§ 1.3. Понятие о технологических процессах: принципы их классификации

В основе любого промышленного производства ле­жит технологический процесс, под которым понимают совокупность операций по добыче и переработке сырья в полуфабрикаты или готовую продукцию. Каждый тех­нологический процесс может быть расчленен на опреде­ленное число типовых технологических звеньев или опе­раций и представлен в виде технологической схемы. В технологической схеме способ производства излагается в форме последовательного описания операций, проте­кающих в соответствующих аппаратах, машинах или ином оборудовании.

В основе разнообразных способов переработки сырья лежат физические, механические и химические процессы, различающиеся между собой характером качественных изменений и превращений вещества. Так, использование физических и механических процессов для переработки сырья характеризуется изменением внешней формы и физических свойств. При этом внутреннее строение и состав вещества, как правило, остаются неиз­менными. Главную группу механических процессов со­ставляют процессы переработки металлических и неме­таллических материалов в изделия. К ним относятся процессы формообразования литьем и пластической де­формацией, изготовление неразъемных соединений свар­кой, пайкой, клепкой, обработка конструкционных мате­риалов резанием, механосборочные процессы и др. Например, из древесины изготовляют мебель, из метал­лов штамповкой, резанием, литьем, сваркой, ковкой и другими методами обработки — всевозможные детали машин и аппаратов; из смеси цемента и волокнистых от­ходов асбеста - шифер, водопроводные трубы, облицовочные плиты и различные асбестоцементые безобжи­говые строительные изделия.

Химические процессы в отличие от физических и ме­ханических характеризуются изменением не только физи­ческих свойств, но и агрегатного состояния, химического состава и внутреннего строения вещества. Например, хи­мической переработкой природного газа из метана полу­чают водород, этилен, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты; гидролизом древесины — скипидар, деготь, камформу, ванилин, спирты, канифоль.

Химические процессы лежат в основе жизнедеятельности всех живых организмов. В технологии промышленного производства термин «химические процессы» следует понимать в широком смысле и не отождествлять с про­изводством только химических веществ. Химико-техно-логические процессы являются основой производства многих строительных материалов, металлов и пищевых продуктов, используются в технологии машиностроения, производстве радиоэлектронной аппаратуры, измерительной техники, изделий легкой промышленности.

Однако деление процессов переработки сырья на физические, механические и химические является иногда условным из-за невозможности проведения четкой границы между ними. Так, например, изменение формы и внешнего вида материала сопровождается химическими процессами (электроэрозионная обработка поверхностей, литье в форму), а химические процессы почти во всех производствах сопровождаются механическими. Но несмотря на условность подобной классификации, деление процессов на физические, химические и механические способствует типизации процессов промышленного производства и облегчает выбор наиболее эффективного способа переработки сырья. Такой выбор зависит от многих факторов: доступности сырья, вида используемой энергии, степени сложности аппаратурного оформления, затратами на производственные здания, сооружения, оборудование, их монтаж и эксплуатацию, а также качества и себестоимости готовой продукции.

Классификация основных процессов промышленного производства может быть произведена на основе раз­личных признаков: способа организации технологических процессов, вида используемого сырья, способов и кратности его обработки и т. д.

Целью такой классификации является выявление ха­рактерных черт, общих закономерностей, основных достоинств, недостатков и путей совершенствования меж­отраслевых процессов, группируемых по организа­ционным, сырьевым и технологическим признакам.

По способу организации технологические процессы делятся на периодические, непрерывные и ком­бинированные (полунепрерывные).

Периодические процессы (например, выплавка стали, литье в форму и др.) проводятся на оборудовании, которое загружается исходными материалами через опреде­ленные промежутки времени; после их обработки полу­ченный продукт выгружается. Основным недостатком та­ких процессов является то, что во время загрузки сырья и выгрузки продукта оборудование не работает (простаи­вает) или работает не в полную мощность. Это приводит к потерям рабочего времени и большим затратам труда. Кроме того, непостоянство технологического режима в начале и конце процесса усложняет обслуживание, за­трудняет автоматизацию и приводит к удлинению про­должительности производительного цикла. Все эти при­чины и побуждают заменять периодические процессы непрерывными.

Непрерывные процессы (например, разливка стали, переработка нефти, производство цемента) осущест­вляются в аппаратах, где поступление сырья и выгрузка конечных продуктов производятся непрерывно. Однако все стадии процесса могут протекать одновременно как в различных частях аппарата (например, перегонка нефти в ректификационной колонне), так и в различных аппара­тах, составляющих данную установку (например, про­изводство цемента).

Комбинированные процессы являются сочетанием ста­дий периодических и непрерывных процессов (например, поточные линии механической обработки деталей, коксо­вание углей, работа доменной печи).

По сравнению с комбинированными и периодически­ми процессами непрерывные отличаются отсутствием простоев оборудования, перерывов в выпуске конечных продуктов, возможностью полной автоматизации и меха­низации, устойчивостью технологического режима и со­ответственно большей стабильностью качества готовой продукции. Большая компактность оборудования обеспе­чивает меньшие капитальные затраты и эксплуата­ционные расходы на ремонт и обслуживание, уменьшает потребность в рабочей силе, увеличивает производитель­ность труда, позволяет полнее использовать отходящую теплоту. По этим причинам основной тенденцией промышленного производства является замена периодических процессов непрерывными.

Сейчас периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в производствах относительно небольшого масштаба (в том числе опытных) с разнообразным ассортиментом продукции. Там применение указанных процессов позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших затратах.

По кратности обработки сырья различают: процессы с разомкнутой (открытой) схемой, в которой сырье или материал подвергается однократной обработке; процессы с замкнутой (круговой, циркуляционной или циклической) схемой, в которой сырье или вспомогательные материалы неоднократно возвращаются в начальную стадию процесса для повторной обработки иногда и регенерации (восстановление потерянных свойств); комбинированные (со смешанной схемой).

Примером процесса с разомкнутой (открытой) схемой является конвертерный способ получения стали. Примером процесса с замкнутой схемой может служить циркуляция специальной жидкой смеси для охлаждения резца токарного станка при скоростной механической обработке металлов резанием. В такой замкнутой схеме охлаждающая жидкость постоянно циркулирует между бачком, резцом, сборником для жидкости и насосом для ее перекачивания в бачок. Другим примером процеесса с замкнутым циклом может быть химическая переработка нефтяных фракций, где для непрерывного восстановления активности катализатора последний постоянно циркулирует между реакционной зоной крекинга и прокалочной печью для выжигания углерода с его поверхности.

Процессы с замкнутой схемой более компактны, чем процессы с разомкнутой схемой, требуют по сравнению с ними меньшего расхода сырья, вспомогательные материалов и энергии на транспортировку реагентов.

Циклические (с замкнутой схемой) процессы широко используются во многих производствах для многократного полного или частичного возвращения тепловых или материальных потоков в начальную стадию процесса. Это позволяет рационально и экономно расходовать энергию, сырье, материалы и водные ресурсы, получать продукцию высокого качества.

Наиболее совершенные технологические процессы— процессы с замкнутой схемой — являются основой созда­ния безотходных, энергосберегающих производств.

В промышленности часто применяют комбиниро­ванные процессы (со смешанной схемой), являющиеся со­четанием процессов с открытой и закрытой схемой (на­пример, производство серной кислоты нитрозным спосо­бом). В таких процессах одни промежуточные продукты (оксиды серы) обрабатываются по открытой схеме, про­ходя последовательно ряд аппаратов, а другие (оксиды азота) — циркулируют по замкнутой схеме.