книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

Основные термины и понятия

Теплоноситель– тело, участвующее в теплообмене; более нагретый – горячий, менее нагретый – холодный.

Теплопроводность – перенос тепла за счет теплового движения частиц.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение в диапазо-

не 8–40 мм.

Конвекция – перенос тепла за счет движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости (газа). Свободная конвекция – конвекция, возникающая за счет разности температур и плотностей в разных частях объема; вынужденная – конвекция, возникающая за счет принудительного перемешивания.

Тепловой поток – количество тепла, переданное в единицу времени через поверхность теплообмена.

Энтальпия – теплосодержание единицы массы теплоносителя при данной температуре.

Температурный напор – разность температур между горячим и холодным теплоносителями.

Коэффициент теплопередачи – количество тепла, перене-

сенное от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через поверхность в 1 м2 при тепловом напоре в 1 q.

Температурное поле – совокупность всех значений температуры во всех точках пространства в заданный момент времени.

Изометрическая поверхность – поверхность с равными тем-

пературами.

Температурный градиент – производная температуры по нормали к изотермической поверхности; векторная величина, обратная по направлению к тепловому потоку.

6. МАССООБМЕН

Цель изучения раздела: В результате изучения раздела студент должен знать законы массопередачи, уметь объяснить, что такое рабочая линия процесса, число переноса, уметь составить критериальное уравнение масообмена для конкретного случая.

41

Массообменные процессы связаны с переносом вещества из одной фазы в другую через поверхность контакта между этими фазами. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций. К массообменным процессам относят абсорбцию, адсорбцию, экстракцию, ректификацию, сушку, кристаллизацию, растворение и плавление. В технологии строительных материалов встречаются (в различных технологических операциях), сушка, растворение, кристаллизация из растворов и расплавов и плавление.

Основное уравнение массопереноса устанавливает взаимосвязь между количеством перенесенного вещества, движущей силой процесса, площадью поверхности раздела фаз и временем протекания процесса.

Перенос вещества через границу раздела происходит до тех пор, пока не установятся равновесные концентрации переносимого вещества во вмещающих его фазах. При достижении равновесной концентрации наступает динамическое равновесие, т.е. вещество сравнойскоростьюпереноситсяизотдающейфазыввоспринимающуюиобратно.Разностьмеждуравновеснойконцентрациейиконцентрациейтекущей(т.е.существующейвкаждыйданныймомент) и является движущей силой процесса. Движущая сила изменяется по мере приближения к равновесной концентрации. Уравнение, связывающее текущую концентрацию и движущую силу линейно, его график называют рабочей линией процесса. Рабочая линия выражает материальный баланс массообменного процесса.

Величина движущей силы может быть определена также числом переноса – это число, показывающее, как изменится текущая концентрация при изменении движущей силы на единицу. (Концентрация может быть выражена в процентах по массе или объему, в граммах на единицу объема, в молях на единицу объема, в грамм-эквивалентах или в мольных (молярных) процентах. В таких же единицах выражают и движущую силу.)

Массообменные процессы описываются законами Фика и Щукарева.

Поскольку перенос вещества из одной фазы в другую связан с диффузией, кинетическим коэффициентом в уравнениях этих законов являются коэффициенты диффузии.

42

Однако получить точные решения массообменных задач эти законы могут позволить только после подобного преобразования дифференциальных уравнений, выражающих эти законы. Подобное преобразование дает возможность получить критерии подобия, которые называют диффузионными. Диффузионные критерии подобия по форме аналогичны тепловым критериям и часто носят те же названия.

Наиболее сложным для математического описания случаем массопереноса является массообмен в системах с твердой фазой, когда вещество диффундирует и в жидкой, и в твердой средах. Именно этот случай и является наиболее распространенным в технологии стройматериалов.

Основные термины и понятия

Массоперенос (массообмен) – перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность контакта между фазами.

Отдающая фаза – фаза, из которой вещество переходит в другую.

Воспринимающаяфаза–фаза,вкоторуюпереходитвещество. Распределяемая фаза – переносимое вещество.

Равновесная концентрация – такая концентрация вещест-

ва, при которой количество вещества, перешедшее из отдающей фазы в воспринимающую, становится равным количеству его, переходящему в обратном направлении.

Рабочая линия процесса – прямая на графике, выражающая взаимосвязь между равновесной и текущей концентрациями.

Число переноса – величина, показывающая, насколько изменится концентрация вещества при изменении движущей силы процесса на единицу.

Коэффициент диффузии – число, показывающее, какое количество вещества продиффундирует через единицу поверхности в одну секунду при движущей силе равной единице. Он не является постоянной величиной и изменяется с изменением температуры, давления, концентрации веществ, их молекулярной массы, вязкости жидкости, в которой происходит массообмен и т.д.

Массопроводность – диффузия молекул вещества внутри твердой фазы.

43

7.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

ИТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Цель изучения раздела: Усвоение представлений о технологическом процессе как системе. Усвоение основ системного подхода к проектированию предприятий строительных материалов. Получение представлений об описании технологических операций наосновеанализаэлементарныхпроцессовиихописаниеспомощью критериальных уравнений. Формирование представлений о функциональномподходекавтоматизациитехнологическихпроцессовиап- паратов.Умениесоставлятьсхему-заданиенаавтоматизацию.

7.1.Элементы системного подхода

7.1.1.Предприятие строительных материалов как система

Процесс производства строительных материалов представляет собойпроизводственныйкомплекс,результатомдеятельностикоторогоявляетсяпродукцияввидематериаловилиизделийстроительного назначения.Этоткомплексестьвероятностнаясистемаопределенной сложности.Такаясистемадолжнаобладатьрядомпризнаков:

–определенной целостностью,

–большими размерами,

–вероятностно предсказываемым состоянием и поведением,

–непрерывным развитием,

–большим объемом информации.

Для изучения и анализа связей элементов и явлений системы «предприятие стройматериалов» используется теория систем. Метод исследования, основанный на этой теории, называется системным подходом.

При системном подходе любую задачу рассматривают с точки зрения влияния ее объекта на всю систему.

Процессы, рассмотренные нами в предыдущих лекциях, являются элементарными. Технологический процесс является совокупностью элементарных процессов, которые протекают в ходе отдельных операций. Технологическая операция – часть технологического процесса, направленная на изменение свойств сырье-

44

выхматериалов(илиихсостояния)припомощирядавоздействий на эти материалы. Каждое воздействие на сырье осуществляется с помощью элементарных процессов. Каждая технологическая операция(передел)имеетвполнеопределенноеназначение–под- готовку материала для передачи его на следующую операцию.

Назначение всего технологического процесса в целом – получение из сырьевых материалов готовой продукции.

Технологический процесс должен обеспечить получение максимального количества готового продукта с наименьшими затратами сырья, энергии и финансовых средств.

Эта задача, выполняемая технологами предприятия, может быть решена на основе системного подхода.

В каждом технологическом процессе неразрывно связаны технологические и экономические факторы. Оптимальное соотношение этих факторов обеспечивается правильным выбором отдельных операций и аппаратуры для их осуществления, а также их последовательности. С правильным выбором технологических операций, составляющих технологический процесс, тесно связано качество готовой продукции. Качество материала (полуфабриката), полученного в результате каждой операции, зависит от оптимального режима протекания элементарных процессов, имеющих место при осуществлении этих операций.

Управление технологической операцией возможно только путем воздействия на ход элементарных процессов. В каждой операции, однако, могут одновременно происходить элементарные процессы разных типов. Так, при смешивании бетонной смеси осуществляется механический, гидродинамический, массобменный и теплообменный процессы. Однако на качество смеси последние два в данном случае не влияют, поскольку массообмен за время смешивания еще далеко не завершен, а теплообмен незначителен, и им здесь можно в большинстве случае пренебречь. Качество смеси зависит от механического перемещения смеси игидродинамическихусловийеедвижения,посколькувпроцессе участвует жидкость. В то же время гидродинамический процесс при смешивании возбуждается механическим перемещением смешиваемых компонентов. По этим причинам, чтобы управлять операцией смешивания наиболее надежно, необходимо воздействовать на механическую составляющую из всех действующих

45

движущих сил конкретно, в случае управления качеством смеси на действующей технологической линии можно изменять время перемешивания, скорость движения лопастей смесителя, последовательность подачи компонентов, гранулометрический состав зернистых компонентов и т.п. Таким образом, управляющим элементарным процессом в этой операции является механический.

Рассмотрим для примера технологический процесс получения строительного гипса. После добычи сырья – гипсового камня – в условиях завода по производству строительного гипса технологический процесс складывается из следующих операций: 1. дробление сырья; 2. помол сырья; 3. обжиг (варка) сырья.

При заданной производительности завода дробильное отделение должно обеспечить получение вполне определенного количества гипсового щебня с необходимым средним размером кусков. Очевидно, что добиться этого возможно только выбором соответствующихдробилок.Дробилкидолжныобеспечитьполучениещебня в нужном количестве и нужного качества (фракционный состав щебня) при минимальных затратах энергии и капитальных затратах (т.е. минимальной стоимости самих дробилок). При несоблюденииэтихусловийлибобудетнарушентехнологическийпроцесс, либо возрастет стоимость конечной продукции. Так, если гипсовый щебень окажется крупнее оптимального, увеличится время его помола, следовательно, возрастут затраты энергии на помол. Если же сохранить время помола, то изменится тонкость помола, а это приведет к ухудшению качества готового гипса.

При помоле должны быть соблюдены те же требования, т.е. эта операция должна обеспечить получение в единицу времени заданного количества порошка гипса с заданной тонкостью помола при наименьших энергетических и капитальных затратах. Любое отклонение режима помола от оптимального приводит либо к удорожанию продукции, либо к ухудшению ее качества, либо к тому и другому сразу.

Следующая операция – обжиг – должна отвечать тем же требованиям, что и две предыдущие.

Из сказанного вытекает, что высокое качество продукции и низкая ее стоимость обеспечиваются выбором аппаратуры для проведения каждой технологической операции, оптимальным режимомпротеканиякаждойоперации.Всовокупностиэтоозначает,

46

чтотехнологическийпроцессвцеломдолженобеспечитьвысокую производительностьвысокачественнойпродукцииснаименьшими затратами.Наибольшуюпроизводительностьполучаютпринепрерывных технологических процессах. Основные технологические операции при получении строительных материалов: измельчение сырья – дробление или помол (или то и другое); перемешивание – приготовлениебетоннойсмеси,керамическоймассы,шлама,пульпы и т.д.; формование – прессование, экструзия, виброуплотнение, литье, центрифугирование, иногда сочетание нескольких видов формования; тепловая обработка – сушка, обжиг, пропаривание, автоклавная обработка.

Последовательность операций и их количество различны при получении разных материалов. Так, при получении заполнителей применяют только измельчение (и классификацию, которую также можно рассматривать как отдельную операцию).

При производстве портландцемента используют измельчение, перемешивание, сушку, обжиг (здесь сушка и обжиг совмещены в одном аппарате), снова измельчение. При производстве бетонных и железобетонных изделий – перемешивание, формование, тепловую обработку. Кроме того, в каждом технологическом процессе используются вспомогательные операции – дозировка, загрузка, выгрузка, транспортирование и т.п.

Каждая технологическая операция представляет собой совокупность нескольких элементарных процессов.

Кроме того, ряд операций предназначен для поддержания в оптимальном состоянии оборудования. Например, для устойчивой работы ленточного пресса в производстве керамического кирпича пластическим формованием необходимо периодически производитьнавариваниесносившейсякромкишнека.Необходим периодический ремонт или замена тех или иных деталей различных аппаратов. Такие операции называются обслуживающими.

Вся совокупность основных, вспомогательных и обслуживающих технологических операций и составляет систему «предприятие строительных материалов».

Однако все эти операции еще не полностью определяют такую систему. Для устойчивого функционирования системы необходима работа еще целого ряда служб, подразделений и отдельных работников, которые обеспечивают снабжение и сбыт,

47

производят экономическое и финансовое обеспечение работы предприятия, поддерживают оптимальное соотношение и благополучное состояние различных контингентов работающего персонала – рабочих, ИТР, административных работников и т.п.

Все эти службы и подразделения также составляют неотъемлемую часть системы, и от их состояния в немалой степени зависит функционирование технологического процесса.

Вся система работает таким образом, что изменения, происходящие в любом из ее элементов – возмущения, – проявляются на выходе системы в виде изменения количества, качества или себестоимости готовой продукции – как отклик.

Хорошо известно, что даже сезонные изменения погоды вызываютизменениекачествамногихвидовпродукции.Элементами системы являются технологическая и трудовая дисциплина, состояние здоровья персонала, своевременная выплата зарплаты работающим и т.д.

Однако наиболее важной частью системы является технологический процесс. Непосредственная задача технолога состоит в том, чтобы, своевременно регистрируя возмущения, возникающие в отдельных операциях, таким образом изменять элементы технологического процесса, чтобы в целом свойства готовой продукции отвечали нормативным.

Такое воздействие технолога на систему является регулированием системы, или управлением системой. Для осуществления управления необходимо иметь представление о закономерностях функционирования как технологического процесса в целом, так и отдельных операций, его составляющих.

При проектировании технологических процессов также необходим системный подход к планируемому производству. При этом, чтобы представить систему «технологический процесс», проектировщик может построить модель этой системы, отражающую те или иныеее стороны.Весьмацелесообразноначинатьпостроениетехнологической схемы проектируемого производства с его функциональноймодели,затемперейтикпостроениюструктурноймодели.

Рассмотрим принципы построения функциональной и структурной моделей на примере технологии производства железобетонных конструкций.

48

7.1.2. Функциональная модель

Функциональная схема производства является совокупностью операций, необходимых для преобразования сырьевых материалов в конечную продукцию. Она является функциональной моделью технологии. В то же время это графическая модель, следовательно, эта схема есть знаковая модель технологии.

Складывается функциональная модель в данном случае на основе идеальной модели технологии, возникающей в представлении проектанта при изучении литературы.

Таким образом, чтобы построить функциональную схему производства, нужно представить, какие операции и в какой последовательности необходимо осуществить, чтобы преобразовать сырьевые материалы в изделие. При этом изделие должно полностью соответствовать предъявляемым к нему техническим требованиям и иметь возможно меньшую себестоимость. Полный набор операций составит технологический процесс производства данного изделия. Чтобы управлять технологическим процессом, нужно воздействовать на ход операций, из которых он состоит. Для этого необходимо знать, из каких элементарных процессов складывается каждая операция. Среди этих процессов нужно выделить управляющие процессы, изменяя течение которых можно воздействовать на ход операций. Поэтому необходим анализ разработанной функциональной схемы с целью поиска возможностей управления технологическим процессом.

В качестве примера рассмотрим производство плит пустотного настила. Сырьевыми материалами для получения таких плит служат портландцемент, крупный и мелкий заполнители, вода, арматурная сталь. Кроме того, для их производства требуется электрическая и тепловая энергия. Чтобы преобразовать сырьевые материалы в готовое изделие, необходимо:

а) изготовить арматурный каркас; б) перемешать компоненты бетонной смеси; в) подготовить форму для плиты;

г) установить каркас в проектное положение; д) уложить бетонную смесь;

е) уплотнить бетонную смесь с учетом необходимости формирования пустот в плите;

49

ж)  произвеститепловлажностнуюобработкуотформованного изделия;

з)  извлечь изделие из формы.

Перечисленным действиям соответствуют конкретные технологические операции, каждая из которых складывается из элементарных процессов. Изготовление арматурного каркаса предусматривает заготовку стержней, сварку по заданной схеме и транспортировку готового каркаса к месту укладки бетонной смеси. При этом осуществляетсямеханический,теплообменный (нагреваниеприсварке) имассообменный(плавлениеметаллаприсварке)процессы.

Управляющими являются механический и массообменный процессы, т.к. именно воздействуя на кинетику этих процессов, можно управлять операцией изготовления каркаса.

Действительно, от скорости резки арматурной стали, скорости перемещения заготовок и от скорости расплавления и последующей кристаллизации металла при сварке зависит производительность этой операции.

Перемешивание компонентов бетонной смеси включает гидродинамический, массообменный и теплообменный процессы.

Управляющим является гидродинамический процесс, поскольку от его кинетики зависит производительность операции. Перемешиванию смеси обязательно сопутствуют вспомогательные операции: транспортировка компонентов смеси, их дозирование, транспортировка готовой смеси к месту ее укладки. В этих операциях управляющим элементарным процессом является механический,т.к.производительностьихзависитотскоростиперемещения компонентов смеси или готовой смеси в пространстве.

Подготовка формы для плиты – операция, включающая ряд вспомогательных операций: чистку формы, ее смазку, установку пуансонов-пустотообразователей и другой бортоснастки.

Скорость этих операций, кроме смазки, определяется механическими процессами. Смазка же включает, кроме механического, еще гидродинамический процесс – течение смазывающей жидкости, – которым в значительной степени контролируется скорость операции.

Установка каркаса в проектное положение включает лишь один элементарный процесс – механический, которым и определяется скорость этой операции.

50