Bevezetés A technológia szavunk, melyet 1772 táján vezettek be, a görög technosmesterség / gyakorlat és logos - tudomány szavakból ered. Értelme, a mesterség tudománya. Az anyag átalakítási technológiák olyan mesterségek tudományát jelképezik, amelyekben sok esetben a kémiai, avagy biokémiai folyamatok a mérvadók. Amikor a XVIII század végén bevezették ezt a szót, a technológia is még gyerekcipőben járt, inkább olyan receptleírás volt, mint amilyennel a kalendáriumokban, szakácskönyvekben s Nagyi naplójában találkozunk. Idővel kinőtte magát, olyannyira, hogy most a matematikai apparátus alkalmazásával nem csak reális, hanem virtuális termék előállításra is képes. A leíró technológia első forradalmi felfedezése akkor történt, amikor rájöttek, hogy a termék előállításban sok olyan fizikai és mechanikai átalakítás van, amely több folyamatban is megtalálható. Így, az angol Davies sugallatára, az amerikai Litle bevezeti az UNIT OPERATIONS- műveleti egységek fogalmát [1,2]. Ezzel a XX század elején két részre oszlik az eredetileg leíró jellegű technológia, az un. ÁLTALÁNOS TECHNOLÓGIÁra és MŰVELETTANra. Sok ideig a MŰVELETTAN képviselte a tudományosság jelzőjét e téren, sőt, még most is vannak olyanok, akik a művelettant tartják az egyedüli mérnöki tudománynak [3]. A technológiai leíró jelleg hátráltatta tudományos elismerését. Az évek során a MŰVELETTANBÓL kivált a REAKTOROK tudománya, amely a XX század végén a kibővült a BIOREAKTOROK tudományával. A két, nagy matematikai apparátust alkalmazó, tudományág- MŰVELETTAN és REAKTORELMÉLET ösztönzésére az ismeretanyag szaporodása következtében a TECHNOLÓGIA is mindinkább a matematikai alapok felé nyúl, így biztosítva tudományos elismerését. Az újabban átvett RENDSZERELMÉLET segítségével mindinkább absztraktabbá vált, nőtt általánosító jellege, olyannyira, hogy a belőle kivált tudományokkal OPTIMALIZÁLÁS, SZERVEZÉS, IRÁNYÍTÁS stb.- most már a szakképzés alapjául is szolgál (lásd, az un. Genie Industrielle képzést a francia mérnöki iskolában). Most, a 21 század elején a különböző hatékony elválasztási módszerek alkalmazásával, a biokémiai folyamatok bevezetésével egyre bonyolultabbá vált a termelés. Ennek a bonyolult termelési rendszernek nagyon sok általános érvényű tulajdonságai vannak, melyeknek tudományos elemzését a SZAK 1
Alapfogalmak TECHNOLÓGIA végzi. Így a TECHNOLÓGIA a termék előállítás igazi tudományává vált. A mindennapi életünkben érzékeljük, ha sokszor nem is fogjuk fel, hogy milyen nagy hatással van a modern emberre a különböző technológiából származó termékek. Sokan, azonban a technológiai folyamatok környezeti hatását teszik előtérbe, elhanyagolva a termékteremtő értékeit. Pedig, bármely anyagátalakító technológia a szükségletek minél nagyobb szinten való kielégítését tűzi ki célul, úgy a termelés a piacon megjelent igények kielégítésének eredménye. Bármely termelési forma egy megszabott környezetben természeti és szociális alakul ki, éli éveit, és vele kommunikál. A környezettel való kommunikációt lehet anyagi szinten, energia szinten és információ szinten követni. Anyagi szinten a kommunikáció áramok segítségével valósul meg. Ezek lehetnek bemenő / belépő és kimenő / kilépő áramok. Míg a belépő áramokat a termelési rendszer valamilyen igényei határozzák meg, a kilépőket, a termék (ek) kivételével, a termelési egység tudományos és műszaki szintje szabja meg. Ezek a kilépő áramok képezik a rendszernek a környezetre való hatását, mely lehet közömbös, kevésbé káros, káros és veszélyes. Ezeknek a kilépő áramoknak köszönheti a technológiai folyamat a hírnevét. A környezeti hatások elhárításának legegyszerűbb megoldása a gyártás beszüntetése volna. Ilyen radikális megoldással azonban megszüntetnők a termelés gyümölcsöző szerepét is. Épp azért, az igazi megoldás a régi folyamatok módosítása és újak olyszintű tervezése, amelyek a legkisebb mértékben károsítják a természetet. A termékfelhasználásából keletkezett hulladékok feldolgozásában nagy a szerepük a kémiai, biokémiai és rokonipari technológiáknak. Az ilyen technológiák széleskörű alkalmazása és eredményeinek ismertetése megváltoztathatná az anyag átalakítási iparok torzult társadalmi képét. 2
1. Alapfogalmak A technológiák nagyon sok olyan kifejezéssel élnek, amelynek hiányában nagyon nehéz a folyamat megértése. Épp ezért a továbbiakban ezeket ismertetjük. 1.1. Termelési rendszer Sistem de producţie A műszaki tudományokban a rendszeren egy olyan anyagi, energetikai, információs áramokkal összekötött elemeket értünk, amely valamilyen funkciót teljesít. Az elemek közötti összekötések alkotják a rendszer szerkezetét/struktúráját. A rendszer a környezetével különböző áramok segítségével kommunikál. Az áram nem más mint a két elem vagy az elem és a környezete között fellépő kapcsolat, amelyben az áramot meghatározó vektor értéke nem változik. Az áramok lehetnek belépő (környezetből a rendszerbe) vagy kilépő (a rendszerből a környezetbe) és elemeket összekötők. Az anyagi áramok többnyire zárt csövekben áramolnak. Kivétel a szilárd áram (néha a cseppfolyós is), amely szabadfelülettel (például a szalagszállító, a csatorna) is áramoltatható. Az energiát hordozó áramok vezetékben, csövekben vagy szabadon áramolnak. Az információs áramok, vezetéken, csőben vagy az éteren keresztül áramoltathatók. 1.2. Átalakító művelet/folyamat Operație/proces de transformare A rendszer feladata, hogy a belépő áramokon olyan átalakítást végezzen, amely emeli azoknak használati értékét és így a keletkezett végtermék, minél jobban ki elégítse a piaci igényeket. Az áramok minőségi változásának jellemzésére különböző kifejezéseket alkalmazunk. Amikor csak alaki változtatásról van szó, akkor mechanikai folyamatról, vagy mechanikai műveletről beszélünk. Ugyancsak a művelet szót használjuk a fizikai átalakítások megnevezésére is. A folyamat szót leginkább a vegyi vagy biokémiai átalakítások megnevezésére alkalmazzuk. Igaz, itt is alkalmatos még, bár hibásan, a kémiából és biokémiából átvett kémiai vagy biokémiai reakció kifejezés (Meg kell jegyezni, hogy egy kémiai folyamat több mint a kémiai reakció, hisz ezen elemi folyamaton kívül tartalmazza a reakció előfeltételit teremtő anyag és energia transzportot is és sokszor néhány fizikai elemi folyamatot is). A rendszerben végbemenő termékre orientált folyamatot technológiai folyamatnak nevezzük. Ez lehet kémiai, ha tartalmaz egy vagy több, a termékre fontos kémiai folyamatot, de lehet gyógyszeripari, élelmiszeripari, metallurgiai, 3
Alapfogalmak stb. technológiai folyamat. A technológiai folyamat nem más, mint az egyszerre végbemenő vagy időben rendezett mechanikai, fizikai és kémiai folyamatok összessége, melyeknek segítségével a kiinduló anyagokból az elvárt terméket állítjuk elő. A folyamatok elképzelt vagy grafikus, lineáris, balról jobbra irányuló ábrázolása, amelyben feltüntetjük a belépő anyagok termékké való átalakulásának utját, folyamat ábra / blokk séma néven ismerjük. Erre általában téglalapot és nyilat használunk, mint szimbólumok. Igaz a szeparációs folyamatok esetén alkalmazható a háromszög, sőt a rombusz is. A téglalapba általában a folyamat megnevezése és hierarchia szintje van felírva. De ismert olyan ábrázolás is, amikor a kémiai vagy biokémiai reakciót írjuk be a megnevezés helyett. A téglalapokat összekötő áramok irányának meghatározására nyilakat alkalmazunk. Sok esetben több téglalapot egy nagyobba csoportosítunk, ezzel körülírva azt a funkciót, amit ezek összessége képvisel. Megjegyezzük, hogy egy téglalapba legkevesebb egy áram lép be és egy áram lép ki. A folyamat könnyebb megértése céljából a nyilakra felírható a fázisösszetétel, a fázisok koncentrációja, hőmérséklete, nyomása stb. Ilyen blokk sémát tüntettünk fel az 1.1. ábrán. Mint látható, az ábra a kénsavgyártás technológiai sémáját tartalmazza. A belépő anyagok a petrokémiai melléktermék a kén, a mész, a diatomit, a levegő és a különböző paraméterű gőz. A kilépő anyagok a kénsav, a véggáz, szilárd hulladék és a különböző minőségű kondenzátum. A kvalitatív ábrázolás helyett alkalmazható a mennyiségi technológiai vázlat, amikor a téglalapokba nemcsak a folyamat elnevezését, hanem annak megvalósítási paramétereit is beírjuk, és a nyilakra az anyagáramot tüntetjük fel. Ilyen technológiai vázlatot mutat be a 1.2. ábra. Egy más típusú kvantitatív technológiai ábra az un. SANKEY diagram, amelyben a folyamatokba belépő anyag vagy energiamennyiségek megfelelnek a nyilak vastagságának. Az 1. 3. ábrán egy ilyen SANKEY diagram van feltüntetve, ahol jól kivehető az egységnyi termékre jutó nyersanyag, veszteség és melléktermék. A folyamatba belépő anyagot nyersanyagnak vagy alapanyagnak nevezzük. A nyersanyag az a természetből valamilyen kitermelési módszerrel kivont anyag, amelyből a terméket állítjuk elő. Az alapanyag egy olyan más technológiából kikerült termék, amely egy újabb feldolgozásra van szánva, ahhoz hogy piaci igényeket kielégítő termékké váljon. Látható, hogy a nyersanyag természetből kivont és csak mechanikai vagy fizikai műveletet magába foglaló technológiai folyamaton ment át. Az alapanyag értelmezésében pedig a minőségi változtatást feltételező transzformációs folyamatot is feltételezzük. Így az alapanyag 4
technológiai folyamat eredménye, amely úgy a termék, mint a nyersanyag jellemzőivel bír. A termék, a termelésből kikerült, valamilyen igények kielégítésre szolgáló anyag, mely bizonyos tulajdonságokkal és használati értékkel rendelkezik. A termék lehet piacnak szánva vagy újabb feldolgozásra. (Például az étolaj lehet piaci használatra szánva, vagy újra feldolgozásra, a margaringyártásában). A feldolgozást meg lehet oldani úgy a folyamaton belül, mint azon kívül. 1.1. ábra. A kénsav gyártás folyamatábrája / blokksémája. A technológiai folyamatból kikerült, piaci értékkel nem rendelkező áramot, melyet nem tudunk, nem akarunk vagy melynek nem gazdaságos a feldolgozása, hulladéknak nevezünk. A hulladék lehet káros vagy közömbös a környezetre 5
Alapfogalmak nézve. A technológiai folyamat a termelés csak egy, igaz a termék előállítás szempontjából a legfontosabb részét foglalja magába. A termelési folyamat e mellett tartalmazza az anyagellátást, a szállítást, karbantartást és különböző szolgáltatásokat. 1.2. ábra. Mennyiségi technológiai vázlat (A, B,C, D, E, F, G, H- nyers és alapanyagok, 1 10. F. folyamatok, a nyilakra írt számok a tömegáramoknak felelnek meg). 6
1.3. ábra. Sankey féle vázlat.. 1.3. Gépek. Alaktorok. Reaktorok. Szállító és tároló berendezések - Masini. Aparate. Reactoare. Transportoare si depozite A gép az egy munkavégző technikai szerkezet. Benne egyes elemek valamilyen periodicitással rövidebb-hosszabb utat tesznek meg. Beszélünk, un. erőgépekről, amelyek különböző energiaformákat alakítanak át mechanikai munkává (gőzgép, villanymotor, belsőégésű motor, gázturbina stb.) és munkagépekről, amelyek valamilyen hasznos energiaátvitelt végeznek. Ilyenek például a szivattyúk, a kompresszorok, ventillátorok, szállítók és adagolók stb. Meg kell jegyezzük, hogy a közegek halmazállapotának nagy szerepűk van, nem csak a folyamatok lebonyolításában, hanem az anyagmozgatásban is. Mint ismert, az anyag áramoltatás egyik legmegbízhatóbb formája, úgy környezeti, anyagtisztasági, mint műszaki szempontból a csőben való szállítás. Mivel a szilárd 7
Alapfogalmak részecskék kis áramlási tulajdonsággal rendelkeznek, a gázok nagy energia igényűek, a szállítást legtöbb esetben cseppfolyós állapotba végezzük. A cseppfolyós állapot áramoltatása, lehet az oldat vagy folyadék, a nagyobb sűrűség és kisebb energiaráfordításnak köszönhetően a legolcsóbb. Épp ezért, sokszor a gázokat is cseppfolyósítva szállítjuk, nem beszélve a szilárdanyagokról, ahol a szuszpenzióba való szállítást és a pneumatikus (gázenergia segítségével) szállítást alkalmazzuk. Természetesen, az áramlási költségek csökkentésére a szilárd anyagokat őrlik, ezzel megoldva a reakcióhoz szükséges nagy felület biztosítását is. A készülék egyetlen eszköz, amelyben valamilyen folyamatot lebonyolítunk. Az alaktor a fizikai átalakítást lebonyolító készülék. Ez részben vagy egészében szilárd elemeket tartalmazó technikai eszköz, amely képes a műveletek elvégzésére, energiaátvitelre, energiaformák átalakítására, anyagátvitelre vagy egyszerre anyag és energiaátvitelre egyaránt. Alaktorok például a bepárlók, a szűrők, a különböző típusú kolonnák, gőzkazánok, szabályozó berendezések stb. A reaktor illetve a bioreaktor - a kémiai illetve a biokémiai átalakulást végző készülék. A klasszikus reaktornak két fő típusát ismerjük a csőreaktort és az üstreaktort. Míg az első, folyamatos működésű, a másodikat lehet szakaszosan vagy folyamatosan működtetni. A szakaszos reaktort meghatározott anyaggal töltjük fel, majd megváltoztatjuk a töltet állapotjelzőit (hőmérséklet és nyomás) és a szükséges másik reagenst, iniciátort, katalizátort stb. adagolunk hozzá. A reakció hatására a koncentráció is változik, mindaddig, amíg el nem érjük a várt átalakulást, mikor is leállítjuk a folyamatot, az üstöt kiürítjük, majd a reakcióterméket elválasztjuk. A folyamatosan működő üstben vagy csőreaktorban a reagensek adagolása és a termékelvonás folyamatosan történik. A csőreaktorban az anyagmozgatás külső behatásra történik (legtöbbszőr szivattyúval, de lehet gravitációval is), az üstben úgy külső (szivattyú), mint belső (keverő) hatásra történhet. Amikor szilárd fázisú reagenst kell áramoltatni, akkor vagy a fluidum (gáz vagy folyadék) kinetikai energiáját használjuk, vagy a gravitációhatást alkalmazzuk (lásd például a magas kohót vagy a forgó csőkemencét). Sok esetben a folyamatos termelést sorba kapcsolt folyamatosan működő kaszkád üstökkel vagy párhuzamosan kapcsolt szakaszosan működő üstökkel oldjuk meg. Megemlítjük, hogy az ipari termeléskor a nagy volumenű termék előállítására a folyamatos, míg a kisebb volumenű termék esetében szakaszos üzemmódot alkalmazunk. A berendezés (instalaţia) több készülék és gép együttese, amelyek egymást kiszolgálva képesek egy művelet/folyamat lebonyolítására. 8
1. 4.a. ábra. A technológiai vázlat elkészítésekor használt szimbólumok. Az alaktorokon, reaktorokon és gépeken kívül a termelési rendszer tartalmaz különböző típusú tárolókat. Ezek lehetnek nyersanyag, alapanyag, köztitermék vagy termék tárolására szánva. A tároló kiválasztásakor nagy gondot kell fordítani a tárolandó anyag tulajdonságaira halmazállapot, veszélyesség (gyúlékonyság, robbanótulajdonság, korrózióhatás), illékonyság, higroszkópicitás, stb. és természetesen a mennyiségre is. A termelő berendezés (instalaţia productivă/ linie tehnologica) nem más, mint a különböző munkaeszközök összessége, melyeket az áramok szállítására szolgáló cső és vezetékrendszer összekapcsol, és aminek segítségével sikerül a nyers/alapanyagokból a segédanyagok alkalmazásával a piaci igényeket kielégítő terméket előállítani. A berendezésnek grafikai ábrázolására a technológiai vázlat alkalmas. Ennek elkészítésére vagy a készülékek leegyszerűsített ábráját, a szabványosított vagy cégek által kidolgozott szimbólumait (lásd a 1.4a és1.4b ábrát [4]) alkalmazzuk. 9
Alapfogalmak 1. 4.b. ábra- Készülék szimbólumok A technológiai vázlat sokkal jobban illusztrálja a termelési folyamatot, mint a blokk séma, hisz az anyag és néha az energia áramok mellett, feltünteti az alaktorok és reaktorok típusát, méretük arányát főbb alkotó elemeit is. Mint az előbbi folyamatábra esetében is láthattuk, a technológiai vázlatot is különböző módon lehet ábrázolni, éspedig készülékre alapozva, avagy szerelést helyezve előtérbe (készülékvázlat, szerelési vázlat stb.). 10
A készülékre alapozott vázlat vagy a készülékvázlat többet jelent, mint a folyamatábra, mivel itt a berendezések szimbólumát alkalmazzuk, meghagyva a jobbról balra levő átfutást. Nagy felületet igénylő ábra esetén ezt meg lehet szakítani úgy, hogy az egymást követő részeket, külön papírra ábrázoljuk, ezek a részek összessége kiadja majd a folyamat vázlatát. Az ilyen ábrázolásokat a tervezésben, de főleg az oktatásban használjuk. A rajz minél könnyebb megértését szolgálja a készülékek nevei elhagyása s helyettesítése számokkal. A számoknak megfelelő megnevezést külön tüntetjük fel. Egy ilyen vázlatot mutat be az 1.5. ábra. Néha a belépőtermékek, a közti termékek és a kilépő anyagok nevét felírjuk az ábrára. 1.5. ábra. A sólé tisztítás technológiai vázlata:1- tároló, 2 nátrium-hidroxid oldat tároló, 3- nátrium karbonát oldat tároló, 4- reagens adagoló, 5-csőreaktór, 6- üstreaktor, 7- ülepítő, 8- iszap besűrítő, 9- tisztit ott sólé tároló. A technológiai vázlat különbözik a készülékvázlattól, ugyanis ezt a tervező alkalmazza a berendezés készülékeinek megtervezésére. Ez több információt tartalmaz, mint az előbbi vázlat, hisz a feltüntetett készülékek, ha nem is léptékre vannak rajzolva, alakhűk. Ugyanakkor, láthatók a készülékek elhelyezése, melyek vannak az alagsorban, a földszinten vagy az emeleteken és kivehető, hogy szükséges-e a különböző áramoltatási gép vagy nem. Ábrázolva 11
Alapfogalmak vannak a csapok és szelepek, a szivattyúk és a szabályozók. Fel vannak tüntetve a belépő és kilépő áramok, a hő és energiahordozók és sok esetben a paraméterek is. Egy ilyen technológiai vázlatot melyet, inkább berendezés vázlatnak nevezhetünk - mutat be a 1.6. ábra 1.6. ábra. Technológiai-berendezés vázlat. A harmadik típusú vázlat a szerelési vázlat. Ez a leggazdagabb az információkban. A készülékek méretre vannak ábrázolva, meg van határozva, nem csak geometriájuk, hanem elhelyezkedésük is berendezésben. Fel vannak tüntetve a csövek, megnevezve az átmérőjük, a csatlakoztatók és sok esetben még a mérő és szabályzó műszerek is. Ilyen szerelési vázlatot mutat be a 1.7. ábra. Mint látható, itt csak az előnézet van feltüntetve, teljes ábra még oldal és felülnézetet is tartalmazza. A folyamat jobb megértését szolgálja a léptékre készített háromdimenziós rajz vagy a makett. Az utóbbi időben, a számítógépes tervezés lehetővé teszi, hogy a berendezés 3D rajzát is könnyen elvégezzük (lásd az 1.8. ábrát). Ezek a legtöbb információt hordozó ábrák és, ha színes vonalakat használunk, akkor teljesében 12
1.7. Szivattyú szerelési vázlata: 1-gyűrű, 2-csap, 3-szűrő, 4-hosszabitó,5-könyök, 6-szint, 7-kosárszelep érthetővé válik a folyamat. Annak ellenére, hogy ezek a 3D ábrázolások oly tökéletesek, sok esetben a tervező, a kompakt szerelés elérése végett makettel is dolgozik. Ezek a legmegfelelőbbek a csőhálózat tervezésében, a csapok és csőszerelvények elhelyezésének meghatározásában. A termelő berendezés mellett, minden termelőegység tartozéka a különböző szolgáltatási berendezés. A termelő berendezések a szoros értelemben vett termelő eszközök. A szolgáltatások általában külön rendszert képeznek. Természetesen, hogy egyszeri technológiai esetén, a szolgáltatási berendezések szoros kapcsolatban vannak a termelő berendezéssel, hisz azok anyagi (víz) vagy energia (gőz, elektromos áram, gáz) szükségletét fedezik. A termelő berendezések három legfontosabb szolgáltatása: a víz, a gőz, a villamos energiaszolgáltatás Ezekhez sokszor a gáz, a fűtőolaj, szén, koksz stb. szolgáltatás is hozzátartozhat. Megemlítjük, hogy az anyagi és az energiaszükséglet felbecsülésekor mindég figyelembe kell venni azt, hogy a termelő rendszerre is érvényes: 13
Alapfogalmak az anyagmegmaradás törvénye; az energia megmaradás törvénye. 1.8. ábra. A hőcserélő 3D ábrája. Ez azt jelenti, hogy a folyamatba egy bizonyos mennyiségű nyers/alap és segédanyag lép be és ugyanannyi hagyja el a rendszert termék, melléktermék és hulladék formában. Egy üzem-uzina vagy egy gyár-fabrica amelyben a folyamatokat lebonyolítjuk egy gazdasági egység, jogi személy, amely egy vagy több termelő berendezése mellett szociális, kulturális, egészségügyi, szabadidő kihasználásra alkalmas stb. szolgáltatással rendelkezik. 1.4. Technológiai paraméter. Paraméter rendszer - Parametrii şi regim tehnologic A matematikában a paraméter egy olyan állandó, amely meghatározó az egyenletrendszer gyökeire nézve. A termelési rendszer működését meghatározó jellegzetes mennyiséget is paraméternek nevezzük. Ha ez a mennyiség a rendszer állapotára vagy működésére mérvadó, akkor technológiai paraméterként ismert. A technológiai paraméterrel ellentétben beszélhetünk geometriai paraméterről is, mint például a csőreaktor átmérője vagy hossza. Míg a 14
geometriai méretek nem képeznek technológiai paramétert, a különböző pontban mért hőmérséklet, koncentráció, nyomás, áram stb. technológiai paraméter, ha nem függ az időtől. Ahhoz, hogy a berendezés az elvárásoknak (tervezésnek) megfelelő biztonságban termelje a minőségi árut, vezérlő paraméterei meghatározott értéket vesznek fel. Ezek e meghatározott értékek összessége adja a technológiai állapotot (regim tehnologic). A paraméterek meghatározott értéken való tartása megköveteli ezek ismeretét, tehát mérését, sőt szabályozásukat is. Erre műszereket alkalmazunk. A műszerek egyes paraméterek mérésére vagy szabályzására szolgáló technikai rendszerek. Épp ez teszi szükségessé az anyag és energiaáramok mellett, az információáram bevezetését is. 1.5. Reakcióelegy. Vegyi út. Eljárás - Masă de reacţie. Drum chimic. Procedeu Az anyag átalakítási technológiák (vegyipari, élelmiszeripari, gyógyszeripari, metallurgiai, környezetipari stb.) legfontosabb része az alapanyag minőségi változását előidéző kémiai/bio-/foto-/sugárkémiai folyamat, ahol végbemegy a reagensek reakciótermékké való átalakulása, vagyis a termékben lévő vegyület szintézise. Azt az elegyet, amely egy bizonyos pillanatban a reaktorban van, és amelyben lejátszódik a folyamat reakcióelegynek vagy ritkábban reakció keveréknek nevezzük [5]. Az elhasználódó komponensek a reagensek, a keletkezettek pedig a reakciótermékek. Azok, amelyek valamilyen okból nem vesznek részt az átalakulásban inert komponenseknek nevezzük. A reakcióelegyet úgy a fázisok, mint a részecskék (atomok, gyökök, molekulák, ionok) szintjén is meghatározhatjuk. Így, például a reakcióelegyet nevezhetjük egy bizonyos pillanatban a reaktorba lévő belépő és a keletkezett fázisok összességének. Ha a komponenseket vesszük figyelembe, akkor a reakcióelegyet egy bizonyos pillanatban a reaktorban lévő reagensek, katalizátorok, iniciátorok, inert komponensek, reakciótermékek és oldószerek összessége, amelyek között zajlik le a folyamat [5,6]. A termék előállítása kémiai úton, úgy laboratóriumi, mint üzemi szinten, megköveteli a nyersanyagok előkészítésére szolgáló mechanikai és fizikai folyamatok mellett a megfelelő kémiai reakciókat. E reakciók időbeli megvalósítása megadja azt a vegyi utat, amely a termék előállítás sorrendjét ábrázolja (vegyi útról általában csak akkor beszélünk, amikor a reakciók száma nagy). Minél nagyobb a folyamatba szereplő reakciók száma, annál több vegyi utat tudunk elképzelni. Ilyenkor ugyanazt a terméket más-más vegyi úton lehet 15
Alapfogalmak előállítani. Sőt, ugyanazt a vegyi utat megvalósíthatjuk más-más paraméteren. A vegyi útnak megfelelő folyamat alkalmazása nem más, mint a gyártási eljárás. Így a vegyi útnak, illetve az arra alapuló gyártási eljárásnak mérvadó szerepe van a technológiai folyamat tervezésében. Az említettek illusztrálására nézzük csak meg, hogyan lehet a nátriumkarbonátot előállítani kősóból, mészkőből, szénből és mellékanyagok alkalmazásával. Módosított LeBlanc eljárás 2NaCl H2SO4 Na2SO4 2HCl (1.1) Na2SO4 2C Na2S 2CO2 (1.2) Na2S CaCO 3 CaS Na2CO3 (1.3) CaS 2HCl CaCl 2 H2S (1.4) H2S 1. 5 O2 H2O SO2 (1.5) SO 0. O SO (1.6) 2 5 2 3 3 H2O H2SO4 SO (1.7) Solvay módszer C O2 CO2 Q (1.8) CaCO Q CaO (1.9) 3 CO 2 NaCl H2O NH3 CO2 NaHCO 3 NH4Cl (1.10) 2 NaHCO 3 Na2CO3 CO2 H2O (1.11) CaO H2 O Ca(OH) 2 (1.12) Ca( OH) 2 2NH4Cl CaCl 2 2NH3 2H2O (1.13) Erre az utóbbi reakciókra a következő kémiai utat lehet felírni: 16
Ezen kémiai út alapján megtervezett gyártási eljárás blokksémáját az 1.9. ábra tartalmazza. Mint látható a belépő áramok a sólé, a mészkő, a víz, a koksz és a levegő. A kilépő áramok a mosószóda, a véggáz, a kalcium klorid oldat és a felmelegedett hűtővíz. A folyamat megvalósítása feltételez egy bizonyos mennyiségű ammóniát, amely az egyik folyamatban ammónium klorid formájában megkötődik, és a másik folyamatban gáz formában felszabadul. 1.9. ábra. A Solvay eljárás blokksémája. Szűkebb értelmezésben a kémiai eljárások célját a nyersanyagok / alapanyagok kémiai reakciókán keresztüli nagyobb használati értékkel rendelkező termékké való átalakítása képezi. Tágabb értelemben a gyártási eljárás túlmegy a kémiai folyamatok összességén, hisz magába foglalja a mellékműveleteket, ezek készülékeit, egész a terméktároló berendezésig. Az anyag minőségi átalakítási eljárások elemzésekor több szempontot veszünk figyelembe, éspedig: mennyiségi kihozatal; a termékminőség; 17
Alapfogalmak energiaigényesség; környezeti hatás; nyersanyagellátás. Az eljáráselemzés alapos, körültekintő műszaki, gazdasági, sőt mostanában már környezeti számításra kell alapulnia, amely az üzemméretre is kiterjed. A méretszerepe mérvadó lehet a gazdaságosság megítélésében. Sok esetben a méret növelése, máskor annak csökkentése oldja meg a gazdasági problémát. A gyártási technológia azoknak az elvi és gyakorlati utasításoknak az összessége, amelyek hiányában a gyártás végrehajtása lehetetlen. Ezeket az utasításokat a gyártástechnológiai előírás /előírat tartalmazza [5,7]. Ezek főbb témái: a termékre jellemző főbb tulajdonságok bemutatása, annak veszélyessége, a veszélyek elhárítási lehetősége stb.; a technológia, rövid, közérthető leírása; a gyártásba használt nyers/alap és mellékanyagok tulajdonságainak bemutatása, azok veszélyessége, veszélyesség elhárítása; a gyártáshoz kapcsolódó energia rendszerek hűtő-fűtő rendszerek- leírása; a gyártás pontos műveleti sorrendje; a munkaerőigény és a védelmi berendezések; a gyártási folyamat ellenőrzésének módja; a karbantartás időpontja és módja. Ha az alkalmazott üzemi szintű technológiai folyamatot összehasonlítjuk a laboratóriumi szinten megvalósítottal, akkor a következő megállapításokat tehetjük: az üzemi folyamat sokkal több változóval dolgozik, mint a laboratóriumi; a vezérlőváltozó a költség is, amelynek laboratóriumi szinten nincs nagy szerepe; az üzemi termelésben a piac által meghatározott minőséget kell biztosítani; az üzemi berendezés mérete több nagyságrenddel felülmúlja a laboratóriumit; az üzemi szintű termék előállításban a szervezésnek is nagy szerepe van; a laboratóriumi kutatáshoz képest az üzemi termelés veszélyessége sokkal nagyobb, már ami a feldolgozott anyagok volumenét is illeti; 18
a baleset elhárítás és a környezeti problémák megoldása üzemi szinten sokkal költségesebbnek nyilvánult, mint laboratóriumi szinten. 1.6. Az ipari termelés sajátos törvényei- Legităţile sistemelor de producţie A több mint két évszázados ipari termelési tapasztalat azt mutatja, hogy a termelésre jellemző négy fő törvényszerűség, éspedig [8]: A paraméterek nagyszámának a törvénye. A technológiai folyamatokban minden paraméter nem vehető figyelembe, hisz ezek hatásának szétválasztása szinte lehetetlen. A tíz változót tartalmazó rendszer esetén is több emberöltőbe kerülne a paraméterhatások felbecsülése. Épp ezért a technológiai folyamatokban vezérlő paraméterekkel dolgozunk. Ezen egyszerűsítés következtében a termelési technológiában a természettudományok által megállapított matematikai összefüggések, sokszor csak tendenciában érvényesülnek. Egy másik, a termelési technológiákra jellemző tulajdonság, hogy ezek nem tiszta anyagokkal dolgoznak (bár az utóbbi időben egyre nagyobb tisztaságú anyagokkal élnek). Ennek következtében a szennyezők, mint paraméterek léphetnek fel, főleg ha részt vesznek a transzformációkban is. Az automatizálás törvénye. A technológiai folyamatban a nagyszámú paraméter miatt a vezérlő paraméterek csak automatizálással szoríthatók a megfelelő határok közé. Úgy tűnik, hogy az automatizálás megoldja a paraméterek nagyszámának problémáját. Ez talán úgy is volna, ha a műszerezés nem kerülne oly sokba. Bár jól ismert dolog, hogy minél jobban műszerezett a berendezés, annál nagyobb a biztonsága, vagyis kisebb a szennyezési, baleseti, selejtképzési, egészségi kockázat, de az automatizálási költségek magas volta arra készteti a befektetőt, hogy a teljességre csak a legkritikusabb területen törekedjen. Tehát, ott találunk automatizált termelési folyamatot, ahol fennáll a baleset, a robbanás, a környezet szennyezés veszélye, ahol a folyamatok oly gyorsan mennek végbe, hogy bármelyik pillanatban ki léphetnek a megengedett stacionárius állapotból, és a főtermék kihozatalát veszélyeztetnék. A költségparaméter törvénye. Ez talán a termelés szempontjából a legfontosabb törvényszerűség. Ez kimondja, hogy a termék előállításhoz szükséges költségek kisebbek kell legyenek, mint a termék értékesítésekor megtérült érték. Minden eljárásnak van egy elviselhető költség maximuma. Ennek értékét a termék 19
Alapfogalmak piaci ára szabja meg. Olyan eljárás, amelynek önköltsége a piaci árat megközelíti, és nem tudja a beruházást megtéríteni, nem jó eljárás. Ez nem jelenti azt, hogy néha, külső okokból, nem lehetséges a veszteséges termelés. Azonban ezt nem lehet tartós, hisz idővel elfogynak a források, és a vállalkozás csődöt mond. A gazdaságosság számszerű jellemzésére az un. költség paramétereket alkalmazzuk. Ilyen például a kitermelés vagy hozam, a konverzió vagy átalakulási /transzformációs fok és a termelékenység. A kitermelés azt tükrözi, hogy a kapott termék mennyisége hányad része az elméletileg számítottnak. A konverzió azt mutatja, hogy egyszeri áthaladáskor a bevitt nyersanyag hányad része alakult át termékké. A kitermelés termékszempontjából, a konverzió a reagens oldaláról világítja meg a folyamatot. A termelékenység az élőmunka hatékonyságának a mutatószáma, és azt mutatja, hogy egy fő közvetlen vagy közvetett munkaerő bizonyos időegység alatt mekkora termelést hoz létre. A közvetlen munkaerő a termelésben résztvevő, míg a közvetett a vezetésben, adminisztrációban, szolgáltatásban dolgozik. Léptékhatás törvénye. Minden eljárás esetén bizonyos méretek túllépése minőségi változásokat okozhat a termékben. Épp ezért, a laboratóriumi szintű kísérletek eredményeit átvinni az üzemi szintre kockázattal jár, főleg ha a folyamat sebességét az anyag vagy az energia átvitel korlátozza. Épp ezért, ajánlott a lépcsőzetesség alkalmazása, vagyis a laboratóriumi szintet (maximum 5 L térfogatig), a félüzemű (kb. 25-100 L térfogatig), azt pedig az üzemi szintű kutatás kövesse. A léptékhatás legfőbb eredménye a méretnövelés hatására való fajlagos beruházás csökkenése. Ezt a következő összefüggés illusztrálja: x K 2 2 K (1.14) 1 1 ahol : K 1 és K 2 a kisebb illetve a nagyobb kapacitású beruházás költsége, 1, 2 - a kisebb illetve a nagyobb termelési kapacitás, t/év. Mivel az x kitevő kisebb, mint 1 ( kb. 0,6-0,7 körül mozog, ezért hattizedes összefüggésnek is nevezzük), a beruházási költség nem nő egyenes arányba a kapacitással. Ami a költségparamétert illeti, több termék költségének evolúcióját figyelve, meg lehet állapítani, hogy az adott technológia folyamat esetén az önköltség csökkenése aszimptotikusan tart egy minimum felé. Ezt a csökkenést az alábbi egyenlet írja le: 20
C Ar a be (1.15) ahol: Ar- az átlagárat jellemzi, ROL/t, a- a minimum átlagár, ROL/t, b és C állandók, - idő, év. 1.10. ábra. A költségparaméter változása [7]. A függvény és az 1.10. ábra jól tükrözi, hogy bármelyik életperiódust is vesszük figyelembe, eleinte nagy az önköltség csökkenés. Idővel, ez azonban már mindegyre kisebb és kisebb lesz, míg eléri azt a pillanatot is, amikor óriási ráfordítással csak egy kis költségcsökkentést érünk el. Ilyenkor, természetesen, már nem kifizetődő a folyamat és radikális változásra van szükség. Sokszor a radikális változás csak egy más technológiai folyamaton keresztül valósulhat meg. 1.7. A termelés fejlődési irányai- Tendinţe în dezvoltarea a producţiei Az ipari termelés fejlődését elemezve, néhány jellemzővonást lehet felismerni [6-10]: a költségparaméter csökkenése; a fajlagos energiaszükséglet csökkenése; a térfogat- és munkaegységre eső hozam növelése; az automatizálás kiterjedése és a számítógépes vezénylés térhódítása; a kihozatal aszimptotikus növekedése egy határérték felé; 21
Alapfogalmak a gyártási kapacitás optimalizálása. A gyártási kapacitás nem más, mint egy adott termelőegységben meghatározott időegység alatt előállított termék mennyisége. Nemrég még a részfolyamatok optimalizálásán volt a hangsúly, mostanában arra törekednek, hogy a készülékkapacitását összehangolják. Így alakult ki az optimális gyártási kapacitás, vagyis azon üzemméret, mellyel adott időszakban a leggazdaságosabban lehet termelni. Általában az optimális gyártási kapacitás nő, de nem minden határon túl, hisz bizonyos üzemméretek felett a felmerülő szolgáltatási, tárolási, beszerzési nehézségek rontják a gazdaságosságot; a folyamatos munkamenet térhódítása;, a tisztább alapanyagokkal való technológiák kialakulása a szegényebb nyersanyag feldolgozással egy időben; az új membrán szeparációs módszerek rohamos elterjedése. Az utóbbi évek ipari technológiáit elemezve a következő tendenciák állapíthatók meg: Egyes technológiáknál a méretnövelést (több ezer tonnás), másoknál a méretcsökkenést (egész a mikroliteres szintig) alkalmazzák, mint gazdasági problémamegoldót; Sok esetben a méretnövelést több modul összekapcsolásával valósítják meg; A hőmérséklet és a nyomáshatárok tágulása; A reakció sebességének növelésére és a szelektivitásra való összpontosítás; Új aktiválási módszerek alkalmazása (ultrahang, radioaktív behatások, fotokémiai, biokémiai); A jobb energiahordozók bevezetése; Új szétválasztási módszerek alkalmazása; Új szerkezeti anyagok elterjedése; Új szervezési módszerek bevezetése; A termelési integráció alkalmazása minél kisebb környezetszennyezés biztosítására; A termék specializálódás kialakulása; A számítógépes vezérlés térhódítása; Fokozott anyag és energiatakarékosság; Egyre nagyobb figyelmet fordítanak a környezetvédelemre; A komplex anyagfelhasználás elterjedése, a hulladékmentes technológiák bevezetése. 22
Ahhoz, hogy termékek piacképességét több ideig megőrizhessék szükséges, hogy az üzemeltetés néhány szabályát szem előtt tartsák: A nyersanyagok, alapanyagok és segédanyagok minőségének folyamatos biztosítása; A vezérlés, szabályzás folyamatos ellenőrzése, és vezérlő paramétereknek a megszabott határok közt való tartása; A termékminőség, beleértve a köztitermékeket is, folyamatos biztosítása (TQM); Az üzemzavarok megelőzését szolgáló by-pass rendszer, csereberendezés, cserealkatrész készlet biztosítása; A melléktermékek és hulladékok értékesítése vagy semlegesítése és biztonságos tárolása; A munkaegészségi és munkalélektani módszerek folyamatos alkalmazása; A biztonsági, környezetvédelmi előírások betartása. 23