Матеріальні та енергетичні баланси виробництва

1. Поняття про матеріальний і енергетичний баланси

Кожне виробництво є часткою штучно створеної природи. Тому всі процеси, що відбуваються на виробництві, підкоряються тим же законам, які діють у природі. Більш того – вони побудовані на фізичних і хімічних законах, серед яких найважливіше місце посідають закони збереження матерії і енергії.

На основі цих законів спеціалісти розробляють матеріальні і енергетичні баланси, з допомогою яких виконується велика кількість розрахунків потреби в сировині та енергії, розробляються найбільш сприятливі умови для економічного протікання виробничих процесів. Більш детально з матеріальними і енергетичними балансами можна познайомитись у курсі “Хімічні і фізичні основи виробництва”.

2. Складові матеріального балансу

Загальні відомості про сировину

Для отримання кінцевого продукту необхідні: сировина, енергія, технологія виробництва, трудові ресурси.

Сировину і енергію людина бере від природи, технологію створює сама завдяки науці і практиці. Отже сировина є основною складовою будь - якого виробництва.

Сировиною називають речовину природного або синтетичного походження, яку використовують при виробництві промислової продукції. Вихідним матеріалом багатьох виробництв є сировина, яка раніше вже підлягала промисловій переробці, наприклад, усі синтетичні матеріали. Таку сировину часто називають напівпродуктом або напівфабрикатом.

За агрегатним станом сировина поділяється на тверду, рідинну і газоподібну. Найбільш розповсюджена тверда сировина: вугілля, торф, руди, сланці, деревина. Найбільш поширеними видами рідинної сировини є вода, соляні розчини, нафта. Газоподібні – повітря, природні і промислові гази.

За складом сировину поділяють на органічну і неорганічну.

За походженням сировина буває мінеральна, рослинна і тваринна.

Джерелами сировини є:

- повітряний простір – добування кисню, водню, азоту та ін.;

- земні надра – добування неорганічної (мінерали) та органічної (нафта, газ) сировини;

- сільське господарство – добування рослинної і тваринної сировини.

Найбільше поширення набула сировина, яка зустрічається в земній корі. Це пісок, глина, граніт, вапно, гіпс, а також вода, природні гази, нафта та ін. Сировина завжди є складною речовиною. Вона складається з різних хімічних елементів. Найбільш поширеними в земній корі елементами є :

Кисень – 49,13 %;Кальцій – 3,25 %;

Кремній – 26 %;Натрій – 2,4 %;

Алюміній – 7,45 %;Магній – 2,35 %;

Залізо – 4,2 %; Калій – 2,35 %.

Деякі елементи у земній корі дуже розпорошені, в той час як інші сконцентровані у вигляді окремих скупчень. Масштаби промислового використання багатьох елементів знаходяться у різкій невідповідності з їх розповсюдженістю у земній корі. Наприклад, титану у земній корі майже вдвічі більше, ніж вуглецю, а добувається його приблизно в 100 000 разів менше. Це зумовлено дуже складною технологією виготовлення титану.

Мінеральна сировина

Наука, що вивчає мінерали, називається мінералогією. Сучасна мінералогія налічує відомості про 2500 мінералів, які зустрічаються у земній корі. але далеко не всі мінерали використовуються у промисловості. Сировиною називаються лише ті мінерали, які мають промислове значення.

Мінеральну сировину поділяють на рудну, нерудну і горючу.

Рудною мінеральною сировиною називають гірничі породи, що вміщують метали, котрі можуть бути економічно вигідно вилучені у технічно чистому стані. Руди, з яких у даний час економічно недоцільно вилучати метали не є сировиною. Але у зв’язку зі зменшенням кількості запасів металів у земних недрах, а також завдяки розвитку нових технологій, сировиною стають навіть дуже збіднілі руди.

Якщо з руди вилучають тільки один метал, то її називають монометалічною (хромові руди, залізні руди). Якщо економічно доцільно вилучати два метали, то таку руду називають біметалічною (мідно-молібденові.

Якщо з руди вилучають більш ніж два метали, то таку руду називають поліметалічною (алтайські колчеданові руди вміщують свинець, цинк, мідь, срібло; саксонські руди вміщують кобальт, нікель, срібло, вісмут, уран.)

В рудах метали знаходяться у вигляді оксидів або сульфідів. Лише іноді зустрічаються самородні руди, в яких метал знаходиться в чистому вигляді (золото) або у вигляді сплаву з іншими металами, наприклад, золото, мідь, платина.

Нерудною називають сировину, яку використовують для виробництва хімічних, будівельних та інших неметалічних матеріалів (фосфорити, апатити, граніти, алюмосилікати).

Нерудна сировина служить для отримання неметалів (сірка, фосфор), солей, мінеральних добрив, будівельних матеріалів. До нерудної сировини відносять також рідкісні мінерали промислового значення (алмаз, графіт).В якості будівельних матеріалів використовують граніт, базальт, пемзу, туф, вапняк (карбонат кальцію), гіпс (сульфід кальцію), доломіт (карбонат магнію) та глини, яка є складною сумішшю тонкоподрібнених порід оксидів алюмінію, перемішаних з кварцем, вапняком та мулом.

Названі види нерудної сировини можуть застосовуватись самостійно у вигляді природних будівельних матеріалів (цементу, бетону, цегли, фарфору, кераміки) та хімічних речовин.

Горюча сировина

До горючої сировини належать органічні копалини, які використовують як паливо або як сировину для хімічної промисловості.

Паливом називають горючі органічні речовини, які є джерелом теплової енергії.

Основний показник якості палива – питома теплота згорання (Дж/кг, Дж/м3). Цей показник визначається складом палива.

До складу усіх видів палива входить горюча маса ( органічні речовини і сірка) і негорюча маса (зола і волога). Негорюча маса – це баласт. Чим менше у паливі негорючої маси, тим якіснішим вважається паливо.

Основними видами палива є: нафта, природний газ, антрацит, кам’яне вугілля, торф, горючий сланець, дрова.

Рослинна і тваринна сировина

Рослинна сировина: деревина, льон, бавовна, соняшникове та конопляне насіння, зерно, картопля, цукровий буряк та ін.

Тваринна сировина: молоко, вовна, шкіра, натуральний шовк та ін.

Рослинну і тваринну сировину переробляють у продукти харчування (харчова сировина) і в продукти промислового призначення (технічна сировина). Особливості рослинної і тваринної сировини – сезонність добування, невелика тривалість зберігання і низький коефіцієнт використання.

Необхідно застосовувати ефективні комплексні методи переробки рослинної та тваринної сировини. Наприклад, соняшник: насіння на масло, стебло - на паливо з отриманням поташу, шолуха - на фурфурол, жмих - на корм тваринам; молоко – на сир, масло, йогурти, сировотку та інші молочні продукти.

Вода в промисловості

Вода в промисловості використовується як дуже важливий компонент і як реагент у відповідних процесах.

Для промислових потреб використовують прісну воду. Запаси прісної води на Земній кулі складають приблизно 3% від загальної кількості води. Прісною вважається вода, яка вміщує в 1 л не більше 1г солей.

Жодне промислове виробництво не може існувати без води, а деякі виробництва споживають воду в дуже великих кількостях. Наприклад, для виробництва однієї тони сталі необхідно 600т води, однієї тони синтетичних волокон – 5 тис.т води. Отже, поруч з виробництвом завжди постає питання водопостачання і технічної переробки відпрацьованої води.

При водопостачанні до уваги завжди приймають якісні показники води, до яких належать жорсткість, солемісткість, забрудненість газами і механічними домішками, прозорість та реакція. Розглянемо ці показники.

Жорстокість води визначається наявністю в ній солей кальцію і магнію. За цим показником природні води поділені на 5 класів: дуже м’які, м’які, пом’якшені, жорсткі і дуже жорсткі. Різні виробництва потребують воду тільки певного класу.

Солемісткість води визначається наявністю інших солей. Максимально допустима концентрація розчинених у воді солей регламентується стан-дартом залежно від виробництва, на якому ця вода споживається.

Якщо вода жорстка або забруднена домішками, то на внутрішніх поверхнях труб і котлів осідає накип, який викликає зменшення теплопровідності і передчасний вихід з ладу апаратури і навіть цілих систем.

Розчинені у воді гази (вуглекислий газ, кисень, сірчаний газ) визивають корозію труб.

Реакція води (кислотність-лужність) визначається показником рН, який також регламентується стандартом. Реакція природних вод близька до нейтральної.

Прозорість води визначається товщиною шару води, через який можна візуально або з допомогою фотоелемента розпізнати зображення хреста або певного шрифту.

Якщо природна вода не відповідає вимогам виробництва, її попередньо переробляють. Комплекс заходів і технологічних процесів отримання води необхідної якості, називається промисловою водопідготовкою.

Розглянемо основні операції водопідготовки.

- відстоювання дозволяє видаляти з води домішки, які осідають на дно бетонованих відстійних резервуарів. Ця операція часто виконується з використанням спеціальних коагуляторів – речовин, що прискорюють процес відстоювання;

- фільтрування - це процес очищення води від домішків з допомогою піщаних фільтрів. Фільтрування відбувається швидше ніж відстоювання, але коштує дорожче;

- знезараження - це хлорування газоподібним хлором, або хлорним вапном. Процес може також виконуватись шляхом кип’ятіння, ультразвуковою або ультрафіолетовою обробкою. Використовується в харчовій промисловості, а також при водопідготовці питної води;- пом’якшення і знесолення. Пом’якшення – це видалення солей кальцію і магнію. Знесолення – видалення всіх солей. Ці процеси здійснюються з допомогою хімічних реакцій (вапновий, содовий, фосфатний способи) або фізичними способами (кип’ятіння, виморожування, дистиляція). Дистиляція – це повне знесолення, яке застосовується рідко (в основ-ному в хімічних лабораторіях);

- нейтралізація застосовується для оборотної води, якщо вона забруднена кислотами або лугами. Частіш за все при цьому використовують хімічні засоби.

Сучасні виробництва проектуються і будуються з замкненим циклом водокористування. Тобто вода після її використання у технологічних процесах проходить очищення, нейтралізацію та інші процеси з метою досягнення вимог стандартів і потім знову використовується у технологічному процесі. Все це відбувається безліч разів. Такі підприємства вважаються екологічно чистими.

Повітря в промисловості

Повітря вміщує: азот – 78%, кисень – 21%, аргон – біля 1%, вуглекислий газ – 0,03%, в незначній кількості водень, водяні пари, пил.

У промисловості повітря використовують у таких напрямках:

- як сировину для отримання кисню і азоту;

- в металургії – для підвищення ефективності процесів;

- в хімічній промисловості – у якості реагенту;

- в паливній промисловості – для здійснення процесу горіння;

- в теплотехніці і в машинобудуванні – у якості енергоносія.

Значним споживачем повітря є металургія. Тут воно використовується для підвищення ефективності горіння твердого палива (для підвищення температури і прискорення розплавлення руди). При цьому може використовуватись як звичайне повітря (доменний процес), так і повітря, збагачене на кисень (конверторний процес).

У хімічній промисловості повітря використовують у якості реагенту в багатьох реакціях. Для цього повітря попередньо очищують від пилу і вологи, використовуючи промивні башти з різними поглинаючими, мокрими або сухими електрофільтрами.

У паливній промисловості повітря використовують як окислювач для підвищення теплотворної здібності палива.

Повітря використовують також як теплоносій (в металургії), а також у багатьох інших галузях для нагрівання рідин, газів, сушіння сировини та готових виробів.

У машинобудуванні стиснене повітря використовують у пневмоприводах механізмів, які набувають руху під дією розширення (двері автобусів і тролейбусів зачиняються з допомогою стисненого повітря).

Процеси газового зварювання та різання металів відбуваються за допомогою кисню, здобутого з повітря.

2. Енергія в промисловості

Технологічні процеси в промисловості пов’язані з поглинанням або виділенням енергії або перетворюють один вид енергії в іншій.

В технологічних процесах застосовують електричну, теплову, хімічну та інші види енергії.

Електрична енергія використовується у промисловості для перетворення у механічну при здійсненні механічних і фізичних процесів обробки матеріалів: подрібнення, сортування, перемішування, сушіння, нагрівання, проведення хімічних реакцій.

Найбільш поширеними джерелами електричної енергії є вода на гідроелектростанціях; енергія, що виділяється при згоранні палива на теплових електростанціях; енергія ядерних реакцій - на атомних електро-станціях. Джерелами електричної енергії є також вітрова, сонячна та інші види енергії.

Теплова енергія, яка отримується при згоранні палива, використовується для отеплення, проведення численних технологічних процесів (плавлення, сушіння, перегонка). Теплоносіями у цьому випадку є топочні гази, водяна пара, вода.

Хімічна енергія, яка виділяється в процесі екзотермічних реакцій, служить джерелом тепла для нагрівання реагентів, використовується в гальванічних елементах та акумуляторах.

Менш поширене використання у промисловості знайшли геотермальна енергія, енергія вітру, приливів, сонячна (світлова) енергія.

Геотермальна енергія – це запаси тепла, що накопичились у надрах Земної кулі. Ця теплота вилучається на поверхню у вигляді гарячих джерел – гейзерів. Геотермальна енергія (на Україні немає) використовується для зігрівання приміщень, що потребують підвищеної температури.

Світлова енергія використовується при здійсненні фотохімічних процесів, при виробництві фотоелементів, фотодатчиків.

Енергія Сонця використовується в основному в сонячних батареях на космічних кораблях.

Найбільше поширення в промисловості набула електрична і теплова енергія. Причому електрична енергія вважається самою економічною і екологічною.

Список використаної літератури

1.Використання природних ресурсів і охорона природи/ за ред. О.П. Мі ланової. –М.: -1987.

2.Коробко В.Г. Енергетика і паливні ресурси. –К.: -1974.

3.Людина – техніка – природа /за ред. І.К.Корєнькова. –М.: - 1988.

4.Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учебник /Под.ред. Сидорова. – М.: - 1971.