Контрольные вопросы

1. На конкретных примерах сформулируйте определения понятий: сырье, полупродукт, побочный продукт, отходы, рецикл сырья.

2. Приведите классификации сырьевых ресурсов.

3. Назовите наиболее распространенные в земной коре элементы и их кларки.

4. Назовите основные требования к сырьевым ресурсам.

5. В чем состоит подготовка сырья? Приведите примеры.

6. Назовите различные источники энергетических ресурсов. Укажите, какие из них используются в химической технологии.

7. Приведите примеры возобновляемых и невозобновляемых видов энергии.

8. Приведите примеры первичных и вторичных энергетических ресурсов.

9. Приведите примеры использования в химической промышленности энергии плазмы.

10. Дайте перечень позиций, где в химической технологии используется вода.

11. Каковы основные требования, предъявляемые к качеству воды?

12. Что такое жесткость воды, в чем она измеряется и как ее можно понизить или устранить?

13. Что такое окисляемость воды? С чем связывают это понятие? Как ее определяют?

14. Приведите основные приемы водоподготовки.

Тема 3 критерии оценки эффективности химического производства

Экономическая эффективность является важнейшим критерием химического производства. Она зависит от таких факторов, как мощности технологических установок, от научного и технического уровня, на котором осуществляется производственный процесс.

Уровень химического производства определяется совокупностью технико-экономических показателей (ТЭП). К ним относятся расходные коэффициенты сырья, энергии, выход целевой продукции и степень превращения сырья, селективность процесса, производительность, интенсивность работы установки, качество товарного продукта, производительность труда и себестоимость продукции.

ТЭП зависит от ряда факторов, определяющих состояние производства. Среди них необходимо отметить возраст промышленной установки, определяющий физический и моральный износ, техническое состояние оборудования, уровень автоматизации производства, квалификация кадров, уровень организации труда, прогрессивность используемых технологий.

ТЭП отражают возможность производства выпускать продукцию, удовлетворяющую требования стандарта и заказчика, и в заданном объеме. ТЭП являются критериями, позволяющими оценить экономическую целесообразность организации данного производства и его рентабельность, а также сравнивать эффективность различных производств одного профиля. ТЭП используют для текущей оценки состояния производства, его планирования и технического совершенствования.

Расходным коэффициентом (РК) называют количество сырья или энергии каждого вида, затрачиваемое на производство единицы массы или объема данной продукции. По сырью РК выражают в т / т, нм³ / т, нм³ / нм³. По энергии - соответственно в кВт ч / т или кВт ч / м³.

Выход готового продукта - это отношение массы целевого продукта к массе всего сырья, затраченного на его производство. Для самого простого одностадийного процесса, протекающего по схеме А В, выход равен:

. (3.1)

Если химическая реакция протекает в несколько стадий, например, по схеме А В С, то общий выход равен произведению выходов на каждой стадии:

= . (3.2)

Если в основе технологического процесса лежит необратимая химическая реакция, то выход определяется как отношение количества вещества, полученного практически, к теоретически возможному

. (3.3)

Степень превращения (конверсия) – это отношение массы сырья, вступившего в реакцию за время к исходной его массе

Х_а= , (3.4)

где _а - количество сырья, не вступившего в реакцию;

т_с - количество сырья, поданного в реакцию.

Выход продуктов и степень превращения сырья измеряются либо в процентах, либо в долях единицы.

Селективностью называется отношение массы целевого продукта к общей массе веществ, полученных в данном процессе или к массе превращенного сырья за время .

S = G_ц / G_пр . (3.5)

Выход продукта, степень превращения и селективность характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.

Производительностью называется количество произведенного целевого продукта или переработанного для его получения сырья в единицу времени

П = . (3.6)

где m – количество продукта, произведенного за время .

Производительность относят к отдельному аппарату, потоку, технологической линии, цеху, производству и предприятию в целом. Максимально возможная производительность по данной технологии называется мощностью. Производительность и мощность выражают в кг / ч; т / ч; нм³ / сутки; т / год и т.д. в зависимости от масштабов производства.

Интенсивностью аппарата (реактора) называют его производительность, отнесенную к единице величины, характеризующей размеры рабочего пространства аппарата – его реакционного объема V или площади сечения аппарата S

И = (3.7 а)

или

И = . (3.7 б)

Интенсивность – это критерий эффективности работы аппарата. Она позволяет сравнивать по эффективности аппараты различной мощности. Измеряется в кг / м³ и кг / м².

Качеством продукции называют совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обуславливающих его пригодность для удовлетворения потребностей заказчика в соответствии с его назначением. Качество продукции измеряется системой показателей, охватывающих различные области использования продукции: надежности, долговечности, назначения, эргономичности и др. Эти условия задаются Государственными стандартами (ГОСТ) или техническими условиями (ТУ).

Структура экономики химического производства. Важнейшее значение для оценки экономической эффективности производства имеют такие показатели, кроме перечисленных выше, как капитальные затраты, себестоимость продукции и производительность труда. Эти показатели связаны между собой и зависят от структуры экономики химического производства, в частности, от удельного веса в ней основных и оборотных фондов и фонда заработной платы.

Основные фонды представляют собой часть средств производства, которая целиком участвует в процессе производства, но потребляется не единовременно, а в течение многих производственных циклов, перенося свою стоимость на готовую продукцию по частям. Они делятся на основные производственные и основные непроизводственные фонды.

Основные производственные фонды – это здания и сооружения производственного и вспомогательного назначения, электро- и теплосети, газо-, водо- и паропроводы, аппараты (реакторы, колонны, печи, фильтры, холодильники и подогреватели и т.д.), машины и оборудование, в т.ч. генераторы, компрессоры, электродвигатели и др. , средства контроля и регулирования технологическим процессом, транспортные средства, производственный и хозяйственный инвентарь.

Основные непроизводственные фонды – это объекты, предназначенные для обслуживания населения и непроизводственной деятельности предприятия, в т.ч. жилые дома, больницы, школы, зоны отдыха и т.д.

Оборотные производственные фонды – это предметы труда, обращающиеся в сфере производства. Это сырье, основные и вспомогательные материалы, энергетические затраты, вода, топливо.

Фонды обращения – это средства, функционирующие в сфере обращения. К ним относятся: продукция, готовая к реализации, товары, находящиеся на пути к потребителю и на складах, задолженность, средства расчета.

Заработная плата - мера национального дохода, выплачиваемая в денежном эквиваленте работникам производства в соответствии с количеством и качеством их труда. В химическом производстве доля зарплаты в себестоимости продукции составляет, в среднем, в России 4 %, иногда повышаясь на отдельных производствах до 20 % и более. Это зависит, в основном, от уровня механизации и автоматизации производства. Чем они выше, тем меньшая доля приходится на зарплату.

Финансовые средства, предназначенные для простого и расширенного производства, характеризуются капитальными затратами.

Капитальные затраты – это сумма всех средств, затраченных на строительство данного цеха, установки или предприятия в целом. Они включают затраты на приобретение аппаратов, машин, механизмов (активная часть) и на строительство и монтаж объектов (пассивная часть). Эффективность отдачи капитальных затрат зависит от доли активной части и оценивается критерием «удельные капитальные затраты», т.е. затраты на единицу выпускаемой продукции:

Р = . (3.8)

где К_з – капитальные затраты в рублях;

m – мощность установки, цеха, предприятия и выражаются в руб./т/год.

Удельные капитальные затраты снижаются с увеличением мощности установок в соответствии с зависимостью:

Р = a m^-0,4 . (3.9)

где а – коэффициент, зависящий от типа данного производства.

Себестоимость продукции – это сумма всех затрат на производство и реализацию единицы производимой предприятием продукции в денежном выражении. Ниже приведен пример структуры себестоимости продукции в химическом производстве (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Структура себестоимости химической продукции

Статья расхода	Доля в себестоимости, %
Сырье и основные материалы	57,0
Вспомогательные материалы	6,6
Топливо	1,6
Энергия	8,1
Заработная плата и страхование	11,9
Амортизация оборудования	11,0
Прочие расходы	3,8
Всего	100

Аналогично капитальным затратам себестоимость продукции снижается при увеличении единичной мощности производства в соответствии с зависимостью

S = a m^b, (3.10)

где S – себестоимость продукции в рублях / т;

m – мощность агрегата (цеха, установки);

a, b – коэффициенты, причем b = -0,2 - -0,3.

Производительность труда – это количество продукции, производимой предприятием на одного работника в единицу времени. Для измерения производительности труда используют критерий нормативной трудоемкости, под которой понимают затраты труда промышленно-производственного персонала на производство единицы продукции.

Материальный и энергетический баланс химического производства. Все количественные расчеты, выявляющие эффективность производства базируются на материальном и энергетическом балансах. Они составляются на основе материально-потоковых графов, отражающих перемещение и трансформацию всех материальных участников технологического процесса. В ходе химического процесса происходит непрерывное движение и изменение природы принимающих в нем участие веществ (компонентов процесса). Поэтому любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков участвующих в нем компонентов сырья, промежуточных и побочных продуктов, целевого продукта и отходов производства.

Материальный поток – это графическое изображение движения и изменения веществ, участвующих в химико-технологическом процессе. Материальный поток выражают в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в котором отражены природа вещества, направление его движения, изменение агрегатного состояния. В МПГ различают «узлы» (аппараты и машины) и «ребра» – перемещающиеся в процессе вещества. На рис. 3.1 показан фрагмент такого материально-потокового графа, изображенного на примере процесса обжига железного колчедана.

Материальные потоки могут быть трех видов:

- расходящиеся, в результате которых число продуктов в результате процесса возрастает;

- сходящиеся, где число продуктов в результате процесса уменьшается;

• перекрещивающиеся, когда число продуктов в процессе не меняется.

На основе анализа материально-потокового графа составляется материальный баланс процесса, являющийся базой для дальнейших расчетов.

FeS₂ + П Fe₂O₃ +П

колчедан огарок

Печь обжига

О₂ + N₂ O₂ + N₂ + SO₂

воздух обжиговый газ

Рис. 3.1. Материально-потоковый граф процесса обжига железного колчедана

Материальный баланс – это выражение закона сохранения массы, применительно к химико-технологическому процессу: масса веществ, поступивших в процесс равна массе веществ, получившихся в результате процесса: . Статьями прихода и расхода в материальном балансе являются компоненты сырья, возвратное (циркулирующее) сырье, примеси в сырье, целевой продукт, побочные продукты, отходы производства и потери.

m₁ + m₂ + m₃ = n₁ + n₂ + n₃ (3.11)

Материальный баланс составляется на отдельный аппарат или на установку в целом и составляется в единицах массы, отнесенных к единице времени. Результаты расчетов обычно оформляются в виде таблицы. Например, материальный баланс установки АВТ-10 производительностью 6 млн. т нефти в год можно представить так, как показано в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Примерный материальный баланс химико-технологического процесса

Статьи	Количество, т/год
Приход: Нефть Газ Вода и соли	6000000 5730000 120000 150000
Расход: Сухой газ Головка стабилизации Бензин Керосин Дизельное топливо 1-ая масляная фракция 2-ая масляная фракция Гудрон Вода и соли Потери	6000000 108000 169200 797400 976200 1016400 636000 684000 1800000 150000 30000

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и рассчитываются оптимальные параметры технологического процесса.

В основе энергетического (теплового) баланса лежит закон сохранения энергии, согласно которому сумма энергий всех видов в замкнутой системе постоянна. Тепловой баланс, как частный случай энергетического, наиболее распространен в химической технологии и записывается так:

= . (3.12)

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций Н, теплоты фазовых переходов, теплосодержание веществ, участвующих в химико-технологическом процессе, теплоты, подводимые к системе извне и выводимые из процесса и тепловые потери. В конкретном технологическом процессе тепловой баланс можно записать так

Н +Q₁ + Q₂ + Q₃ = H₁¹ + Q₂¹ + Q₃¹ + Q₄¹, (3.13)

где индекс (1) относится к статьям расхода.

Теплоты, входящие в тепловой баланс, рассчитываются по известным формулам:

Тепловой эффект химической реакции равен

Н_{реакции} = Н_{продукты реакции} - Н_{исходные вещества} . (3.14)

Теплосодержание веществ рассчитывается по формуле

Q₂ = m c t, (3.15)

где m - масса вещества;

c - его теплоемкость;

t - температура

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле

Q₁ = m q, (3.16)

где q - удельная теплота фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизация);

m - масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в системе рассчитывают по формуле

Q₃ = m C(t_h - t_k), (3.17)

где m - масса теплоносителя;

C - теплоемкость теплоносителя;

t_h и t_k - начальная и конечная температуры теплоносителя.

И по формуле теплопередачи через стенку

Q₃ =K_т F (t_т – t_пр) , (3.18)

где К_т – коэффициент теплопередачи;

F - коэффициент теплопередачи;

t_т - температура теплоносителя на входе в аппарат;

t_{пр –} температура продукта на входе в аппарат.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу производимого продукта или в единицу времени. Данные теплового баланса применяются для расчета расхода теплоносителя или хладоагента, расчета площадей поверхностей теплообмена и расчета оптимального теплового режима работы аппаратов.