книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

УДК 691

ББК 38.3

Б28

Рецензенты:

доцент, канд. техн. наук С.В. Раскопин (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук профессор И.А. Семериков (УГТУ – УПИ)

Баталин, Б.С.

Б28 Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: конспект лекций / Б.С. Баталин. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 97 с.

ISBN 978-588151-915-5

Изложены теоретические основы технологических процессов в производстве строительных материалов и изделий, основы теории подобия, теории моделирования, основные сведения об элементарных процессах в технологии строительных материалов.

Предназначен для студентов-заочников специальности «Производство строительныхматериалов,изделийиконструкций»испециалистоввобласти производствастроительныхматериалов.

УДК 691

ББК 38.3

ВВЕДЕНИЕ

Предмет курса «Процессы и аппараты»

В производстве строительных материалов осуществляются разнообразные технологические процессы, приводящие к глубокимизменениямагрегатногосостояния,структурыисоставаисходных веществ: химические реакции, физические (в т.ч. механические) процессы, физико-химические превращения. Все это связано с такими воздействиями на вещество, как перемещение жидкостей и твердых материалов, дробление, помол, классификация (сортировка), нагревание и охлаждение, обжиг, сушка, перемешивание.

Эффективность и рентабельность производства зависит от способа проведения этих процессов.

Приведем несколько примеров самых общих технологических схем производства наиболее широко применяемых строительных материалов:

Производство цемента: дробление – помол – смешивание – об- жиг–помол.

Производство кирпича: дробление – смешивание – формование – обжиг.

Производствобетонныхизделий:смешивание–формование– пропаривание.

Производствощебня:дробление–классификация(грохочение). Производство пластмассовых изделий: смешивание – нагре-

вание – формование.

Производство различных материалов включает однотипные процессы, характеризуемые одинаковыми закономерностями. Эти процесы проводятся в аналогичных по принципам действия машинах и аппаратах.

Процессы и аппараты, общие для различных отраслей промышленности строительных материалов, называют основными процессами и аппаратами.

Дробилки и мельницы, транспортеры пневматические и гидравлические, мешалки, обжиговые печи и т.п. применяются при производстве самых различных материалов.

Вкурсе«Процессыиаппараты»изучаюттеориюосновныхпроцессов,принципыустройстваиметодырасчетааппаратовимашин.

Задачей курса является выявление аналогий в прохождении внешне разнородных процессов, в устройстве аппаратов независимо от отрасли промышленности стройматериалов, в которой они применяются, на основе анализа закономерностей, присущих этим процессам и аппаратам. При этом используются фундаментальные законы физики, химии, физхимии, термодинамики, теории твердого тела, теории моделирования и подобия, экономики и т.д., и т.п.

Вкурсе изучаются также закономерности перехода от лабораторных процессов и установок к промышленным. Процессы, изученные в лаборатории, не всегда могут быть без изменений перенесены в промышленные условия. Даже такой технологически простой процесс, как твердение бетона в лаборатории, отличается от твердения бетона того же состава в теле плотины. Здесь, помимо химической сущности процесса, сказываются такие факторы, как тепловыделение бетона, скорость теплопередачи через бетон, скорость высыхания и т.п. Все эти факторы определяют макрокинетику процесса.

Именно макрокинетику и изучает курс. При этом используются данные микрокинетики, т.е. кинетики процессов, протекающих элементарно на молекулярном уровне.

Таким образом, курс «Процессы и аппараты» – важный раздел теоретических основ технологии строительных материалов, теоретическая технология.

Курс тесно связан с химической технологией, т.к. почти все процессы технологии строительных материалов на элементарном уровне могут быть сведены к химическим и физико-химическим процессам.

Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах

В России идея об общности различных процессов и аппаратов в химической технологии впервые была высказана в 1828 г. профессором Ф.А. Денисовым. Основанная на этой идее дисциплина была введена в 90-е гг XIX в. В Петербургском технологическом институ-

те профессором А.К.  Крупским и несколько позднее – профессором И.А.  Тищенко в Московском высшем техническом училище. Они являютсяосновоположникамикурсавнашейстране.

Учебник А.К. Крупского вышел в 1909 г. В США аналогичный труд вышел в 1923 г. (Уокер, Льюис, Мак-Адамс).

Большой вклад в науку о процессах и аппаратах внесли Д.П. Коновалов, А.Ф. Фокин, К.Ф. Павлов. Из зарубежных авторов следует отметить американцев В. Бреджера и В. Мак-Кэба (книга на русском языке появилась в 1933 г.).

Наука о процессах и аппаратах в течение последних 50 лет интенсивно развивалась. Но ее развитие шло в основном в приложении кхимическойтехнологииивтеснойсвязисней.Однаковпоследние годытеорияпроцессовиаппаратовнашлаприменениеидляпроектированияпроизводствавтехнологиистроительныхматериалов.

В наше время значительный вклад в развитие науки о процессах и аппаратах и становление методики преподавания этого курса внесли профессора В.А. Вознесенский, Н.Ф. Еремин, Ш.М. Рахимбаев другие ученые-педагоги.

Развитие компьютерной техники, возникновение компьютерных технологий позволяет теперь быстро и эффективно решать задачи, связанные с оптимизацией технологических процессов, аппаратов для их осуществления. Компьютерные технологии позволяют применять новые современные методы моделирования технологических объектов, реализовать перенос данных, полученных в лабораторных условиях, в условия реального производства. Компьютер становится повседневным орудием труда технолога.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель изучения раздела: Результатом изучения главы должно быть знание классификации процессов и аппаратов, умение составить уравнение материального баланса и кинетическое уравнение процесса, а также умение составить уравнение для вычисления основного размера аппарата.

1.1.Классификация основных процессов

Взависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:

1.  Гидромеханические процессы – скорость их определяется законами гидродинамики.

2.  Тепловые процессы – скорость определяется законами теплопередачи.

3.  Массообменные процессы (диффузионные) – скорость их определяется скоростью переноса одного или нескольких компонентов смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (законы массопереноса) (растворение, кристаллизация, сушка, гидратация вяжущих). Массообмен тесно связан с гидродинамическими условиями и теплопереносом.

4.  Химические (реакционные) процессы – протекающие со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обязательно сопутствует перенос массы и энергии, а следовательно, скорость химических реакций зависит и от гидродинамических условий и теплопередачи.

5.  Механические процессы – описываются законами механики твердых тел (дробление, помол, сортировка, смешивание твердых компонентов).

Особая группа механических процессов связана с переработкой материалов в изделия – прессование, литье, экструзия и т.п.

По способу организации процессы делятся на периодические и непрерывные.

Периодические процессы проводят в аппаратах, в которые загружают исходные продукты, после их обработки выгружают готовые конечные продукты процесса. Затем весь цикл повторяется сначала. Таким образом в периодическом процессе все его стадии проходят в одном аппарате (одном месте), но в разное время (смешивание бетонной смеси).

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах.

Поступление исходных продуктов и выгрузка конечных идет непрерывно и одновременно. Поэтому в непрерывном процессе все стадии проходят в одно время, но в разных точках пространства (зонах аппарата) (обжиг керамзита).

Существуют еще и комбинированные процессы. Это непрерывные процессы, некоторые стадии которых проводятся периодически, или периодические процессы, ряд стадий в которых проходят непрерывно.

Непрерывные процессы имеют целый ряд преимуществ перед периодическими:

1)  нет перерывов в выпуске конечных продуктов (отсутствуют затратыназагрузкуисходныхпродуктовивыгрузкуконечных);

2)  возможностьболееполнойавтоматизацииимеханизации; 3)  устойчивость режимов и более стабильное качество ко-

нечных продуктов; 4)  большая компактность оборудования (меньшие произ-

водственные площади на единицу продукции, т.е. меньше капитальные и эксплуатационные затраты);

5)  более полное использование подводимого или отводимого тепла,возможностьиспользования(рекуперации)отводимоготепла.

Таким образом, непрерывные процессы выгоднее и технологически и экономически. Периодические же сохраняют свое значение в мелкомасштабном производстве или при выпуске небольших партий (серий) продукции.

Взависимости от изменения параметров процессов во времени (скоростей, температур, концентраций и т.п.) их можно разделить также на установившиеся (стационарные), неустановившиеся (нестационарные) и переходные.

Вустановившихся процессах значения каждого параметра постоянны во времени; в неустановившихся – переменны, т.е. изменяют свои значения и в пространстве, и во времени. Неустановившимися являются периодические процессы. Непрерывныепроцессыявляютсястационарными,анестационарны они только в период пуска (короткий промежуток времени).

Непрерывные процессы отличаются от периодических временем пребывания различных частиц в аппарате (реакционной зоне). В периодических аппаратах все частицы пребывают одно

ито же время. В непрерывных это время может быть сильно отличным для разных частиц.

С этим связано изменение и других факторов, влияющих на процесс (температур, концентраций и т.п.). По этим признакам