Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002
Тема 3. Технологии и технологические системы
3.3. Технологические системы
Технологическая
система (ТС)
– совокупность взаимосвязанных материальными, энергетическими и информационными
потоками аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность
операций для получения товарного продукта [2].
Элементами ТС являются
условно неделимые единицы – технологические аппараты, в которых осуществляется
целенаправленное протекание технологических процессов физической, химической и
биологической природы.
Между элементами ТС
имеется функциональная связь. Они взаимодействуют друг с другом и с окружающей
средой в виде материального, энергетического и информационного обмена.
Технологическая система
изображается в виде технологической схемы. В качестве примера на рис.
3.1 приведена упрощенная технологическая схема производства белково-витаминного
концентрата (БВК) из н-парафинов нефти[8].
Схема включает в себя ряд основных стадий производства, в которых происходит
последовательная переработка исходного сырья в целевой продукт.
Рис. 3.2. Упрощенная
технологическая схема производства белковой биомассы дрожжей из н-парафинов
нефти:
А — свежая вода; Б — воздух;
В — культуральная жидкость; Г — биологически
очищенная вода; Д – суспензия
микроорганизмов; Е — сгущенная биомасса; Ж — отработанный
газ;
I — подготовка засевной биомассы; II —
подготовка питательной минеральной среды, III — подготовка субстрата; IV —ферментация, V — сепарационное
сгущение; VI — термообработка н выпарка»; VII
— сушка; VIII — биохимическая очистка; IX —
стерилизация
Стадия подготовки засевной биомассы обеспечивает
подачу в производственные биореакторы необходимого количества посевного
материала — активной культуры микроорганизмов, выращенной в периодических или
непрерывно работающих инокуляторах. На стадии подготовки минеральной питательной
среды осуществляется растворение минеральных солей, фильтрация растворов и
доведение концентраций элементов в них до заданных соотношений. В качестве
минеральных источников питания используют сернокислые соли калия, магния,
железа, аммофос, сульфат аммония, а также микроэлементы — соли марганца, цинка,
железа и меди. Подготовка углеводородного субстрата (стадия III)
включает процессы подогрева, перемешивания жидких парафинов и их дозированной
подачи в производственные биореакторы.
Основной стадией биохимического производства
является IV — ферментация, представленная несколькими (в зависимости от
мощности производства) параллельно работающими биореакторами, в которых
осуществляется непрерывный процесс выращивания биомассы микроорганизмов в
условиях аэрации и перемешивания ферментационной среды. Отбираемая суспензия
микроорганизмов поступает на стадию сгущения V, где с помощью
сепараторов концентрируется (в одну или две стадии) и затем поступает на стадию
теплообработки и выпарки VI для дальнейшего концентрирования. Готовый
продукт — белковая биомасса микроорганизмов — получается на стадии сушки VII,
куда подается упаренная суспензия микроорганизмов. Одновременно с сушкой
может осуществляться гранулирование продукта в сушилках — грануляторах.
Культуральная жидкость или непосредственно, или после стадии биохимической
очистки VIII может повторно использоваться в процессе после
осуществления химической или тепловой стерилизации (стадия IX).
В представленной схеме наглядно видно многообразие
технологических элементов, их взаимосвязь и целенаправленное функционирование.
Так, из схемы ясно, что одна из основных стадий — стадия ферментации — будет работать эффективно лишь в том случае, если качественно функционируют стадии
подготовки сырья и засевной биомассы. В то же время работа стадии
ферментации во многом определяет работу
последующих стадий — сгущения, сушки,
очистки. Имеющиеся замкнутые циклы по жидкостным и газовым потокам
создают возможность обратного влияния на процессе ферментации процессов подготовки
сырья, сгущения и обработки биомассы. Использование, например, отработанной
культуральной жидкости на стадии ферментации представляется выгодным и
целесообразным с точки зрения минимизации потребления свежей воды.
Из рассмотренного примера следует, что анализ и
синтез оптимальной технологической схемы,
отвечающей высоким требованиям
современного производства, невозможен без рассмотрения работы системы в целом, без учета
взаимодействия элементов системы. Последнее возможно только при высокой степени
формализации функционирования системы с использованием количественных оценок.
При этом эффективность производства будет определяться как условиями
взаимодействия между элементами системы — технологическими аппаратами, так и
качеством функционирования самих аппаратов.
Условное графическое
изображение последовательности технологических стадий при получении продукта
называется блок – схемой.
Рассмотренная выше
технологическая схема производства БВК может быть представлена в виде следующей
блок-схемы (рис. 3.3):
Рис. 3.3. Блок-схема производства БВК
Современные технологические линии и производства, характеризующиеся сложной
многоуровневой структурой взаимосвязей эффектов физической, химической и
биологической природы, наличием прямых и обратных потоков между
технологическими аппаратами, могут рассматриваться как сложные кибернетические системы,
при изучении которых используется стратегия системного анализа. На этой основе
осуществляется синтез схем с применением
методов автоматизированного расчета и
оптимального проектирования ТС.
С позиций
системного анализа решаются задачи математического моделирования на ЭВМ, при этом
полная математическая модель системы может
быть представлена в виде
иерархической структурной модели, где на каждом уровне имеется описание своего класса явлений. Применение
такого подхода к изучению сложных ТС
позволяет целенаправленно использовать
и систематизировать исследования, получаемые в лабораторных, опытных и промышленных
условиях для разработки модели ТС в целом. Полученная таким образом
математическая модель используется затем
для оптимизации производства при его
функционировании, а также на стадии проектирования
производств
[8]
Лет 20- 30 тому назад БВК широко использовался
для откорма скота. Под девизом «Зачем выращивать корма – давайте получать их из
нефти», открывались все новые и новые заводы по производству БВК. Однако, скоро
стало ясно, что получаемый белково-витаминный концентрат не безвреден для людей
и животных, к тому же цены на нефть резко возросли и нефть стало выгодно
продавать за границу. Часть заводов были закрыты.
|