|
|
ОглавлениеРаздел 1. Технологическое развитие как фактор экономического роста России Раздел 2. Системы технологий: понятия, термины, основные факторы и признаки современных технологий Раздел 3. Производственный и технологический процессы в отраслях экономики Раздел 4. Технологические принципы управления качеством промышленной продукции Раздел 6. Теоретические основы технологии машиностроения Раздел 7. Современные технологии получения заготовок деталей в машиностроении Раздел 8. Обработка металлов резанием (ОМР) Раздел 9. Современные технологические процессы сборки машин Раздел 10. Химико-технологические производства в инновационном развитии экономики Раздел 11. Инновационные технологии в аграрном производстве Раздел 12. Современная мировая энергетика Раздел 14. Нанотехнологии в современной экономике Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуРаздел 10. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Показатели | США | Россия | Россия в сравнении с США |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Общеэкономические показатели | |||
| Добыча газа в 2000 г., млрд м3 Добыча газа в 2010 г., млрд м3 |
545 608 | 584 649 | Сопоставимый уровень |
| Газоемкость экономики, млрд. м3 на 100 млн. долл. ВВП | 58 | 331 | Опережение в 6 раз |
| Извлечение ценных компонентов из газового сырья | |||
| Этан, млн т | 9,2 | 0,4 | Отставание в 23 раза |
| Пропан, млн т | 7,2 | 0,6 | Отставание в 12 раз |
| Бутаны, млн т | 4,4 | 0,5 | Отставание в 9 раз |
| Легкие углеводороды, % от добычи | 5,0 | 0,3 | Отставание в 17 раз |
| Потребление основных видов химической продукции на душу населения, кг | |||
| Пластмассы и синтетические смолы | 148,4 | 10,6 | Отставание в 14 раз |
| Химические волокна и нити | 17,7 | 0,9 | Отставание в 20 раз |
| Лакокрасочные материалы | 19,2 | 3,2 | Отставание в 6 раз |
| Синтетические моющие средства | 13,2 | 2,3 | Отставание в 6 раз |
Как видно из таблицы 10.1, Россия, имея уровень добычи природного газа соизмеримый с показателями США, по количеству конечной продукции отличается от 6 до 23 раза. Это безусловно сказывается на показателях экономического состояния общества, прежде всего, величине ВВП. В таблице 10.2 представлены данные по стоимости производимой конечной продукции по мере увеличения глубины переработки сырья. Анализ этих данных показывает наше отставание в экономическом развитии и потери, а также снижение потенциала развития страны, если не инвестировать в инновационное развитие.
Таблица 10.2
Рост стоимости продукции по мере увеличения глубины переработки сырья по состоянию на 2010 г.
| Продукты | Стоимость продукции, долл. за 1 т | Коэффициент эффективности |
| Природный газ (сырье) | Около 100 | 1,0 |
| Этан | 120–150 | 1,2 |
| Этилен | 600–700 | 6,0 |
| Полиэтилен, ПВХ | 1200–1300 | 12,0 |
| Изделия из пластмасс | 2500–3000 | До 30 |
Для России повышение эффективности переработки нефти и получение высококачественных нефтепродуктов и ценнейших полимерных материалов является чрезвычайно актуальной задачей. В реальности нефтепереработка на передовых предприятиях мира обеспечивает выход дорогостоящей легкой фракции нефтепродуктов до 90–95%, а заводы России – только 65–70%.
10.2. Современное химическое предприятие как сложная химико-технологическая система (ХТС)
Химико-технологическая система (ХТС) – это система аппаратов с различным функциональным назначением, взаимосвязанных материальными и энергетическими потоками и действующих как единое целое с целью реализации сложного химико-технологического процесса и выпуска продукции заданного качества. При исследовании ХТС внутренние свойства и структура отдельных элементов (аппаратов) не являются предметом изучения, анализируются лишь существенные свойства элементов, определяющие их взаимодействие с другими элементами ХТС, или влияют на свойства системы в целом. Очевидно, что оптимальное управление отдельными элементами ХТС (аппаратами или агрегатами) предопределяет условие выхода на оптимальное функционирование системы в целом.
Представление химического производства в виде сложной системы предполагает подразделение его на взаимосвязанные подсистемы, характеризующиеся иерархической структурой. Первая ступень иерархической структуры – типовые химико-технологические процессы (химические, тепловые, гидродинамические диффузионные и т. д.) и локальные системы управления, в основном САУ (системы автоматического управления). Вторая ступень – это агрегаты и комплексы, представляющие взаимосвязанную совокупность типовых процессов и аппаратов, реализующих определенную операцию. На данной ступени используются АСУТП. Третья ступень – химические производства, в которых получают целевой продукт и АСУ технологического и организационного функционирования производств. Четвертая ступень – химическое предприятие в целом и автоматизированная система управления предприятием (АСУП).
Напомним, что по структуре и условиям функционирования сложные химико-технологические производства подразделяются на:
– НХТП – непрерывные химико-технологические производства;
– ПХТП – периодические химико-технологические производства.
НХТП предусматривает протекание технологического процесса безостановочно в течение длительного времени (до нескольких лет). В ПХТП продукция производится циклически, малыми объемами. Подробно особенности НХТП и ПХТП рассмотрены в разделе 3.5. Представим основные показатели, характеризующие непрерывные и периодические ХТП в виде таблицы (табл. 10.3).
Таблица 10.3
Характеристика непрерывных и периодических ХТП
| Показатели | НХТП | ПХТП |
| Производительность Качество продукции Гибкость Управление процессом Эффективность использования оборудования Специализация оборудования Ресурсо- и энергоэффективность Экономические издержки производства продукции Капиталоемкость |
Максимальная. Стабильное. Получение одного или узкой группы продуктов. Процесс проводится в стационарном режиме, поэтому эффективно применение АСУТП в режиме оптимизации. Высокая. Нет простоев оборудования. Узкая функциональная специализация. Высокая. Легко реализуются энергосберегающие технологии. Минимизируются. Требует больших инвестиций |
Малотоннажное производство. Нестабильное. Заданный уровень. Большой ассортимент продукции. Сложность обслуживания и управления. Требуется разработка автоматизированной системы управления. Простои оборудования во время загрузки сырья и выгрузки продукции. Оборудование многофункциональное. Большие энергетические затраты. Большие трудовые затраты. Минимальные капиталовложения |
10.3. Автоматизированные системы управления современными химико-технологическими процессами (АСУ ХТП)
Организация и достижение оптимальной эффективности современных химико-технологических производств в обязательном порядке предусматривает информатизированное управление кинетикой (скоростью) протекания процесса в режиме автоматизированной системы управления (АСУ).
Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) представляет собой современный наукоемкий способ управления. АСУТП позволяет вести процесс в оптимальном режиме и достигать максимальной эффективности технологического процесса, высокого качества продукции.
Разработка АСУТП использует принципы кибернетики (см. раздел 2.3) и предполагает:
• разработку математической модели процесса;
• определение принципов анализа показателей технологического процесса (критерий оптимальности)
• действие «обратных связей» управления.
В целом система управления технологическим процессом производства продукции предусматривает реализацию следующих процедур:
– разрабатывается математическая модель на основе балансовых соотношений материальных и энергетических потоков в системе аппаратов технологического процесса. Полученные балансовые уравнения определяют соотношения сырьевых и продуктовых потоков веществ, вступающих в реакцию, а также энергетические характеристики, обеспечивающие протекание технологического процесса;
– записываются уравнения кинетики, определяющие скорость протекания технологического процесса, а также скорости изменения энергетических параметров (температуры, давления...); Уравнение кинетики химического превращения по принципу ЛеШателье записывается:
где m, n, p – количество молей веществ A, B, D взаимодействующих в процессе реакции; Q – тепловой эффект реакции; k1– константа скорости прямой реакции, k2 – константа скорости обратной реакции.
– определяется критерий оптимальности управления технологическим процессом;
– осуществляется идентификация параметров математической модели технологического процесса;
– разрабатывается алгоритм и программное обеспечение процедуры расчета и оптимизации технологического процесса.
Рассмотрим пример: ХТП – производство водорода из воды. Определить количество водорода, которое образуется из 1 т воды.
2H2O→ 2H2 + O2 – Q.
1000 кг → Х кг + Y кг.
Молекулярные массы взаимодействующих веществ:
Тогда
1000 → Х + Y.
2 · 18 → 2 · 2 + 32
Количество образующегося водорода:
Количество образующегося кислорода:
Уравнение скорости реакции. Для прямой реакции уравнение (11.1):
U1 = K1Am· Bm; (10.2)
для обратной реакции:
U2 = K2Dp; (10.3)
где K1, K2 – константы скорости прямой и обратной реакции; A, B,D – мольные концентрации (или парциальные давления) реагирующих компонентов в данный момент, т.е. величины, переменные во времени. Константа равновесия K вычисляется как отношение константы скорости прямой реакции к обратной при равновесии, т.е. при равенстве скоростей реакции или
K 1Am* · Bn* = K 2Dp*, (10.4)
откуда
где A*, B*, D* – концентрации или парциальные давления реагирующих компонентов в состоянии равновесия.
Определяющим фактором обеспечения эффективности химического процесса является возможность управления константами скорости прямой и обратной реакции K1 и K2. Это достигается применением эффективных катализаторов, температурных режимов, оптимального давления и др.
10.4. Управление обратимыми реакциями. Синтез аммиака (НХТП)
В основе процесса синтеза аммиака лежит обратимая каталитическая экзотермическая реакция, протекающая с уменьшением газового объема:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 +112кДж (Т=500°С, Р= 300 атм.)
Равновесие этой реакции в соответствии с принципом ЛеШателье может быть смещено вправо снижением температуры и повышением давления. Повышая давление и снижая температуру, равновесие можно сместить в сторону образования аммиака, что видно из табл. 10.3.
Таблица 10.3
Содержание NH3 в зависимости от давления и температуры
| Температура, °С | Содержание NH3 (в объемных процентах при различном давлении) | ||
| 100 | 300 | 1000 | |
| 200 | – |
89,94 | 98,29 |
| 300 | – |
70,96 | 92,55 |
| 400 | 25,12 | 47,00 | 79,82 |
| 500 | 10,6 | 26,44 | 57,47 |
Внимание! Авторские права на книгу "Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие" (Валитов Ш.М., Азимов Ю.И., Павлова В.А.) охраняются законодательством!
