3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

3. естественные процессы как основа

технологических процессов

МОДУЛЬ 1 (обучающий)

Как отмечалось ранее, технологический процесс, будучи основой любого производственного процесса, является реализацией естественных (производственных) 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 (природной) 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.

3.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КЛАССИФКАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Все многообразие технологических процессов, используемых в производственной деятельности с точки зрения их естественной (природной) сущности и можно свести условно в три основные группы:

- физические 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, био-химических и т.д.

Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений с химической структурой исходных веществ не происходит:

(вода в форме льда, жидкости, пара имеет одну и ту же формулу – Н₂О, хотя свойства этих веществ значительно отличаются друг от друга).

Все многообразие физических процессов, используемых в технологии можно подразделить, в свою очередь, на следующие подгруппы:

- механические процессы;

- гидромеханические процессы;

- тепловые процессы;

- массообменные процессы.

Подробнее об этих процессах - в разделах 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры(формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств.

Подробнее об этих процессах – в разделе 1.2.6.

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).

Подробнее о биологических процессах – в разделе 1.2.7.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, используемые В ТЕХНОЛОГИИ

Механические процессы относятся к физическим и связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии. Это преобразование связано с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях.

Исходя из этого, выделяют следующие разновидности механических процессов:

- транспортные процессы;

- процессы формообразования и соединения твердых тел;

- процессы изменения размеров твердых тел;

- процессы дозирования, сортировки, смешивания.

Объединяет все эти процессы механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции.

3.2.1. ТРАНСПОРТНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса и делятся на две большие группы: 1) процессы непрерывного транспорта (ленточные, пластинчатые, винтовые транспортеры, элеваторы и т.д.); 2) процессы дискетного транспорта (вагоны, вагонетки и т.д.).

По направлению и трассе перемещения грузов машины непрерывного транспорта могут быть вертикальными, горизонтальными и пространственными. Транспортирующие установки могут быть стационарными, подвижными, переносными и передвижными.

Основные направления развития современных транспортирующих машин: 1) создание системы машин для бесперегрузочного транспортирования грузов от начального до конечного пункта по сложным трас-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

сам большой протяженностью; 2) повышение производительности конвейера, благодаря выбору наиболее рациональной формы грузонесущего органа, а также путем увеличения скорости его движения; 3) повышение надежности машин, упрощение их обслуживания, уменьшение обслуживающего персонала; 4) автоматизация управления с использованием ЭВМ; 5) снижение массы и уменьшение размеров путем создания принципиально новых, облегченных конструкций с применением новых материалов; 6) создание транспортных роботов-манипуляторов для автоматической разгрузки и разгрузки конвейеров в процессе их движения; 7) улучшение условий труда обслуживаемого персонала; 8) унификация и стандартизация оборудования.

3.2.2. ПРОЦЕССЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И

СОЕДИНЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Процессы формообразования и формоизменения твердых тел подразделяются на две больших 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)

Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, многих керамических материалов, стекла, химических волокон, пластиков и др. Широкое распространение методов пластической деформации обусловливается их высокой производительностью и обеспечением высокого качества изделий.

Наряду с традиционными методами (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка) применяются новейшие методы (обработка металлов давлением с наложением ультразвука, листовая штамповка с использованием взрыва и др.)

Обработка материалов давлением заготовок деталей машин является одним из распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими способами обеспечивает меньше потери металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов.

При обработке металлов давлением вызывается пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы. В процессе обработки металлов давлением на заготовку действуют формирующие силы прокатных станков, молотов, прессов и другого обо-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

рудования или силы, вызванные действием ударных волн (при взрывной штамповке, электорогидравлической формовке).

Рассмотрим сущность процессов обработки металлов давлением.

Прокатка является наиболее распространенным и экономичным способом обработки металлов давлением. Сущность процесса прокатки заключается в деформировании металла (заготовки) путем обжатия его между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего происходит изменение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается ее длина).

Прокатные изделия стандартизованы. Перечень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и из размеров называется сортаментом проката. В зависимости от вида различают сортовой, листовой, трубный и специальный прокат.

Волочение. Сущность процесса волочения заключается в том, что обрабатываемый металл протягивается через отверстие получая форму и размеры этого отверстия.

Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб.

Волочение обеспечивает получение точных размеров заготовок, высокого качества их поверхности, весьма тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а также различных фасонных прокатов.

Прессование. При прессовании нагретый металл выдавливают из замкнутого пространства контейнера через отверстие (матрицу).

Методом прессования получают прутки различного профиля и размером (5 – 200 мм), трубы с внутренним диаметром до 80 мм. Процесс прессования по сравнению с прокаткой обеспечивает более точные размеры изделий и большую производительность. Поэтому сложные профили заготовок указанных выше размеров экономики целесообразно получать методом прессования.

Ковка. Различают два вида ковки: свободную ковку и ковку в штампах – штамповку. Исходным материалом при свободной ковке и штамповке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. Изделие, полученное ковкой, называют поковкой.

Под свободной ковкой понимают пластическую деформацию нагретого металла с помощью бойков молота или пресса (при этом течение металла не ограничивается заранее изготовленными формами).

Методы свободной ковки применяют в единичном и мелкосерийном производствах для получения поковок любой массы.

Ковку выполняют на молотах или прессах.

Штамповка. При штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах – штампах. Поэтому при штамповке получают

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

более точную и чистую заготовку, чем при свободной ковке.

Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы являются дорогим инструментом. Каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заготовок.

Штамповка в зависимости от исходно заготовки подразделяется на объемную и листовую и может выполняться в горячем или холодном состоянии.

В промышленности применяют процессы штамповки с использованием взрывчатых (бризантных) веществ, а также электрогидравлическую штамповку.

Наиболее распространенными методами формообразования заготовок и изделий из пластмасс в вязкотекучем состоянии являются: компрессионное прессование, литье под давлением, экструзия, вальцевание, каландрирование и др.

В зависимости от поведения под действием теплоты и давления пластмассы условно делятся на две группы: термопласты и реактопласты.

Термопласты (термопластические материалы) под действием температуры и давления переходят в пластическое состояние, не претерпевая существенных химических изменений, причем их превращения обратимы. Бракованные отпрессованные изделия и отходы производства могут быть вновь подвергнуты обработке с целью получения новых изделий, что повышает эффективность применения таких материалов.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) под воздействием теплоты и давления подвергаются необратимым изменениям в процессе переработки. Изделия, изготовленные из этих пластмасс, вторично переработать нельзя.

Компрессионное прессование применяют для формования реактопластов (фенопластов, аминопластов), которые в исходном состоянии представляют собой пресс-порошки или таблетки.

Пресс-порошок или таблетки загружают в горячую пресс-форму, где они нагреваются, размягчаются и под давлением пресса начинают течь, заполняя полость пресс-формы. После отверждения материала пресс-форму раскрывают и отформованное изделие извлекают.

Слоистые пластики (гетинакс, текстолит, стеклопластики) получают прессованием листов картона, ткани или стеклоткани, пропитанных смолами.

Литье под давлением применяют для получения изделий и из термопластов на специальных литьевых машинах.

Экструзия производится на специальных машинах – экструдерах.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Методом экструзии получают изделия из термопластов (поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена): трубы, шланги, стержни и тонкие пленки (толщиной 40 – 400 мкм) путем раздувания воздухом трубной заготовки.

Вальцевание и каладрирование применяют для получения листовых изделий и пленок из пластмасс (винилпласта, пластиката). Сущность этих методов заключается в том, что размягченный темропластичный материал пропускают между валками или калндрами, в результате чего образуется лента. Для получения очень тонких пленок (толщиной 0,05 – 1,0 мм) применяют многовалковые каландры.

Основными методами формообразования резинотехнических изделий являются методы пластической деформации: экструзия, горячее и холодное прессование, литье под давлением.

Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т. е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки.

Процесс резания осуществляется рабочими движениями. Главным рабочим движением называется то, при котором образуется стружка, вспомогательным (движением подачи) – которое обеспечивает процесс резания на всей обрабатываемой поверхности.

Количественной характеристикой главного рабочего движения является скорость резания U, а вспомогательного – подача S. Эти две величины, а также глубина резания t, равная толщине слоя материала, снимаемого с заготовки, входят в состав режимных параметров, т. е. определяют производительность и себестоимость обработки.

При различных видах механообработки характер рабочих движений меняется. Например, при точении главное рабочее движение (вращательное) совершает заготовка, а поступательное движение подачи – резец. При сверлении рабочие движения выполняет сверло.

Правильное выполнение процессов механической обработки за висит от ряда факторов, в числе которых большое значение имеют припуски на обработку.

Припуском на обработку называется слой материла, подлежащий удалению с поверхности заготовки для получения требуемого размера.

Правильный выбор размера припуска имеет большое технико-экономическое значение. Завышенные припуски увеличивают расход конструкционных материалов, электроэнергии, ускоряют износ оборудования, режущего инструмента увеличивают трудоемкость и стоимость обработки.

В зависимости от вида операции механообработки, формы заготовки (плоская, круглая цилиндрическая, коническая, фасонная), выбирают оборудование и необходимый режущий инструмент.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Режущий инструмент можно классифицировать следующим образом:

1. Резцы, применяемые при точении (токарной обработке).

2. Сверла, применяемые при сверлении.

3. Фрезы, применяемые при фрезеровании

4. Абразивный инструмент: шлифовальные круги различной формы, абразивные бруски, сегменты, применяемые при калифовании.

5. Другие: резьбонарезной инструмент, протяжки, развертки, зенкеры и т.д.

Классификация технологических методов обработки заготовок на металлорежущих станков со снятием стружки представлена на схеме (рис. 18.40).

Механообработку ведут на различных металлорежущих станках: токарных, сверлильных, фрезерных и др.

Процессы соединения твердых тел нашли широкое применение в современном производстве. Строго говоря, по своей сути они не являются чистыми представителями механических процессов (в ходе их осуществления происходят более сложные физические (тепловые и диффузионные) и физико-химические явления). Они условно отнесены в эту группу с точки зрения получаемого результата в сопоставлении с другими механическими процессами формоизменения и соединения твердых тел.

В различных конструкциях изделий и сооружений используют подвижные и неподвижные соединения отдельных их частей и деталей, а также разъемные и неразъемные соединения.

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 группе 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.

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов, сплавов и других материалов, осуществляемый на основе сил межатомного сцепления свариваемых материалов. Она широко применяется в машиностроении, приборостроении, металлообработке, в строительстве и других отраслях народного хозяйства; сварка является незаменимой в судостроении, мостостроении, авиастроении, создании трубопроводов. Сварка позволяет соединять между

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Технологические методы обработки заготовок на металлорежущих станках

собой однородные металлы и сплавы, разнородные металлы (например, медь с алюминием, сталь с медью), металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмассы.

Применение сварных заготовок обеспечивает значительную экономию металла и снижение их массы по сравнению с заготовками, полученными ковкой или литьем, а также снижение трудоемкости изготовления. Сварные соединения часто обеспечивают большую прочность и надежность при эксплуатации по сравнению с другими видами неразъемных соединений. Поэтому сварку считают одним из прогрессивных технологических процессов.

Сварные соединения можно получить двумя способами: плавлением и давлением. В первом случае кромки свариваемых деталей расплавляют. Подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к образованию общей сварочной ванны. При охлаждении происходит кристаллизация атомов двух металлов и в результате образования единого литого ядра сварного шва получается прочное неразъемное соединение. В другом случае сварку осуществляют сдавливанием сва -

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

риваемых поверхностей, при котором сварное соединение образуется за счет взаимного проникновения (диффузии) атомов одного материал в другой.

По виду энергии, используемой для нагрева материала, все методы сварки можно разделить на шесть групп: 1) электрическая, 2) химическая, 3) механическая, 4) лучевая, 5) электромеханическая, 6) химико-механическая.

В промышленности наиболее широкое применение получили электросварка (электродуговая, плазменная, электрошлаковая) и электромеханическая сварка (контактная, диффузионная). Из химических методов наибольшее значение имеет газовая сварка. Из механических способов применение имеют ультразвуковая сварка, сварка трением и др.

Пайка – процесс соединения заготовок, изготовленных из металлов и неметаллических материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материла, называемого припоем.

Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного материала. Неразъемное соединение образуется в результате растворения припоя, смачивания и взаимной диффузии припоя и основного материала. Пайка не вызывает значительного коробления и окисления поверхностей соединяемых заготовок.

Процесс пайки заключается в нагреве паяемых заготовок и расплавлении припоя. Для получения соединения высокого качества температура нагрева заготовок в зоне шва должна быть на 50 – 100 ⁰С выше температуры плавления припоя. Нагрев заготовок и расплавление припоя в зависимости от его вида производят медными паяльниками, газовыми горелками, электрическим током в печах, индукционным током, а также в печах-ваннах с расплавами солей.

Паять можно заготовки из углеродистой или легированной стали всех марок, твердых сплавов, чугунов, редких металлов и их сплавов. Можно также соединять разнородные материалы.

Преимуществами пайки являются: достаточная прочность и чистота соединения, отсутствие оправления металла, сохранение формы и размеров изделия, возможности механизации и автоматизации процесса.

Клеевая технология. В последнее время склеивание как метод получения неразъемных соединений при сборке получает все более широкое распространение. Наиболее эффективно применять склеивание вместо клепки. Преимуществами клеевых соединений в этом случае являются: снижение трудоемкости, отсутствие выступов на наружных поверхностях, обеспечение герметичности, экономия материала. В некоторых случаях, например для соединения деталей из неметалличес-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

i

Склеивание применяется для пластмасс, стекла, керамики, легких сплавов (алюминиевых, магниевых).

Технологических процесс получения клеевого соединения в основном состоит из следующих этапов: подготовка поверхностей, нанесение клея, склеивание при определенных температурах, давлений и времени выдержки, очистка соединения и контроль качества.

В зависимости от материала соединяемых частей и конструктивных особенностей применяют различные клеи. Широкое распространение получили карбонильные, эпоксидные и другие клеи. Вид и качество применяемого клея оказывают большое влияние на механическую прочность соединения.

3.2.3 ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). Измельчение материалов осуществляют путем раздавливания, раскалывания, истирания и удара.

В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких – раздавливанием и истиранием.

Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении пылеобразования не наблюдается и облегчается транспортирование измельченных продуктов.

В зависимости от размеров кусков исходного и измельченного материалов различают следующие виды измельчения:

Таблица 3.2

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.

3.2.4. ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПО РАЗМЕРУ

Разделение твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией. Существуют два основных способа классификации: 1) ситовая (грохочение) – механическое разделение на ситах; 2) гидравлическая – разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе.

Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется воздушной сепарацией. Процессы гидравлической классификации и воздушной сепарации будут рассмотрены в группе гидромеханических процессов.

Классификация может иметь самостоятельное значение – для приготовления готовых продуктов определенных сортов (сортировка) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей обработке. Наиболее широко классификация используется совместно с процессами измельчения.

Основная часть аппаратов для грохочения (грохотов) - рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных

перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников).

Под эффективностью классификации понимается отношение массы материала, прошедшего через сито (подрешето продукта), к массе материала данной крупности, содержащегося в исходном продукте.

E = [Cm - Cm (100 – Cm)]  100/Cm

где Сm - процентное содержание массы зерен нижнего класса в общей массе исходного материала; Cm – относительное содержание массы зерен нижнего класса, оставшихся после разделения в верхнем классе.

Эффективность классификации зависит от большого число факторов, в том числе, от конструкции машины и свойств материала.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

3.2.5. ПРОЦЕССЫ СМЕШИВАНИЯ ТВЕРДЫХ

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Смешение – это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Смешение осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для перемешивания, называются смесителями.

Механизм действия процесса смешивания является весьма сложным, зависит от большого количества факторов и главным образом от конструкции смесителя и режима его работы.

Идеально в результате смешения должна получится такая смесь материала, что в любой ее точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы другого компонента в количествах, определяемых заданными соотношениями. Однако такое идеальное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается.

К пневмосмесителям относятся аппараты, в которых смешивание осуществляется в слое псевдоожиженного газом (воздухом) зернистого материала. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью, малым временем смешения, отсутствием вращающихся частей, но требуют установки пылеулавливающих устройств.

Находят широкое применение вибросмесители, в которых необходимая циркуляция сыпучего материала достигается с помощью вибрации.

3.2.6. ПРОЦЕССЫ ДОЗИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Эти процессы применяются в химической, пищевой промышленности строительных материалов и во многих других отраслях промышленности и осуществляются дозаторами. От точности дозирования во многом зависит качество продукции и рациональное расходование материала.

Дозирование материалов можно производить по объему и по массе. Оборудование для объемного дозирования проще по устройству, но точность его работы ниже, чем весовых дозаторов, т.к. в этом случае сказывается влияние изменения плотности материала.

По режиму работы различают дозаторы циклического и непрерывного действия.

Весовые автоматические дозаторы являются наиболее совершенными, в результате их применения устраняется ручной труд, сокращается время дозирования, появляется возможность автоматизировать работу смежного технологического оборудования. Главным рабочим органом всех весовых дозаторов являются весовые механизмы, которые можно разделить на поворотные и рычажные.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

3.3. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ

Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), так называемых неоднородных систем при этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит.

Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы:

- процессы получения неоднородных систем;

- процессы разделения неоднородных систем;

- процессы транспортирования жидкостей и газов.

3.3.1. ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Неоднородными или гетерогенными системами называют системы, состоящие из двух и более нескольких фаз. Большинство промышленных химико-технологических процессов относится к гетерогенным.

Механизм гетерогенных процессов сложен, т.к. представляет собой совокупность взаимосвязанных физико-химических явлений и химических реакции или только физико-химических явлений. Увеличение движущей силы гетерогенного процесса достигается повышением концентрации реагирующих веществ, проведением процесса при оптимальных температурах, давлении и т.п., максимальным развитием межфазной поверхности, влиянием на гидродинамические условия процесса.

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких фаз (Г-Ж), широко используются в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Процессы с участием твердых и жидких фаз также служат основой многих производств.

Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсионной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензии – неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (МКМ) суспензии условно делят на грубые (более 100), тонкие (0,5-100) и мелкие (0,1-0,5).

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4 – 0,5 МКМ) или при добавлении стабилизаторов эмульсии становятся устойчивыми и долго не расслаиваются. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется возможность обращения (ниверсии) фаз.

Пены – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа, эти газо - жидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.

Пыли и дымы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при давлении, смешивании, транспортировке твердых материалов и др.). Размеры частиц пылей – 3 – 70 МКМ. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое состояние или твердое, при этом образуются твердые взвешенные в газе частицы 0,3 – 5 МКМ. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3 – 5 МКМ) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, называемые аэрозолями.

Для приготовления эмульсий, суспензий, а также для интенсификации химических, тепловых, диффузионных процессов широко применяется перемешивание в жидких средах. В последнем случае перемешивание осуществляется непосредственно в предназначенном для проведения этих процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью – газ, жидкость или твердое сыпучее вещество – различают два основных способа: механический (с помощью мешалок различных конструкций, и пневматический (сжатый воздухом или инертным газом).

Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки и с помощью сопел и насосов. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств являются 1) эффективность; 2) интенсивность.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражена по-разному в зависимости от цели перемешивания.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса.

Для экономичного проведения процесса надо, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для получения заданного результата перемешивания.

3.3.2. ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

В технологии широко распространены процессы, связанные с разделением жидких и газовых неоднородных систем. Разделение проводится с одной из следующих целей: 1) очистка жидкой или газовой фазы от примесей; 2) выделение 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 основные методы разделения: 1) осаждение; 2) фильтрование; 3) центрифугирование; 4) мокрое разделение.

Рассмотрим процессы разделения жидких и газовых систем из-за их специфических особенностей раздельно.

3.3.2.1 Разделение жидких систем

Отстаивание – осаждение, происходящее под действием силы тяжести. Отстаивание в основном применяется для предварительного грубого разделения и проводят в аппаратах, называемых отстойниками или сгустителями.

Различают отстойники периодического, непрерывного и полунепрерывного действия. Непрерывно действующие отстойники могут быть одно-, двух- и многоярусными.

Отстаивание является самым дешевым способом разделения и он наиболее эффективен при разделении грубых суспензий. Наряду с суспензиями методом отстаивания разделяют эмульсии.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость (газ), но задерживать взвешенные в среде твердые частицы.

Под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки, жидкость проходит через ее поры, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависит производительность фильтра, чистота получаемого фильтрата.

Все фильтры делятся на периодические и непрерывного действия. По способу создания разности давлений (движущей силы) по обе стороны перегородки фильтры делят на работающие под вакуумом и работающие под давлением.

Число конструкций фильтровального оборудования велико. К наиболее распространенным относятся барабанный вакуум-фильтр, ленточный вакуум-фильтр, карусельный фильтр, фильтровальные патроны.

Центрифугирование – процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Процессы центрифугирования проводят в центрифугах.

Основная часть любой центрифуги – барабан со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в основном неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу-фугат.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделения суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, где вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а устройства, где осуществляют этот процесс – сепараторами. Пример такого процесса – отделение сливок от молока. Процессы центрифугирования осуществляются периодически или непрерывно.

По расположению оси вращения различают вертикальные, наклонные и горизонтальные центрифуги.

Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах не имеющих вращающих частей – гидроциклонах.

Чем меньше диаметр гидроциклона, тем больше развиваемые в нем центробежные силы и тем меньше размер отделяемых частиц.

Достоинства гидроциклонов: высокая производительность, отсутствие в них движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостаток: быстрый износ

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

корпуса, для чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка.

Отдельным направлением в механике разделения суспензий является газо-центробежное разделение суспензии. В этом случае роль вращающегося перфорированного барабана центрифуг играет неподвижный цилиндрический фильтрующий элемент, в который во внутрь подается пленкой суспензия, а по центру в соответствующем направлении закрученный газовый поток. В этом случае давление на пленку будет оказывать центробежная сила вращающегося газового потока. Кроме того, закрученный газовый поток придает вращательно-поступательное движение и пленке, что обеспечивает равномерное распределение ее по поверхности фильтрующего элемента. За счет центробежных сил через фильтрующую поверхность на начальном участке из суспензии удаляется основная часть жидкой фазы, а в дальнейшем происходит обкатывание и обдув твердых частиц закрученным газовым потоком и окончательное удаление влаги. При этом на выходе можно получить продукт с влажностью значительно ниже, чем в фильтрующих центрифугах, что в ряде случаев позволяет исключить стадию сушки.

Способ прост, надежен, т. к. не имеет вращающихся частей. В сравнении с центрифугами стоимость, материалоемкость, затраты электроэнергии значительно (в разы) ниже.

3.3.2.2 Разделение газовых систем

Очистка отходящих промышленных газов является одной из важных технологических задач многих производств. Различают следующие способы очистки газов:

1) осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка);

2) осаждение под действием инерционных, в частности центробежных сил;

3) фильтрование;

4) мокрая очистка;

5) осаждение под действием электростатических сил (электрическая очистка).

При очистке фильтрованием газы, содержащие взвешенные твердые частицы, проходят пористые перегородки, пропускающие газ и задерживающие на своей поверхности твердые частицы.

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку – промывку газов водой или другой жидкостью. Тесное взаимодействие

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

между жидкостью и запыленным газом осуществляется в мокрых пылеуловителях либо на поверхности жидкой пленки, стекающей по вертикальной или наклонной плоскости (пленочные или насадочные скрубберы), либо на поверхности капель (полые скрубберы) или пузырьков газа (барботажные пылеуловители).

Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом. Если газ поместить в электрическом поле, образованной двумя электродами, к которым подключен постоянный электрический ток высокого напряжения, то молекулы газа ионизируются, т.е. расщепляются на положительно заряженные ионы и электроны, которые начинают перемещаться по направлению силовых линий. Направление движения заряженных частиц будет определяться их знаком,

а скорость – напряженностью электрического поля. Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками находящимися в газе положительные и отрицательные ионы и электроны сообщают им свой заряд и увлекают их к соответствующему электроду: положительному или отрицательному.

На практике нужная степень очистки газа не всегда может быть достигнута в одном аппарате. Поэтому часто применяют двухступенчатые и многоступенчатые установки, включающие аппараты одного и того же или разных типов. Степень очистки (в %) газа  определяется следующим образом:

 = (G₁ – G₂/G₁)100% = (V₁X₁ – V₂X₂/V₁X₁)100%

где G₁ и G₂ – масса взвешенных частиц в загрязненном и очищенном газе; V₁, V₂ – объемный расход загрязненного и очищенного газа, X₁,X₂ – концентрация взвешенным частиц в запыленном и очищенном газе.

При выборе аппаратов для очистки газа надо учитывать технико-экономические показатели их работы, при определении которых надо принимать во внимание степень очистки газа, гидравлическое сопротивление аппарата, расход электроэнергии, пара и воды на очистку, стоимость аппарата и стоимость очистки газа.

При этом должны быть приняты во внимание факторы, от которых зависит эффективность очистки: влажность газа и содержание в нем пыли, температура газа и его химическая агрессивность, свойства пыли (сухая, липкая, волокнистая, гигроскопическая и т.д.), размеры частиц пыли и ее фракционный состав и пр.

Гидравлическая классификация осуществляется в горизонтальных, восходящих и вращающихся потоках воды, движущейся в классификаторе с такой скоростью, что зерна меньше определенного размера, не

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

успевая оседать, уносятся с нею в слив, зерна же большего размера оседают в классификаторе.

Высокая производительность и эффективность классификации достигаются в центробежных классификаторах, в качестве которых используют гидроциклоны и отстойные центрифуги со шнековой выгрузкой.

В воздушных сепараторах, работающих в замкнутом или открытом циклах с мельницами сухого помола, классификация материала происходит благодаря тому, что твердые частицы различной массы имеют различные скорости в воздухе в поле действия центробежных сил или сил тяжести.

3.3.3 ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗА

Перемещение жидкостей и газов в промышленности осуществляется в основном по трубопроводам. Различают магистральные и промышленные трубопроводы. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны: отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки; возможность автоматизации процесса транспорта.

В систему трубопроводного транспорта входят: 1)трубопроводы; 2) резервуары-хранилища; 3) транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а при перемещении газов - компрессорами.

Насосами и компрессоры служат для создания перепада давления на концах трубопроводов, благодаря которому и происходит перемещение жидких и газообразных сред.

Для регулирования потоков жидкостей и газов по трубопроводам на них устанавливают так называемую трубопроводную арматуру:

• краны;

- вентили;

- задвижки.

Расход энергии на перемещение жидкостей и газов зависит от скорости перемещения. С уменьшением скорости уменьшается расход энергии, однако одновременно снижается пропускная способность или мощность трубопровода. Поэтому существуют оптимальные скорости перемещения жидкостей и газов по трубопроводам, которые варьируют в широких пределах в зависимости от свойств жидкостей и газов (паров) и условий транспорта (температура, давление):

для жидкостей: от 0,1 до 3 м/с

для газов: от 2 до 25 м/с

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

для паров: от 15 до 75 м/с

Насосы.

Насос – устройство для напорного перемещения жидкостей под действием сообщаемой энергии.

Основными параметрами, характеризующими работу насосов являются:

- производительность

- напор

- мощность

Производительность Q определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в единицу времени. Выражается в следующих единицах: м³/с; м³/час; л/с; л/час и т.п.

Напор Н характеризует высоту столба жидкости, которую можно создать с помощью насоса.

Мощность определяется количеством энергии, потребляемой насосом в единицу времени (N).

Основными типами наиболее распространенных насосов в настоящее время являются следующие:

- поршневые

- центробежные насосы - машины

- осевые

- пластинчатые ротационные

- шестеренчатые

- струйные насос – аппарат

Компрессорные машины по величине создаваемого избыточного давления делятся на следующие группы:

1) вентиляторы (до 0,1 ат);

2) газодувки (до 3,0 ат);

3) компрессоры (выше 3,0 ат);

4) вакуум-насосы.

Несмотря на конструкционные особенности все компрессорные машины можно рассматривать как разновидности компрессоров.

Компрессоры в свою очередь аналогично насосам делятся на:

- поршневые

- центробежные

- осевые

- ротационные

- струйные

Пневмотранспорт. Перемещение сыпучих материалов с помощью движущегося потока воздуха называют пневмотранспортом. Такие установки могут быть всасывающими (вакуум – транспорт) и нагнетательными (пневмотранспорт).

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Принципиальной разницы между ними нет, поскольку в обоих случаях движущей силой является разность давлений на входе и выходе из трубопровода, обеспечивающая нужную скорость воздушного потока. Таким образом перемещают пылевидные, порошкообразные, зернистые, мелкокусковые грузы: цемент, гипс, соду, мел, полиэтилен и т.д.

Широкое распространение пневмотранспорта особенно на предприятиях по переработке пластмасс, строительных материалов, объясняется следующими причинами: 1) возможностью перемещения материалов в горизонтальном наклонном, вертикальном направлениях; 2) герметичностью трубопроводов и отсутствием потерь транспортируемых материалов; 3) сравнительной простотой конструкции, обслуживания и эксплуатации при незначительных занимаемых площадях; 4) возможностью полной автоматизации процесса транспортирования и распределения материала по бункерам; 5) возможностью совмещения транспортирования материала с его одновременной сушкой подогретым воздухом.

3.4 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и другие. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты – теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты – процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газа) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвенцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы – раз-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

ности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром).

При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Интенсивность конвективного переноса, теплоты зависит от распределения скорости в потоке жидкости (газа), т.е. от гидродинамической обстановки, которая в свою очередь зависит от многих факторов: формы теплопередающей поверхности, скорости движения, вязкости, плотности среды.

Тепловое излучение – перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике, теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно превалирующее значение имеет какой-нибудь один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или лучеиспусканием) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передачи теплоты нагретом средой стенке (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты к холодной среде от нагретой стенки (теплоотдача).

3.4.1 ПРОЦЕССЫ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах называемых теплообменниками. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, рабочим органом которых является насадка, попеременно омываемая горячим и холодным теплоносителем и смесительные, в которых процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Наиболее распространены рекуперативные теплообменники.

Выбираются теплообменники с учетом многих факторов: количества передаваемой теплоты, физико-химических свойств сред корро-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

зионная активность, возможность выделения отложений и т.п.), удобства ремонта и обслуживания, стоимости и т.д. Но главную роль играет величина теплообменной поверхности, которая определяет размеры теплообменника.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе». В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая – в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективным приемом является применение оребренных теплообменных поверхностей со стороны газа. Типичный пример: радиатор автомобиля, некоторые типы батарей водяного отопления.

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Выбор теплоносителей зависит от технико-экономических показателей, из которых важнейшими являются интервал рабочих температур, теплофизические свойства, коррозионная активность, токсичность и стоимость. Во многих случаях оказывается экономически целесообразным использовать в качестве теплоносителей технологические материальные потоки, т.к. это обеспечивает уменьшение энергозатрат.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар.

Для нагревания до температур более 180-200⁰С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получаемыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, в химической целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

В зависимости от способа преобразования электроэнергии в тепловую применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Для экономии воды на всех предприятиях имеются системы водооборота.

В связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование воздуха как хладагента. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность). Поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем в воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, что увеличивает поверхность теплообмена, распыляют в воздух воду, испарение которой понизит температуру воздуха и увеличит за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (например, 0⁰С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды на его основе непосредственно в охлаждаемую жидкость.

3.4.2 ВЫПАРИВАНИЕ, ИСПАРЕНИЕ, КОНДЕНСАЦИЯ

Выпаривание – процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при кипении этого раствора. Выпаривание применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения нелетучих веществ в твердом виде, а также для получения чистого растворителя. Последняя задача решается, например, в опреснительных установках.

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителей служит водяной пар. Как и для всех тепловых процессов движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение – процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева, или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими, обычно отрицательными, температурами кипения.

Конденсация пара (газа) – осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум – сушке, для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппа-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

рата, где они образуются, в закрытый аппарат, служащий для сбора паров-конденсатов, охлаждаемый водой или воздухом.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента и если он представляет ценность, то может быть использован.

3.4.3 ПРОЦЕССЫ ИскусственноГО охлаждениЯ

Ряд процессов технологии проводят при температурах, значительно более низких, чем те, которые можно получить, используя в качестве охлаждающих агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении относятся некоторые процессы абсорбции, процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях.

Так, используя глубокое охлаждение разделяют газовые смеси путем их частичного или полного сжижения и получают многие технологически важные газы, например, азот, кислород и другие газы при разделении воздуха, водород из коксового газа и т.д. Обеспечивается интенсификация доменных процессов черной металлургии, производства минеральных кислот путем широкого внедрения в них кислорода.

Условно различают: 1) умеренное охлаждение до –100⁰С; 2) глубокое охлаждение ниже –100⁰С.

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, а такой процесс требует затраты энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода.

Основные методы искусственного охлаждения:

1. Испарение низкокипящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения охлаждаются до температуры кипения при давлении испарения.

2. Расширение газов дросселированием, пропуская его через устройство вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа.

3. Расширение газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору – газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу – перекачивает жидкости, нагнетает газы. Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

3.4.4 КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ПЛАВЛЕНИЕ

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Кристаллизация – процесс обратный плавлению и т.о. тепловой эффект ее равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Одновременное получение большого числа кристаллов носит название массовой кристаллизации. Ею обычно проводят из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Такой способ характерен для производства минеральных удобрений, солей, таким же образом получают ряд органических полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, т.к. испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом и т.о. получают разнообразные изделия из кристаллизующихся материалов: металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе методами прессования, литья, экструзии и т.д.

Плавление. Подготовка полимеров к формованию (прессование, литье под давлением, экструзия и т.д.) металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и многие другие технологические процессы включают стадию плавления.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла теплопроводностью через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный и т.д.) и плавление сжатием.

3.5. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ

3.5.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче массопередача – это сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ – жидкость, пар – жидкость, жидкость - жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

3.5.2 ВИДЫ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕДАЧИ

1. Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

вредных веществ, примесей: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений и т.д.

Аппараты, в которых осуществляется абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

2. Перегонка жидкостей. Применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которой летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Включают виды перегонки: а) простая перегонка (дистилляция), б) ректификация.

Дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и тепло- обмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном или непрерывном контакте фаз.

Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение (в производствах органического синтеза, полимеров, полупроводников и т.д.) в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

3. Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсорбатом или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы абсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров. Например, очистка аммиака перед контактным окислением, осушка природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и для многих других целей.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При химической адсорбции или хемосорбции возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В количестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты).

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента.

4. Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаивание, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду, при этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

1) конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

2) контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала.

5) сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар минуя жидкое состояние при глубоком вакууме и при низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) при снижении давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом, 2) удаление основной части влаги сублимацией, 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

Высушиваемый материал при любом методе находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материал, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, внешних факторов и т.д.

Традиционными являются сушилки непрерывного действия (барабанные, конвейерные с кипящим слоем, распылительные и т.д.) и периодического действия (камерные, шкафные и т.д.)

Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси.

Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефте-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

химической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах жидкость-жидкость представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением, с использованием насадок и т.д. В результате взаимодействия фаз получается экстракт-раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат-остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими и гидромеханическими способами.

После этого производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделение жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) является низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.

3.6 ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

В ТЕХНОЛОГИИ

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 продукты, применяемые 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, «химических навыков». Более того, современная химическая технология, используя достижения других естественных наук – прикладной механики, материаловедения и кибернетики, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов и оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими во многих отраслях промышленного производства различных веществ, продуктов, материалов и изделий. Химическая технология является научной основой нефтехимической, коксохимической, целлюлозно-бумажной, пищевой, микробиологической промышленности, промыш-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

ленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей.

В последние же десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства.

3.6.1 ПОНЯТИЕ О ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

Под классическим пониманием термина «процесс» (лат. - продвижение) следует понимать «совокупность последовательных действий для достижения какой-либо цели». Исходя из этого, химико-технологический процесс (ХТП) можно разделить на ряд взаимосвязанных стадий:

- подвода реагирующих веществ в зону реакции;

- собственно химических реакций;

- отвода 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 (см. разделы 3.4, 3.5)

Химические реакции, как второй этап ХТП, обычно протекают в несколько последовательных или параллельных стадий, приводящих к образованию основного продукта, а также 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.

3.6.2 ГОМОГЕННЫЕ И ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее, чем в гетерогенных (см. ниже). В целом, механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, соответственно проще и управление процессом. По этой причине на практике часто

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу.

В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух и трех фазах. Примерами двухфазовых систем могут быть: газ – жидкость; жидкость - жидкость (несмешивающиеся); газ - твердое тело; жидкость – твердое тело; твердое тело – твердое тело (разновидные). В производственной практике, однако, чаще встречаются системы г – ж, г – т, ж – т; нередко процессы протекают в твердых гетерогенных системах: г – ж – т, г – т – т, ж – т – т, и в более сложных (г – ж – т – т и т.д.).

К гетерогенным процессам относятся, например, горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др.

3.6.3 ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ И ЭНДОТЕРМИЧСЕКИЕ ПРОЦЕССЫ

Все химические процессы протекают либо с выделением, либо с поглощением теплоты: первые называются экзотермическими, вторые эндотермическими. Количество выделяемой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплоты процесса).

Большинство химических реакций, особенно в живых организмах, протекают при постоянном давлении и температуре. При обсуждении же химических превращений, происходящих при постоянном давлении, удобно пользоваться термодинамическим понятием теплосодержания. В упрощенном понимании теплосодержание является мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. В термохимии теплосодержание назвали энтальпией и обозначили латинской буквой H.

Изменение же энтальпии системы в ходе процесса, протекающего при Р=const, обозначаемое символом ∆Н, равно теплоте процесса. При этом если суммарное теплосодержание (∆Н каждого веществ учитывается) реагирующих веществ больше, чем теплосодержание продуктов реакции, то в результате такой реакции, выделяется тепло (реакция экотермическая, значение ∆Н реакции показывается со знаком минус, единица измерения – кДж). Если же суммарное значение теплосодержания продуктов реакции больше, чем у реагируемых веществ, то в результате протекания такой реакции поглощается тепло из окружающей среды (∆Н реакции показывается со знаком плюс). В обоих случаях тепловой эффект реакции определяется как разность между суммой ∆Н продуктов и суммой ∆Н реагентов (закон Гесса):

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

∆Н⁰_{реакции} = ∑Н⁰_{продуктов} - ∑∆Н⁰_{реагентов} (3.1)

где знак ∑ - обозначает сумму значений ∆Н⁰; знак ноль (0) указывает

на то, что соответствующие значения ∆Н⁰ взяты при стандартных условиях: температуре Т = 298,15 К (в градусах Кельвина) и давлением Р = 101 кПа (1 атм.). Значения ∆Н⁰ веществ имеются в специальных таблицах.

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции при постоянных давлении и температуре, называются термохимическими уравнениями. Запись уравнения, как термохимического, выглядит, например, следующим образом:

NH₃₍₂₎ + HCl₍₂₎ = NH₄Cl(тв); ∆Н = -177 кДж/моль, (3.2)

Знак минус означает, что реакция экзотермична.

3.6.4 ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Теоретически все химические реакции, осуществляемые в ХТП, обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Во многих же случаях равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. По этой причине технологические процессы делятся на обратимые и необратимые. Последние протекают лишь в одном направлении.

Во всех обратимых процессах устанавливается равновесие, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение между компонентами во взаимодействующих системах остаются неизменными до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса. В случае изменения таких параметров, как температура, давление или концентрация реагирующих веществ, равновесие нарушается, и процесс начинает протекать в том или ином направлении до наступления нового равновесия. При этом качественная зависимость химического равновесия от указанных параметров (температуры и т.д.) или внешних условий описывается принципом Ле Шателье - Брауна*.

Если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из параметров, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия.

Например, повышение давления смещает равновесие в сторону

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

меньшего объема.

Количественно состояние равновесия описывается законом действующих масс* (ЗДМ), который гласит: при постоянной температуре и наличии равновесия отношение произведения действующих масс продуктов реакции к произведению действующих масс исходных веществ есть величина постоянная, которая называется Константой равновесия К.

Так, для реакции:

аА + вВ = dД + сС, ± ∆Н (3.3)

находящейся в состоянии термодинамического равновесия, концентрации всех реагирующих веществ, согласно ЗДМ, связаны соотношением:

К = [Д]^d ∙ [С]^c/ [A]^a ∙ [B]^в (3.4)

где а, в, с, d – стехиометрические коэффициенты; в квадратичных скобках – концентрации веществ.

Определяют константы равновесия либо по экспериментальным данным, либо по следующему уравнению:

∆G⁰ = - RTlnK_p (3.5)

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/мольград; Т – обсолютная температура в градусах Кельвина; К_р ; ∆G⁰ – изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия при постоянном давлении, или энергия Гиббса, кДж/моль.

В свою очередь, энергия Гиббса вычисляется по формуле, в которую входит изменение энергии ∆S⁰:

∆G⁰ = ∆Н⁰ – Т ∙ ∆S⁰ (3.6)

здесь ∆Н⁰ – изменение энтальпии системы в ходе химического превращения; значение ∆S – изменение энтальпии системы.

Для многих химических превращений константы равновесия при стандартных условиях приведены в справочниках физико-химических

величин в виде таблиц или номограмм. В этих же справочниках

* Закон действующих масс был установлен К. Гульдбергом и П. Вааге в 1864-1867 гг., когда вместо концентрации употреблялось словосочетание «действующая масса».

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

приведены и значения ∆G⁰ и ∆Н⁰ для индивидуальных соединений, а также абсолютные значения энтропии (S) простых и сложных веществ.

Энтропия (греч. - превращение) связана с теплотой и температурой. Можно отметить, что теплотехники еще середины XIX века знали, что теплота тел зависит не только от температуры. Так, при плавлении и испарении, т.е. при фазовых переходах из одного состояния в другое, температура оставалась постоянной, хотя вещество подвергалось нагреванию. Исходя из этого предположения, что часть энергии тратится как бы на разрушение порядка расположения частиц вещества и перемещение их (перевод) в беспорядочное состояние. Это и заставило еще тогда ввести такую величину, как энтропия, а по существу так был назван коэффициент пропорциональности между теплотой и температурой вещества. Сложность восприятия смысла понятия «энтропия» заключается в том, что ее возрастание неизбежно. Образно ее можно выразить, например тем, что рассыпанные в беспорядке частицы самопроизвольно в определенной последовательности никогда не соберутся.

По знаку величины ∆G⁰ реакции обычно судят о направлении процесса. Если значение ∆G⁰ окажется со знаком минус, то есть реакция может протекать слева - направо (по записи уравнения); если же ∆G⁰ получается с плюсом (положительная величина), то вероятность протекания реакции справа – налево (т.е. в обратном направлении). При ∆G⁰ равном нулю, в системе устанавливается равновесие (скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции).

3.6.5 Электрохимические процессы

Электрохимические процессы относятся к такой науке, как электрохимия, которая рассматривает и изучает процессы превращения химической энергии в электрическую и электрической в химическую. А поскольку электрический ток связан с перемещением электрических зарядов, в частности электронов, то основное внимание в электрохимии сосредоточено на реакциях, в которых электроны переносят от одного вещества к другому. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.

Протекание электрического тока, используемого в том числе и в электрохимических процессах, осуществляется по проводникам двух типов. К первому типу из них относятся электронные проводники или проводники первого рода, поток зарядов, в которых представляет собой поток электронов. Вследствие этого в электронных проводниках не существует переноса вещества. К ним относятся металлы.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Ко второму типу относятся электролитические проводники или проводники второго рода, которые являются электролитами. Поток зарядов в электролитическом проводнике обеспечивается перемещением ионов, т.е. в данном случае уже происходит перенос вещества. В качестве электролитов могут быть как чистые вещества (например, расплавы солей), так и водные растворы кислот, солей и оснований.

Примерами перехода химической энергии в электрическую могут служить гальванические элементы, предназначенные для однократного электрического разряда: непрерывного или прерывистого. После разряда они теряют работоспособность. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторные батареи, например свинцовый аккумулятор. В отличие от гальванических элементов, работоспособность аккумулятора после разряда можно восстановить путем пропускания через него постоянного тока от внешнего источника.

Процессы же превращения электрической энергии в химическую называются электролизом.

Ниже рассмотрим оба процесса более подробно.

Среди химических источников электроэнергии широкое распространение получили в последнее время, топливные элементы. Для их создания используются самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции.

3.6.6 Электролиз

Пропускание постоянного электрического тока через электролит, приводящее к протеканию химических реакций, которые в обычных условиях самопроизвольно не идут, называется электролизом. Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов.

На электродах, подводящих электроток, происходит перенос электронов к ионам либо от них. При этом, в электрическом поле положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные – анионы, движутся к аноду. На катоде происходит восстановление, на аноде – окисление ионов или молекул, входящих в состав электрона.

Электролиз нашел широкое промышленное применение: извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий, анодирование и получение многих веществ.

Электролизом получают также алюминий, цинк, частично медь идр. металлы.

Медь, цинк и др. металлы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называется рафинированием.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Нанесение покрытия (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.

Метод электроосаждения включает гальваностегию – нанесение покрытия толщиной 5-50 мм, и гальванопластику – получение сравнительно толстых, но легко отделяющихся слоев.

Гальваностегию используют для защиты изделий от коррозии, повышения их износостойкости, придания им способности отражать свет, электропроводности, термостойкости, антифрикционности и др. свойств, а также для декоративной отделки.

Гальванопластика позволяет получать копии, воспросизводящие мельчайшие подробности рисунка или рельефа поверхности.

Анодирование или анодное оксидирование – это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. Покрываемые слои оксидов могут быть тонкими, или барьерными (менее 1 мкм), и толстыми – фазовыми, или эмалеподобными (десятки и сотни мкм). Структуры и химический состав оксидов зависят от природы металла, электролита и условий процесса. При этом, на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а, следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска, электрическая проводимость т.д.). Тонкие слои используют в основном в радиоэлектронике. Фазовые слои защищают главным образом металл от коррозии, обеспечивают износостойкость изделий, образуют прозрачные или цветные декоративные покрытия.

3.6.7. Каталитические процессы

Основу каталитических процессов составляет катализ – наиболее эффективное и рациональное средство ускорения многих химических реакций.

Катализ (от греч. katalysis - разрушение) введен в науку И. Берцелиусом еще в 1835 году. Он оказался не только средством увеличения производительности аппаратуры, но и способом повышения качества полученные продуктов.

Различают положительные и отрицательные катализ, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «катализ» определяется как ускорение реакции, в то время как вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами.

Важными компонентами промышленных катализаторов являются промоторы – вещества, добавление которых к катализатору в малых

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

количествах (обычно доли процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость.

Вещества, действие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называются каталитическими ядами.

В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кислоты и соли; они используются как в окислительно-восстановительных, так и кислотно-основном.

Катализом называется увеличение скорости химических реакций или их возбуждение при действии веществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточные химические взаимодействия с реагентами, но затем восстанавливают свой химический состав после окончания акта (действия) катализа.

Все каталитические реакции относятся к самопроизвольным процессам, т.е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса системы (см. разд. 3.6.4). Со временем катализатор изменяется и после определенного срока может полностью необратимо потерять свою активность.

Активностью катализатора считается мера ускоряющего действия его на ту или иную реакцию.

В соответствии с принципом фазового состояния реагента и катализатора каталитические процессы подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

В случае гомогенного катализа и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе – газовой или жидкой. При гетерогенном катализе реагенты, катализатор или продукты реакции находятся в разных фазах; в этом случае чаще применяются твердые катализаторы.

Каталитические процессы, вызванные переносом электронов, относятся к окислительно-восстановительному катализу.

Окислительно-восстановительный катализ применяется в производстве аммиака, азотной кислоты, серной кислоты и др.

К кислотно-основному катализу относятся каталитический крекинг, гидратация, дегидрация, многие реакции изомеризации, конденсации органических веществ.

В промышленности встречается и так называемый полифункциональный катализ, в котором имеет место совмещение рассмотренных выше двух важнейших видов катализа.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

3.7 Биологические процессы используемые

в технологии

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. Научные же основы биотехнологии были заложены в ХIХ веке французским ученым А. Пастером (1822-1895), положившим начало микробиологии.

Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и 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.

К важнейшим процессам биотехнологии относятся брожение, (ферментация), микробиологический синтез (промышленная биотехнология), термическая обработка и др. Новые же направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине ХХ столетия, значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве при выведении, например, безвирусных растений, получении кормов и т.п.

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, например, нормальном давлении), с меньшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно применение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случае производства относительно дорогих, но малотонажных продуктов. Они же лежат и в основе пищевой промышленности.

Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она описывает уникальные возможности практического использования результатов исследований в этой области. Она же стремительно выдвигается и на передний край научно-технологического прогресса. Этому способствует два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики,

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

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. Биотехнология практически уже вносит немалую лепту и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества.

3.7.1 Брожение

Брожение (ферментация) – процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влияние 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 или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или, чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Как сказано выше, одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийно расщепляющиеся в анаэ- робных условиях под действием ферментов и с участием фосфорной кислоты до пировиноградной кислоты:

ОН

С₆Н₁₂О₆ . . .  СН₃ – С – С (3.7)

О

До этой стадии при действии ферментов дрожжей на глюкозу и в мышцах с участием глюкозы происходит одни и те же реакции. Далее процессы ферментации протекают уже различно. Спиртовое брожение осуществляется в основном с помощью дрожжей ряда Saccharomyces и бактерии ряда Zimomonas по схеме:

ОН

СН₃ – С – С  . . . С₂Р₅ОН (3.8)

О О этиловый спирт

Этот вид брожения также протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (в основном из зерна ржи)

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

– для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.

В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается и дрожжи получают энергию для жизнедеятельности дыхания (реакция, обратная реакция фотосинтеза).

Видоизмененным типом спиртового брожения является глицериновое брожение.

Молочнокислое брожение вызывается бактериями (Lactobacillus и Streptococcus). При гомоферментативном типе брожения молочная кислота образуется непосредственно из пировиноградной кислоты (промышленный синтез молочной кислоты).

Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве).

Пропионово-кислое брожение протекает под действием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

Масляно-кислое брожение осуществляется бактерией ряда Clostridium по схеме:

ОН О

СН₃ – С – С  . . . СН3-СН2-СН2-С (3.9)

масляная кислота ОН

О О

Из промежуточных продуктов некоторые маслянокислые бактерии синтезируют бутанол, ацетон и изопропинол.

При использовании маслянокислых бактерий Clostridium Kluyreri возможен синтез масляной кислоты из этанола и уксусной или пропиновой кислот.

Маслянокислое 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 начинается с разложения сложных веществ, например целлюлозы, до одно- или двухуглеродных молекул (СО₂, НСООН, СН₃СООН и др.), которое осуществляют микроорганизмы, живущие в симбиозе (сожительство) с метанообразующими бактериями. Последние и синтезируют метан.

В природе метановое брожение встречается в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

Образующиеся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.

Под действием некоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродный скелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному из таких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислое брожение) под действием т. н. уксуснокислых бактерий.

Несмотря на то, что ферментация осуществляется живыми клетками, она, однако, основана на биохимических превращениях исходного субстрата (сырья) под действием биологических катализаторов – ферментов (отсюда и ферментативные процессы). При температурах не более 60 – 70 ⁰С и нормальном атмосферном давлении ферменты обладают высокой специфичностью к отдельным субстратам. Их применяют в текстильной, кожевенной, пищевой промышленности, при производстве кормов, в тонком органическом синтезе, в т. ч. при производстве антибиотиков.

3.7.2 Типовые процессы сельскохозяйственного

производства. Фотосинтез

Сельское хозяйство как специфическое производство включает такие основные отрасли, как растениеводство и животноводство, которые органически связаны друг с другом через земледелие.

Последнее рассматривается как искусство возделывания и обработки земли с конечной целью получения продуктов питания для человека, сырья для промышленности и кормов для животноводства. Растениеводство же включает полеводство (основная отрасль), овощеводство, плодоводство, виноградарство, луговодство, лесоводство и цветоводство. В то же время, растениеводство рассматривается как раздел агрономии, изучающий культурные растения и методы их выращивания для получения высоких и устойчивых урожаев. Важнейшим процессов для всех этих отраслей, как и для биосферы в целом, является процесс фотосинтеза, который неразрывно связан с обменом веществ и энергии в растениях (био­энергетика), т.е. фотосинтез - это пусковой механизм круговорота вещества и энергии в биосфере, это единственный процесс связывания солнечной энер­гии.

В химическом же отношении фотосинтез - процесс взаимодействия уг­лекислого газа и воды при участии хлорофилла. Поглощенные при этом

хло­рофиллом световая энергия используется в реакции, при которой водород во­ды восстанавливает углекислый газ.

Наряду с углеводами в процессе фотосинтеза образуются и другие

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

со­единения, в том числе аминокислоты и выделяется кислород.

Животные извлекают избыточную энергию углеводов, запасенных в растениях, вновь окисляя их до воды и углекислого газа (процесс дыхания). Оба этих процесса можно выразить уравнением:

РАСТЕНИЯ (ФОТОСИНТЕЗ)

6СО₂ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6 • О₂ (+2,9 мДж). (3.10)

ЖИВОТНЫЕ (ДЫХАНИЕ)

В этой реакции «первичным» продуктом представляется глюкоза С_бН₁₂О₆.

Таким образом растения и животные гармонично взаимосвязаны друг с другом цепью окислительно-восстановительных реакций, в результате кото­рых солнечная энергия и питательные вещества целенаправленно распреде­ляются между всеми живыми обитателями планеты Земля.

В зависимости от преимущественных источников потребляемой энер­гии все организмы можно разделить на три вида:

- организмы, для которых основным источником энергии являются кванты света, названные автотрофами (это фотосинтезирующие растения);

- организмы, получающие энергию главным образом за счет окисления органических веществ растительного и животного происхождения (углеводы, белки, жиры и т.д.), названные гетеротрофами (человек, животные и многие микроорганизмы);

- специфические виды микроорганизмов, в основе источника энергии которых лежат окислительно-восстановительные реакции, но в качестве до­норов электронов для них используются такие неорганические соединения, как: S, H₂S, NH₃ и др. (их иногда называют хемолитотрофами).

Следует, однако, подчеркнуть, что не все клетки одного и того же орга­низма принадлежат к одному и тому же виду. Более того, в зависимости от ус­ловий среды одни и те же клетки могут использовать различные источники энергии. Например, у фотосинтезирующих растений клетки листа - автотрофы, получающие энергию за счет квантов света, а клетки корней и клубней - гетеротрофы. Более того, на свету клетки зеленых листьев - автотрофы, а в темноте они ведут себя как гетеротрофы.

Взаимодействие разных видов живых организмов образует трофические цены цепи, отражающие поглощение усвоение всех необходимых для жизни пищевых веществ и энергии. Это значит, что каждый организм, потребляю­щий пищу, в свою очередь, служит источ-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

ником питания для других организ­мов, составляющих следующее звено трофических цепей.

Принято считать, что количество энергии и вещества биомассы попу­ляции сокращается на каждом звене цепи в среднем на один порядок, т.е. снижается примерно на 90%. По этой причине трофические цепи редко со­стоят более чем из 4 - 5 звеньев. Очевидно, что, чем короче трофические це­пи и чем выше эффективность переноса в них вещества и энергии, чем выше коэффициенты конверсии нутриентов (питательных веществ) в трофических цепях, тем более экономически и экологически эффективно производство продовольствия. Отсюда следует, что наибольшие ресурсы нутриентов со­ставляет первичная растительная продукция.

Учитывая изложенное, можно также полагать, что животноводство должно быть примерно в 10 раз менее эффективно, чем растениеводство. Из этого следует, что растительно-ядные животные фиксируют в среднем около 10% энергии и белка растительных кормов, а плотоядные около10% белка и энергии, содержащихся в растительноядных животных, или же около 1 % энергии и белка исходной растительной продукции. На самом же деле отно­сительная продуктивность и энергетическая эффективность животноводства оказывается еще ниже. Это связано прежде всего со значительной долей не­съедобной части туш животных, а также в связи с использованием в составе кормов значительной части получаемого животного белка, как, например, в виде обезжиренного молока, рыбной муки и т.д. Уменьшение энергетической эффективности животноводства обусловлено еще и дополнительными затра­тами энергии ископаемого топлива на производство кормов, содержание жи­вотных, поддержание их поголовья и на переработку в пищу животной про­дукции. Существенно также и то обстоятельство, что для растений характер­ны более низкие относительные затраты энергии при биосинтезе белка, чем жира, для животного же - обратное явление. Иначе говоря, возможно дополнительное снижение конверсии кормов в животный белок за счет роста доли жировой ткани.

При простейшей трехзвенной трофической цепи: растениеводство -животноводство - пища, конверсия белковых компонентов корма в животный белок у жвачных животных составляет в среднем 5-10%, т. е. заметно ниже, чем для нежвачных, например свиней и птицы, где она колеблется от 10 до 25%. Это одна из причин более быстрого развития свиноводства и птицеводства в последние десятилетия.

Таким образом, при производстве животноводческой продукции теря­ется около 80 - 90% растительного белка, что обусловливает и сравнительно высокую стоимость животного белка.

Начиная с 1970-х годов человечество начало переходить от экстен-

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

сив­ного пути развития земледелия к интенсивному. Экстенсивный путь земледе­лия был связан прежде всего с возможно большим охватом ресурсов вита-сферы (область жизни организмов), который исчерпал себе практически к се­редине 1970-х годов. Это подтверждается и тем, что с 1940 по 1975 год пло­щадь обрабатываемых земель во всем мире возросла почти вдвое - с 850 до 1450 миллионов Га, что составляет 10,8% всей площади суши. Возможно экс­тенсивный путь развития земледелия будет продолжаться и далее, но надо иметь ввиду, что освоение менее плодородных и менее удобных земель со­пряжено со значительными экономическими трудностями.

Из-за постоянного роста населения планеты (сегодня уже более 6 млрд. человек) путем экстенсивного земледелия невозможно решить проблему уве­личения производства сельскохозяйственной продукции. В этой связи пере­ход к интенсивным формам земледелия становится неотложным требованием для всего человечества. Резервы роста производств продукции на этом пути, как показывает мировой опыт, имеются. Однако, как свидетельствует тот же мировой опыт, на этом пути имеются и новые проблемы и противоречия. Эти противоречия обусловлены технологическим направлением интенсификации земледелия, занявшим доминирующее место в XX веке и заслонившем собой интенсификацию земледелия на биосферной основе. Пренебрежение к разработ­кам биосферного естествознания обернулось серьезными проблемами в рас­тениеводстве.

К основным технологическим процессам интенсивного возделывания сельскохозяйственных культур относятся: обработка почвы, посев, посадка, внесение удобрений, уход за растениями, уборка урожая и его первичная об­работка, культурно-технические работы и мелиорация земель. Они основаны на использовании современной, в основном тяжелой, высокопроизводитель­ной техники и агротехнических приемов с частичным удовлетворением био­логических потребностей растений на всех этапах роста и развития.

К положительным сторонам интенсивных технологических процессов относится то, что продуктивность растениеводства возросла в 2 - 3 раза по сравнению с экстенсивным ведением земледелия, однако этим «плюсам» противостоят свои «минусы» природного и экономического характерам - рост эрозии почв и затрат на производство сельскохозяйственной продукции. По этой причине в высокоразвитых странах начался активный поиск новых направлений развития сельского хозяйства.

Эрозия уносит самый плодородный слой почв. За вторую половину XX века эрозионный снос почвы только реками в моря и океаны возрос в 8 раз, достигнув примерно 25*10⁶ тонн в год. Но примерно в

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

десять раз больше эродированного материала оседает на пойменных террасах, в дельте и в водо­емах суши. В то же время, чтобы образовался плодородный слой земли толь­ко в 1 см, природе требуется от 100 до 300 лет.

Как замечает академик Н.Н. Моисеев, «замена лошади трактором, примитивного навоза - минеральными удобрениями, появление пестицидов и других химических средств защиты растений (ХСЗР), все это привело к тому, что количество энергии, затрачиваемой на производство тонны пшеницы, увеличилось за последние 100 лет тоже почти в 100 раз». Урожайность же зерновых возросла за это время только в 3 раза.

Применение химических средств защиты растений (пестицидная технология) явилась порождением мо­нокультурного способа хозяйствования, вызванного стремлением к минималь­ным затратам времени и труда для защиты почв и посевов от сорняков и вре­дителей.

Однако, в последнее время, все резче ставится вопрос о необходимости различать экономическую и экологическую цены урожая. Так, даже при са­мом строгом соблюдении правил по применению ХСЗР лишь малая часть их (1 - 6%) входит в прямой контакт с вредителями и сорняками. Остальное их количество попадает в почву, атмосферу и воду. Накапливаясь же в живых организмах ХСЗР из рассеянного состояния переходят в более концентриро­ванное и начинают «гулять» по цепям питания, нанося вред всему живому. Например, только при дозе 0,3 - 0,9 кг/Га, от них уже страдают млекопитающие, особенно насекомоядные, а при расходе свыше 1,1 кг/Га - птицы.

Нельзя не учитывать также и то, что более 50% применяемых пестици­дов является мутагенами, изменяющими наследственную природу растений и животных, включая человека. Согласно сибирскому ученому Т.С. Мальцеву «Нуж­но такую агротехнику создавать, чтобы обходиться без ядохимикатов (ХСЗР), нужно биологическими методами бороться с сорняками...».

«Зеленая революция», начавшаяся в 1960-х годах, основывалась на процессах внедрения новых высокоурожайных сортов зерновых культур с целью увеличения производительных ресурсов. Она предусматривала также орошение земель, химизацию и механизацию сельского хозяйства. Зеленая революция стала и первым крупным успехом биотехнологии в области сель­ского хозяйства. В течение последних 40 лет методами биотехнологии уда­лось повысить, например, урожай зерна кукурузы с 12 до 62 ц/Га. Аналогич­ные успехи были достигнуты в повышении урожайности риса.

Биотехнологи ведут работы по выведению сортов, устойчивых к гер­бицидам, которые, как известно, не только поражают сорняки, но и

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

отрица­тельно влияют на рост основной культуры. Ведутся работы и по получению сортов растений, содержащих белки с наиболее целесообразным набором аминокислот.

В то же время, биотехнология рождает не только надежды, но и опасе­ния. Многие ученые считают, что биотехнология не является идеальным средством повышения эффективности и обновления. Ее многие новшества скорее дают временную выгоду, нежели долгосрочные преимущества. Боль­шое опасение вызывают и работы с микробами, которые смогут «улизнуть» из под контроля и нанести соответствующий вред. Перед учеными, в связи с этим, стоит задача по созданию эффективной «системы безопасности» био­технологии.

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Тренировочные задания

Ответ / Решение

1. На какие группы подразделяют физические процессы

а) обратимые, необратимые б) механические, гидромеханические в) п. б,г; г) тепловые, массообменные

2.Какие из перечисленных устройств относят к транспортным непрерывного действия

а) вагоны, вагонетки, контейнеры б) транспортеры, элеваторы, конвейеры в) экстракторы, транспортеры, абсорберы г) конвейеры, центрифуги, фильтры

3.Под действием каких факторов возможно гидромеханическое разделение неоднородных смесей

а) электромагнитных воздействий б) давления температуры в) п. а,б г) сил тяжести, фильтрующих перегородок, центробежных сил

4.Процесс передачи тепла при перемещении объемов жидкости или газа называется:

а) теплопроводностью б) конвекцией в) экстракцией

г) тепловым излучением

5.В каком из ответов правильно указаны представители массообменных процессов

а) сублимация, фильтрация, выпаривание, грохочение

б) абсорбция, ректификация, сушка, экстракция

в) перегонка, центрифугирование, кристаллизация, конденсация г) сепарация, экстракция, флотация, агломерация

6. На какие группы подразделяют химические процессы по механизму осуществления?

а) механические, гидромеханические, тепловые, массообмен-

Согласно разделу 3.1 правильным ответом является вариант 3, включающий одновременно ответы вариантов а и б

Единственно верным является вариант б (см. подраздел 3.1.1)

Единственно верным является вариант ответа 2 (см. раздел 3.2)

Единственно верным является ответ б (см. подраздел 3.3)

Единственно верным является ответ б (см. подраздел 3.4)

Единственно верным является ответ б (см. подраздел 3.5)

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Тренировочные задания

Ответ / Решение

ные б) каталитические, фотохимические, радиационно-химические в) термохимические, квазихимические, экзотермические, эндотермические

г) обратимые, необратимые

7. В чем заключается сущность процесса измельчения твердых материалов?

а) в разрушении первоначальной структуры вещества

б) в изменении состава исходного твердого вещества

в) в изменении агрегатного состояния вещества

г) в изменении размеров частиц твердых материалов

8. Как называется неоднородная система жидкость + твердое

а) эмульсия б) суспензия в) пыль г) пена

9. Количество передаваемой теплоты в теплообменнике тем больше, чем:

а) больше поверхность теплопередачи,

больше разность температур теплообменивающихся сред, больше скорость движения теплообменивающихся сред

б) меньше поверхность теплопередачи, больше разность температур теплообменивающихся сред, меньше скорость движения теплообменивающихся сред

в) больше поверхность теплопередачи, меньше разность температур теплообменивающихся сред, меньше скорость движения теплообменивающихся сред

г) меньше поверхность теплопередачи меньше разность температур теплообменивающихся сред больше скорость движения теплообменивающихся сред

10. Как называется массообменный процесс поглощения газа или пара жидкостью

а) сепарация б) адсорбция б) ректификация в) абсорбция

При сравнительном подобии вариантов ответов надо помнить, что измельчение это механический процесс (правильный ответ 2)

Единственно верным является ответ б (см. подраздел 3.2)

Как подсказывает житейский опыт, единственно верным может быть ответ а (см. раздел 3.3)

Единственно верным является ответ б (см. подраздел 3.4)

3. Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

МОДУЛЬ 2 (закрепляющий)

ТЕСТЫ

1. Какие разновидности биотехнологических процессов вам известны?

а) тепловые, массообменные

б) брожение, ферментация

в) обратимые, необратимые

г) фильтрация, сепарация

2. В чем заключается назначение грохочения твердых материалов

а) в дозировании твердых частиц

б) в разделении твердых частиц по плотности

в) в разделении твердых частиц по их размерам

г) в дроблении твердых частиц

3. Для чего предназначено отстаивание

а) для выделения твердых частиц из жидкости под действием сил тяжести

б) для очистки жидкости от взвешенных в ней пузырьков воздуха

в) для выделения твердых частиц из воздуха под действием сил тяжести

г) для концентрирования растворов солей, кислот, щелочей

4. Процесс передачи тепла при непосредственном контакте твердых тел называется:

а) теплопроводность

б) конвекция

в) тепловое излучение

г) п.1,2

5. На каких явлениях основаны массообменные процессы

а) на переходе одного или нескольких веществ из одной среды в другую

б) на растворении массы твердого вещества в массе жидкого

в) на разделении разнородных веществ за счет их различной массы

г) на обмене количества (массы) вещества при осуществлении гидромеханических воздействий

6. На какие виды разделяют механические процессы

а) механические, гидромеханические, физико-механические, тепломеханические

б) дробление, измельчение, грохочение, дозирование

в) фильтрация, отстаивание, центрифугирование, сепарация

г) абсорбция, адсорбция, сушка, ректификация

3 Естественные процессы как основа технологических процессов

Для заметок

7. В чем заключается назначение дробления твердых материалов

а) изменение агрегатного состояния

б) изменение свойств твердого материала

в) уменьшение размеров частиц твердого материала

г) изменение структуры твердого материала

8. Какими признаками характеризуется процесс отстаивания

а) высокая производительность, высокая интенсивность, высокая капиталоемкость

б) высокая производительность, низкая интенсивность, высокая капиталоемкость

в) низкая производительность, низкая капиталоемкость, низкая интенсивность

г) низкая производительность, высокая интенсивность, низкая капиталоемкость

9. Что такое тепловое излучение

а) излучение тепла от менее нагретых тел к более нагретым телам

б) процесс распространения тепловой энергии в виде электромагнитных волн

в) поглощение тепла более нагретыми телами

г) процесс передачи тепла путем механического перемещения объемов жидкости или газа

10. Какие из массообменных процессов основаны на разделении жидких смесей за счет различной температуры кипячения компонентов

а) абсорбция, адсорбция

б) перегонка, ректификация

в) фильтрация, экстракция

г) кристаллизация, выпаривание