Единичные параметры технологических процессов

Технологический процесс – это основная часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением состояния предмета труда и превращения его в продукт производства.

Большое разнообразие технологических процессов обусловлено разнообразием продуктов производства, обеспечивающих потребность общества, сырья, материалов, приемов и методов обработки, способов производства и другими специфическими факторами, характерными для каждого технологического процесса.

Наряду с существованием неограниченного количества технологических процессов для выпуска различных видов продукции, имеет место разнообразие технологических процессов для выпуска одной и той же продукции. Это требует сравнительной оценки технологических процессов с целью определения их большей эффективности.

Для описания отдельно взятого технологического процесса или сопоставления его с другими процессами используют различные показатели или параметры технологического процесса.

Все используемые в результате оценки параметры технологического процесса условно подразделяют на три группы:

- частные параметры, которые позволяют сопоставить технологические процессы, выпускающие одну и ту же продукцию и использующие одну и ту же технологию.

Например, на основе частных параметров можно сравнить производство кирпича керамического, осуществляемое на Минском керамическом заводе и Минском заводе стройматериалов. Оба предприятия выпускают кирпич пластического формования, но используют разные сырьевые материалы.

К частным параметрам относятся составы и концентрация исходного сырья, особенности используемого оборудования и инструментов, режимы проведения процесса и др.

- единичные параметры позволяют сравнивать технологические процессы, выпускающие одну и ту же продукцию, но использующие разную технологию.

Например, на базе единичных параметров можно сравнить производство керамического кирпича пластического формования и полусухого прессования.

К единичным параметрам относят так называемые ТЭП: ресурсные параметры (материалоемкость, трудоемкость, энергоемкость), производительность труда и оборудования, себестоимость и др.

- обобщенные параметры – позволяют сравнивать разнообразные технологические процессы.

К группе обобщенных параметров относятся затраты живого и прошлого труда. Эти параметры характерны для технологических процессов, выпускающих любую продукцию.

К числу единичных параметров, используемых для сравнения технологических процессов, относятся расходные коэффициенты, степень превращения и выход продукта.

Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, так как сырье имеет большой удельный вес в продукции, особенно в материалоемкой.

1. Расходные коэффициенты (А) показывают, какое количество исходного сырья, материалов или энергии расходуется для получения единицы массы целевого продукта.

(т/т; кг/кг), где С сырье

материалы

энергия

Q – целевой

продукт

Различают теоретический и практический расходные коэффициенты

; теоретические расходные коэффициенты рассчитывается по данным материального баланса технологического процесса либо с учетом стехиометрических соотношений химической реакции процесса, по которой происходит превращение сырья в продукт.

С_т(теор) – сырье без учета потерь, которые как правило присутствуют на технологических операциях;

С_п (практ) = С_т + производственные потери.

Примечание: если в условиях данного производства осуществляется обогащение или другой вид сортировки сырья, то эти процессы будут сопровождаться отходами посторонних включений – пустых пород, других компонентов либо фракций.

С_т < С_п (на величину отходов и потерь)

Ап (практ) = ; практические расходные коэффициенты отражают реальный расход сырья на единицу продукции (учитывают производственные потери на всех стадиях процесса, а также возможные побочные реакции).

Q_т(теор) = Q_п + ΔQ; где ΔQ – брак производства, продукция, не удовлетворяющая требованиям действующего стандарта. Отходы продукции в большей или меньшей степени имеют место на любом производстве.

Q_т > Q_п

Расходные коэффициенты рассчитываются делением С_т или С_п на Q_п, так как это реально полученный целевой продукт, на единицу которого определяется расход сырья.

В цифровом значении расходные коэффициенты могут быть меньше либо больше единицы, но чем ниже значение, тем экономически выгоднее использовать данное сырье. Как правило, расходный коэффициент теоретический меньше расходного коэффициента практического (А_т<А_п).

2. Степень превращения является показателем полноты превращения сырья в целевой продукт.

Степень превращения (α) – это отношение количества превращенного в продукт исходного материала (С_т) к его первоначальному количеству (С_п)

α = ;

α ≤ 1, т.к. С_т < С_п

С_т = С_п – потери

3. Выход продукта (η) – это отношение фактически полученного целевого продукта (Q_п) к его максимально возможному количеству (Q_т).

η = ; Qmax = Qт

Q_т – целевой продукт, который мог бы быть получен при отсутствии брака на производстве.

η ≤ 1, т.к. Q_т > Q_п

Q_т = Q_п + ∆Q

∆Q – отходы продукции

Примечание: Степень превращения α и выход продукции η всегда численно одинаковы.

При решении поставленных задач следует иметь в виду, что

- в условии задачи всегда приводятся практические параметры процесса;

- теоретические параметры процесса находятся из системы уравнений, используя данные протекающей химической реакции, по которой происходит образование целевого продукта;

- в химическом процессе принимает участие только чистая (реакционно-способная) часть исходного сырьевого компонента и по результатам реакции имеет место теоретический выход продукции 100%-го содержания (т.е. химически чистая продукция);

- если в условии задачи приведены производственные потери или коэффициент избытка сырьевого компонента, то это относится к С_п, т.е.

Сп= (если даны производственные потери)

С_п=С_т ^. К_изб(если известен коэффициент избытка)

- для определения С_теор используются данные Q_прак; для определения Q_теор используются данные С_прак (все с учетом чистоты компонента).

Сп Qп   Ст Qт

Пример 1.

Определить какое количество углекислого магния будет получено при разложении 1,8 т. доломита, содержащего 92% CaMg (CO₃)₂, если выход продукта составляет 44%, а содержание чистого компонента в целевом продукте 94%.

Дано: С_п = 1,8т. М_{СаМg(СО3)2} = 184

W_c = 92%

η = 44% М_МgСО3 = 84

W_Q = 94%

Q_п = ?

Решение.

Процесс разложения сопровождается реакцией

CaMg(CO₃)₂ → MgCO₃ + CaCO₃

184 84

1. Количество реакционно-способного CaMg(CO₃)₂ в доломите будет равно:

С_CaMg(CO3)2 = 1,8 ∙ 0,92 = 1,66т.

2. Масса углекислого магния, которая образовалась бы при полном разложении доломита, рассчитывается исходя из пропорции, составленной на основе химической реакции

184 → 84

1.66 → X_MgCO3

Х = (т) (химически чистый углекислый магний)

Так как по условию задачи содержание чистого компонента в продукте составляет 94 % (или 0,94 масс. дол.), количество углекислого магния равное Q_Т находится действием деления (целое по его известной части)

^Q_т ^{≤ = = 0,81 (т)}

Примечание: выход конечного продукта, если известна его часть, можно находить, составив пропорцию. В приведенном примере:

0,76 т → 94 %

_{Х 100%} ^{х = = 0,81 (т)}

3. При выходе продукта 44% количество углекислого магния составит

Q_п = η _· Q_т = 0,81 _· 0,44 = 0,356 т = 356 кг.

Примечание: количество чистого (реакционно-способного) вещества можно учитывать при составлении пропорции, не прибегая к отдельному расчету, т.е.:

184 → 84

1,8·0,92 → X_MgCO3

Пример 2.

Определить степень превращения оксида железа (II), если при его восстановлении в количестве 580 кг образовалось 380 кг железа.

Дано: С_п = 580кг

Q_п = 380кг

= ?

Решение.

Процесс восстановления железа протекает по реакции:

FeO + CO = Fe + CO₂

72 56

Степень превращения рассчитывается из формулы:

= ; Ст = ?

Для нахождения С_т составляется пропорция:

72 → 56

х ← 380

^{Ст = х = = 488,6 кг, откуда}

^{= = 0,84.}

Пример 2а.

Определить степень превращения оксида железа (II) с содержанием 96% FeO, если при его восстановлении в количестве 580 кг образовалось 380 кг железа с содержанием 0,98 масс. доли чистого компонента.

Дано:

С_т =580 кг

W_c=96 %

Q_п=380 кг

W_Q= 0,98 масс.дол.

=?

Решение:

В основе процесса лежит химическая реакция, приведенная в

примере 2.

Степень превращения будет равна:

= ; Ст = ?

Для нахождения С_т используется та же пропорция, но учитывается, что содержание железа в целевом продукте 0,98 масс. доли. И именно это количество будет принимать участие в реакции.

Пропорция будет иметь вид:

72→56

х←380 ^. 0,98 (количество чистого вещества)

^{х =}

х- чистый FeO

С_т = х/0,96 = 498,75 (кг) (С_т подсчитано с условием , что в сырье чистого компонента 96%)

В итоге степень превращения будет равна:

⁼

Пример 3.

Определить расходные коэффициенты, степень превращения и выход продукта в производстве суперфосфата, если при разложении 1200 кг фосфорно-кислого кальция с массовой долей Ca₃(PO₄)₂ 0,8 образовалось 1150 кг суперфосфата, содержащего 98% целевого продукта Ca(H₂PO₄)₂.

Дано:

С_п=1200 кг

W_c=0,8 масс. дол.

Q_п=1150 кг

W_Q = 98%

A_п, A_т, , η?

Решение:

Процесс производства сопровождается следующей схемой реакции

)

310 411

1. Практический расходный коэффициент вычисляется по приведенным в условии данным:

2. Для определения теоретического расходного коэффициента необходимо найти С_т.

Ат= ; С_т-?

Составляется пропорция с учетом чистоты (реакционной способности) компонента

310→ 411

х←1150^.0,98

^{х = = 850 (чистый Ca3(PO4)2)}

Далее рассчитывается сырьевой материал (фосфорно-кислый кальций) в котором 0,8 масс. доли Ca₃(PO₄)₂:

С_т= х/0,8=1062кг (количество сырья)

3. Теоретический расходный коэффициент и степень превращения будут равны:

Ат= = (кг/кг)

= = (кг/кг)

4. Выход продукта определяется по формуле:

η= Q_т=?

Для определения Q_т составляется пропорция с учетом реакционной способности сырьевого компонента:

310 → 411

1200^.0,8→ х; (чистый Ca(Н₂PO₄))

^{= 1273 (кг.)}

Теоретический выход целевой продукции (суперфосфата) учитывает его практическое содержание – 98 %

Q_т=х/0,98 = 1299 (кг.)

Выход продукта:

Пример 4.

Определить расходные коэффициенты сырьевых материалов в производстве фосфата аммония (NH₄)₃PO₄, если в процессе использовались 50% фосфорная кислота H₃PO₄ и аммиак NH₃.

Аммиак применяется с влажностью 4% и избытком в 1,4 раза. Производственные потери фосфорной кислоты составили 12%. По результатам процесса образовалось 1,35 т фосфата аммония с массовой долей чистого компонента 0,97.

Дано:

Q_п= 1,35 т

W_Q=0,97масс. дол.

Вл _NH3 = 4%

К _изб.=1,4

W_{кислоты} = 50%

пп =12% (кислота)

А_п, А_т-?

Решение:

Процесс протекает в соответствии с реакцией:

→ ₄

98 51 149

1.Расходные коэффициенты определяются по формулам:

An=

Aт=

С_т -?

С_п -?

Для решения задачи необходимо определить С_т и С_п для каждого сырьевого компонента. За основу берется уравнение химической реакции процесса.

1. Для фосфорной кислоты пропорция имеет вид:

98→149

XH₃PO₄←1,35 · 0,97

^XH₃^PO₄⁼ (т)

Ст = (т) (50% кислота)

В условии сказано, что производственные потери фосфорной кислоты составляют 12%. Это значит, что практически в процессе используется большее количество кислоты (С_п), которое находится либо действием деления

С_п = С_т / (т)

либо использованием пропорции:

1,72 --- 88% (100-12)

х --- 100%

Далее определяются расходные коэффициенты:

An=

A_Т= )

2. Для аммиака ход решения аналогичен вышеизложенному.

51→149

х_NH3←1,35 ^. 0,97

х_NH3ист =0,448 (чистый HNO₃)

При определении С_т учитывается в соответствии с условием влажность аммиака = 4%.

Ст= (т)

При определении С_п аммиака учитывается коэффициент избытка, показывающий реальный расход.

С_п =С_т ·К_изб. =0,467·1,4=0,65 (т).

Расходные коэффициенты будут равны:

Аn= (т/т)

Ат= (т/т)

2. Сырье и его подготовка

Сырьевые материалы, применяемые в различных отраслях промышленности, чаще всего представляют собой полиминеральные смеси, которые называют породами, рудой и содержат в природном виде примеси различных минералов, затрудняющих их использование в производстве без предварительной обработки.

Обработка природного сырья для удаления нежелательных минеральных примесей и повышение количества основного полезного минерала носит название обогащения. В процессе обогащения могут происходить разделение и выделение минералов, каждый из которых в чистом виде пригоден для использования в производстве. В некоторых случаях обогащение предусматривает удаление примесей, ухудшающих свойства сырья и его качество в целом, без учета дальнейшего их использования (т.н. пустая порода). Использование примесей, практическая их полезность определяется наличием соответствующих технологий, например, при обогащении апатито-нефелиновых руд получают апатитовый концентрат, широко используемый в химической промышленности, и нефелин, используемый в керамической промышленности.

В производстве чугуна основным видом сырья служат железные руды, которые представляют горные породы, содержащие главным образом соединения железа с кислородом, и пустые породы, состоящие из кремнезема (SiO₂), глинозема (Al₂О₃), оксидов кальция и магния и др. Однако, железные руды (магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк) кроме основного компонента могут содержать никель, ванадий, кобальт и другие элементы. При значительном содержании указанных элементов экономически целесообразно их попутное извлечение с целью дальнейшего использования.

Основные методы обогащения:

- гравитационный метод разделения зерен минералов по крупности и массе в водной либо воздушной среде за счет разности скоростей оседания частиц разного размера и массы.

В зависимости от среды различают воздушную и гидравлическую классификацию;

- флотация– процесс разделения минералов, основанный на различии свойств их поверхности, обуславливающих избирательную гидрофобилизацию под воздействием специальных реагентов;

- Магнитная и электрическая сепарация -процесс разделения минералов по их электрическим или магнитным свойствам.

Кроме основных методов обогащения применяются комбинированные (например, электрофлотация) либо специальные методы, с помощью которых удаляют отдельные компоненты путем перевода их в растворимую или летучую форму (химическое обогащение), а также ультразвуковое обогащение.

В основу процесса обогащения положены физико-химические, химические и физические процессы: коагуляция, пептизация, водная и воздушная сепарация, флотация, электромагнитная и магнитная сепарация и др.

Процесс обогащения минерального сырья в общем случае состоит из следующих стадий:

получение частиц обогащаемого материала

подготовка частиц к разделению

создание градиента свойств различных минералов

отделение и отбор продуктов обогащения

Получение частиц обогащаемого материала достигается процессами измельчения (дробления, помола), классификацией (разделением) по крупности, селективным агрегатированием тонких частиц.

Подготовка частиц к разделению включает обработку химическими реагентами, промывку, электростатическую зарядку поверхности, термическую обработку, химическое разложение или перевод в растворимую форму.

Создание градиента свойств достигается образованием фаз (добавлением жидкости, газа и т.д.) и межфазных границ, наложением силового поля, применением различных скоростей перемещения, комбинированными методами.

Отбор продуктов обогащения должен обеспечивать чистоту полученной обогащенной части породы при соблюдении непрерывности процесса.

Эффективность отделения примесей от основного полезного продукта называют обогатимостью. Ее определяют по изменению минералогического, химического или гранулометрического состава обогащаемой породы.

Экономическими показателями эффективности обогащения являются выход концентрата, степень извлечения и степень обогащения.

Выход концентрата (η_к) определяется как отношение количества полученного концентрата (G_п.к.) к количеству, используемой при обогащении руды (G_р), выраженное в процентах:

Примечание: так как обогащенный продукт имеет более высокое содержание основного компонента по сравнению с исходной рудой, его называют концентратом.

Степень извлечения (ε) определяется как отношение количества извлеченного полезного элемента в концентрате (G_э.к.)к его количеству в исходной руде (G_э.р.) в процентах.

=

В качестве извлеченного элемента могут быть чистые элементы (Fe, Al, Cu и др.), а также сложные минеральные фазы (Al₂O_3, KCl, глинистые минералы, полевые шпаты и др.).

Степень обогащения (степень концентрации) выражается отношением процентного содержания (массовой доли) элемента в концентрате к процентному содержанию (массовой доли) его в исходной руде.

n= (раз)

Если выразить приведенное уравнение через весовые содержания компонентов, то степень обогащения будет равна

n=

% э.к.= ∙100 %э.р.= ∙100

n =

Следует иметь в виду, что чем более высокие значения имеют η_к, ε и n, тем эффективнее проведено обогащение, но и как правило, выше стоимость процесса. Чем выше относительное содержание целевого компонента в исходной породе и меньше присутствие других примесей, тем ценнее порода для использования.

Обогащение, обычно осуществляют на предприятиях, которые добывают породу; предприятиям-потребителям поступает готовый продукт. Однако, на некоторых производствах полученное сырье обогащают дополнительно различными методами.

Пример 1.

При обогащении 18 т. железной руды, содержащей 71 % гематита (Fe₂O₃) получено 12,5 т. концентрата. Определить степень извлечения, выход концентрата и степень обогащения, если содержание гематита в концентрате составило 82%.

Дано:

G_p = 18 т.

W_э.р = 71%

G_п.к. = 12, 5 т.

W_э.к. = 82%

η_к = ?, ε = ?, n = ?

Решение

1. Выход концентрата равен:

=

2. Степень извлечения равна:

=

3. Степень обогащения равна:

n = (раз)

n = = (раз)

Пример 2

При двойном обогащении 6 т. бокситовой руды с содержанием целевого продукта 52 % получено при первом обогащении 2,5 т. концентрата с содержанием 62 % целевого продукта и при повторном обогащении 1,5 т. концентрата с содержанием целевого продукта 74 %. Определить эффективность обогащения на каждом этапе.

Дано:

G_p =6 т

G _{п.к. 1} = 2,5 т

G _{п.к. 2} = 1,5 т

W _э.р = 52%

W э.к₁= 62 %

W э.к₂ = 74%

ηк₁= ?, ηк₂= ?, η ₀= ?, –?

₁ = ?, ₂ = ?, ₀ = ?,

Решение

1) Выход концентрата равен:

= (%)

а) по результатам первой ступени обогащения:

_к1 =

б) по результатам второй ступени обогащения:

_к2 =

в) суммарный выход концентрата:

_к0=

2) Степень извлечения:

= = (%)

а) по результатам первой ступени обогащения:

₁=

б) по результатам второй ступени обогащения:

₂=

в) суммарная степень извлечения:

₀=

3) Степень обогащения:

n = (раз)

а) по результатам первой ступени обогащения:

n₁ = = 1,19 (раз)

б) по результатам второй ступени обогащения:

n₂ = = 1,19 (раз)

в) суммарная степень обогащения:

=1,42 (раз) или (раз)

Пример 3.

В результате обогащения хромита для производства огнеупоров получено

1,2 т. хромитового концентрата с выходом концентрата 28%. Степень извлечения оксида хрома из хромита равна 62%, содержание оксида хрома в концентрате равно 540 кг. Определить количество обогащаемого хромита, содержание оксида хрома в хромите и степень обогащения.

Дано:

G_п.к. = 1,2 т

η_к = 28 %

ε = 62%

G_э.к. = 540 кг

G_р = ?

n = ?

W_p = ?

Решение

1. Степень обогащения:

n =

2. Количество обогащаемого хромита определяется, используя данные выхода концентрата:

(%)

Gp =

3. Содержание оксида хрома в хромите определяется используя данные степени извлечения:

=

Gэр= Gр ·Wp

=

Wp = = (масс. дол)

Или

Gэр = = 817 (кг)

Wp =

Пример 4.

Определить количество флотируемой полевошпатовой руды, степень обогащения и процентное содержание целевого компонента в руде, если выход концентрата равен 21,5%, а концентрата получено 975 кг. Степень извлечения целевого компонента из руды 78 %, а в концентрате содержится 82 % целевого компонента.

Дано:

G_п.к = 975 кг

η_к = 21,5 (%)

ε = 78 %

W_к = 82%

G_p - ?

W_р = ?

n- ?

Решение

1. Количество флотируемой полевошпатовой руды:

= (%)

Gp = (кг)

2. Степень обогащения:

n = = (раз)

3.Содержание целевого продукта в руде:

= (%)

Gэ.к=Gп.к. ·W _к = 975·0.82= 799,5 (кг)

Gэ.р= (кг)

W_р = (%)