（产品管理）第三章－产品
生产系统
第三章产品生产系统
第壹节
壹．系统
系统论是人类辩证思想的成果。
生产系统
系统是由俩个或俩个之上相互又相互制约、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。每个系统也能够是壹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——存于于自然界，不受人类活动的干预。人工系统——由人工建造，执行某壹特定功能。复合系统——介于自然系统和人工系统之间。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。同是壹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
系统由俩个或俩个之上相互联系且相互区别的要素（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，体现系统元素于系统结构中的位置和隶属关系。且且，系统中存于物质的，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，系统均具有特定功能。系统的目的可用壹个或多个具体的目标表示。当全部目标均满足要求时，系统即实现了既定的目的。
（3）关联性
系统内各要素之间是相互作用，有机联系的。系统中任何壹个要素的变化均会对其他要素产生影响。
（4）整体性
系统由的要素组成，但以壹个统壹的整体存于。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，统壹成功能良好的系统。反之，要素功能良好也不壹定能构成壹个功能良好的整体系统。
（5）适应性
壹般地，系统是存于于环境之中。所谓环境，是指系统外部（相对于系统内部）且和系统有关各部分。系统要适应环境变化，且和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于基本经济单位中进行。于商品经济条件下，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，享有壹定的经济权利且履行壹定的经济义务，实行会计核算的商品生产者和商品运营者。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基本经济组织。工厂内，壹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、车间等均可被视为壹个系统。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。生产系统和自然环境和关联系统的关联简单地列于图3－1中。
图3－1生产系统和关联系统关系
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，但均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，壹个动态的、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
壹．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、配矿等壹系统单元操作过程； 焙烧工序：是生成二氧化硫的单元操作过程，生产壹定组成的气体； 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于内； 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3－3农副产品生产糠醛的工艺流程图
于上图中，除标出物料流外，仍标出了能量，如水蒸气等。
又例如于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。
图3－4烧碱法草浆造纸工艺流程
二．工艺设备流程
于有关工业污染控制、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壹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。其特点于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，工业生产过程中仍包括壹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。
图3－5某炼油厂催化裂化装置工艺设备流程
三．化工生产中的转化率、产率和收率
于工业生产中，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。为了说明某壹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，且于生产中加以应用，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均是非常重要的。
1．转化率
参加反应的原料量和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
例如：以乙烷为原料生产乙烯时，于壹定生产条件下，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，仍会生成壹些副产物。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。
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于反应过程中的转化程度，它不管生成物是目的产物仍是副产物。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。于实际生产中，希望于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俩方面的关系。
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，它能够是壹个设备或几个设备，也能够是壹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壹，它是能量衡算的基础。壹般，于物料衡算之后，才能计算所需提供或移走的能量。例如，设计或研究壹个化工过程，或对某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，均必须于物料衡算的基础上，才能进壹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，物料衡算有俩种情况，壹种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算了另壹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。另壹种是设计壹种新的设备或装置，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，即于壹个孤立系统中，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，对某壹个系统，输入的物料量应该等于输出的物料量和系统内积累量之和，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，则对任壹组分或任壹种元素作衡算时，必须把由反应消耗或生成的量也考虑于内，故（3－1）式成为
（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，也可对系统内的任壹组分或任壹元素作衡算。
若系统内不积累物料，则“积累的物料量”壹项等于零，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：
（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，于进行设计计算时，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，且于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
将计算结果写于工艺流程图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=.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
将上述计算结果写于工艺流程框图上，如图3－7。 邻二甲苯250kg/2.358kmol苯酐244.29kg 氧237.76kg/7.43kmol水.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
壹．能量平衡
系统的能量平衡
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，则生产系统的能量平衡只涉及生产系统各子系统利用和损失的能量。
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。进行用电负荷分析时，是指壹般正常操作时的用电负荷，而不是用电高峰时的负荷。总电负荷和电制冷、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。
热平衡是研究进入系统的能量和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，且和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GB2587—81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3－8。
图3－8热平衡模型
于框图四周用箭头标出进入和排出系统的全部能量，且规定：①由工质（工艺流体，物料或半成品等）输入系统的能量QWr标于方框左侧，输出系统的能量QWC标于方框右侧。②由其他系统的能量（外界）输给系统（如蒸汽、电等）Qgg标于方框的下面，排出系统的能量（如排烟热、散热、凝结水带出热等）Qps标于方框的上部。③系统回收利用的能量Qhs标于框内，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
正常工作的热设备处于热稳定状态，故系统贮存的能量恒定，△Qch＝０。所以，于热稳定工况下，有
ΣQsr＝ΣQzc
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）为基础的热平衡（又简称全入热平衡）时，则除外部热源供给热外，仍有物料带入热、化学反应热、回收热等。此时，因为
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，用能水平和能源管理完善程度的指标。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 单位产值能耗＝某种能总耗量/产品净产值 式中的某种能指某种壹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（η）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。
η＝有效热×100%/供给热＝Qyx×100%/Qgg
式中，对用热设备，Qyx为工艺有效热；对能源转换设备，Qyx为工质出入口热量（焓）差。
企业能源利用率（ηnw）是考察整个企业用能水平的指标。
（ηnw）＝用能设备总效热/能源供给热
＝ΣQyx×100％／ΣQny
式中，∑Qny为企业所有能源供入热，包括壹次和二次能源代数和。 装置能量利用率ηne
ηne＝有效热/全入热＝（输出能+回收利用能）/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）是反映企业内部由于能量回收利用所带的节能效果指标。
ηns＝回收利用率/全入热＝回收利用能/（供入热＋回收利用能）
＝Qhs×100%/（Qgg＋Qhs）
三．等价热量
等价热量是指为得到壹个单位的二次能源（如汽油、柴油、煤油等石油制品，焦炭、煤气、电、蒸汽等）或壹个单位的耗能工质（如压缩空气、氧气、各种水等），于工业实际要消耗的壹次能源的热量。如，于目前我国的条件下，发壹度电约要消耗0.35～0.44kg标准煤（即发电煤耗），换算为热量是2450～3080Kcal，故取电的等价热量为3000Kcal/（Kwh）。也就是说，消耗壹度电相当（等价）于消耗0.428kg标准煤或3000Kcal/（Kwh）热量。每消耗壹度电，电热设备（如电炉）能获得860kcal热量。比值
860/3000＝0.287
为热—电的转换效率。 等价热量计算原则是：
等价热量＝（二次能源具有的能量/转换效率） 例：1kg焦炭的等价热量
当取1kg焦炭的能量为其低位发热量，即7000Kcal/kg，若测得焦炭的效率为0.85，则1kg焦炭的等价热量为
7000/0.85＝8235Kcal/kg
例：1kg低压饱和蒸汽的等价热量。
低压饱和蒸汽所具有的能量是按照它的参数（压力、温度）所决定的焓值。对壹般低压饱和蒸汽可取近似值650Kcal/kg。若实测效率0.72，则1kg低压饱和蒸汽的等价热量为650/0.72＝900Kcal/kg
四．热流图
标示热量（供给热、带入热、带出热、排出热、各项损失热、回收利用热）流向及其数量的图称为热流图。对壹台设备，壹个装置可画出热流图，对壹个企业或壹个区域也可画出热流图。它能够画得简单，也能够画得复杂。图3－9、图3－10分别是供热管网热流图和某印染厂热流图。
通过热流图，能够直观、形象地见到设备、企业或区域热量（能量）的流向和数量。这于企业管理工作中常用到。
图3－9供热管网热流图
Q1－锅炉中水和气吸收的热量 Qgr－生产、生活和建筑物供暖实际用热量 Qws－室外供热管网热损失
Qns－室内管道热损失
Qwq－蒸汽（尾气）热损失
图3－10某印染厂热流图
