Тема №3
«ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
1.Общая характеристика промышленных технологических процессов и их классификация.
2.Механические и гидромеханические процессы в технологии.
3.Тепловые процессы в технологии и массообменные процессы в технологии.
4.Химические и биологические процессы в технологии.
Общая характеристика промышленных технологических процессов и их классификация
Как отмечалось ранее, технологический процесс, будучи основой любого производственного, является реализацией естественных (природных) процессов в рамках сложившейся производственной системы. Исходя из этого, любую производственную технологию можно рассматривать как естественный (природный) процесс, воспроизведенный в искусственных (т.е. созданных человеком) условиях производства. Такой подход позволяет дать общую классификацию технологических процессов, используемых в производстве, с точки зрения их естественной (природной) сущности и свести все многообразие технологических процессов в основные группы, особенностью каждой из которых будет способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе его целенаправленного преобразования в продукт труда.
Все многообразие процессов, используемых технологией, с точки зрения их естественной (природной) сущности можно условно разделить на четыре основные группы: физические, химические, биологические процессы и процессы мышления.
Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т.д.
Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений химической структуры исходных веществ не происходит (например, вода в форме льда, жидкости, пара имеет одну и ту же химическую формулу ‑ H2O, хотя свойства этих веществ значительно отличаются друг от друга).
Все физические процессы, используемые в технологии, в свою очередь, можно подразделить на следующие подгруппы:
• механические процессы;
• гидромеханические процессы;
• тепловые процессы;
• массообменные процессы.
Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры (формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств.
Биологические процессы связаны либо с использованием живых микроорганизмов с целью получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология), либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология).
Подробнее о биологических процессах ‑ в параграфе 4.4.
С помощью процессов мышления человек постигает не только окружающий мир, но и собственное «я». Без них невозможно существование важнейших областей человеческой деятельности ‑ науки, образования, культура.
Механические и гидромеханические процессы в технологии
Механические процессы связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии, которое сопряжено с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях.
Исходя из этого, выделяют следующие разновидности механических процессов:
• транспортные процессы;
• процессы формообразования и формоизменения твердых тел;
• процессы соединения твердых тел;
• процессы изменения размеров твердых тел;
• процессы сортировки, смешивания, дозирования.
Общим для всех этих разновидностей является механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции.
Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса и делятся на две большие группы:
• процессы непрерывного транспорта (ленточные, пластинчатые, винтовые транспортеры, элеваторы и т.д.);
• процессы дискретного транспорта (вагоны, вагонетки и т.д.).
Процессы формообразования и формоизменения твердых тел подразделяются на две большие группы:
• процессы, основанные на использовании методов пластической деформации (обработка давлением);
• процессы, основанные на механическом изменении формы, размеров твердых тел путем снятия поверхностного слоя с обрабатываемого материала (обработка резанием).
Обработка материалов давлением заготовок деталей машин ‑ один из наиболее распространенных и прогрессивных методов обработки, так как но сравнению с другими способами обеспечивает меньшие потери металла и увеличение его прочности, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, дает широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов. Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, керамических материалов, стекла, химических волокон, пластиков и др. Подробнее сущность процессов обработки металлов давлением будет рассмотрена в параграфе 7.2.
Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т.е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки.
Процесс резания осуществляется рабочими движениями. Главным рабочим движением называется то, при котором образуется стружка, вспомогательным (движением подачи) ‑ то, которое обеспечивает процесс резания на всей обрабатываемой поверхности.
Количественной характеристикой главного рабочего движения является скорость резания U, а вспомогательного ‑ подача S. Эти две величины, а также глубина резания t, равная толщине слоя материала, снимаемого с заготовки, входят в состав режимных параметров, т.е. определяют производительность и себестоимость обработки.
Подробнее сущность процессов обработки материалов резанием будет рассмотрена в параграфе 7.3.
Процессы, соединения твердых тел широко применяются в современном производстве. Строго говоря, по своей сути они не являются чистыми представителями механических процессов, так как в ходе их осуществления происходят более сложные физические (тепловые и диффузионные) и физико-химические явления, и в эту группу отнесены условно ‑ с точки зрения получаемого результата в сопоставлении с такими механическими процессами, как формообразование и формоизменение твердых тел.
В различных конструкциях изделий и сооружений используют подвижные и неподвижные соединения отдельных их частей и деталей, а также разъемные и неразъемные соединения.
К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей. Остальные относят к неразъемным соединениям, которые, в свою очередь, можно разделить на две группы. К первой относят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления. Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки. Их широко используют как при сборке, так и в заготовительном производстве.
Подробнее сущность процессов получения разъемных и неразъемных соединений будет рассмотрена в параграфе 7.4.
Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое).
В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких ‑ раздавливанием и истиранием.
Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении не наблюдается пылеобразование и облегчается транспортирование измельченных продуктов.
По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.
Процессы сортировки, смешивания и дозирования.
Сортировка (разделение) твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией. Существуют два основных способа классификации: 1) ситовая (грохочение) ‑ механическое разделение на ситах; 2) гидравлическая ‑ разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе. Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется воздушной сепарацией. Процессы гидравлической классификации и воздушной сепарации будут рассмотрены в группе гидромеханических процессов.
Классификация может иметь самостоятельное значение ‑ для приготовления готовых продуктов определенных сортов (сортировка) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей обработке.
Наиболее широко классификация используется совместно с процессами измельчения.
Основная часть аппаратов для грохочения (грохотов) ‑ рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников).
Под эффективностью классификации понимается отношение массы материала, прошедшего через сито (подрешетного продукта), к массе материала данной крупности, содержащегося в исходном продукте.
Эффективность классификации зависит от большого числа факторов, в том числе конструкции машины и свойств материала.
Смешивание ‑ это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Механизм действия процесса смешивания весьма сложен и зависит от большого количества факторов (главным образом ‑ от конструкции смесителя и режима его работы).
Теоретически в результате смешивания должна получиться такая смесь материала, что в любой ее точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы другого компонента в количествах, определяемых заданными соотношениями. Однако такое идеальное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается.
Смешивание осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для смешивания, называются смесителями.
К пневмосмесителям относятся аппараты, в которых смешивание осуществляется в слое псевдоожиженного газом (воздухом) зернистого материала. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью, малым временем смешения, отсутствием вращающихся частей, но требуют установки пылеулавливающих устройств.
Широко применяются вибросмесители, в которых необходимая циркуляция сыпучего материала достигается с помощью вибрации.
Процессы дозирования твердых материалов применяются в химической, пищевой промышленности, производстве строительных материалов и во многих других отраслях и осуществляются дозаторами. От точности дозирования во многом зависят качество продукции и рациональное расходование материала.
Дозирование материалов можно производить по объему и массе. Оборудование для объемного дозирования проще по устройству, чем весовые дозаторы, но точность его работы ниже, так как в этом случае сказывается влияние изменения плотности материала.
По режиму работы различают дозаторы циклического и непрерывного действия.
Весовые автоматические дозаторы являются наиболее совершенными, в результате их применения устраняется ручной труд, сокращается время дозирования, появляется возможность автоматизировать работу смежного технологического оборудования. Главным рабочим органом всех весовых дозаторов являются весовые механизмы, которые можно разделить на поворотные ирычажные.
Гидромеханические процессы. Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), ‑ так называемых неоднородных систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит.
Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы:
• процессы получения неоднородных систем;
• процессы разделения неоднородных систем;
• процессы транспортирования жидкостей и газов.
Неоднородными, или гетерогенными, системами называют системы, состоящие из двух и более фаз. Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным.
Механизм гетерогенных процессов сложен, так как представляет собой совокупность взаимосвязанных физико-химических, явлений и химических реакций или только физико-химических явлений. Увеличение движущей силы гетерогенного процесса достигается повышением концентрации реагирующих веществ, проведением процесса при оптимальных температурах, давлении и т.д., максимальным развитием межфазной поверхности, воздействием на гидродинамические условия процесса.
Процессы, основанные на взаимодействии газообразных ижидких фаз (г‑ж), широко используются в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Процессы с участием твердых и жидких фаз также служат основой многих производств.
Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды, или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсной фазы.
По физическому состоянию фаз различают следующие виды неоднородных систем: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.
Суспензии ‑ неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц суспензии условно делят на грубые (более 100 мкм), тонкие (0,5‑100 мкм) и мелкие (0,1‑0,5 мкм).
Эмульсии ‑ системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4‑0,5 мкм) или при добавлении стабилизаторов они становятся устойчивыми, и расслаивания долго не происходит.
Пены ‑ системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газожидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.
Пыли и дымы ‑ системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при давлении, смешивании, транспортировке твердых материалов и др.). Размеры частиц пыл ей ‑ 3‑70 мкм. Дымы возникают в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состояние, при этом образуются твердые, взвешенные в газе частицы размером 0,3‑5 мкм. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3‑5 мкм) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, именуемые аэрозолями.
Для получения неоднородных систем широко применяется перемешивание в жидких средах.
Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания.
Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью (газ, жидкость или твердое сыпучее вещество), различают два основных способа перемешивания: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки, а также с помощью сопел и насосов.
Для экономичного проведения процесса надо, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для получения заданного результата перемешивания.
Разделение неоднородных систем проводится с одной из следующих целей: 1) очистка жидкой или газовой фазы от примесей; 2) выделение ценных продуктов, диспергированных в жидкой или газовой фазе. Выбор метода разделения обусловлен главным образом размером частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкостью сплошной фазы.
Применяют четыре основных метода разделения ‑ отстаивание, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение.
Отстаивание ‑ осаждение, происходящее под действием силы тяжести. Отстаивание в основном применяется для предварительного грубого разделения. Его проводят в аппаратах, называемых отстойниками, или сгустителями.
Отстаивание является самым дешевым способом разделения, наиболее эффективным при разделении грубых суспензий и эмульсий.
Фильтрование ‑ процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкую (газообразную) среду, но задерживать взвешенные в ней твердые частицы.
Под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки жидкость проходит через ее поры, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка.
От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависят производительность фильтра и чистота получаемого фильтрата.
Число конструкций фильтровального оборудования велико. Наиболее распространены барабанный и ленточный вакуум-фильтры, карусельный фильтр, фильтровальные патроны.
Центрифугирование ‑ процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу ‑ фугат.
Процессы центрифугирования проводят в центрифугах. Основной конструкционный элемент любой центрифуги ‑ барабан (ротор) со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой.
Центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. В отстойных центрифугах (со сплошными стенками) производят разделения суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а устройства, в которых осуществляют этот процесс, ‑ сепараторами. Пример такого процесса ‑ отделение сливок от молока. В фильтрующих центрифугах (с проницаемыми стенками) разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, используя вместо разности давлений действие центробежной силы.
Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах, не имеющих вращающих частей, ‑ гидроциклонах. Их достоинствами являются высокая производительность, отсутствие движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостатки гидроциклонов ‑ быстрый износ корпуса, в силу чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка.
Транспортирование жидкостей и газов осуществляется в промышленности в основном по трубопроводам. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки и возможность автоматизации данного процесса. Различают магистральные и промышленные трубопроводы.
В систему трубопроводного транспорта входят: 1) трубопроводы; 2) резервуары-хранилища; 3) транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а газов ‑ компрессорами.
Насосы и компрессоры служат для создания перепада давления на концах трубопроводов, благодаря которому и происходит перемещение жидких и газообразных сред.
Для регулирования потоков жидкостей и газов на трубопроводах устанавливают так называемую трубопроводную арматуру: краны, вентили, задвижки.
В настоящее время широко распространено транспортирование сыпучих материалов с помощью движущегося потока воздуха. Такой вид транспортирования называют пневмотранспортом. Пневмотранспортирующие установки могут быть всасывающими (вакуум-транспорт) и нагнетательными (пневмотранспорт). Принципиальной разницы между ними нет, поскольку в обоих случаях движущей силой является разность давлений на входе и выходе из трубопровода, обеспечивающая нужную скорость воздушного потока. Таким образом перемещают пылевидные, порошкообразные, зернистые, мелкокусковые грузы: цемент, гипс, соду, мел, полиэтилен и т.д.
Широкое распространение пневмотранспорта, особенно на предприятиях по переработке пластмасс, строительных материалов, объясняется следующими причинами:
• возможностью перемещения материалов в горизонтальном, наклонном, вертикальном направлениях;
• герметичностью трубопроводов, отсутствием потерь транспортируемых материалов;
• сравнительной простотой конструкции и ее обслуживания и эксплуатации при незначительных занимаемых площадях;
• возможностью полной автоматизации процесса транспортирования и распределения материала по бункерам;
• возможностью совмещения транспортирования материала с его одновременной сушкой подогретым воздухом.