Основные понятия. Технология, система технологий

Технология, система технологий

Реализация технологий

Триада составных производства

Промышленная технология

Научная технология

Комплексная отрасль

Экономическое назначение продукции

Производственный процесс

Технологический процесс

Основной процесс

Вспомогательный процесс

Технологический регламент

Химико-технологический процесс

Экономическая оценка технологического процесса

Денежные и материально-энергетические потоки

Себестоимость

Единичное производство

Серийное производство

Массовое производство

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Что такое технология и система технологий?

2. Чем отличается промышленная технология от научной?

3. Что включает в себя триада составных производств?

4. Раскройте сущность производственного технологического
процесса?

5. Назовите составные части технологического регламента?

ГЛАВА 2. СЫРЬЕ, ТОПЛИВО, ВОДА И ВОЗДУХ

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

2.1. Определение сырья и его классификация

Сырьем называют вещество природного и синтетического происхождения, используемое для производства промышленной продукции.

Так, добытая железная руда является сырьем в металлургической промышленности, вискозное волокно – сырьем в текстильной промышленности.

Основное сырье даёт природа – 75% полезные ископаемые,
25% сельское хозяйство, морское и лесное хозяйство.

Природное сырье характеризуется тем, что его получают в готовом виде из недр земли, из различных горных пород, растений. Искусственное сырье характеризуется тем, что его получают из разных природных материалов. К этому классу можно отнести химические волокна, синтетические каучуки и др.

Искусственное сырье подразделяется на два подкласса – органическое (вискозные, ацетатные волокна) и минеральные (силикатные волокна).

По агрегатному состоянию сырье бывает твердое, жидкое и газообразное.

По происхождению – минеральное, растительное и животное.

По составу – органическое и неорганическое (минеральное). В природе встречается примерно 2500 минералов, отличающихся друг от друга по химическому составу, физическим свойствам, кристаллической форме и прочим признакам.

Минеральное сырье делится на 3 вида: рудное, нерудное и горючее.

Рудное сырье классифицируется по числу содержащихся в нем металлов, химическому составу минералов и пустой породы.

Нерудное сырье – горные породы, используемые в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов (фосфориты, апатиты, природные калийные соли, поваренная соль, песок, гравий, глина и т.п.).

Горючее минеральное сырье, включающее угли, нефть, торф, горючие сланцы, природный газ и т. д., служит источником получения разнообразнейших продуктов.

Растительное и животное сырье по своему назначению делится на пищевое и техническое.

Пищевое сырье – продукты сельского, лесного и рыбного хозяйства, которые используются для пищевых целей (картофель, сахарная свекла, хлебные злаки, пищевые жиры и т. п.).

Кроме минерального, растительного и животного, сырьем для промышленности служит воздух и вода.

2.2. Обогащение сырья

Добываемое из недр Земли сырье, как правило, подвергается обогащению с целью получения сырья в концентрированном виде, т.е. с повышенным содержанием в нем полезного компонента.

Если обогащаются твердые породы (например, горные породы, уголь), то полученный продукт, обогащенный полезной составной частью, называют концентратом, а отходы, содержащие пустую породу, – хвостами.

Методы обогащения твердых материалов основаны на различии физических и химических свойств составляющих компонентов сырья: плотности, твердости, растворимости, температуры плавления и возгонки, электропроводности, магнитной проницаемости, смачиваемости отдельными жидкостями.

Применяется грохочение, гравитационное обогащение, мокрое гравитационное обогащение, магнитная сепарация, флотационный и другие методы.

Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сырья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) минералы дробятся на более мелкие зерна, чем более прочные (вязкие). Если после измельчения такое сырье просеять через сита с различной величиной отверстий, то с отдельных сит можно получить фракции, обогащенные тем или иным минералом. Применяемые для рассеивания сита называют грохотами.

Грохочение часто производят и для разделения однородного материала на куски или зерна определенного размера; грохоты могут быть плоские с небольшим наклоном сита для скольжения крупной фракции, которые часто снабжаются механизмами для сотрясения, вибрации или качания, и цилиндрические – наклонные вращающиеся барабаны с отверстиями, которые рассеивают материал, поступающий внутрь цилиндра.

Гравитационное разделение основано на различии скоростей падения частиц различной плотности или крупности в потоке жидкости (чаще всего в воде) – мокрое гравитационное обогащение; воздуха или инертного газа – сухое гравитационное обогащение.

Мокрое гравитационное обогащение осуществляется следующим образом (рис.2.1). Измельченное сырье смешивается с водой в баке с мешалкой и в виде пульпы (взвесь твердого материала в жидкости) подается в осадительные камеры (корыта) І, ІІ, ІІІ с конусообразными днищами (бункерами).

Рис. 2.1. Принципиальная схема мокрого гравитационного обогащения

Так как ширина камер постепенно увеличивается, происходит замедление движения пульпы через камеры, что облегчает осаждение твердых частиц. В камере І выпадает из воды наиболее тяжелая (крупно-зернистая фракция), в камере ІІ – средняя и в камере ІІІ- легкая (мелкозернистая). В зависимости от того, на сколько фракций требуется разделить сырье, аппараты – классификаторы состоят из одной, двух и более камер. Фракции из камер выгружают через отверстия 1, 2, 3. Наряду с рассмотренным класификатором применяются и другие типы аппаратов – концентрационные столы, отсадочные машины.

При сухом гравитационном обогащении применяют воздушные сепараторы центробежного типа (рис 2.2).

Сепаратор состоит из цилиндра 5, который заканчивается конусом 6.
В цилиндре 5 помещен внутренний цилиндр 2 с конусом 1, в котором имеется тарелка 3 и крыльчатка вентилятора 4, которая приводится во

вращательное движение от электромотора. При вращении тарелки и

крыльчатки вентилятора внутри сепаратора образуются воздушные потоки, показанные на схеме стрелками. Измельченный материал, подаваемый на вращающуюся тарелку, разбрасывается по сечению внутреннего цилиндра.

Мелкие частицы материала подхватываются воздушным потоком и выносятся в пространство между внешним и внутренним цилиндрами, где, ударяясь об стенки (теряя скорость движения), опускаются вниз и выводятся через конус 6 в виде тонкоизмельченной фракции. Крупные частицы падают и выводятся через внутренний конус 1 на повторное измельчение.

Магнитная сепарация применяется для разделения магнитно-восприимчивых материалов от немагнитных и для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду, например магнитный железняк отделяется от пустой породы руды. Разделение руды осуществляется в электромагнитных сепараторах (рис. 2.3).

После измельчения материал поступает на движущейся ленточ-ной транспортер 1, имеющий барабан 2, снабженный электромаг-нитом 3. При соприкосновении ленты с поверхностью барабана частицы материала, не обладающие магнитной восприимчивостью, ссыпаются с ленты в бункер 4, а частицы магнитного материала, прилипшие к ленте, продолжают двигаться до тех пор, пока лента не пройдет магнитную поверхность барабана и они не отвернутся от нее, после чего частицы ссыпаются в бункер 5.

Частицы несмачиваемого минерала снимаются с поверхности жидкости, и таким образом происходит разделение руды на фракции. Для ускорения флотации применяют ряд технологических приемов, в часности создают условия неодинаковой смачиваемости водой зерен минералов.

Флотацию проводят во флотационных машинах различного типа (схематичный поперечный разрез машины с воздушным перемешиванием пульпы приведен на рис. 2.5).

Тонкоизмельченная взвесь породы с флотореагентами подается в машину, состоящую из корытообразного резервуара-камеры 4, внутри которого установлены перегородки 1, а между ними расположены трубки 5. По трубкам 5 из коллектора 3 в камеру 4 подается воздух под давлением, который перемешивает пульпу, и пузырьки его, поднимаясь вверх, увлекают за собой частицы гидрофобного материала, всплывающего на поверхность воды. Кроме того, воздух обеспечивает циркуляцию суспензии в камере. Для удержания на поверхности всплывающих частиц гидрофобного минерала в водную взвесь (суспензию) вводят вещества (сосновое масло, древесный деготь и др.), образующие пену, – пенообразователи. Пену вместе с частицами гидрофобного материала снимают с поверхности жидкости через борт камеры в желоб 2, оттуда она поступает на сгущение (разрушение пены) и фильтрование. Отделенные твердые частицы минерала сушатся и в виде так называемого концентрата поступают потребителю или на дальнейшую переработку. Частицы, осевшие на дно камеры, выводятся в виде флотационных хвостов.

Природные минералы в большинстве хорошо смачиваются водой, и для их разделения флотацией в суспензию вводят специальные реагенты – собиратели или коллекторы, понижающие их смачиваемость. К ним относятся олеиновая кислота, нефтиновые кислоты и др. Собиратели покрывают поверхность частиц гидрофильных минералов гидрофобной пленкой, чем и объясняется всплывание частиц отдельных минералов. В суспензию вводят подавители, или депрессоры (щелочи, соли щелочных металлов и др.). Подавители повышают гидрофильность поверхности частиц минералов и затрудняют их всплывание. Кроме того, применяются реагенты, усиливающие или ослабляющие действие собирателей или подавителей. К ним относятся активаторы, регуляторы и др.

Следовательно, вводя в суспензию различные флотореагенты, можно обеспечить коллективную флотацию, т.е. разделить руду на концентрат, содержащий несколько полезных элементов, и хвосты, не содержащие ценных элементов, или создать такие условия процесса флотации, когда в концентрат будет переходить только какой-либо один определенный минерал, в хвосты – пустая порода и другие минералы. Такая флотация называется избирательной или селективной.

Флотация – один из широко применяемых промышленных методов обогащения сырья в крупных масштабах. Это объясняется тем, что при применении флотореагентов, имеющих различные свойства, можно обогащать и разделять на фракции самые разнообразные породы при незначительном расходе флотационных реагентов (100 г на 1 т породы). Кроме рассмотренных методов обогащения твердых минералов, применяются методы, основанные на различии электропроводности составляющих руды, – электростатистическое обогащение; на различии плавкости материалов, входящих в смесь, – термическое обогащение; на различии растворимости, разложении химическими реагентами, обжиге материалов, входящих в смесь, – химическое обогащение и др.

2.3. Качество сырья и современные технологические процессы

Качество сырья – это совокупность его технологических, физических и химических свойств, обеспечивающих высокий уровень технологического процесса и качества выпускаемой продукции.

Основными технико-экономическими показателями сырья является его химический состав и наличие его в природе, доступность его добычи и технологичность переработки.

Основными характеристиками компонентов материального потока является его состав, он определяет принципиальную схему процесса, его аппаратурное исполнение, затраты сырья, энергии и вспомогательных материалов, количество отходов, уровень безопасности процессов и влияние на окружающую среду.

Контроль состава сырья, промежуточных веществ и продуктов является важнейшим источником информации, необходимой для регламентации и оптимизации технологического процесса.

Состав вещества определяется с помощью различных физико-химических методов в зависимости от глубины и способа переработки сырья, требований к продукту, специфики управления процессами.

Определяющими компонентами сырья могут быть атомы (элементарный состав), молекулы (молекулярный состав), изотопы (изотопный), минералы (минеральный), распределение по размеру частиц, ситовый состав и др. Для твердых и жидких веществ (смесей, растворов, сплавов) определяют концентрацию следующими соотношениями.

Массовая доля компонентов

mk

W = ------- x 100%,

mb

где mk – масса компонента, г, кг; mb – масса вещества, г, кг;

Объемная доля компонентов

Vk

d = -------- х 100%,

Vb

где Vk – объем компонента, см3, м3; Vb – объем вещества, см3, м3.

Если необходимо определить очень малые концентрации, используют тысячные доли или десятую долю процента. Такая единица величины называется промилем (о/оо). Концентрацию компонента в сложном веществе выражают массой компонента, которая содержится в 100г вещества, в одном килограмме, в одном литре или 1м3.

Количественный состав благородных металлов определяют количеством граммов благородного металла в 1000 граммах сплава, его называют пробой. Чистому благородному металлу соответствует тысячная проба. Тысячная проба равна, примерно, 24 карата (США, Великобритания, Швейцария и др.), один карат весит 0, 2г.

Состав минералов, силикатов, гидратов определяют соотношением молекул, из которых состоит вещество (Аl2O3; SiO2; P2O5и др.).

Использование количественного соотношения компонентов вещества дает возможность выбирать рациональное сырье, определять теоретические его затраты, выход продукции, затраты энергоресурсов, количество отходов и др.). Количество примесей в веществе является показателем качества и регламентируется техническими уровнями и государственными стандартами (ГОСТ). В расчетах необходимо учитывать, что количественное соотношение компонентов во многих веществах может изменяться под действием внешних факторов (при хранении увеличивается влажность сахара и т.д.). Количественные расчеты в таких случае производят по компонентам, масса которых является постоянной величиной или изменяется очень мало.

Расчеты энергетических эффектов в химико-технологических процессах выполняют по стехеометрическим уравнениям химических реакций, например, при определении количества тепла, выделяемого при сгорании 1000г серы. S+O2= SO2+297 кДж. Молярная масса серы Ms=32

32г(S) - 297 кДж

1000г(S) - Х

297 х 1000

Откуда, Х = ----------------- = 9280 кДж

Оценка качества угля включает 19 нормируемых показателей. К основным из них относятся: рабочая влажность угля, зольность, содержание серы, низшая теплота сгорания, спекаемость и коксуемость. В бурых углях количество влаги составляет 15-60%, в каменных -5-15%. Зольность определяется содержанием в угле минеральных примесей. Она колеблется в широких пределах -от 10 до 60%. Зольность углей Донецкого бассейна равна 10-15%.

Очень вредной примесью в углях является сера, сгорая, она образует сернистый газ (SO2), отравляющий окружающую среду. Содержание серы в углях колеблется в пределах 1-6%.

Низшая теплота сгорания бурых углей 6-15 МДж/кг, каменных 10-30 МДж/кг.

Спекаемость и коксуемость – свойство угля при нагревании без доступа воздуха расплавляться, а также образовывать пористый остаток – кокс, являющийся основным топливом для доменных печей при выплавке чугуна.

Вид и качество сырья предопределяют режим работы и производительность оборудования, характер технологии, влияют на качество и себестоимость продукции. Так, при выплавке чугуна на металлургическом заводе используются руды с различным содержанием железа. Повышенное содержание пустой породы и вредных примесей в рудах обусловливает уменьшение производительности доменного цеха, увеличение расхода топлива, флюсов и снижение качества чугуна.

2.4. Виды и основные характеристики топлива

Топливо – вещество, при сжигании которого выделяется значительное количество теплоты, используемое как источник получения тепловой энергии и как сырье в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Топливо, содержащее органические вещества, называют углеводородным.

Различают естественное и искусственное топливо. К естественным относятся ископаемые и растительные виды топлива, а к искусственным – продукты переработки естественных видов топлива. Все топлива по агрегатному состоянию подразделяются на твердые (ископаемые угли и сланцы, торф, древесина), жидкие (нефть, нефтепродукты) и газообразные (природный и попутный газы и др.).

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3).

По удельной теплоте сгорания (МДж/кг) виды топлива характеризуются следующим образом: