清洁生产的理论基础教材

人类社会系统
一、系统论与系统工程
（5）开放系统
开放系统的分类（按反馈属性）：开环系统、闭环系统。
•反馈作用：系统输出影响系统输入的现象。 正反馈：输出增强原输入作用的反馈－放大、发散 负反馈：输出削弱原输入作用的反馈－缩小、收敛
开环系统的一般表示
闭环系统的一般表示
有反馈的，不论是正反馈还是负反馈，都是闭环系统，没有 反馈的是开环系统。
250/106×70%×3×150% ——
——
反应量/kmol -250/106×70% -250/106×70% ×3
250/106×70% 250/106×70% ×3
输出/kmol
（4）建立物料关系的平衡式
邻二甲苯
氧气
苯酐
水
输入/kmol 250/106
250/106×70%×3×150% ——
美国的国鸟白头海雕就曾受到DDT生物富集的影响。 1952年～1957年间，白头海雕的出生率在下降，研究表明，高浓度的 DDT会导致白头海雕的卵壳变软以致无法承受自身的重量而碎裂。 直到1972年11月31日美国环境保护署正式全面禁止使用DD料的反应量，对反应 物，取负号；对产物，取正号
若系统无物料积累， 处于稳定状态
二、质量守恒原理
（2）物料衡算基本程序
①识别问题的类型 ②绘制过程流程图
标注所有已知未知变量，分析物料运动的 方向、条件及数量。
二、质量守恒原理
（2）物料衡算基本程序
③选择计算基准 ④建立输入输出物料的表格 ⑤建立物料关系的平衡式 ⑥建立物料平衡图
系统
简单系统 复杂系统
小系统 ：中小型企业 大系统 巨系统
大系统 巨系统
一般复杂巨系统 特殊复杂巨系统（社会 系统）
一、系统论与系统工程
系统的分类二：
•系统与环境之间是否存在物质和能量的传递：
孤立系统：无物质和能量交换 封闭系统：只有能量交换，没有物质交换——地球（相对的） 开放系统：既有物质交换，也有能量交换——自然界系统、
清洁生产
第三章
清洁生产的理论基础
主要内容
系统论
——清洁生产的重要方法论
质量守恒定理
——物质流/能量流的分析调控
生态学理论
——产业系统与自然系统的协调
一、系统论与系统工程
1、什么是系统？
（1）系统的定义
➢ 由各要素组成的有机整体，而不是各部分的机械组合或 简单相加；每个要素在系统中都处于一定位置，起着特定作 用。要素之间相互关联，构成不可分割的有机整体。作为生 产产品的企业的一种组织体，它具有销售、设计、加工、交 货等综合功能，并有对其提供服务的研究开发功能。
采用的方法论。
•系统工程方法的七个步骤：
✓ 明确问题：调查、收集和整理资料 ✓ 系统指标设计：设计评价系统，评
价和比较各种方案 ✓ 系统方案综合：确定可行的一组方案 ✓ 系统分析：分析和评价方案的重要性
和优先次序 ✓ 系统选择：找出最佳方案或方案组合 ✓ 决策：选定行动方案 ✓ 实施计划：将方案付诸实施
一、系统论与系统工程
• 系统工程是按照系统科学的思想，运用控制论、信息论、
运筹学等理论，以信息技术为工具，用现代工程的方法去解决
和管理系统的技术。
•
一个系统，两个最优（目标最优、途径最优）
✓ 以“软”为主，“软”“硬”结合
✓ 跨学科多，综合性强
✓ 实践性与咨询性
一、系统论与系统工程
清洁生产的有效实施必须遵循系统原理和系统工程 方法，强调系统的整体性，优先考虑系统的整体功 能以及技术方法的最优化。 清洁生产的实施主体是作为生产单元的企业，但其 有效实施必须建立在企业、政府与公众良好的协调 关系上。
二、质量守恒原理
举例二：酿造车间的物料平衡图
二、质量守恒原理
1、 系统的物质守恒
（3）物质循环利用原理
二、质量守恒原理
A . 质量品质：物料能对过程所做贡献的性质，如纯度、浓 度、催化性能等。假设初始进入的物料具有最高的品质， 随着物料在过程中的转化、混拌和使用，品质逐渐降低， 直至降低到过程能够使用的品质低限。 物料根据其质量品质可以划分等级，以便对物料综合利用 进行深入考察。
例1：对邻二甲苯连续氧化制苯酐过程进行物料衡算。
已知数据：邻二甲苯的转化率为70%, 氧气的用量为理论量 的150%, 设邻二甲苯量为250 kg/h。
摩尔质量：邻二甲苯 106 g/mol 苯酐 148g/mol
二、质量守恒原理
例1：对邻二甲苯连续氧化制苯酐过程进行物料衡算。
已知数据：邻二甲苯的转化率为70%, 氧气的用量为理论量 的150%, 设邻二甲苯量为250 kg/h。
其他：减少不可逆损失，如通过设备和工艺路线的改进来 减少不可逆损失。 提高能量利用率，如设备与管道的 保温，降低排烟温度，减少摩擦损失。 发展节能工艺。
三、生态学理论
1、自然生态系统
自然生态系统：生物群落与无机环境构成的统一整 体。最大的生态系统是生物圈。 最复杂的生态系统是热带雨林系统。
生态系统的组成：
系统由要素的集合以及要素之间关系的集合所构成,缺一不可。 E、R可以划分成若干层次。
企E1业1、，技E术—人人员员子子集集E1E2 1、、管设理备人子员集子E2集、E原13材等料。子集E3、产品子集E4等。人员子集E1由工人子集
E=E1 U E2 U E3U---
E1 =E11 U E12 U E13U---
熵增法——耗损功方程式 可用能分析法——可用能方程式 对过程或装能量的转化、利用和 损失情况进行分析，找出能量损 失和损耗的基本原因，指出能量 利用上的薄弱环节以及进一步提 高能量有效利用率。
二、质量守恒原理
2、系统的能量守恒
（3） 节能的原则与措施
原则三：充分用能。（1）防止能的降质，如高压蒸汽不宜 节流降压使用，高温气体不应掺混降温使用。采用预热燃 料、加压燃烧、绝热燃烧等先进燃烧方式充分利用燃料能 源本身的品质。（2)全面利用，如对已降质能量，可采用再 热循环热泵，提高其品位利用。
能级=1：机械能、 电能、 水能、风能、光能、声能等. 能级<1：热能
二、质量守恒原理
2、系统的能量守恒
（2） 节能的热力学分析方法
二、质量守恒原理
2、系统的能量守恒
（2） 节能的热力学分析方法
能量衡算法——能量方程考虑了 各种形式的能量的情况下，建立 起体系的能量收支表，查明能量 损失的数量以及能量利用效率。
——贝塔朗菲
➢ 是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定
功能的有机整体。
——钱学森
一、系统论与系统工程
（2）系统的基本特征
•
系统是由若干元素组成
•
系统中的元素相互作用、相互依赖
•
系统作为一个整体具有特定的功能
一、系统论与系统工程
（3）系统的结构
S={E， R} S:system; E:elements; R:relations
生态系统的能量流动推动着各种物质：碳、氮、硫、磷，以及以DDT为代 表的，能长时间稳定存在的有毒物质等在生物群落与无机环境间循环。
碳 循 环
三、生态学理论
例：DDT
DDT：杀虫剂、农药，双对氯苯基三氯乙烷。脂溶性、难降解。
《寂静的春天》作者怀疑，DDT进入食物链，是导致 一些食肉和食鱼的鸟接近灭绝的主要原因。
生产者：主要指绿色植物。 消费者：主要指动物。食草 性动物、肉食动物 分解者：微生物 非生物环境：无生命的无机 物、有机物和自然因素（土 壤、空气、水、矿质）
三、生态学理论
自然生态系统的功能：
1）. 能量流动——能量输入、传递、转化和丧失的过程。
太阳能的固定
三、生态学理论
三、生态学理论
2）. 物质循环
二、质量守恒原理
2、系统的能量守恒
（1） 能量转换的基本原理
A 能量守恒与转换定律
系统蓄积的能量E
动能、势能、热力学 能（系统状态的函数）
能量
过程中系统和环境传 递的能量
功W、和热量Q（与 过程相关）
热力学第一定律：ΔE=Q+W
自然界一切物体都具有能量，能量有各种 不同形式，它能从一种形式转化为另一种 形式，从一个物体传递给另一个物体，在 转化和传递过程中能量的总和不变。
废弃物只是放错了位置的 资源，实现废物的利用， 则废物不废！
环 产品 境
废弃物 污
排放
染
二、质量守恒原理
1、 物质守恒
（1）物质守恒原理
物料衡算中的体系和环境示意图
体系：单元操作、过程的一部分或整体。 例：一个反应器、一个精馏塔、一个工厂 的一部分、一个工业园区等。
二、质量守恒原理
不涉及反应： 涉及反应：
能量是否利用， 利用的量是多 少，损失的能 量有多少？
二、质量守恒原理
2、系统的能量守恒
（1） 能量转换的基本原理
B 能量贬值原理
㶲Ex：有用能，即在给定的环境条件下，它可以连续地完全 转换为任何一种其他形式的能量。 能级：单位能量中所含㶲的多少， 表示能量品位的高低，即 能的品质系数。表征了能量质量(品质、品位)的优劣。
二、质量守恒原理
B. 清洁生产是通过废物最小化、循环以及再利用等实现物 料的最大利用率 。
•1）物料分级串联使用原则：物料完全可能按照 品质要求，分层次串联使用，提高原料的使用效 率，节省物料投入。 •2）最低品质使用原则：在满足工艺
✓要求的情况下，应尽可能使用低品 ✓质物料，降低对高品质物料的消耗。 ✓3）废物循环利用原则：废物的循环 ✓和综合利用
二、质量守恒原理
清洁生产和循环经济是 我国实施可持续发展 “瓶颈”的唯一选择。
二、质量守恒原理
清洁生产的核心