БарГУ.by » Учебные материалы » Лекции » Производственные технологии » Закономерности функционирования технологических процессов

Закономерности функционирования технологических процессов

Закономерности функционирования технологических процессов

1. Общие принципы классификации технологических процессов
2. Физические процессы в технологии
3. Химические процессы в технологии
4. Биологические процессы в технологии

 

Вы не можете скачивать файлы с нашего сервера

1.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 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.
Естественный процесс — это последовательные и закономерные изменения в системе (продукте, материале), приводящие к возникновению в ней новых свойств. Ряд приемов, проводимых для получения из исходного сырья продукта с заранее заданными свойствами, называют технологическим процессом.
Все многообразие технологических процессов, используемых в производственной деятельности с точки зрения их естественной (природной) сущности, можно свести условно в три основные группы: физические и механические процессы, используемые в технологии; химические процессы, используемые в технологии; биологические процессы, используемые в технологии. Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т. д.
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 и изделий.
Все многообразие физических процессов, используемых в технологии, можно классифицировать следующим образом: механические процессы; гидромеханические процессы; тепловые процессы; массообменные процессы.
Химические процессы, в отличие от физических и механических, характеризуются изменением не только физических свойств, но и агрегатного состояния, химического состава и внутреннего строения веществ.
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).

2.На любой стадии производства физические процессы могут выполнять основную или вспомогательную функцию. Все многообразие физических процессов, использующихся в технологии, можно разделить на группы:
• механические;
• гидромеханические;
• тепловые;
• массообменные.
В основу данной классификации положены законы, описывающие протекание этих процессов.
Механические процессы могут быть описаны законами механики твердых тел, движущей силой которых является сила механического давления, или центробежная сила, разность усилий в различных точках обрабатываемого объекта. Механические процессы происходят с изменением формы материалов, но без изменения физико-химических свойств. К ним относятся:
• перемещение твердых тел, осуществляемое на стадии подачи сырья, его переработки и на конечных операциях технологических схем производства (предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки с использованием различных транспортных средств: транспортеров, элеваторов, вагонеток, вагонов и т. д.);
• процессы формообразования и формоизменения твердых тел, подразделяемые 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 по 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.
Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т. е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки;
• процессы соединения твердых тел, широко применяемые 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). 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;
• изменение размеров твердых тел, условно подразделяемое на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). 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), т. е. механическое разделение на ситах;
2) гидравлическая, т. е. разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе.
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). Смешивание осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для смешивания, называются смесителями.
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.
Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит.
Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы:
1. процессы получения неоднородных систем;
2. процессы разделения неоднородных систем;
3. 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.
По физическому состоянию фаз различают следующие виды неоднородных систем: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.
Для получения неоднородных систем широко применяется перемешивание в жидких средах.
Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания.
Разделение неоднородных систем проводится с целью: очистки жидкой или газовой фазы от примесей; либо выделения 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 следующие методы разделения: отстаивание, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение.
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
К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т. д.
По механизму переноса энергии различают следующие способы распространения теплоты: теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.
Теплопроводность — перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.
Конвекция — процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.
Тепловое излучение — перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы — электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества.
Среда, передающая тепло, называется теплоносителем, а среда с более низкой температурой, отводящая тепло — хладоносителем.
К тепловым процессам можно отнести выпаривание, испарение, конденсацию пара (газа), процессы искусственного охлаждения, плавление, кристаллизацию.
Массообменные процессы характеризуются переходом вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. Движущей силой этих процессов является разность концентраций какого-либо компонента в этих средах. Основными видами массообменных процессов являются:
1. абсорбция — процесс поглощения газов или паров жидкими поглотителями (абсорбентами);
2. перегонка и ректификация — разделение смесей, компоненты которых имеют различные температуры кипения путем нагрева смеси, перевода в пар компонента, кипящего при более низкой температуре, отвода его к последующей конденсации;
3. адсорбция — поглощение газа (жидкости) или компонентов газовой (жидкой) смеси твердым поглотителем — адсорбентом;
4. сушка — процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов;
5. экстракция — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов).

3.Химические процессы лежат в основе химической технологии, которая представляет собой науку о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и применения в других отраслях материального производства. Все, что связано с расходованием материальных ресурсов в народном хозяйстве, на три четверти связано и зависит от использования химических знаний и применения химической технологии.
Химическая технология является научной основой нефте-, коксохимической, целлюлозно-бумажной, пищевой, микробиологической промышленности, промышленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей.
В последние же десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства.
Под классическим пониманием термина «процесс» следует понимать «совокупность последовательных действий для достижения какой-либо цели». Исходя из этого, в химико-технологическом процессе (ХТП) можно выделить следующие взаимосвязанные стадии:
• подвод реагирующих веществ в зону реакции;
• собственно химические реакции;
• отвод полученных продуктов из зоны реакции.
Подвод реагирующих веществ может осуществляться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых компонентов или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ.
Химические реакции обычно протекают в несколько последовательных или параллельных стадий, приводящих к образованию основного продукта, а также к ряду побочных продуктов (отходов), образующихся при взаимодействии примесей с основными исходными веществами. При анализе же производственных процессов часто не учитывают все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых целевых продуктов.
Отвод отходов из зоны реакции может совершаться аналогично, как и подвод веществ в зону реакции, в том числе диффузией, конвекцией и переходом вещества из одной фазы (газовой, твердой, жидкой) в другую. При этом общая скорость технологического процесса определяется скоростью одного из трех составляющих элементарных процессов, который протекает медленнее других.
Химико-технологические процессы классифицируются:
1) по способу организации:
а) периодические (проводятся на оборудовании, которое загружается исходными материалами через определенные промежутки времени; после их обработки продукт выгружается);
б) непрерывные (осуществляются в аппаратах, где поступление сырья и выгрузка конечных продуктов производится непрерывно);
в) комбинированные (являются сочетанием стадий периодических и непрерывных процессов);
2) по характеру протекания:
а)экзотермические (химические процессы сопровождаются выделением тепла);
б) эндотермические (сопровождаются поглощением тепла);
3) по условиям направления протекания реакции:
а) необратимые (протекают лишь в одном направлении);
б) обратимые (обратимые реакции отличаются от необратимых тем, что полученные в результате реакции продукты С и D способны вступать в реакцию, образуя исходные вещества А и В. Обратимая реакция протекает как в прямом, так и в обратном направлении);
4) по кратности обработки сырья:
а) с разомкнутой (открытой) схемой (сырье или материал подвергается однократной обработке);
б) с замкнутой (сырье или вспомогательные материалы неоднократно возвращаются в начальную стадию процесса для повторной обработки);
в) комбинированные (со смешанной схемой);
5) по условиям протекания:
а) электрохимические (процессы превращения химической энергии в электрическую и электрической — в химическую (электролиз). Пропускание постоянного электрического тока через электролит, приводящее к протеканию химических реакций, которые в обычных условиях самопроизвольно не идут, называется электролизом);
б) каталитические (основу каталитических процессов составляет катализ — наиболее эффективное и рациональное средство ускорения многих химических реакций);
в) высокотемпературные;
г) фотохимические и т. д.;
6) по фазовому состоянию:
а) гомогенные (однородные, т. е. все взаимодействующие вещества находятся в одной фазе: газовой, жидкой или твердой);
б) гетерогенные (неоднородные, т. е. реагенты, участвующие в реакции, находятся в разных фазах).

4.Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Подобные процессы были известны еще с древних времен (хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др.).
Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые дрожжи, пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. Новые направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине XX в., значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве, например, при выведении безвирусных растений, получении кормов и т. д.
К важнейшим процессам биотехнологии относятся брожение (ферментация), микробиологический синтез (промышленная биотехнология), термическая обработка и др.
Достоинством биологических процессов является то, что они используют возобновляемое сырье (биомассу), протекают в мягких условиях (при нормальной температуре и давлении), с меньшим числом технологических стадий. Их отходы доступны последующей переработке.
Основным процессом, используемым в традиционной биотехнологии, является брожение.
Брожение (ферментация) — процесс расщепления органических веществ (преимущественно углеводов) на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться в организме животных, растений и многих микроорганизмов как с участием кислорода (аэробный), так и без участия молекулярного кислорода (анаэробный процесс).
Известны различные типы брожения. Они классифицируются чаще всего по производимым конечным продуктам (спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др.) и протекают в основном анаэробно.
Спиртовое брожение протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (в основном из зерна ржи) для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.
В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается.
Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефира, простокваши и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве).
Пропионово-кислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.
Масляно-кислое брожение приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.
Метановое брожение встречается в природе в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод. Образующийся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.
Ряд пищевых продуктов (молоко и жидкие молочные продукты, фруктовые и овощные соки, овощные и мясные консервы, пиво и др.) и полупродуктов биохимических производств являются хорошей питательной средой для многих микроорганизмов, в том числе и для болезнетворных, способных вызвать инфекционные заболевания. Тепловая обработка (пастеризация и стерилизация) таких продуктов и сред играет большую роль в обезвреживании их от микроорганизмов, что очень важно для последующего сохранения высокого качества продуктов или для проведения технологических процессов в биологически чистых средах.
Под пастеризацией понимают такую тепловую обработку продукта, в результате которой погибают лишь вегетативные болезнетворные формы микроорганизмов. Пастеризацию проводят при температурах ниже 100°С для продуктов, качество которых значительно снижается при нагревании их при более высокой температуре.
Для подавления микроорганизмов в продуктах питания и производственных средах применяется стерилизация — способ обезвреживания, аналогичный пастеризации, но осуществляемый при температурах выше 100°С в течение определенного времени.
Биотехнология микробиологического синтеза включает многообразие биосинтетических процессов, осуществляемых с помощью микроорганизмов. К физической модели промышленного производства относится микробиологический синтез процесса культивирования микроорганизмов. В индустриально развитых странах широкое распространение получила промышленность основного органического синтеза на базе растительного сырья. Преимуществом сахарохимии является доступность и ежегодная возобновляемость сырья. Кроме того, в задачу промышленности входит извлечение белков и углеводов из травы, древесных и сельскохозяйственных отходов, изготовление искусственной пищи из водорослей, синтез пищевых масел, сахаров, жиров. Большое знание имеет при этом получение экологически чистого синтеза белковых препаратов.
Микробиологический синтез — это способность микроорганизмов образовывать различные ценные биотические вещества (аминокислоты, витамины, антибиотики, ферменты, гормоны).
Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она стремительно выдвигается на передний край научно-технического прогресса. Этому способствует два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой стороны, наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды.



Обсудить на форуме

Комментарии к статье:

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.

Регистрация

Реклама

Последние комментарии

  • GENAJag
    Написал(а): GENAJag
  • Jacog
    Написал(а): Jacog
  • Maxvel
    Написал(а): Maxvel
    В новости: Маршрут №27
  • cbetlana
    Написал(а): cbetlana
    В новости: Маршрут №27
  • Maxvel
    Написал(а): Maxvel
    В новости: Маршрут № 30
  • Maxvel
    Написал(а): Maxvel
    В новости: Маршрут №15
  • RonnieUncen
    Написал(а): RonnieUncen
  • loram
    Написал(а): loram
  • Inna2200111
    Написал(а): Inna2200111
  • Shishkinrom
    Написал(а): Shishkinrom