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:

1. способу організації технологічних процесів,

2. виду сировини, яка використовується,

3. 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 продуктивність 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.

2. МАТЕРІАЛЬНІ ТА ЕНЕРГЕТИЧНІ БАЛАНСИ В ТЕХНОЛОГІЧНОМУ ПРОЦЕСІ

Під технологічним балансом розуміють результати роз­рахунків, наведені у вигляді порівнянь, таблиць або діаграм, які відображають кількість введених і отриманих у виробничому процесі матеріалів та енергії (її надходження і витрати).

В основі складання матеріальних і енергетичних балансів лежать закони збереження матерії та енергії. У кожному матеріальному балансі кількість введених у виробничий процес матеріалів має дорівнювати кількості отриманих основних та проміжних продуктів і відходів виробництва. Так само мають бути однаковими кількість введеної теплової та електричної енергії і кількість виведеної з продуктами і відходами енергії. При складанні технологічних балансів користуються стехіо­метричними та термохімічними розрахунками, а в ряді випадків - і іншими фізичними і фізико-хімічними закономірностями.

Матеріальні та енергетичні баланси мають велике значення для аналізу ефективного здійснення виробничого процесу. За їх допомогою встановлюють фактичний вихід продукції, коефіцієнти корисного використання енергії, витрат і втрат сировини, палива та інших матеріалів. За цифровими даними технологічних балансів приймаються організаційні і технічні рішення щодо вдосконалення роботи обладнання, максимального використання, утилізації або регенерації матеріальних та енергетичних ресурсів. Баланси дуже важливі для складання раціональних схем технологічного процесу і встановлення оптимальних потужностей та продуктивності обладнання. Дані технологічні баланси і висновки з їх аналізу широко використо­вуються технологами та економістами при проектуванні нових підприємств, а також для поліпшення роботи вже існуючих.

Складання технологічних балансів проводиться у дві стадії. Спочатку складають матеріальний, а потім на його основі - енергетичний (або тепловий) баланс. Матеріальний баланс є кількісним вираженням закону збереження маси і стосовно окремих стадій виробництва означає, що маса речовин, які надходять до технологічної операції (надходження), дорівнює масі отриманих речовин (вихід).

Матеріальний баланс складається за рівнянням із сумарної хімічної реакції з урахуванням паралельних і побічних реакцій. Побічні реакції часто є наслідком присутності домішок у вихідній сировині. Тому в балансах доводиться зіставляти масу основних компонентів і домішок з масою відходів виробництва, основних і побічних продуктів.

У більшості випадків визначення маси речовини прово­диться окремо для твердої, рідкої та газоподібної фаз за рівнянням

На практиці у реакціях не завжди беруть участь усі три фази (тверда, рідка та газоподібна). Крім того, залишається та частина продуктів, яка не прореагувала. У цьому випадку рівняння матеріального балансу записується у вигляді:

де МА, Мв - маси речовин, які ввели у виробничий процес або в одну з його стадій;

Мс, Мд - маси продуктів, які отримали в результаті взаємодії;

МДА, М в - маси вихідних речовин, які не прореагували;

МДЕ, МДf - маса побічних продуктів реакції;

Мn - маси продуктів і відходів.

Рівняння матеріального балансу складається в перерахунку на одиницю готової продукції, на одиницю маси сировини або одиницю часу.

Для складання матеріального балансу необхідно знати хімічний склад, деякі фізичні та фізико-хімічні властивості вихідної сировини, відходів, основних і побічних продуктів. Після проведення стехіометричних розрахунків, для яких використовуються дані техніко-хімічної та матеріальної звітності виробництва, результати обчислень заносяться до таблиці, яка складається з двох частин: вихідної та витраченої. В кожній із них усі статті балансу наводяться не тільки у вагових або об'ємних одиницях, але й у процентах до загального прибутку або витрат. Наприклад, у табл. 3.1 наводиться матеріальний баланс печі випалу колчедану (FеS2).

За цими даними можна розрахувати витрати сировини для отримання одиниці основного або проміжного продукту, визначити фактичний вихід продукту.

Тепловий баланс (енергетичний) є кількісним виражен­ням закону збереження енергії. Стосовно теплових процесів хімічної переробки цей закон формулюється так: кількість теплової енергії, яка надійшла в зону взаємодії речовин, дорівнює кількості енергії, яку виведено речовинами із цієї зони.

Надходження і витрати теплоти можна виразити рівнянням загального вигляду

де (Qф - фізична теплота, яку ввели до процесу з вихідними речовинами;

Qе - теплота екзотермічних і фізичних переходів з одного агрегатного стану в інший (наприклад, плавлення, випаро­вування, конденсація, розчинення, кристалізація), якщо тепловий ефект взаємодії негативний, то величину Qe розміщу­ють у витратній частині балансу;

Qв - теплота, яку ввели до процесу зовні (наприклад, з горючими газами, паливом, водою, яка нагрівалася тощо) і яка не брала участі в хімічних реакціях;

Qф' - фізична теплота, яку виведено з процесу разом з продуктами реакції;

Qn' - витрати теплоти в навколишнє середовище.

Доданки теплового балансу розраховуються за загально­відомими формулами. Так, фізичну теплоту (X, яку ввели з вихідними речовинами або вивели з продуктами реакції, обчислюють за виразом

де М - маса вихідної речовини;

с - середня теплоємність речовин при температурі їх надходження;

і - температура вихідних речовин.

Теплота екзотермічних реакцій і фізичних переходів речовин із одного агрегатного стану в інший береться з експериментальних даних або визначається термохімічним розрахунком за законом Гесса.

Витрати теплоти в навколишнє середовище Qn, які зумов­люються теплопровідністю зовнішніх стінок апарата, випро­мінюванням і конвекцією, обчислюють за основними розрахун­ковими залежностями теплопередачі або беруть на основі практичних даних. Якщо це неможливо, то теплові витрати визначають за різницею між сумою надходження та витратами.

Тепловий баланс складається на основі матеріального балансу, розраховується (в кДж) та оформлюється у вигляді таблиці. Для ілюстрації в табл. 3.2 наведено результати обчислення теплового балансу печі випалу колчедану.