Тема 3. Роль фізичних і фізико-хімічних процесів у промисловому виробництві

Питання до вивчення

3.1. Загальні поняття про технологічні процеси та принципи їх класифікації.

3.2. Матеріальні та енергетичні баланси в технологічному процесі.

3.3. Енергетичне господарство підприємства.

3.1. Загальні поняття про технологічні процеси та принципи їх класифікації

В основу будь-якого промислового виробництва покладено технологічний процес як сукупність операцій з отримання та переробки сировини в напівфабрикати або готову продукцію. Кожний технологічний процес складається з типових техно­логічних ланок або операцій і зображується у вигляді тех­нологічної схеми: це послідовний опис операцій, які проходять у відповідних апаратах, машинах або обладнанні.

В основі різних засобів переробки сировини лежать фізичні, механічні та хімічні процеси. Так, використання фізичних і механічних процесів для переробки сировини характеризується зміною зовнішньої форми та фізичних властивостей. При цьому внутрішня будова і склад речовини, як правило, залишаються незмінними. Основну групу механічних процесів становлять процеси переробки металевих і неметалевих матеріалів у вироби. До них відносять процеси формоутворення за допомо­гою лиття та пластичної деформації, виготовлення нерознімних з'єднань зварюванням, паянням, клепанням, обробки конст­рукційних матеріалів різанням, механоскладальні процеси та інші. Наприклад, із деревини виготовляють меблі, із металів штампуванням, різанням, литтям, зварюванням та іншими

методами обробки - різні деталі машин і апаратів; із суміші цементу та волокнистих відходів азбесту - шифер, водопровідні труби, облицювальний кахель і різні азбестоцементні невід-палені будівельні вироби.

Хімічні процеси характеризуються зміною не тільки фізичних властивостей, але й агрегатного стану, хімічного складу і внутрішньої будови речовини. Наприклад, хімічною переробкою природного газу із метану одержують водень, етилен, ацетилен, метиловий спирт та інші продукти; гідролізом деревини - скипидар, дьоготь, камфору, ванілін, спирти, каніфоль.

У технології промислового виробництва термін "хімічні процеси" слід розуміти в широкому значенні. Хіміко-технологічні процеси є основою виробництва багатьох будівельних матеріалів, металів і харчових продуктів, використовуються в технології машинобудування, виробництві радіоелектронної апаратури, вимірювальної техніки, виробів легкої промисловості.

Розподіл процесів переробки сировини на фізичні, меха­нічні та хімічні є умовним через неможливість проведення чіткої межі між ними. Так, наприклад, зміна форми і зовнішнього вигляду матеріалу супроводжується хімічними процесами (електроерозійна обробка поверхні, лиття у форму), а хімічні процеси майже в усіх виробництвах супроводжуються меха­нічними. Розподіл процесів на фізичні, хімічні та механічні сприяє оптимізації процесів промислового виробництва і полегшує вибір ефективного способу переробки сировини. Такий вибір залежить від багатьох факторів: доступності сировини, виду енергії, яка використовується, ступеня складності апаратурного забезпечення, витрат на виробничі будівлі, споруди, обладнання, його монтаж і експлуатацію, а також якості і собівартості готової продукції.

Класифікація основних процесів промислового вироб­ництва може бути зроблена на основі різних ознак: способу організації технологічних процесів, виду сировини, яка використовується, способів і кратності обробки тощо.

За способом організації технологічні процеси поділяють на:

• періодичні;

• безперервні;

• комбіновані (напівбезперервні).

Періодичні процеси (наприклад, виплавка сталі, лиття в форму та інші) проводяться на обладнанні, яке завантажується початковими матеріалами через визначені проміжки часу; після їх обробки отриманий продукт вивантажується. Основним недоліком таких процесів є те, що під час завантаження сировини та вивантаження готового продукту обладнання простоює або працює не на повну силу. Це призводить до втрати робочого часу та великих затрат праці. Крім того, непостійність технологічного режиму напочатку і наприкінці процесу ускладнює обслуговування та автоматизацію і спричиняє продовження тривалості продуктивного циклу. Усі ці причини роблять доцільним заміну періодичних процесів на безперервні.

Безперервні процеси (наприклад, розлив сталі, переробка нафти, виробництво цементу) здійснюються в апаратах, де подачу сировини і вивантаження кінцевих продуктів проводять безперервно. Проте всі стадії процесу можуть відбуватися одночасно як у різних частинах апарата (наприклад, перегонка нафти в ректифікаційній колоні), так і в різних апаратах, які входять до складу даної установки (наприклад, виробництво цементу).

Комбіновані процеси є поєднанням стадій періодичних і безперервних процесів (наприклад, поточні лінії механічної обробки деталей, коксування, робота доменної печі).

Порівняно з комбінованими та періодичними процесами безперервні відрізняються відсутністю простоїв обладнання та перерв у випуску кінцевих продуктів, можливістю повної автоматизації .і механізації, стійкістю технологічного режиму і відповідно більшою стабільністю якості готової продукції. Більша компактність обладнання забезпечує менші капіта­ловкладення та експлуатаційні витрати на ремонт і обслу­говування, зменшує витрати робочої сили, збільшує про-

дуктивність праці. Через це основною тенденцією промислового виробництва є заміна періодичних процесів безперервними.

Нині періодичні процеси зберігають своє значення, головним чином, на виробництвах відносно невеликого масштабу (у тому числі дослідних) з різноманітним асорти­ментом продукції. Там застосування зазначених процесів дозволяє досягти більшої гнучкості у використанні обладнання при менших затратах.

За кратністю обробки сировини розрізняють:

• процеси з відкритою схемою, в якій сировина або матеріал підлягає одноразовій обробці;

• процеси із замкнутою (циклічною) схемою, в якій сировина або допоміжний матеріал неодноразово повертаються на початкову стадію процесу для подальшої обробки, а іноді для регенерації (відновлення втрачених властивостей);

• комбіновані (зі змішаною схемою).

Прикладом процесу із відкритою схемою є конверторний спосіб отримання сталі. Прикладом процесу із замкнутою схемою може бути циркуляція спеціальної рідкої суміші для охолодження інструмента токарного верстата при швидкісній механічній обробці металів різанням. У такій замкнутій схемі рідина, яка охолоджує, постійно циркулює між бачком, різцем, збірником для рідини і насосом для її перекачування в бачок. Іншим прикладом процесу із замкнутим циклом може бути хімічна переробка нафтових фракцій, де для безперервного відновлення активності каталізатора останній постійно циркулює між реакційною зоною крекінга та піччю для гартування і випалювання вуглецю з його поверхні.

Процеси із замкнутою схемою більш компактні, ніж процеси із розімкнутою схемою, потребують меншої витрати сировини, допоміжних матеріалів та енергії на транспортування реагентів. Циклічні (із замкнутою схемою) процеси широко вико­ристовуються в багатьох виробництвах для багаторазового повного або часткового повернення теплових або матеріальних потоків на початкову стадію процесу. Це дозволяє раціонально та ощадливо витрачати енергію, сировину, матеріали та водні ресурси, отримувати продукцію вищої якості.

Найбільш досконалі технологічні процеси - процеси із замкнутою схемою, які є основою створення безвідходних енергозберігаючих виробництв.

У промисловості часто застосовують комбіновані процеси (із змішаною схемою), які є поєднанням процесів з відкритою та закритою схемами (наприклад, виробництво сірчаної кислоти нітрозним способом). У таких процесах одні проміжні продукти (оксид сірки) оброблюються за відкритою схемою, проходячи послідовно ряд апаратів, а інші (оксиди азоту) - циркулюють по замкнутій схемі.