Розділ 4. Основні процеси, машини та апарати будь-якої технології

Класифікація процесів та апаратів в технології

Незважаючи на різноманітність технологічних процесів у будь-якій галузі промисловості їх можна звести до декількох ти­пових або основних (одиничних) процесів, що властиві більшості галузям технології. Класифікацію цих процесів можна встанови­ти за різними ознаками. Зараз основну класифікацію проводять в залежності від основних закономірностей, що характеризують перебігання процесів, в такі групи.

Механічні процеси, що пов'язані з обробкою твердих речовин.

Гідродинамічні процеси, що характерні для рідких, газо­подібних середовищ.

Теплові процеси, що пов'язані з перенесенням теплоти з одно­го середовища до іншого.

Дифузійні — визначають процеси перенесення речовин з однієї фази в іншу.

Хімічні — пов'язані зі зміною хімічного складу речовин.

Біохімічні — пов'язані з перетворенням речовин під дією мікроорганізмів та інших біологічних факторів.

Всі перелічені процеси засновані на трьох началах (законах) або на трьох основних фундаментальних положеннях термоди­наміки, які визначають основні принципи перетворення або пе­ренесення теплоти (енергії).

Перше начало: Теплота Q витрачається на зміну внутрішньої енергії U і на здійснення роботи А (зміна кінетичної енергії якщо система рухається)

Q=

Друге начало: Неможливо створити вічний двигун 2-го роду. У будь-якій замкнутій системі ентропія S при будь-яких процесах не зменшується dS<0. Неможливо перенесення теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого

Третє начало (Нернста): Ентропія твердого або іншого тіла в етапі рівноваги прямує до нуля S 0.

Функцію стану тіла S = dQ/T Клаузіус назвав ентропією, яку можна розглядати в деякому сенсі як термічний заряд. Розмір-

ність питомої ентропії кДж/(кг-К), тобто таке як і в теплоємності, але має зовсім інший зміст.

Механічні процеси

До механічних процесів відносять подрібнення, різання, дозу­вання, перемішування, формоутворення (брикетування, грану­лювання, тощо) та інші. Процеси подрібнення використовують в тих випадках, коли необхідно зменшити розміри частинок сипко­го матеріалу без надання їм певної форми.

Сепарування (розділення, класифікацію) застосовують для розділення сипких матеріалів на фракції, які відрізняються розмірами, формою, швидкістю осадження в рідкому чи газово­му середовищі і т.д. Для сепарування використовують машини та апарати в залежності від ознаки чи властивості, за якою розділя­ють сипкий матеріал.

При дозуванні та змішуванні різноманітних рідких, пасто­подібних та сипких компонентів утворюються суміші з певними якісними показниками для переробки їх в готовий продукт. При­кладами можуть бути змішування борошна, води, солі, дріжджів та інших компонентів для приготування хлібобулочних виробів на хлібозаводах будь-яких компонентів, для складання шихти для виплавлення чавуну, змішування компонентів для вироб­ництва інших виробів.

Мета змішування — це також отримання партії продукту за якимось заданим якісним показником сировини або готового продукту. Прикладами можуть бути складання партії продукту однакової водорості, формування продукту з однаковими показ­никами якості. Складання партії сировини або формування сор­ту продукту проводять на основі математичних моделей змішу­вання. Точність складу забезпечується за допомогою техно­логічної операції дозування. Однорідність характеристик партії або сорту продукту досягають ретельним перемішуванням в спеціальних змішувачах. Інколи достатня однорідність продукту забезпечується транспортною або технологічною операцією (пе­реміщенням сипкої суміші шнеками, заміс тіста).

Процеси перемішування використовуються в промисловості для утворення однорідних продуктів з певними властивостями, а також для інтенсифікації технологічних процесів. Властивості продуктів визначаються умовами проведення наступних опе­рацій чи якістю сировини проміжного або готового продукту.

Перемішування здійснюють різними способами в різно­манітних апаратах з мішалками, а також в газових та рідинних потоках. Ефективність перемішування оцінюють ступенем отри­маної однорідності в об'ємі апарату, за певний часперемішуван-ня, що необхідний для отримання заданої однорідності.

Якщо перемішування застосовують для інтенсифікації техно­логічних процесів, його ефективність визначають ступенем інтен­сифікації процесу, наприклад, збільшенням коефіцієнтів тепло­та масопередачі, розчинення, тощо. Процес перемішування та його якість оцінюють моделями, заснованими на різноманітних уявленнях по природі розглядаємого процесу.

Процеси формоутворення. Процеси формоутворення (пресу­вання, гранулювання, таблетування) призначені для перетворен­ня сипких або рідких речовин у тверді із визначеною формою (гранули, пігульки, тощо).

Під формоутворенням розуміється з'єднання сипких про­дуктів у більш крупні утворення (гранули, брикети, пігульки (таблетки)). При формоутворенні сипкий продукт ущільнюється, збільшується його об'ємна маса, що спрощує його зберігання, транспортування та споживання, або інше використання. При ущільненні сипких продуктів вони настільки зближуються між собою, що сили міжмолекулярного притягування стають помітними і призводять до зміцнення гранул чи брикетів.

Показником щільності гранул є коефіцієнт щільності

де — первісний об'єм сипкого продукту;

— об'єм гранул.

Процеси формоутворення використовують при брикетуванні вугілля, торфу, комбікормів, лікарських препаратів, тощо.Нада­ють також певної форми металам, пластмасам, тістовим виро­бам, куванням, пресуванням, вичавлюванням, штампуванням, волочінням, вальцюванням та іншими технологічними засобами.

Подрібнення

Подрібнення використовують в різних галузях промисловості з метою зменшення розмірів кускових матеріалів (подрібнення руд, гірських порід, вугілля, мінералів, зерна, пластмас, напівфа-

брикатів та готових матеріалів) до визначених розмірів шляхом роздавлювання, розколювання, розламування, різання, розпилю­вання, розбивання, розривання. Під подрібненням розуміють тільки зменшення крупних шматків. Мілкі кускові матеріли підлягають мілкому здрібненню або розпилу.

Крупним вважають подрібнення кусків із середнім попереч­ним розміром від 1000 до 200 мм, середнім — від 250 до 50 мм, мілким — від 50 до 20 мм і тонким (розмелом) від 20 до 3 мм. Ду­же тонке подрібнення використовують коли кінцевий продукт повинен мати розмір — десяті і соті частки міліметра. Відношен­ня поперечного розміру початкового продукту — D найбільш крупних шматків до подрібнення до розміру d шматків після подрібнення називають ступенем подрібнення

, (4.1)

яка змінюється в межах: (2...6) — для крупних часток; (5... 10) — для середніх; (10...20) — для мілких і 50 — для самих мілких часток.

У більшості випадків спосіб подрібнення та відповідну подрібнюючу машину вибирають в залежності від фізичних вла­стивостей і початкових розмірів матеріалу.

Важливою характеристикою процесу подрібнення є витрати енергії. Є дві гіпотези, що визначають витрати енергії в залеж­ності від степені подрібнення — пропорційність затрат енергії площі новоутвореної поверхні матеріалів та пропорційність за­трат енергії об'єму (або лінійним розміром) подрібненої сирови­ни. Жодна з цих гіпотез не має кількісного визначення і не завжди узгоджується з практичними дослідженнями. Але є ос­новні принципи подрібнення, додержання яких забезпечить най­менші затрати енергії.

Не подрібнювати зайвого, тобто подрібнення треба вести тільки до даного ступеня, що необхідний для подальшого вико­ристання сировини. Частки матеріалу, що мають ці нормовані розміри, повинні негайно вилучуватись із машин.

Всі машини за ступенем подрібнення поділяють на три групи: машини для крупного (попереднього) подрібнення; машини для середнього і мілкого подрібнення; машини для тонкого подрібнення (розмелу).

Куски матеріалу до і після подрібнення звичайно не мають правильної форми. Тому у практиці розміри кусків визначають через розміри отворів сит, крізь які просіюють сипкий матеріал до і після подрібнення. 124

За розмірами кусків вихідної сировини і кінцевого продукту дробіння умовно поділяють на кілька класів (табл. 4.1.)

Твердий матеріал можна зруйнувати і подрібнити до части­нок потрібного розміру такими способами: роздавлюванням або розчавлюванням, розколюванням, розламуванням, різанням, розпилюванням, розтиранням, розбиванням і розриванням. Схе­матично ці способи зображені на рис. 4.1.

 

 

Таблиця 4.1.

Класи подрібнення

Клас	Зозмір кусків, мм
До подрібнення D	після подрібнення d
Подрібнення крупне
середнє
дрібне		1...5
Помел грубий	1...5	0,1... 0,04
середній	0,1... 0,04	0,005... 0,015
тонкий	0,1... 0,04	0,001... 0,005
колоїдний	= 0,1	= 0,001

Роздавлювання (рис. 4.1, а). Тіло під впливом наван­таження деформується по всьому об'єму і, коли внутрішнє напру­ження в ньому перевищить границю міцності на стиск, руй­нується. В результаті такого руйнування утворюються частинки різного розміру і форми.

Розколювання (рис. 4.1, б). Тіло руйнується на частинки в місцях концентрації найбільших навантажень, які передаються клиноподібними робочими елементами подрібнювача. Частинки, що утворюються при цьому, більш однорідні за розмірами і фор­мою, хоч форма, як і під час роздавлювання, мінлива. Спосіб роз­колювання досконаліший порівняно з роздавлюванням, оскільки дає можливість регулювати розмір одержуваних частинок.

Розламування (рис. 4.1, в). Тіло руйнується під впли­вом згинальних сил. Розміри і форми частинок після розламуван­ня приблизно такі самі, як і після розколювання.

Різання (рис. 4.1, г). Тіло ділиться на частинки наперед за­даних розмірів і форми. Процес повністю керований.

Розпилювання (рис. 4.1, д). Результати такі самі, як і після різання. Процес цілком керований, а частинки мають напе­ред визначені розміри і форму.

Розтирання (рис. 4.1, є). Тіло подрібнюється під впли­вом стискальних, розтягу вальних і зрізувальних сил. Утво­рюється дрібний порошкоподібний продукт.

Розбивання (рис. 4.1, є, ж). Тіло розпадається на частин­ки під дією динамічного навантаження. У випадку сконцентрова­ного навантаження створюється ефект, схожий на той, який має місце під час розколювання, а в разі розподілу зусиль на весь об'єм тіла ефект руйнування схожий на ефект роздавлювання. Розрізняють руйнування тіла обмеженим і вільним ударами. У випадку обмеженого удару (рис. 4.1, є) тіло руйнується між дво­ма робочими органами подрібнювача, а при вільному ударі (рис. 4.1, ж) тіло руйнується в результаті зіткнення його з робочим ор­ганом подрібнювача або іншими тілами в польоті.

Розривання (рис. 4.1, з). Тіло руйнується під дією розтя-гувальних сил у результаті виникнення напруження в матеріалі, яке перевищує границю міцності на розрив.

У практиці часто комбінують різні способи дробіння ма­теріалів. Так, наприклад, розтирання завжди супроводжується роздавлюванням чи розбиванням, розламування — розколюван­ням або роздавлюванням.

Вибір способу подрібнення залежить від фізичних властивос­тей і розмірів матеріалу. Основне значення має твердість. Дуже тверді матеріали недоцільно розривати, роздавлювати або стира­ти, бо вони стійкі проти таких дій. Для них найкращим способом подрібнення буде розбивання або розколювання.

Машини, що призначені для подрібнення твердих матеріалів, повинні працювати якомога повільніше (зменшується спрацю­вання машин дрібними твердими частинками).

Матеріали в кусках великих розмірів найкраще дробити роз­давлюванням або розколюванням. Розтирання у цьому випадку недоцільне. Для матеріалів у вигляді кусків середніх розмірів дробіння має ґрунтуватися на розколюванні або розбиванні. Ду­же дрібні матеріали найкраще подрібнювати розтиранням або розбиванням, для них зовсім непридатні способи роздавлювання або розламування.

Структура матеріалу також може істотно впливати на вибір способу дробіння. Для волокнистих матеріалів треба використо­вувати машини, дія яких ґрунтується на різанні або розриванні. Очевидно, у цьому випадку роздавлювання не дасть позитивних результатів.

Процес подрібнення вимагає значних витрат енергії, тому визначення величини використаної енергії на подрібнення є ос­новною проблемою в теорії подрібнення. Нині проблема достат­ньою мірою ще не розв'язана.

За спостереженнями Ребіндера, енергія, яка витрачається на подрібнення матеріалу, є сумою робіт, що йдуть на деформацію тіла і на утворення нових поверхонь

, (4.2)

 

де к — коефіцієнт пропорційності, що дорівнює роботі деформу­вання одиниці об'єму твердого тіла;

V — об'єм тіла, яке деформується.

Думка про те, що робота подрібнення пропорційна як наново утвореній поверхні, так і об'єму подрібнюваного матеріалу, знай­шла своє відбиття у подальших дослідженнях подрібнення. На жаль, жодна із запропонованих гіпотез для визначення роботи, що витрачається на подрібнення, не дістала широкого застосування.

У загальному випадку схема руйнування твердого тіла скла­дається з таких трьох стадій. Стадія пружної деформації від по­чаткового моменту прикладення руйнівних сил, спричинених

дією робочих органів машини, до моменту появи тріщин, що відповідає границі пружності. Стадія пластичної деформації, яка відображує переміщення елементів в окремих частинах тіла. В межах цієї стадії тіло розколюєтеся, іноді сплющується і в усяко­му разі ущільнюється. Стадія дробіння тіла на частинки. В цій стадії енергія витрачається на утворення нових зовнішніх повер­хонь і на пластично-в'язку деформацію речовини.