PROCES PRODUKCYJNY 1 PRZYKŁAD PROCESU PRODUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM PIECA OBROTOWEGO I MIESZALNIKA DWUWAŁOWEGO NA PRZYKŁADZIE PRODUKCJI FOSFORANÓW PASZOWYCH, PRODUKCJI TPFS, SPALANIA MĄCZKI MIĘSNO-KOSTNEJ Cel 1) Zapoznanie z aktualnie stosowanymi metodami wytwarzania produktów (wiadomości o surowcach i sposobach pracy). 2) Poznanie ogólnych zasad (fizycznych, fizykochemicznych i inżynieryjnych), których stosowanie umożliwia optymalne rozwiązanie problemu technologicznego (stworzenie chemicznej i technologicznej koncepcji nowej metody). Wiadomości teoretyczne Technologia Celem technologii jest zastosowanie praw i zasad naukowych do ustalenia metod postępowania technologicznego, aby produkcja odbywała się najekonomiczniej. Głównym zadaniem technologa jest ustalenie warunków, w jakich odbywa się przemiana surowca we właściwy produkt. Surowce Surowce podstawowe surowce, które w procesie wytwarzania produktu dostarczają składników wchodzących w jego skład. Surowce pomocnicze surowce, które nie zawierają składników wchodzących w skład produktu głównego. O wyborze surowca decydują możliwości techniczne przeprowadzania procesu w skali przemysłowej oraz ekonomika procesu. Produkty Produkt główny produkt, który jest zasadniczym celem zamierzonej produkcji. Produkt uboczny produkt powstający oprócz produktu głównego, posiadający wartość handlową. Produkty odpadkowe związki powstające w procesie produkcyjnym nie dające się wykorzystać.
PROCES PRODUKCYJNY 2 Półprodukty związki występujące w postaci trwałej w określonym stadium procesu produkcyjnego. Prowadzenie procesów produkcyjnych polega na wykorzystaniu podstawowych praw i zależności fizykochemicznych, rządzących przebiegiem reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych. Głównymi czynnikami wpływającymi na przebieg reakcji i procesów są zmiany parametrów termodynamicznych, tj. ciśnienia i temperatury, a także takich czynników, jak stężenie reagentów oraz ich wzajemny stosunek, a dla reakcji przyspieszanych katalitycznie rodzaj katalizatora i czas zetknięcia się reagentów z katalizatorem. Prace badawcze mają zazwyczaj dwa cele: opracowanie chemicznej koncepcji nowej metody produkcyjnej oraz ustalenie optymalnych warunków jej realizacji w skali technologicznej. Pierwszy cel realizuje się zazwyczaj w skali laboratoryjnej, natomiast drugi w ćwierć- i półtechnicznej. Jednocześnie prace badawcze rozwiązują zagadnienia analityczno-kontrolne (analiza surowców, produktów międzyoperacyjnych oraz produktów końcowych) oraz zagadnienia dotyczące ekonomiczności proponowanych metod. Wskutek rozwoju technologii chemicznej opracowano szereg zasad postępowania, wynikających z podstawowych praw fizyki i chemii, z praw ekonomii bądź też z racjonalnej organizacji pracy. Tworząc koncepcję technologiczną procesu, opieramy się na zasadach technologicznych obejmujących następujące zagadnienia: wykorzystania poziomów potencjałów, najlepszego wykorzystanie surowców, najlepszego wykorzystania energii, najlepszego wykorzystania aparatury, umiaru technologicznego Zasady technologiczne ułatwiają zatem prawidłowe wykorzystanie surowców, energii i aparatury. Procesy laboratoryjne są modelami procesów przemysłowych do sprawdzenia słuszności chemicznej koncepcji metody technologicznej. W procesach laboratoryjnych główną uwagę zwraca się na zagadnienia chemiczne, a więc statykę, kinetykę i mechanizm reakcji. W laboratorium należy ustalić wydajność procesu, rodzaj powstających produktów oraz wymagania antykorozyjne. W skali laboratoryjnej nie można rozwiązać poprawnie
PROCES PRODUKCYJNY 3 zagadnień dotyczących aparatury i inżynierii chemicznej oraz techniczno-ekonomicznych, związanych z procesem produkcyjnym. W aparaturze w skali ćwierćtechnicznej, o wydajności od kilku do kilkunastu kilogramów na dobę, można rozwiązać wstępnie takie zagadnienia, jak dobranie właściwego układu prądów materiałowych i cieplnych, regenerację surowców i ciepła oraz uzyskanie wstępnych danych o ekonomice procesu (na podstawie sporządzonych bilansów). Ciąg produkcyjny w skali półtechnicznej buduje się na podstawie doświadczeń w skali ćwierćtechnicznej. Produkcja wynosi od kilkuset kilogramów do kilku ton produktu na dobę. W tej skali powinny już zostać rozwiązane wszystkie zagadnienia związane z uruchomieniem produkcji przemysłowej o wydajności od kilkunastu do kilkuset tysięcy ton rocznie a szczególnie muszą zostać określone optymalne wartości parametrów procesu. Podstawą do sporządzenia projektu technologicznego jest praca rozwojowa nad nową metodą, obejmująca szereg etapów. Koncepcja chemiczna procesu jest dokonaniem wyboru surowców i ustaleniem szeregu przemian chemicznych i fizycznych zapewniających otrzymanie produktu. Wstępna analiza polega na dokonaniu obliczeń stechiometrycznych i termodynamicznych, umożliwiających ustalenie teoretycznie osiągalnych wartości wydajności na podstawie liczb znanych z literatury. Na tej podstawie można zazwyczaj odrzucić niektóre teoretycznie możliwe sposoby i obrać metodę najbardziej obiecującą, dla której podejmuje się badania doświadczalne. Badania prowadzi się w skali laboratoryjnej. Zakres badań zależy od rodzaju procesu na podstawie teorii podobieństwa i modelowania procesów określa się, które parametry mają być badane wg teorii podobieństwa (są to tzw. warunki jednoznaczności procesu). Praca doświadczalna powinna obejmować badania nad statyką, kinetyką i mechanizmem procesu. Często ogranicza się ją jednak do znalezienia zależności wydajności procesu od zmian poszczególnych parametrów. Wyniki doświadczeń wymagają opracowania rachunkowego umożliwiającego przedstawienie ich w postaci równań pozwalających na interpolację i ekstrapolację wyników. Na tym etapie badań dokonuje się również pomiarów i obliczeń wielkości fizykochemicznych (charakteryzujących substraty, produkty oraz układy reagujące) potrzebnych do projektowania procesu.
PROCES PRODUKCYJNY 4 Zebrane dane o statyce i kinetyce procesu oraz o własnościach reagentów stanowią podstawę do stworzenia technologicznej koncepcji procesu, tzn. dokonania wyboru i uszeregowania operacji i procesów jednostkowych oraz określenia sposobu ich realizacji. Wynikiem skrystalizowanej koncepcji technologicznej w pierwszym stadium prac jest schemat ideowy procesu. Zestawiając bilanse masowe i energetyczne procesu przeprowadza się wstępną jego analizę umożliwiającą określenie celowości przyjętego schematu. Poprzez zastosowanie teorii modelowania procesów, należy określić, które czynności jednostkowe muszą być zbadane w kilku kolejnych etapach w celu powiększenia skali oraz które czynności jednostkowe można projektować w skali dużej bez wykonania doświadczeń. Na podstawie obserwacji zebranych podczas doświadczeń związanych z pracą rozwojową należy dokonać wyboru typów aparatów oraz wyboru tworzyw na aparaturę. Zakończeniem tego etapu badań jest sporządzenie schematu wstępnego, na którym poszczególnym jednostkowym czynnościom odpowiadają symbole określonych aparatów. Następny krok w opracowaniu nowego procesu stanowi obliczenie rozmiarów aparatów i urządzeń. Obliczenie opiera się na metodach obliczeń urządzeń do wykonania operacji jednostkowych, na metodach obliczeń reaktorów oraz na wynikach badań w skali półtechnicznej przez zastosowanie metod teorii modelowania. Ze sprawą obliczenia wymiarów aparatów wiąże się zagadnienie określenia liczby równolegle pracujących jednakowych aparatów i zagadnienie rezerwowych aparatów (zapewniających nieprzerwany ruch instalacji). Zagadnienia należy rozważyć jako całość i wyniki obliczeń wymiarów aparatów sprawdzić, stosując metody wyznaczania optymalnych rozwiązań. Ustalenie wymiarów, liczby, parametrów ruchu i harmonogramu pracy aparatów ciągu technologicznego stanowi podstawę do sporządzenia schematu technologicznego całej instalacji. Schemat technologiczny i szczegółowa krytyczna analiza procesu stanowią zakończenie prac nad rozwojem nowej metody technologicznej. W celu dokonania analizy procesu sporządza się szczegółowy bilans materiałowy z wykresem strumieniowym i szczegółowy bilans energetyczny z wykresem strumieniowym. Ustala się na tej podstawie wskaźniki zużycia surowców, energii, materiałów pomocniczych itd. Analizując stanowiska pracy przy aparatach, ustala się liczbę potrzebnych robotników. Zestawia się orientacyjny kosztorys budowy zakładu i sporządza wstępną kalkulację kosztów produkcji. Sporządza się analizę ekonomiczną, w której porównuje się koszt wytwarzania produktu nową metodą z kosztami produkcji metodami starymi.
PROCES PRODUKCYJNY 5 Projekt technologiczny zawiera określenie rodzaju surowców, rodzaju, liczby, wymiarów i kolejności wszystkich aparatów ciągu technologicznego oraz wszystkich wartości parametrów procesu. Projekt stanowiący podstawę do przemysłowej realizacji metody zawiera dodatkowo m.in. część budowlaną, energetyczną i wodno-kanalizacyjną. Projektowanie procesu technologicznego opiera się na danych doświadczalnych: wyniki specjalnie wykonanych badań, obserwację zebrane z pracy czynnych instalacji przemysłowych, informacje zaczerpnięte z literatury. Badania przeprowadza się według programu, który powinien spełniać następujące wymagania: a) doświadczenie powinno być tak wykonane, aby zebrane obserwacje można było uogólnić, tzn. wnioski z doświadczenia rozszerzyć na inne warunki (w jakich będzie prowadzony proces), b) należy badać wpływ zmian parametrów, które oddziałują w sposób istotny na przebieg procesu, ale zmniejszyć liczbę parametrów badanych do niezbędnego minimum, c) program badań (plan badań) powinien być ułożony tak, aby można było uzyskać wszystkie niezbędne informacje wykonując minimalną, niezbędną liczbę doświadczeń, d) wyniki doświadczeń należy krytycznie ocenić i przedstawić w postaci dogodnej do wykorzystania podczas projektowania procesu. Zazwyczaj obiekty doświadczeń są skomplikowane, przebieg doświadczeń zależy od wielu parametrów, a zależność pomiędzy badanymi wielkościami można najczęściej przedstawić w postaci układów równań różniczkowych trudnych do rozwiązania. Zastosowanie teorii podobieństwa umożliwia ustalenie warunków jednoznaczności (najmniejszej liczby parametrów jednoznacznie opisujących przebieg zjawiska), uogólnienie wyników na inne, podobne układy oraz określenie granic stosowalności znalezionych uogólnień. Zaletą teorii podobieństwa jest możliwość jej stosowania do badania wszelkich zależności opisujących zjawisko, a więc też równań różniczkowych, których nie potrafi się scałkować. Podobieństwo przekształcenie zachowujące stosunek odległości punktów w przestrzeni metrycznej (równomierna deformacja).
PROCES PRODUKCYJNY 6 Stała podobieństwa stosunek odległości punków dwóch figur pokrewnych. Inwarianty wielkości, które przy danym przekształceniu nie zmieniają swojej wartości. Inwarianty odpowiednich odcinków figur podobnych są sobie równe. Stała pokrewieństwa stosunek odległości punktów dwóch figur, które mogą się pokryć poprzez zastosowanie nierównomiernej deformacji. Pojęcia podobieństwa i pokrewieństwa przeniesiono na różne wielkości fizyczne i wprowadzono pojęcie podobieństwa zjawisk fizycznych, mechanicznych, cieplnych, chemicznych itp. Zjawiska podobne można opisać przy pomocy bezwymiarowych inwariantów zwanych kryteriami lub liczbami znamiennymi, złożonych z tych wielkości fizycznych, od których zależy przebieg rozpatrywanych zjawisk. Pierwsze twierdzenie podobieństwa sformułowane przez Newtona: jednoimienne kryteria podobieństwa zjawisk podobnych są sobie równe. Drugie twierdzenie podobieństwa: równanie lub układ równań kompletnych i jednorodnych opisujących zjawiska fizyczne można przedstawić jako równanie kryterialne w postaci związku funkcjonalnego między bezwymiarowymi kryteriami podobieństwa. Jeżeli nie jest znana postać równania opisującego zjawisko, można znaleźć równanie kryterialne, stosując analizę wymiarową, opierającą się na tym, że wymiary prawej i lewej strony równania muszą być jednakowe. Trzecie twierdzenie podobieństwa: podobne są te zjawiska, których warunki jednoznaczności są podobne, a kryteria zestawione na podstawie warunków jednoznaczności są liczbowo jednakowe. Z przedstawionych twierdzeń podobieństwa wynikają wskazówki dotyczące prowadzenia badań doświadczalnych, których wyniki należy przenieść na warunki odmienne od warunków wykonania doświadczeń: a) ustala się warunki jednoznaczności procesu, b) w doświadczeniach bada się zależności pomiędzy parametrami stanowiącymi warunki jednoznaczności, c) z warunków jednoznaczności zestawia się kryteria podobieństwa charakteryzujące proces, d) przebieg zjawiska należy opisać w postaci równań kryterialnych, wyznaczając doświadczalnie wartości współczynników i wykładników potęg przy kryteriach,
PROCES PRODUKCYJNY 7 e) przenosząc wyniki doświadczeń na warunki odmienne od warunków doświadczenia należy zachować podobieństwo warunków jednoznaczności i równość liczbową kryteriów podobieństwa, zestawionych na podstawie tych warunków. Zastosowanie teorii podobieństwa pozwala na zmniejszenie liczby wielkości zmiennych charakteryzujących proces przez zastąpienie fizycznych parametrów kryteriami (liczbami znamiennymi). Program badań (plan badań) powinien być tak ułożony, aby można było uzyskać potrzebne informacje, wykonując możliwie najmniejszą liczbę odpowiednio zaplanowanych doświadczeń. Wyniki tych doświadczeń mają stanowić wystarczającą podstawę do rozwiązania interesującego nas pod względem technologicznym problemu. W przypadku zagadnień technicznych najczęściej należy znaleźć optymalne rozwiązanie wyznaczyć wartości niezależnych parametrów procesu (np. temperatury, ciśnienia, stężenia), przy których zmienna zależna (np. wydajność, sprawność, straty), osiąga wartość ekstremalną (maksymalną lub minimalną). Plan badań musi być realizowalny, efektywny i informatywny. Metoda obliczeniowa powiększania skali metoda modelowania matematycznego, polega na opisaniu wszystkich zjawisk występujących w procesie produkcyjnym przy pomocy zależności matematycznych. Zbiór tych zależności określa model matematyczny procesu. Model ten powinien umożliwiać obliczenie instalacji dla dowolnie wybranej skali produkcji, a zatem również dla skali przemysłowej. Badania doświadczalne prowadzone w celu stworzenia modelu matematycznego procesu muszą koncentrować się na elementarnych zjawiskach fizycznych i chemicznych występujących w tym procesie. Ich celem jest ustalenie opisu matematycznego układu, stanów równowagi oraz współczynników kinetycznych przemian chemicznych i procesów przenoszenia masy i energii. W praktyce stosuje się postępowanie pośrednie: po opracowaniu technologicznej koncepcji procesu należy wyodrębnić te czynności jednostkowe, dla których aparaty mogą być zaprojektowane w skali przemysłowej bezpośrednio na podstawie danych laboratoryjnych. Powiększanie skali pozostałych fragmentów procesu należy przeprowadzić w sposób empiryczny, stosując jednak nowoczesne metody matematycznej obróbki danych i wykorzystując wszelkie możliwości racjonalnej ekstrapolacji wyników, w celu maksymalnego ograniczenia liczby etapów.