Практична робота № 5
Тема: Безвідходні технології в промисловості
Мета роботи: ознайомлення із безвідходними технологіями в промисловості
ПЛАН
Загальна характеристика створення безвідходних технологій в промисловості.
Параметри технологічних процесів в промисловості.
Література:
Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии: Учебн. / под. ред. И.И. Мазура. – 2-е изд., испр. и доп. – М. Высш. шк., 2001. – 510 с.
Промислова екологія: Навчальний посібник / С.О. Апостолюк, В.С. Джигирей, А.С. Апостолюк та ін. – К.: Знання, 2005. – 474 с.
Сторожук В.М., Батлук В.А., Назарук М.М. Промислова екологія: Підручник. – Львів: Українська академія друкарства, 2006. – 574 с.
1.Загальна характеристика створення безвідходних технологій в промисловості.
У науково-технологічному аспекті питання підвищення ефективності використання природних ресурсів зводиться до розробки та впровадження мало- і безвідходних ресурсо- і енергозберігаючих технологій, в рамках яких забезпечується найбільш повне, раціональне використання ресурсів і принципів безвідходності, є основою підвищення ефективності виробництва, що дозволяє комплексно вирішувати проблему ресурсозабезпечення економіки і охорони навколишнього природного середовища.
При вирішенні проблеми безвідходності виробництва слід мати на увазі дві сторони єдиного процесу. Перше — це найбільш раціональний видобуток та повне використання ресурсів і як наслідок зменшення утворення відходів. Друге — це розширення використання відходів, що утворюються. Ці шляхи не виключають, а взаємно доповнюють один одного.
Поняття безвідходних технологій дещо умовне, оскільки повної безвідходності досягти практично неможливо. Коректніше говорити про маловідходні технології. При цьому мається на увазі можливість створення технологічних систем, вплив яких на природу не перевищуватиме її відновлювального потенціалу.
В основу концепції безвідходних технологій лягли три основні положення, а саме:
створення максимально замкнених систем, організованих за аналогією з природними екосистемами;
раціональне використання всіх компонентів сировини;
неминучі впливи на навколишнє середовище не повинні порушувати його функціонування.
Безвідходне виробництво передбачає встановлення повного контролю над рухом матеріальних ресурсів на всіх стадіях: видобутку сировини, її виробничої переробки, споживання, утилізації відходів виробництва і споживання. Безвідходні технології стають ефективними навіть у тих випадках, коли собівартість одержаної продукції стає вищою. Проте необхідно, щоб перевитрати виробництва були меншими, ніж економія на зменшенні збитків від забруднення навколишнього середовища.
Впровадження безвідходних технологій є також шляхом значного розширення ресурсних можливостей людства. Особливо красномовно це видно на прикладі мінерально-сировинної бази. Маються на увазі зокрема можливості підземної газифікації вугілля. Далі за потенціалом стоїть впровадження геотехнологічних засобів видобування корисних копалин — підземного вилуговування металів, солей; мікробіологічні технології вилучення корисних компонентів з руд; освоєння гідромінеральних ресурсів, в тому числі морської води і розсолів для вилучення металів та солей.
Вугільні родовища України по суті є комплексними вугільно-метановими. Але другий компонент до останнього часу розглядається як шкідлива домішка, що ускладнює видобування власне вугілля. В той же час сучасні технології (в рамках реалізації українсько-американського проекту) дозволяють вже на першому етапі отримувати в Донбасі 5 млрд м3 газу, що майже на третину збільшить газовидобуток в Україні. Перші підприємства з вилучення метану у промислових масштабах засновано також у Львівсько-Волинському регіоні.
У гірничодобувній та переробній промисловості повна і комплексна розробка родовищ та використання сировини передбачає підвищення коефіцієнта вилучення запасів корисних копалин із надр, використання розкривних і супутніх порід, продуктів збагачення, застосування більш глибинних методів переробки задля більшого виходу готового продукту (концентрату) та вилучення всіх супутніх компонентів.
В лісовій і деревообробній промисловості комплексне використання сировини передбачає максимальний вихід продукції з кожного куб. м деревини, використання таких продуктів лісозаготівлі і деревообробки, як зменшення відходів на всіх стадіях технологічних процесів.
У гірничовидобувній промисловості ресурсозберігаючий ефект дає впровадження малоопераційних технологічних систем (гідровидобування вугілля чи метод підземної виплавки сірки), а також впровадження технології комплексної переробки сировини.При видобуванні металевої сировини найефективнішими напрямами (з урахуванням подальших переділів) є підвищення глибини збагачення сирої руди та підвищення вмісту цільового компонента в товарній руді.
У металургійній промисловості найперспективнішими є технології прямого відновлення заліза (минаючи доменний процес), засновані на використанні залізорудних металізованих обкатанців, природного газу та твердого палива; розширення використання киснево-конверторної виплавки та електроплавки (з безперервним литтям заготовок); підвищення частки металобрухту в шихті; подальший розвиток спеціальних методів виплавки сталі з підвищеними експлуатаційними характеристиками.
У прокатному виробництві — це технологічні процеси, що об’єднують операції прокату і безперервної розливки, застосування термообробки, нанесення захисних покриттів та ін. У машинобудуванні та металообробці — застосування технологій пластичної деформації, сучасних методів оброблення металів.У промисловості будівельних матеріалів — удосконалення технологій виробництва цементу, скла, цегли, залізобетону на базі широкого використання таких альтернативних джерел сировини, як золошлаки теплоелектростанцій, шлами вуглезбагачення, шлаки і шлами металургійної промисловості.
Застосування біотехнологій. Біотехнологія — один із важливих напрямів науково-технічного прогресу, що швидко розвивається. Технологія базується на промисловому застосуванні природних і цілеспрямовано створених живих систем (перш за все мікроорганізмів).Виробництва, засновані на біологічних процесах, виникли уже на ранніх етапах історії людства (наприклад, хлібопечення, виноробство, сироваріння та ін.). З розвитком науки виникли нові галузі біотехнології, тісно пов’язані з мікробіологічною промисловістю.
Продукти біотехнології знайшли широке застосування в медицині, сільському господарстві. Після другої світової війни методами біотехнології стали отримувати кормовий білок, для виробництва якого використовують окремі фракції вуглеводнів нафти, відходи целюлозно-паперової промисловості, солому та ін. Поряд з кормовим білком значне місце в мікробіологічному виробництві займають такі продукти, як вітаміни, амінокислоти, добрива, біологічні засоби захисту рослин.
Перспективним напрямом у розвитку сучасної біотехнології є інженерна ензимологія, важливим досягненням якої є створення іммобілізованих (зв’язаних з полімерним носієм) ферментів і ферментних комплексів. Ці речовини застосовуються для здійснення складних хімічних процесів, у тому числі для перероблення сільськогосподарських, харчових і побутових відходів.
Широке застосування біопрепарати знаходять в різних галузях промисловості (для отримання харчового білку), в легкій промисловості (шкіряне виробництво), в металургії (процеси флотації, точне лиття, презиційний прокат), в нафтогазовій промисловості (процеси буріння, селективна очистка олив) та ін.
Біоенергетика — один із напрямів біотехнологій і перспективний напрям вирішення енергетичних і сировинних проблем, які постали перед людством в кінці ХХ століття. Вона ставить своїм завданням отримання відновлюваних (на відміну від невідновлюваних — вугілля, нафта, газ, уран та ін.) джерел енергії і сировини. В цьому розумінні передбачається широке використання методів хімічної і біологічної трансформації біомаси в паливо і продукти органічного синтезу, а також застосування біологічних генераторів струму.
Найефективніші з відомих методів — використання фототрофних мікроорганізмів, що конвертують сонячне випромінювання в енергію хімічних зв’язків, біотоліз води з отриманням водню, метанове бродіння органічних речовин в метан та ін. Як сировина для метанового бродіння використовуються органічні відходи тваринництва, птахівництва, промислові і комунальні стічні води та ін.
Розроблення і освоєння принципово нових технологій і вдосконалення існуючих. Сучасний етап розвитку науково-технологічного прогресу характеризується все активнішим впливом фундаментальних досліджень на технологію виробництва. Це веде до корінного якісного перетворення продуктивних сил, зміни матеріально-технічної бази суспільного виробництва, його змісту і форми. Принципово нові сучасні технології (ядерна, електронна, лазерна та ін.) виникли на базі фундаментальних наукових відкриттів і відрізняються використанням матеріалів і принципів їх оброблення, що не зустрічаються в природі. Трансформація наукових знань в технології стає одним із вирішальних факторів суспільного розвитку.
В основі будь-якого промислового виробництва лежить технологічний процес, який є частиною виробничого процесу. Одночасно технологічний процес складається з окремих елементів (окремих частин). Виробничий процес – це сукупність технологічних процесів (дій), в результаті яких вихідні матеріали і напівфабрикати перетворюються в готові вироби.
Технологічний процес – це послідовна зміна форми, розмірів, властивостей матеріалів і напівфабрикатів з метою отримання деталі або виробу у відповідності з Зініними технічними вимогами. Технологічні процеси складаються з ряду фізичних, хімічних, механічних явищ, які відрізняються характером якісних змін і перетворень. Часто самі процеси називають фізичними, хімічними, механічними або фізико-хімічними тощо.
Фізичні і механічні процеси характеризуються зміною лише зовнішньої форми і фізичних властивостей речовин. При цьому будова і склад їх, як правило, залишаються незмінними (формоутворення виробів, подрібнення сировини тощо). Хімічні процеси викликають зміни не тільки фізичних властивостей, але і агрегатного стану, хімічного складу, внутрішньої будови (гідроліз деревини). В технологічних процесах часто мають місце всі ці дії одночасно. Тому поділ процесів на фізичні, хімічні, механічні чисто умовний.
Кожен технологічний процес може бути поділений на окремі технологічні ланки (операції) і зображений у вигляді технологічної схеми.
Технологічні процеси є основні і допоміжні. Ті процеси, які забезпечують перетворення сировини і матеріалів в готову продукцію, називаються основними. Наприклад, виготовлення заготовок литтям, куванням, штампуванням, механічна обробка різанням, складання виробів та ін. Допоміжні процеси забезпечують виготовлення продукції, що використовується для обслуговування основного виробництва. Наприклад, виготовлення металорізальних інструментів, запасних частин для ремонту обладнання, транспортування заготовок та ін.
Технологічні процеси проектуються. При декількох варіантах технологічних процесів вибирають оптимальний.
В основу, класифікації технологічних процесів покладено такі ознаки: спосіб організації, кратність обробки, рух сировини і теплових потоків, агрегатний стан, тепловий ефект, умови впливу на процес та інші.
І. За способом організації технологічні процеси поділяють на дискретні, безперервні і комбіновані.
Дискретні (періодичні) процеси — всі стадії процесу відбуваються в одному апараті, фізико-хімічні умови (тиск, температура, концентрація реагуючих речовин та ін.) з часом змінюються. Завантаження сировини і виділення готових речовин відбувається періодично. Під час завантаження сировини і виділення одержаної продукції агрегати (обладнання) простоюють, що веде до зниження продуктивності, втрат часу, ускладнення обслуговування. Випалювання цегли, виплавляння сталі, виготовлення відливків — це періодичні процеси.
Комбіновані процеси — сировина може завантажуватись апарат; безперервно або періодично окремими порціями. Готова продукція виділяється із апаратів в міру готовності, В апараті (апаратах) усі стадії процесу відбуваються одночасно в різних зонах (апаратах: фізико-хімічні умови окремих стадій процесу залишаються незмінними. Перегонка нафти, одержання цементу, виплавляння чавуну — безперервні процеси.
Комбіновані процеси — поєднання стадій дискретних безперервних процесів. Можна періодично подавати сировину до агрегату і безперервно виділяти готову продукцію або навпаки коксування вугілля, потокові лінії механічної обробки — комбіновані процеси.
2. За кратністю обробки технологічні процеси поділяють на циклічні (кругові), із розімкненим ланцюгом (відкриті) і комбіновані.
Процеси із замкненою технологічною схемою характеризуються тим, що сировина яка не прореагувала разом із порцією свіже сировини повертається на початок процесу. Таким чином, частин, І сировин й циркулює в замкненому циклі. Такі процеси є основою для створення безвідхідних і енергозберігаючих технологій. Прикладок таких процесів є синтез аміаку, одержання поліетилену високого тиску.
Процеси із розімкненою технологічною схемою — процесі одноразової обробки сировини. Прикладом таких процесів є одержанні сірчаної кислоти контактним способом, виробництво сталі.
При комбінованій (змішаній) схемі одна із реагуючих речовин (або допоміжні матеріали) може циркулювати (одержання сірчаної кислоті нітрозним способом).
3. За рухом сировини і теплових потоків технологічні процеси є паралельнотечійними, протичійними (зустрічними), перехресними.
Паралельнотечійні процеси — сировина і теплові потоки рухаються в одному напрямі. Це може мати місце при висушуванні матеріалів, теплообміні та ін.
Протитечійні процеси — сировина і теплові потоки рухаються назустріч один одному. При такому русі швидкість реакцій більша, реагуючі речовини повніше взаємодіють. Металургія чавуну, одержання кислот, мінеральних добрив приклади протитечійних процесів.
Перехресні процеси — це коли сировина і теплові потоки рухаються один до одного під кутом. Такі процеси мають широке використання (виробництво сірчистого газу, мідного концентрату, випалювання вапняку тощо).
4. За агрегатним станом технологічні процеси поділяють на гомогенні і гетерогенні.
Гомогенними називають процеси, коли реагуючі речовини перебувають в одному агрегатному. стані, їх ще називають однорідними. Прикладом такого процесу є синтез аміаку, горіння ацетилену в суміші з киснем та ін,
Гетерогенними (неоднорідними) є такі процеси, коли реагуючі речовини перебувають у різних агрегатних станах: газ — рідина; газ — тверда речовина; газ — рідина — тверда речовина. Наприклад, горіння коксу, випалювання сірчаного колчедану, одержання кислоти та ін.
5. За тепловим ефектом технологічні процеси є екзотермічні та ендотермічні.
Екзотермічні процеси — такі процеси при яких виділяється теплота. Наприклад, горіння палива, реакції окислення, відновлення та ін. Теплота, що виділяється під час екзотермічних реакцій, може бути використана для підтримування режимів роботи і це сприяє зменшенню витрат палива (металургія сталі), її можна використати для побутових потреб. А іноді при екзотермічних реакціях печі, апарати потрібно охолоджувати. Це потребує лишніх затрат.
Ендотермічні процеси — це процеси, що протікають з поглинанням теплоти (нагрів води і її перетворення в пару, деякі реакції відновлення, окислення, випалювання вапняку та ін.). В багатьох технологічних процесах мають місце і екзотермічні і ендотермічні реакції. Це сприяє створенню оптимального температурного режиму в апаратах (печах).
6. За умовами впливу на процес є високотемпературні, низькотемпературні, каталітичні, вакуумні, електрофізичні, електрохімічні, при низькому тиску та інші процеси.
Любий технологічний процес може протікати лише в певному технологічному режимі, який визначається сукупністю основних параметрів. Вони впливають на швидкість процесу, на вихід і якість готового продукту та інші показники. Кожному технологічному процесу властиві свої параметри. Для хіміко-технологічних процесів це температура, тиск, концентрація реагуючих речовин, каталізаторі його активність, спосіб і ступінь перемішування реагентів та ін. Для фізичних і механічних процесів основними параметрами є рідинотекучість, оброблюваність, зварюваність, подрібнюваність, ріжучі властивості інструменту та ін.
Параметри технологічних процесів визначають принцип конструювання відповідних апаратів, обладнання, вибір інструментів, способів впливу на сировину та ін. Всі вони взаємопов'язані і визначають один одного. Проте не всі параметри потрібно брати до уваги при проектуванні процесу. Вибирають основні.
Важливою характеристикою любого технологічного процесу є його швидкість. Вона визначається продуктивністю апаратів і їх кількістю в технологічній схемі. Якщо представити технологічний процес у вигляді трьох стадій — підведення реагуючих речовин в зону реакції, хімічна реакція і відведення із зони реакції одержаного продукту — то сумарна швидкість процесу визначається швидкостями цих стадій. Загальна швидкість такого процесу визначається швидкістю його найповільнішої стадії. Через те на практиці для прискорення любого технологічного чи виробничого процесу в першу чергу інтенсифікують швидкість найповільнішої стадії.
Хімічні реакції складають основу хіміко-технологічних процесів і відзначаються величезною різноманітністю фазового стану реагентів, умовами і механізмом протікання. Звичайно, хімічні перетворення речовин — це хімічні реакції, що ведуть до утворення основних і побічних продуктів. При оцінці швидкості взаємодії речовин враховуються не всі реакції, а лише ті, які мають відповідний вплив на якість і кількість одержуваних продуктів.
Багато хімічних перетворень протікають як в прямому так і в зворотному напрямках, що ускладнює оцінку швидкості процесу. За цією ознакою хіміко-технологічні процеси бувають зворотні і незворотні. Незворотні процеси протікають лише в одному напрямі, тобто утворюється кінцевий продукт не здатний розкладатися на вихідні речовини.
Всі зворотні процеси прямують до рівноваги, при якій швидкість прямого процесу (реакції) рівна швидкості зворотного процесу. При досягненні рівноваги сумарна швидкість процесу рівна нулю, а співвідношення між компонентами є незмінним. Лише зміною зовнішніх умов (температури, тиску, концентрації компонентів) можна порушити рівновагу і в системі відновляться процеси, доки не настане рівновага в нових умовах,
Напрямок змін у системі визначається принципом Ле-Шательє, згідно з яким у системі, виведеній із стану рівноваги, відбуваються зміни, спрямовані до послаблення дій, що виводять систему із рівноваги.