциональные  подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирование в целом.

Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты – совокупный химико-технологический процесс.

Энергетическая  подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией (тепловой, силовой, электрической) химико-технологического процесса.

Подсистема  управления – часть производства, с помощью которой осуществляется сбор, хранение информации о его функционировании и выработка управляющих воздействий. Как правило, управляющие воздействия формируются и реализуются с участием человека. Поэтому данная подсистема называется автоматизированной системой управления технологическим процессом или производством (АСУТП или АСУПр).

Совокупность функциональных подсистем образует состав ХТС.

Масштабные  подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части производственного процесса. Масштабные подсистемы ХТС можно систематизировать в виде иерархической структуры, отражающей организационное построение производства и соподчинение подсистем различного масштаба. Под масштабом следует понимать количество взаимосвязанных элементов (ХТП), объединенных для достижения некоторой общей цели функционирования.

Иерархическая структура ХТС представлена на рис.1.4.

 

 

 

 

 

Рис. 1.4. Иерархическая структура химико-технологической системы

 

Элементом минимального масштаба в структуре ХТС является отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень I. Объединение нескольких аппаратов, выполняющих вместе какое-либо преобразование материального потока, образует один элемент подсистемы II-го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и так далее). Совокупность подсистем второго уровня образует подсистему III-го уровня в виде элементов, которые называются отделениями, участками, цехами. Например, в производстве серной кислоты это отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа и т.д. К подсистемам III-го уровня могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков, цехов образует ХТС производства в целом (IV-ый уровень).

Отличительной особенностью иерархической структуры производства является то, что между подсистемами одного и того же уровня иерархии существуют взаимосвязи в форме материальных и энергетических потоков (см.  

чрис. 1.4, показаны пунктиром). Вертикальные линии отражают соподчинение подсистем. Потоки ХТС (связи между элементами) классифицируют по их содержанию.

Материальные потоки перемещают вещества по трубопроводам различного назначения, с помощью механических устройств.

Энергетические  потоки переносят энергию любого вида: тепловую, силовую, электрическую, топливную. Тепловая энергии и топливо передаются обычно по трубопроводам, силовая энергия – по трубопроводам в виде газа под давлением или механическим путем через вал двигателя и другие приводы. Провода, силовые кабели передают электрическую энергию.

Информационные  потоки используются в системах контроля и управления процессами и производством. Кроме электрических проводов для этой цели служат капиллярные трубки в пневматических системах и др.

Последовательность прохождения  потоков через элементы ХТС определяет структуру связей и обеспечивает определенные условия работы элементов системы. Основные типы структуры связей показаны на рис.1.5, где прямоугольниками представлены элементы, а линиями со стрелками – связи и направления потоков.

Рис.1.5. Связи в химико-технологической  системе:

1 – последовательная; 2 – разветвленная; 3 – параллельная; 4,5 -  обводная (байпас) простая (4) и сложная (5); 6-9 – обратная (рециркуляционная): рецикл полный (6,9) и фракционный (7,8); простой (6) и сложный (9); Р – система разделения

 

Понятия "система" и "элемент" относительны. Степень  детализации ХТС на отдельные  подсистемы и элементы зависит от целей и задач исследования. Элементом ХТС может быть отдельный ХТП или их совокупность, объединенная некоторой общей целью функционирования. Например, в качестве элемента может рассматриваться каскад химических реакторов или реакторный узел, включающий химический реактор и вспомогательный теплообменник  
(рис. 1.6).

 

 

Рис. 1.6. Реакторный узел:

1 – теплообменник; 2 –  каталитический реактор

 

Тепло, выделяющееся в  результате протекания реакции, используется для подогрева исходного сырья.

Одним из методов изучения науки "химическая технология" является системный анализ, который представляет собой совокупность способов и средств научного познания и прикладных исследований, используемых для подготовки, обоснования и решения сложных проблем социального, экономического и научно-технического характера. В рамках системного анализа используют достижения математики, механики, теории управления и других наук. Основой стратегии системного анализа является формализация ХТС и ХТП с помощью математических моделей.

Таким образом, обобщая все выше сказанное, делаем вывод, что ХТС есть модель химического производства, которая включает в себя графическую составляющую (схемы и другие графические изображения) и описательную составляющую (формулы, уравнения, математические описания процессов).

 

1.3.1. Модели химико-технологической системы

 

Моделирование – это исследование каких-либо явлений, процессов и систем путем построения их моделей, изучения свойств и характеристик этих моделей и перенос полученных сведений на моделируемый объект.

Химическая  модель (схема). Представляется в виде химических уравнений основных реакций, которые обеспечивают переработку сырья в продукт.

Химическая схема показывает генеральный  путь превращения сырья в продукт. Но реализация этого пути не ограничивается только данными уравнениями – необходимы еще стадии, обеспечивающие эти химические превращения или детализирующие их. Они представлены в дальнейшем описании процесса.

Операционная модель представляет основные стадии (операции) переработки сырья в продукт, в том числе обеспечивающие протекание основных превращений.

Химическая и операционная модели дают представление о производстве и его основных стадиях.

Функциональная модель (схема) строится на основе химической и операционной и наглядно отражает основные стадии производства и их взаимосвязи. Каждая стадия представляется прямоугольником, линии со стрелками между ними – связи.

Приведем пример функциональной схемы. Рассмотрим подсистему ХТС производства аммиака – синтез аммиака, который включает три стадии:

А. Синтез аммиака  ;

Б. Выделение аммиака;

В. Возврат (рецикл) непрореагировавших водорода и азота в реактор (на стадию А).

Рис. 1.7. Функциональная схема  синтеза аммиака

А – синтез NH₃; Б – выделение NH₃; В – компрессия и рециркуляция

Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса. На рис. 8 приведен пример технологической схемы синтеза аммиака.

Рис.1.8. Технологическая схема синтеза аммиака:

1 – колона (реактор);  2, 3 – теплообменники;  4 – воздушный  холодильник;              
5 – сепаратор; 6 – сборник аммиака; 7 – циркуляционный компрессор;                       
8 – конденсационная колона; 9 – испаритель

 

Технологические схемы используют как при эксплуатации производства, так и при его проектировании. Они входят в проектную и техническую документацию каждого производства.

Структурная модель (схема) в отличие от технологической включает элементы ХТС в виде простых геометрических фигур, изображение аппаратов обезличено (см. рис. 1.9, а). Представлен общий характер структуры ХТС. Изображение даже сложной ХТС становится весьма наглядным и позволяет легко составлять математической описание, прослеживая связи между элементами.