Особенности отраслевого производства как объекта организации

Лекция 36. Особенности отраслевого производства как объекта организации Отраслевые особенности химического производства Формирование и развитие технологических систем предприятий с непрерывным производством Виды тепло- и энергоресурсов, используемых в отрасли. Конкретные приемы и методы, позволяющие приблизить производство к безотходнму ресурсосберегающему производству: Отраслевые особенности химического производства Определение сущности химической технологии как науки и практики даёт А.М. Кутепов : « Химическая технология – наука о наиболее экономичных методах массовой химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления и средства производства» Химическое производство характеризуется законами естествознания и общими экономическими законами. Химическую инженерную науку (технологию химического производства) целесообразно рассматривать в трёх аспектах. 1. Анализ пути превращения сырья в готовый продукт (собственно химическая технология). В этом смысле химическая технология является общей теорией химического производства 2. Анализ работы типовых машин и аппаратов, которые используются в различных химических производствах (процессы и аппараты). 3. Анализ химического производства с экономической и социальной точек зрения. Например, в настоящее время является актуальным производство полиэтилена. Усилия: • инженеры по технологии органических веществ, которые выбирают из множества технологических решений только один метод, наиболее соответствующий заданным условиям; • инженеры-технологи по полимерным материалам находят наиболее подходящий метод полимеризации этилена; 1 • обе задачи касаются специалиста по химической аппаратуре (инженер-механик химического производства), который по выбранной технологической схеме должен рассчитать аппараты и вспомогательное оборудование; • инженер-экономист рассматривает всю технологическую схему изготовления полиэтилена и определяет оптимальное экономическое решение. В материальном производстве человек вступает во взаимодействие с природными материалами и в процессе труда видоизменяет их сообразно со своими потребностями. Эти видоизменения могут иметь различный характер в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, строительном деле или технике связи. Промышленность является ведущей отраслью материального производства. Готовый продукт получается в ходе переработки исходного вещества, то есть посредством изменения его формы, физических свойств, химического состава. Для химической промышленности характерно, что отличие готового продукта от исходного вещества (сырья) проявляется в результате химического изменения. Формирование и развитие технологических систем предприятий с непрерывным производством По способу организации технологические процессы делятся на дискретные (прерывистые или периодические) и непрерывные. Дискретный технологический процесс характеризуется чередованием рабочих и вспомогательных ходов с чётким разграничением их по времени реализации. Например, при металлообработке происходит установка детали в патрон станка (вспомогательный ход), подвод режущего инструмента (вспомогательный ход), обработка заготовки режущим инструментом ( рабочий ход), контроль ( вспомогательный ход) и т.д. 2 Такие технологические процессы чаще всего распространены в машиностроении, строительстве, добывающих отраслях промышленности. Непрерывные процессы отличаются тем, что они не имеют резко выраженного чередования рабочего и вспомогательных ходов. В них всегда можно выделить группу вспомогательных ходов, которые осуществляются одновременно с рабочими, и группу вспомогательных ходов, которые периодически повторяются во времени , в зависимости от результатов рабочего хода. Такие процессы характерны для химической промышленности. По кратности обработки сырья технологические процессы подразделяются на процессы с открытой ( разомкнутой схемой) и процессы с циркуляционной (замкнутой) схемой. В процессах с разомкнутой схемой сырьё подвергается однократной обработке. В процессах с замкнутой схемой сырье неоднократно возвращается в начальную стадию процесса для повторной обработки. Процессы с замкнутой схемой являются более совершенными, более экономичными и экологически безвредными, хотя они и отличаются большей сложностью. В общем виде непрерывный технологический процесс можно рассматривать как систему, имеющую входы и выходы: 3 Сырьё 1 Стадии (катализаторы, характеристики протекания процесса: тепловой режим, давление и т.п.) Сырьё 2 Сырьё 3 ГП 1 ПП1,ПП2, ПП3, ЦП. ГП2 Побочный продукт (ПП), Целевой продукт (ЦП) Сырье, материалы, топливо и энергия являются основой нормального функционирования предприятия и экономики для государства в целом. Материальные, в том числе сырьевые и топливно-энергетические, ресурсы занимают существенную долю в издержках производства и реализации промышленной продукции, поэтому их рациональное использование значительно снижает себестоимость единицы продукции, а следовательно, ее продажную цену и способствуют ее конкурентоспособности. Основные отрасли промышленности относятся к числу материалоемких отраслей. Под материалоемкостью понимается расход материальных ресурсов на производство единицы продукции или выполнение работ. В среднем затраты на сырье и материалы в общих затратах на производство продукции по химической и нефтехимической промышленности составляют около 70%. Поэтому снижение материалоемкости продукции - очень актуальная проблема, решение которой может привести к значительному снижению ее себестоимости. В химической промышленности по сравнению с другими отраслями это обстоятельство усугубляется тем , что один и тот же вид сырья может быть, с одной стороны ,получен различными способами и использован для 4 производства нескольких видов химической продукции различного назначения , например из бензола могут быть получены каучук , полистирол, капролактам, ядохимикаты и т.д., а с другой – продукт может быть получен из нескольких видов сырья, например для производства ацетилена могут быть использованы природный газ, газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, карбид кальция. Многие реакции приводят более чем к одному продукту в результате недостаточной селективности , например, оксид этилена с СО2 как нежелательным побочным продуктом. Если один продукт преобладает, этот продукт называют целевым, а другие побочными продуктами. Если никакой продукт не может быть целевым, то говорят о производстве нескольких продуктов. В этом случае полная себестоимость продукции отнесена к единице смеси продуктов, образующейся в процессе . Себестоимость продукции на единицу каждого компонента впоследствии может быть рассчитана на основе веса или топливной ценности или любой другой характеристики, соответствующей применению данного продукта. Стоимость единицы сырья и вспомогательных химикатов, растворителей и т.д., может быть достоверно получена только из предложений продавца. Для предварительных оценок пригодны цены, публикуемые в специализированных журналах, таких как European Chemical News, Chemical Marketing Reporter. Первый журнал публикует цены на основные химикаты на Северо-Западе Европы, второй обширные данные по ценам в США.( 2 ) Все материальные ресурсы, используемые в промышленности в качестве предметов труда, условно подразделяются на сырьевые и топливноэнергетические. Сырье- это предметы труда, на добычу и производство которых затрачен труд. Полезные ископаемые, находящиеся в недрах земли, не являются сырьем, а представляют собой происхождению сырье потенциальные ресурсы. По подразделяется на промышленное, сельскохозяйственное и природное. 5 Промышленное сырье в свою очередь делится на сырье добывающей промышленности минерального происхождения (нефть, природный газ, уголь, полиметаллические руды, горючие сланцы) и сырье обрабатывающей промышленности (горно-химической, коксохимической, цветной металлургии и т.д.) Сельскохозяйственное сырье бывает растительного (зерновые и технические культуры, древесина, лекарственные растения) и животного (жиры, шерсть, кожа, кости) происхождения. Природное сырье- это воздух и вода. Материалы- это предметы труда, которые прошли определенную промышленную переработку и вновь вступили в производство. Основные материалы- это предметы труда, из которых непосредственно изготавливается продукция. Вспомогательные материалы участвуют в процессе производства и присоединяются к основным для придания им определенных свойств, ускоряют процесс или обеспечивают работу орудий труда. Можно говорить о тождественности понятий «сырье» и «основные материалы», поскольку и то и другое составляет материальную основу будущего готового продукта. Полуфабрикаты – это предметы труда, прошедшие одну или несколько стадий обработки в одном цехе и требующие дальнейшей обработки для превращения в готовый продукт. Отходы – это остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, получаемые в процессе изготовления продукции и утратившие полностью или частично свои потребительские свойства. Основными источниками сырья для производства химической продукции являются: • Углеводородное сырье ( нефть и ее дистилляты, природный газ, попутный газ, газоконденсаты ); • Углехимическое сырье (кокс, коксовый газ, коксовые смолы); • Горно-химическое сырье (апатиты, фосфориты, бариты, плавиковый шпат, сера, калийные соли); • Сырье, получаемое из атмосферного воздуха (кислород,аргон,азот); 6 • Продукты сельскохозяйственного производства (животноводства и растениеводства); • Гидросферное сырье (вода- пресная и соленая); • Вторичное сырье ( отходы промышленного и сельскохозяйственного производства, бытовые отходы). Основные направления рационального использования сырья сводятся к выбору наиболее эффективных видов сырья, максимальному использованию местных видов сырья , комплексному использованию сырья , промышленной переработке неиспользованных побочных продуктов и отходов, снижению потерь при переработке.(1) Виды тепло- и энергоресурсов, используемых в отрасли. Современная промышленность является одним из крупнейших потребителей тепловой и электрической энергии. Предприятиями отраслей расходуется около 13% промышленного потребления энергии. Производства используют различные виды энергии. Производства используют различные виды энергии: электрическую,тепловую,световую Тепловая энергия . используется во всех химических производствах, поскольку температурный фактор определяет изменение скорости химических реакций, тепловой режим скорости химико-технологических процессов. Тепловая энергия необходима для нагревания, охлаждения, выпарки, сушки, перегонки, обжига, спекания, плавления и многих других операций в химических производствах; значительное количество тепловой энергии затрачивается для получения водяного пара. На предприятиях используется водяной пар с различными параметрами (давление в интервале 0,3-0,4 МПа; температура до 400 ºС), а также промышленная теплофикационная вода с температурой 150-170 ºС. Световая энергия используется в фотохимических процессах Электрическая энергия используется в химических производствах, основанных на электролизе (разложение и синтез), электротермии (для нагревания, плавления, возгонки), а также на электромагнитных явлениях (для дуговых и индукционных печей) Кроме того , электрическая энергия 7 используется для двигательных целей (вращающиеся, перемешивающие устройства). Удельный вес энергозатрат в промышленности колеблется от 2до 30% в зависимости от отрасли. Наиболее энергоемки производства азотной кислоты , соды, химических волокон, синтетического каучука, хлора и хлорорганических продуктов, пластмасс и синтетических смол. (1) Топливно-энергетические ресурсы подразделяются на группы: • Природные топливно-энергетические ресурсы: природное топливо (уголь, сланец, торф, нефть, природный газ); природная механическая энергия воды, ветра; атомная энергия; тепло природных источников (солнце, термальные воды, подземный пар); • Продукты переработки топлива( кокс, нефтепродукты ,искусственные газы, активированный уголь); • Вторичные энергетические ресурсы, получаемые в основных технологических процессах (топливные отходы, горючие и горячие газы, физическое тепло продуктов производства, теплота реакций в химических производствах). Экономия топливно-энергетических ресурсов в промышленности имеет огромное народнохозяйственное значение. Для достижения экономии в отрасли могут быть использованы следующие мероприятия: • Создание новых менее энергоемких технологических процессов; • Внедрение малостадийных процессов, применение катализаторов с более высокой активностью; • Совершенствование энергохозяйства путем внедрения прогрессивного энергетического оборудования, новых видов энергии ( энергии солнца, ветра), введение дополнительных устройств( приборов и средств автоматики, регулирующих расход энергоресурсов); • Энергохимическое использование топлива, т.е. использование топлива для получения тепловой энергии после извлечения наиболее дорогих и ценных оставляющих; 8 • Использование вторичных энергетических ресурсов – утилизация отходящих дымовых газов и теплоты нагревательных установок, теплоты экзотермических реакций, максимальное использование изоляционных и экранирующих устройств, повторное использование воды. Создание безотходных и малоотходных производств позволяет решать две взаимосвязанные задачи: экологическую и экономическую. Поэтому усилия ученых и инженеров должны быть направлены прежде всего на создание и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий . Такой подход будет определять путь интенсивного развития отрасли. Неотъемлемой особенностью прогресса промышленности является неуклонное повышение в химической степени комплексности переработки сырья. Более того, наблюдаемое во всех странах стремление сократить потребление природных ресурсов и увеличить степень использования вторичных материальных и энергетических ресурсов приводит к значительным изменениям структуры промышленного производства. Тем более, как показывает накопленный за последнее время мировой и отечественный опыт, 80% экономии материальных ресурсов связано с внедрением ресурсосберегающих технологий и лишь 20% с другими мероприятиями. Таким образом, если экономия самый дешевый и эффективный способ умножения ресурсов расширенного воспроизводства, то ресурсосберегающие технологии- главный инструмент этого способа. Более 50% экономии топливно-энергетических ресурсов в химической промышленности нашей страны можно получить за счет совершенствования технологических процессов, примерно 20%- путем полного использования вторичных энергетических ресурсов и около 25%- за счет организационнотехнических мероприятий Конкретные приемы и методы, позволяющие приблизить производство к безотходнму ресурсосберегающему производству: 1. Повышение уровня комплесного использования многокомпонентного сырья в значительной степени будет способствовать упразднению деления 9 продукции на основную (целевую) и побочную (нецелевую). Побочная продукция приобретает все свойства целевой продукции. Уже в настоящее время многие из выбрасываемых продуктов используются в существующих производствах основного органического и нефтехимического синтеза . Выбросы таких хим. В-в как углеводороды, оксиды углерода, азота, серы загрязняют биосферу. Вместе с тем эти вещества могут быть успешно применены в качестве сырья. Так, например, на основе СО можно получать муравьиную кислоту ( через формиаты), фосген ( при хлорировании СО), метан и метанол (при гидрировании СО), альдегиды, спирты и другие кислородосодержащие продукты (процесс оксосинтеза). На основе СО2 можно получать мочевину и карбамид (при взаимодействии с аммиаком), СО и серу ( при взаимодействии с сероуглеродом). Кроме того, может применяться как «сухой лед» в пищевой СО2 промышленности. На основе оксидов азота можно синтезировать азотную кислоту, а из нее получать нитропарафины (н-р, нитротолуол, тринитротолуол, нитробензол, анилин) и другие продукты. Практически все углеводороды могут быть использованы в качестве сырья при производстве различных продуктов основного органического и нефтехимического комплекса. 2.Создание малостадийных ( одностадийных) химических процессов. Сокращение химических стадий при получении из сырья целевых продуктов снижает , как правило, количество побочных продуктов. При этом также не только сокращаются расходы энергии, но и уменьшается число потоков, которые необходимо перерабатывать и энергию которых надо необходимо утилизировать. В конечном счете себестоимость продукта , полученного по методу с меньшим числом стадий , как правило, ниже. В этом случае необходимо проводить сравнение затрат на производство одного итого же продукта разными методами на базе одного итого же сырья. Это обусловлено тем, что затраты на сырье и материалы в общей сумме эксплуатационных затрат составляют в производствах основного органического и нефтехимического синтеза от 60 до 95%.Так, приведенные 10 затраты в производстве бутадиена и изопрена методом двухстадийного дегидрирования н-бутана и изопентана примем за 100%,а приведенные затраты при одностадийном дегидрировании н-бутана до бутадиена составят уже 77%. 3. Разработка методов получения продуктов из доступного и дешевого сырья. Замена ацетилена этиленом в производстве винилхлорида позволила снизить затраты на сырье с 80 до 65%. Замена пищевого сырья на непищевое ( в основном нефтяное) в производстве бутадиена. Такая замена позволила существенно уменьшить издержки производства, поскольку себестоимость бутадиена из синтетического спирта в 2 раза ниже себестоимости бутадиена из пищевого спирта, а удельные капиталовложения при производстве бутадиена из синтетического сырья ниже в 3 раза. 4. Разработка высокоэффективных процессов. Одним из основных принципов, позволяющих наиболее полно использовать сырье для получения целевых продуктов, является повышение селективности процессов Селективность процессов зависит прежде всего от катализатора, а также от условий проведения процесса: температуры,давления, концетрации реагентов,растворителя, времени пребывания реагентов в зоне реакции и других параметров, а также типа реактора. При этом выбор оптимальных параметров позволяет достигнуть максимальной селективности процесса. 5. Применение «сопряженных» методов. Наиболее ярким примером такого производства является «кумольный» метод получения фенола и ацетона. По данному методу из изопропилбензола одновременно получают два ценных продукта: фенол и ацетон. В этом случае себестоимость фенола значительно ниже, чем себестоимость фенола, полученного другими методами ( из каменноугольной смолы-1,8-3, из сланцев – в 4,5, из торфав 1,1 , из продуктов лесохимии – в 1,05 раза) Отметим , что качество фенолов, полученных из природного сырья, значительно ниже, чем синтетических. 11 Себестоимость «кумольного» ацетона в 2,5-3 раза ниже , чем его себестоимость при получении путем окисления изопропилового спирта. 6. Разработка процессов использования энергии с низким энергопотреблением. Полнота системы. Комплексное использование энергетических ресурсов в химико-технологических процессах- один из наиболее эффективных методов совершенствования производства, позволяющий ликвидировать или резко сократить выделение тепла в окружающую среду, достичь полного использования энергетического потенциала. В химической промышленности энергоемкие производственные процессы часто являются одновременно источниками вторичных энергетических ресурсов. К вторичным энергетическим ресурсам (ВЭР) относятся: горючие ( топливные) отходы химических производств, тепловые выбросы, возникающие как побочный результат экзотермических реакций или содержащиеся в отработанных материалах, в том числе в сбросных жидкостях и газах сравнительно низкой температуры ( низкотемпературные тепловые ВЭР), энергия избыточного давления и др. Использование вторичных ресурсов высокого энергетического потенциала не вызывает затруднений на разных стадиях самого технологического процесса, например, при подогреве исходного сырья и других потоков. Пар, получаемый кипятильниках в котлах- утилизаторах, ректификаионных колонн и может применяться в других теплообменных аппаратах. Труднее использовать вторичные ресурсы низкого энергетического потенциала. Но тем не менее это возможно. Так, водяной конденсат можно применять в котлах-утилизаторах, а его избыток и просто горячую водудля отопления предприятия и обогрева трубопроводов, заменяя ими водяной пар. Настоящее ресурсосбережение начинается с проектирования, когда оно уже на стадии проектов добывающих, перерабатывающих и финальных предприятий закладывается во все технологические операции по разведке, 12 оценке, добыче и переработке природного фактора на всех стадиях его движения к потребителю, а попадая на замыкающие производства- от конструктивных , технологических и эксплуатационных особенностей их использования. Таким образом, проектировщики на высоком уровне должны решать большой круг непростых, порой противоречивых по своим особенностям и последствиям задач экологического, экономического и социального характеров. 13