Класифікація технологічних процесів та їх основні види

Класифікація технологічних процесів проводиться за такими ознаками: за видом руху матерії; способом організації процесу; кратністю обробки вихідних матеріалів, напрямом руху теплових і матеріальних потоків; агрегатним станом вихідних матеріалів тощо. Таке групування технологічних процесів дає можливість виявити їхні характерні риси, загальні закономірності, переваги та недоліки, а також шляхи вдосконалення.

За видом руху матерії всі технологічні процеси поділяють на фізико-механічні, хімічні, біологічні.

При здійсненні фізико-механічних процесів змінюються лише форма та фізичні властивості вихідних матеріалів. На цих процесах ґрунтується добувна галузь промисловості, деревообробна промисловість, обробка конструкційних матеріалів тиском, різанням, механоскладальні процеси тощо. Наприклад, з деревини виготовляють меблі, з металів — різними методами обробки різноманітні деталі машин, із суміші цементу і відходів азбесту— шифер та різноманітні будівельні вироби.

При здійсненні хімічних процесів змінюється хімічний склад і внутрішня будова вихідних матеріалів. Ці зміни відбуваються внаслідок хімічних реакцій, що протікають між складовими вихідних матеріалів. Наприклад, у процесі виробництва чавуну відбуваються хімічні реакції між сполуками заліза та інших хімічних елементів. Внаслідок цих реакцій утворюється чавун, шлак і доменний газ.

У реалізації біологічних процесів беруть участь живі мікроорганізми — бактерії. Ці процеси є основою біотехнології. Біотехнології широко використовуються в харчовій, фармацевтичній, гірничорудній і хімічній промисловості, у процесі очищення стічних вод тощо.

За способом організації технологічні процеси поділяють на періодичні (дискретні), неперервні та комбіновані.

У періодичних (дискретних) процесах сировину подають до обладнання визначеними порціями через певні проміжки часу і так само після закінчення обробки одержують певну продукцію. Ці процеси характеризуються простоюванням обладнання під час завантаження сировини та вивантаження одержаної продукції. Це призводить до втрат робочого часу, тому продуктивність періодичних процесів порівняно низька. До дискретних процесів належить більшість процесів обробки матеріалів різанням, штампування, одержання виливків тощо.

У неперервних процесах сировина надходить до обладнання постійним неперервним потоком, і після перетворення готова продукція неперервним потоком виходить з обладнання. Наприклад, розливання сталі на машинах неперервного лиття, виробництво цементу, виробництво електроенергії. Неперервні процеси порівняно з періодичними мають такі переваги: відсутність простоювання обладнання, висока продуктивність, більш широкі можливості для впровадження автоматизації. Саме тому заміна періодичних процесів на неперервні є дуже актуальною.

Комбіновані процеси — це поєднання періодичних і неперервних процесів. Можна періодично подавати сировину до обладнання і безперервно виводити з нього продукцію або навпаки — безперервно подавати до обладнання сировину, а періодично виводити отриману продукцію. Можливий і такий варіант: періодичне подавання до обладнання одного із складових сировини і неперервне — другого. Отримана продукція виходить з агрегату безперервно.

За видами технологічні процеси поділяються на хіміко-технологічні, високотемпературні, каталітичні, електрохімічні, біохімічні, фотохімічні, радіаційно-хімічні, лазерні, електронно-променеві, плазмові та інші.

Хіміко-технологічні процеси

Хімічні реакції становлять основу хіміко-технологічних процесів і відзначаються величезною різноманітністю фазового стану реагентів, умовами і механізмом протікання. Звичайно, хімічні перетворення речовин — це хімічні реакції, що ведуть до утворення основних і побічних продуктів.

Багато хімічних перетворень протікають як упрямому, так і в зворотному напрямках, що ускладнює оцінку швидкості процесу. За цією ознакою хіміко-технологічні процеси бувають зворотні і незворотні. Незворотні процеси протікають лише в одному напрямку, тобто утворюється кінцевий продукт, нездатний розкладатися на вихідні речовини.

Усі зворотні процеси спрямовані до рівноваги, при якій швидкість прямого процесу (реакції) дорівнює швидкості зворотного процесу. При досягненні рівноваги сумарна швидкість процесу дорівнює нулю, а співвідношення між компонентами є незмінним. Лише зміною зовнішніх умов (температури, тиску, концентрації компонентів) можна порушити рівновагу, і в системі відновляться процеси, доки не настане рівновага в нових умовах.

Високотемпературні процеси

Високотемпературними називають такі процеси, для яких основним режимом протікання є підвищена температура. Високотемпературні процеси є найбільш старими. Вони використовуються в металургії, в хімічній промисловості, промисловості будівельних матеріалів. До високотемпературних належать процеси термічної і хіміко-термічної обробки заготовок і деталей.

Регулювання температурного режиму — найбільш важливий і універсальний засіб збільшення швидкості процесу і підвищення  виходу готового продукту. Більшість високотемпературних процесів протікають при температурах понад 900 °С. Проте є такі процеси, які протікають при значно нижчих температурах, але їх відносять до високотемпературних, оскільки температура є основним фактором інтенсифікації цих процесів для одержання максимального виходу готового продукту з високими техніко-економічними показниками.

Високотемпературні процеси доступні, легкі в управлінні, універсальні. Для їх протікання використовують печі різних конструкцій.

Хоч підвищення температури позитивно впливає на хід хіміко-технологічного процесу, на практиці застосування високих температур для інтенсифікації процесів часто обмежується. При цьому враховуються як економічні, так і технічні фактори.

З розвитком науки і техніки, з появою нових видів впливу на речовину і нових методів інтенсифікації технологічних процесів високотемпературні процеси поступаються більш прогресивним. Наприклад, високотемпературні процеси в кольоровій металургії витісняються електрохімічними, у виробництві кислот— каталітичними. Або їх доповнюють такими прогресивними діями, як лазер, ультразвук, плазма та ін.

Каталітичні процеси

Каталітичними називають процеси, які протікають в присутності каталізаторів— речовин, що змінюють швидкість хімічних реакцій і при цьому залишаються незмінними. Каталізатор не змінює стану рівноваги, а лише прискорює її досягнення системою. Каталізатор — найбільш ефективний, іноді незамінний засіб збільшення швидкості хімічних реакцій.

Роль каталітичних процесів у сучасних технологіях сьогодні важко переоцінити. В хімічній промисловості і суміжних з нею галузях понад 90% нових технологій становлять каталітичні процеси.

Важливою рисою каталізатора є його вибіркова дія, тобто здатність впливати на швидкість одних реакцій і не впливати на інші. Можна вести вибірковий каталіз.

Каталізатори можуть бути тверді, рідкі, газоподібні. До твердих належать метали і їх оксиди. Тверді каталізатори використовують у вигляді зерен, гранул, таблеток. Тверді каталізатори використовують найчастіше. Рідкі каталізатори — це луги, кислоти. Газоподібні каталізатори використовують дуже рідко.

Залежно від агрегатного стану каталізатора та реагуючих речовин каталітичні процеси поділяють на гомогенні, гетерогенні і мікрогетерогенні.

Гомогенні процеси — каталізатор і реагуючі речовини утворюють одну загальну фазу, найчастіше газ або рідину.

Гетерогенні процеси — каталізатор і реагуючі речовини утворюють різні фази і каталітична реакція проходить на межі їх поділу. Звичайно каталізатор твердий, а реагуючі речовини рідкі або газоподібні.

Мікрогетерогенні процеси — каталізатор твердий у вигляді колоїдних частин і реагуючі речовини рідкі.

Чітких меж між цими процесами немає, суть їх однакова. Якщо один з продуктів для даної реакції є каталізатором, процес називається автокаталітичним.

Розрізняють негативний каталіз, коли процеси сповільнюються під дією антикаталізаторів (інгібіторів).

Апаратами для каталітичних процесів є башти, камери, колони, реактори.

Фотохімічні процеси.Фотохімічними називають хімічні процеси, які протікають під дією світла або спричинюються ним. Молекула речовини при поглинанні кванта світла переходить в активний стан, а далі вступає в хімічну реакцію. Продукти фотохімічної реакції часто беруть участь у різних вторинних реакціях, які приводять до утворення кінцевих продуктів.

Фотохімічні реакції протікають як в природі, так і в промисловості. Найбільш типова фотохімічна реакція в газовій фазі — дисоціація молекул з утворенням атомів і радикалів. Та при дії короткохвильового ультрафіолетового випромінювання, якому піддається, наприклад, кисень, утворюються активні молекули кисню, які далі дисоціюють на атоми:

О₂ + hv → О₂*

О₂* → О + О,

де h ≈ 6,626 10^-34 Дж С— постійна Планка; v— частота випромінення; О₂*— активна молекула кисню.

Ці атоми вступають далі в хімічну реакцію з киснем, утворюючи озон:

О + О₂→ О₃.

Такі процеси проходять, наприклад, у верхніх шарах атмосфери під дією випромінювання Сонця.

Багато фотохімічних реакцій є ланцюговими — окислення органічних речовин киснем, хлорування, бромування водню і вуглеводню, піроліз, полімеризація. На початку реакції утворюється невелика кількість активних атомів або вільних радикалів, які швидко реагують з молекулами вихідних речовин. Але на кожній наступній стадії реакції знову утворюються подібні активні частинки, тому їх концентрація весь час залишається більш — менш постійною. Виходить, що одна активна частинка здатна викликати цілий ланцюг реакцій, що послідовно повторюються.

В кожній фотохімічній реакції розрізняють три стадії:

• поглинання світла і перехід молекули в електронно-активний стан;

• первинні фотохімічні реакції за участю активних молекул і утворення первинних фотохімічних продуктів;

• вторинні реакції речовин, утворених в первинному процесі.

Радіаційно-хімічні процеси. Радіаційно-хімічні процеси — це такі, в яких використовуються для активізації молекул, атомів, радикалів іонізуючі випромінювання. Здатністю іонізувати речовину володіють: рентгенівські і-промені, і - частинки, уламки ядер, що утворюються при реакціях поділу, прискорені заряджені частинки.

іонізуючі випромінювання сприяють переходу менш стійких кристалічних алотропічних модифікацій у більш стійкі. Так, білий фосфор при випромінюванні перетворюється на червоний, біле олово — на сіре, на поверхні алмазу утворюються лусочки графіту. Молекули багатьох газів розпадаються на складові елементи. З другого боку, дія іонізуючого випромінювання на суміш простих речовин часто веде до утворення складних молекул.

За допомогою таких процесів проводять полімеризацію, радіаційне зшивання полімерів, синтез низькомолекулярних сполук, радіаційне очищення стічних вод, газів, діагностику і лікування в медицині.

Радіаційно-хімічні процеси є перспективними, прогресивними процесами, їх можна проводити при низьких температурах, відсутні каталізатори, одержують чисті продукти, є можливість хімічного приєднання до поверхні різних речовин органічних полімерів. Недоліками цих процесів є особливі правила техніки безпеки, потрібне захоронения радіоактивних залишків.

Технології та технологічні процеси високошвидкісної обробки, обробки плазмовим струмом, електронно-променеві, лазерні, хімічні, електрохімічні, ультразвукові технології, біотехнології, нанотехнології та інші перспективні технологічні процеси та технології розглядаються в темі 1.3 "Перспективні технологічні процеси і науково-технічний прогрес".

Контрольні запитання

1.Яке призначення промислових та інформаційних технологій, як вони взаємодіють у системах технологій?

2.Який функціональний зв'язок між видобувними, збагачувальними, переробними та обробними технологіями в системах промислових технологій?

3.Які основні методи видобутку корисних копалин використовуються у видобувних технологіях?

4.Які основні методи збагачення сировини використовуються в збагачувальних технологіях?

5.Що таке виробничі та технологічні процеси?

6.Що таке технологічне обладнання та оснащення?

7.Що таке універсальне, спеціалізоване та спеціальне обладнання?

8.Які бувають типи виробництв, їх основні характеристики та особливості?

9.Що таке коефіцієнт закріплення операцій, такт випуску, ритм випуску?

10.За якими ознаками класифікуються технологічні процеси?

11.Які бувають основні види технологічних процесів, сутність та особливості?

Література

1. Бажал Ю.М. Економічна теорія технологічних змін.— К., 1996. — 238с.

2. Деречин В.В., Дубровин Ф.Е., Павленко В.В. Системы технологий. — Одесса, 2001. - Ч. 2.- 300 с.

3. Дичковська О.В. Системи технологій галузей народного господарства. — К., 1995. - 312с.

4. Дудко П.Д. Системы технологий. — Харьков, 2003. — 336с.

5. Збожна О.М. Основи технологій. — Тернопіль, 2002. — 486с.

6. Рублюк О.В., Панчук В.Г. Конспект лекцій. — Івано-Франківськ, 2001.- 168с.