Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.2. Структура материальных потоков и критерий оптимальности технологической схемы производства УВНМ
В соответствие с постановкой задачи проектирования технологической схемы производства углеродных наноматериалов и базовой схемой представленной на рис. 4.1 выполнена декомпозиция второго уровня.
Выделены пять блоков, соответствующие стадиям: получения катализатора, подготовки исходных углеродсодержащих веществ, синтез УВНМ, утилизация газообразных продуктов пиролиза, обработка наноматериалов (очистка, измельчение, классификация, аттестация, и фасовка).
Материальные потоки, представленные на рис. 4.2 стрелками включают, следующие:
– материальный поток катализатора со стадии получения катализатора на стадию синтеза УВНМ;
– материальный поток углеродсодержащих веществ со стадии подготовки исходного сырья на стадию синтеза УВНМ;
– материальный поток со стадии синтеза УВНМ на стадию утилизации газообразных продуктов пиролиза;
– материальный поток со стадии синтеза на стадию обработка УВНМ.
Кратность материальных потоков находится в прямой взаимосвязи с параметрами процессов. Норма расхода катализатора определяется удельных выходом углерода по катализатору:
(4.1)
где Gk – расход катализатора; W – мощность проектируемого производства по УВНМ.
Рис. 4.1. Базовая технологическая схема получения УВНМ.
Элементы базовой технологической схемы:
1 –
исходные компоненты катализатора; 2 – смеситель; 3 – ультразвуковой
механоактиватор; 4 – аппарат пульсирующего горения (АПГ); 5 – циклон;
6 – печь; 7 – аппарат каталитической очитки газообразных продуктов
получения катализатора;8 – классификатор; 9 – гранулятор; 10 – дозатор
катализатора; 11 – реактор для получения УВНМ; 12 – устройство выгрузки
УВНМ; 13 – аппарат кислотной очистки УВНМ; 14 – аппарат ультразвуковой
очистки УВНМ; 15 – нейтрализатор очищающих агентов; 16 – сушка; 17 –
вакуумная печь; 18 – классификатор готового продукта; 19 – выпарной
аппарата с рубашкой и мешалкой; 20 – газгольдер;
21 – испаритель
сжиженных углеводородов; 22 – скруббер для извлечения тиолов; 23 –
адсорбционный демпфер; 24 – блок фильтров; 25 – смеситель газов; 26 –
емкость с жидкими углеводородами; 27 – нанос-дозатор жидких
углеводородов; 28 – испаритель жидких углеводородов; 29 – скруббер для
извлечения полиядерных ароматических углеводород; 30 – газовая горелка;
31 – аппарат утилизатор газообразных продуктов пиролиза;
32 – измельчитесь (аппарат вихревого слоя ферромагнитных частиц – АВС)
Норма расхода углеродсодержащих исходных веществ определяются степенью конверсии сырья на стадии синтеза УВНМ:
(4.2)
где сУВНМ – степень конверсии на стадии синтеза УВНМ.
Рис. 4.2. Второй уровень декомпозиции задачи проектирования производства УВНМ
Материальный поток от стадии синтеза УНВМ на стадию утилизации газообразных продуктов пиролиза также определяется степенью конверсии сырья на стадии синтеза УВНМ:
(4.3)
где Gp – расход газообразных продуктов пиролиза поступающих на стадию утилизации.
Проведенный обзор [252–256], показал, что в теории принятие решения не существует общей методики выбора критерия оптимальности. В тоже время от обоснованности выбора данного критерия зависит успех поиска оптимального критерия.
В качестве глобального и локальных критерием оптимальности был выбран экономический критерий – себестоимость продукции. Так как, по мнению автора, данный критерий является единственно применимым при разработке промышленного производства в реалиях общества потребления. Таким образом, глобальный критерий оптимальности собирается как совокупность локальных с учетом норм расхода и соотношения материальных потоков. Глобальный и локальные критерии оптимальности имеют следующий вид:
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)
(4.8)
где Сk, 
,
CCNT, Cy, Cоч ? себестоимости получения единицы массы катализатора,
подготовки единицы массы углеродсодержащего сырья; синтеза единицы массы
УВНМ, утилизации единицы массы газообразных продуктов пиролиза, очистка
единицы массы наноматериалов, соответственно; 
? цена реактивов прошедших рециркуляцию для стадий получения
катализатора и подготовки углеродсодержащего сырья, соответственно; 
? цена реактивов для стадий получения катализатора и подготовки
углеродсодержащего сырья, очистки УВНМ, утилизации газообразных
продуктов пиролиза, соответственно; k1, 2 – доля использования реактивов
прошедших рециркуляцию получения катализатора и подготовки
углеродсодержащего сырья, соответственно; N – нормы расхода веществ;
Kз
? капитальные затраты на аппаратурное оформление стадий для стадий
получения катализатора и подготовки углеродсодержащего сырья, очистки
УВНМ, утилизации газообразных продуктов пиролиза; τэ – срок эксплуатации
технологической схемы производства УВНМ (необходимо учитывать не только
физическое старение, но и моральное); 
–
цена энергоносители, текущий ремонт, запасные части для стадий
получения катализатора и подготовки углеродсодержащего сырья, очистки
УВНМ, утилизации газообразных продуктов пиролиза; З – норма заработной
платы; сту– степень превращения газообразных продуктов пиролиза
в технический углерод; 
– цена на технический углерод и водород, соответственно.
Следовательно, общая себестоимость получения УВНМ будет складываться из себестоимости синтеза УВНМ, их очистки и утилизации газообразных продуктов пиролиза (себестоимости получения катализатора и подготовки углеродсодержащих веществ уже включены в себестоимость синтеза):
(4.9)