За властивостями сировини, які змінюються в процесі її перероблення. Класифікація технологічних процесів
Технологічні процеси класифікуються за:
- Властивостями сировини, які змінюються в процесі її перероблення;
- Агрегатним станом сировини;
- Тепловим ефектом;
- Напрямом руху сировинних і теплових потоків у агрегатах;
- Способом організації процесу;
- Кратністю оброблення сировини;
- Основними технологічними рушіями тощо.
Таке групування технологічних процесів дає можливість виявити їх характерні ознаки, загальні закономірності, переваги та недоліки, а також шляхи удосконалення.
За властивостями сировини, які змінюються в процесі її перероблення.
Сировина, з якої виготовляють продукцію має певні фізичні, механічні та хімічні властивості. Залежно від того, які властивості сировини змінюються внаслідок її перероблення на продукцію всі технологічні процеси поділяють на фізичні, механічні та хімічні. Такий поділ дещо умовний, оскільки не можна провести між ними чіткої межі. Проте такий поділ існує, оскільки полегшує вибір найефективнішого способу перероблення сировини на відповідну напів- або готову продукцію.
I. Фізичні та механічні технологічні процеси.
Фізико-механічними називають такі технологічні процеси, в ході яких змінюються лише форма та фізико-механічні властивості сировини.
На цих процесах ґрунтується добувна промисловість( за винятком деяких геотехнологічних способів добування корисних копалин), деревообробна промисловість, виготовлення з конструкційних матеріалів виробів литтям, тиском, різанням тощо. Ці процеси лежать в основі підготовлення сировини до перероблення, а також в основі розділення отриманої продукції на основу і побічну та відходи.
До фізико-механічних процесів належать подрібнення, тепло- та масо перенесення.
1. Подрібнення;
2. Теплоперенесення. Теплоперенесенням називають перенесення теплоти від більш нагрітого об’єкта до менш нагрітого.
Об’єктом може бути сировина або продукція.
Теплота переноситься за допомогою теплопровідності, конвекції та теплового випромінювання. Для проходження технологічного процесу сировину нагрівають
(водяною парою, пічними газами, електричним струмом тощо) або охолоджують, продукцію охолоджують.
3. Масоперенесення.Масоперенесенням називають перехід речовини з однієї фази в іншу.
Найчастіше масо перенесення відбувається між фазами: газовою та рідинною, газовою та твердою, твердою та рідинною, а також між двома рідинними. Перенесення маси з однієї фази в іншу відбувається за рахунок різниці концентрації речовин у цих фазах. Процес перенесення продовжується доти поки не встановиться рівновага на межі фаз. Кількість речовини, яка переходить з однієї фази в іншу, залежить від різниці концентрацій речовин у цих фазах, тривалості процесу тощо. Підвищити ефективність масо перенесення можна збільшенням поверхонь контактуючих фаз, швидкості потоку тощо.
До масо перенесення належать абсорбція, адсорбція, дистиляція та ректифікація, кристалізація, висушування, мембранізація.
а) Абсорбція. Абсорбцією називають процес вбирання газу або пари усім об’ємом речовини.
Наприклад, хлороводень (газ) вбирається водою (рідина) з утворенням соляної кислоти.
Абсорбції властива вибірковість (селективність), тобто кожна газова чи парова речовина поглинається певною рідиною
б) Адсорбція. Адсорбцією називають процес поглинання одного або кількох компонентів, що перебувають у газовій або рідинній фазі, поверхнею твердих речовин.
Тверду речовину, яка поглинає гази або рідини, називають адсорбентом.
Механізм поглинання ґрунтується на теорії заповнення пор. Роль адсорбентів виконують дуже пористі тверді речовини, такі як активоване вугілля, алюмогелі, іонообмінні смоли тощо.
У технології адсорбцію використовують для очищення та висушування рідин, газів, розділення сумішей рідин і газів, виділення летких розчинників, освітлення розчинів, очищення води тощо. Адсорбцію використовують у харчовій, хімічній, нафтовій та інших промисловостях.
в) Дистиляція. Дистиляцією називають розділення сумішей рідин на окремі складові частковим випаровуванням рідини з наступною конденсацією утвореної пари.
Якщо суміш рідин, які мають різну температуру кипіння нагріти до певної температури для часткового випаровування, а отриману пару конденсувати, то утворений конденсат матиме велику кількість рідини, що кипить за нижчою температурою, а залишок збагатиться тою, що кипить за вищої. Дистиляцією не можна отримати чисті речовини. Вони завжди будуть забруднені речовинами, які киплять за вищої температури.
Для отримання чистих речовин рідину багаторазово випаровують і утворену пару конденсують. Такий спосіб розділення рідин називають ректифікацією. Ректифікацію проводять в реакторах безперервної дії, які називають тарілковими ректифікаційними колонами.
Дистиляцію та ректифікацію використовують у нафтопереробній, спиртовій, фармацевтичній та інших промисловостях.
г) Кристалізація. Кристалізацією називають виділення твердої речовини у вигляді кристалів або кристалітів із розчинів чи розплавів.
Кристалізація починається з утворення центрів кристалізації, зародження яких залежить від температури розчину або розплаву,концентрації розчину, швидкості перемішування розчину або розплаву тощо. Чим більше зародиться центрів кристалізації, тим дрібнішими будуть кристали або кристаліти і навпаки. Великі кристали чи кристаліти отримують у разі повільного їх росту без перемішування розчину чи розплаву. За таких умов кристалізації продуктивність агрегатів невелика.
Для підвищення продуктивності кристалізаторів використовують охолодження, вакуумування тощо. Кристалізатори працюють періодично та безперервно. Кристалізатори безперервної дії продуктивніші, ніж периодичної.
Кристалізація лежить в основі виробництва мінеральних добрив, металів і сплавів, нанесення на поверхні виробів металевих покрить, отримання відливків тощо.
Кристалізацію використовують у харчовій, хімічній, фармацевтичній, металургійній та інших промисловостях.
д) Висушування. Висушуванням називають процес вилучення вологи з різних за агрегатним станом речовин.
Висушують гази, рідини та тверді речовини.
Висушування є природне і штучне.
Природне висушування відбувається під дією сонця, вітру, морозу.
Штучне висушування проводять відтисканням, пресуванням, адсорбцією, сублімацією тощо.
Найпоширенішим із цих способів є випаровування, при якому речовини нагрівають і волога випаровується. При випаровуванні витрачається велика кількість теплової енергії. Економічнішими способами є фільтрування та центрифугування. Кінцеве висушування проводять у сушарнях безперервної (тунельні, з «псевдокиплячим шаром» та ін.) та періодичної (шафи, камерні печі тощо) дії. Найчастіше застосовують сушарні, які працюють за принципом «псевдо киплячого шару».
Для поліпшення якості висушених речовин і збільшення продуктивності обладнання використовують вакуум, ультразвук, струми великої частоти, та інші допоміжні чинники.
Швидкість висушування визначають кількістю вологи, яка випаровується з одиниці поверхні висушуваних речовин за одиницю часу.
Швидкість висушування залежить від природи висушуваної речовини, розміру її частинок, вмісту вологи у ній, температури, тиску тощо.
Висушування застосовують у процесі виробництва цукру, паперу, будівельних матеріалів (цегли, цементу та ін.), мінеральних добрив та іншої продукції.
е) Мембранізація. Мембранізацією називають розділення сумішей (газів або рідин) на складові або вилучення з них окремих складових за допомогою мембран.
Мембрана здатна пропускати одну або кілька складових суміші, а для інших складових прохід закритий.
Масоперенос залежить від селективності мембрани та розміру пор у ній, а також від дії зовнішніх чинників: електричне та магнітне поле, ультразвук тощо. Немає універсальних мембран. Кожний компонент із суміші вилучається за допомогою певної мембрани. За допомогою мембран очищають питну воду, опріснюють морську воду, розділяють повітря на окремі складові: водень, кисень гелій тощо.
Мембрани використовують у мікробіології та медицині. У харчовій промисловості за допомогою мембран отримують якісний цукор, переробляють молоко з метою вилучення окремих складників молока тощо. У хімічній промисловості мембрани використовують для виробництва хлору, їдкого натру та водню з водного розчину хлориду натрію. Перспективним та ефективним є використання мембран для очищення газових викидів підприємств хімічної та інших промисловостей й атомних електростанцій від шкідливих речовин.
II. Хімічні технологічні процеси. Хімічними називають такі технологічні процеси, в ході яких змінюється хімічний склад і внутрішня будова речовини (сировини).
Ці зміни відбуваються внаслідок хімічних реакцій між складовими сировини. Внаслідок хімічних реакцій утворюються основна та побічна продукція, а також відходи. Утворення побічної продукції та відходів зумовлене наявністю у сировині домішок. Наприклад, у процесі виробництва чавуну відбуваються хімічні реакції між сполуками заліза та інших хімічних елементів, які є у залізній руді, з одного боку, і оксидом вуглецю (СО), воднем (Н2), розжареним коксом (С), і флюсом (СаСО3) – з іншого. Внаслідок цих реакцій утворюються чавун, шлак і домновий газ.
Хімічні процеси лежать в основі виробництва металів і сплавів (міді, алюмінію, чавуну, сталі, тощо), будівельних матеріалів (вапна, цементу, тощо), нових видів сировини, палива, конструкційних матеріалів та ін.
Оцінюючи швидкість взаємодії реагуючих речовин, враховують лише хімічні реакції, які впливають на якість і кількість основної продукції.
Хімічні реакції поділяють на оборотні і необоротні. Необоротні реакції на відміну від оборотних відбуваються лише в одному напрямі. Усі оборотні реакції прямують до рівноваги. За рівноваги швидкість прямої реакції дорівнює швидкості оборотної, а співвідношення між компонентами будуть незмінними доти, поки не зміняться зовнішні дії: теплота, тиск, концентрація компонентів. У разі зміни однієї з них рівновага порушиться і між реагуючими речовинами відновляться хімічні реакції, які триватимуть доти, поки не настане рівновага за нових умов. Напрям змін у хімічній системі, спричинений зміною зовнішніх дій, визначається принципом Ле-Шательє.
Згідно з принципом Ле-Шательє у системі, яку зовнішні дії вивели із стану рівноваги, відбуваються зміни, спрямовані на повернення системи до стану рівноваги.
Принцип Ле-Шательє дає змогу оцінити доцільність застосування зовнішньої дії для зрушення рівноваги у напрямі збільшення виходу основної продукції та поліпшення використання сировини. Для прикладу розглянемо оборотну реакцію, що лежить в основі виробництва амоніаку:
N2+3H2« 2NH3+Q
Ця реакція гомогенна і протікає з виділенням теплоти (+Q). Згідно з принципом Ле-Шательє, щоб змістити рівновагу вправо, тобто в напрямі виходу амоніаку, треба виконати такі дії:
ü Знизити температуру (охолоджувати), оскільки процес екзотермічний;
ü Підвищити тиск, оскільки у газовому середовищі процес відбувається із зменшенням об’єму (із 4-х молекул азотоводневої суміші утворюються дві молекули амоніаку);
ü Зменшити концентрацію амоніаку (безперервно виводити його із зони реакції);
ü Підвищити концентрацію компонентів сировини (азоту, водню), оскільки зростання концентрації одного з них збільшує ступінь перетворення іншого.
Отже, щоб змістити рівновагу вправо, треба підводити або відводити теплоту, змінювати тиск, збільшувати концентрацію реагуючих речовин, відводити із зони реакції утворену продукцію.
|