ДРАГАНА РАНКОВИЋ ТЕХНОЛОШКЕ ОПЕРАЦИЈЕ 1 (МАШИНЕ, АПАРАТИ И ОПЕРАЦИЈЕ) ЗА II РАЗРЕД СРЕДЊЕ ШКОЛЕ Хемијско-технолошки техничар Техничар за индустријску фармацеутску технологију Прехрамбени техничар Техничар за биотехнологију ЗАВОД ЗА уџбЕНИКЕ • бЕОГРАД
Рецензенти
Проф. др Радмила Јанчић-Хајнеман професор
Технолошко-металуршког факултета Универзитета у Београду
Славенка Недић професор у
Хемијско-прехрамбеној технолошкој школи у Београду
Јасмина Вучковић професор у
у Београду
Уредник
Чедомир Цвијетић
Одговорни уредник Татјана Костић
Главни уредник Драгољуб Којчић
За издавача
Драгољуб Којчић, директор
Хемијско-прехрамбеној технолошкој школи
Министар просвете, науке и технолошког развоја Републике Србије решењем број 650-02-107/2014-06 од 19. 9. 2014. године одобрио је овај уџбеник за издавање и употребу у средњим школама за подручје рада пољопривреда, производња и прерада хране и подручје рада хемија,
неметали и графичарство.
© Завод за уџбенике, Београд, 2015. Ово дело не сме се умножавати, фотокопирати и на било који други начин репродуковати, ни у целини ни у деловима, без писменог одобрења издавача.
ISBN 978-86-17-18918-9
3 САДРЖАЈ Предговор ................................................... 7 Увод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1. Основни принципи рада уређаја ....................... 12 1.1. Технолошки процес .................................. 12 1.2. Одржање масе и енергије ............................ 12
Приказивање материјалних и енергетских баланса .. 13 1.4. Брзина технолошких процеса........................ 14 2. Онови механике флуида ................................ 16 2.1. Статика флуида ..................................... 20 2.2. Динамика флуида ................................... 23 Режим струјања флуида ....................... 23 Распоред брзина и гранични слој ............. 28 Проток флуида ................................ 30 Енергија флуида ............................... 32 Отпори струјању флуида ...................... 38 3. Транспорт материјала ................................. 46 3.1. Транспорт флуида ................................... 47 3.2. Пумпе ................................................ 50 3.1.1. Пумпе за течности – конструкциона решења .. 53 Клипне пумпе ................................. 53 Центрифугалне пумпе ......................... 56 Ротационе пумпе .............................. 58 Вакуум-црпке за течности .................... 59 3.1.2. Транспорт гасова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Клипни компресори ........................... 61 Вентилатори .................................. 63
1.3.
4 Турбокомпресори ............................. 64 Вакуум-црпке за гасове ....................... 64 Мембранске пумпе за течности и гасове ..... 65 3.3. Складиштање флуида 65 Резервоари за течности и гасове ............. 65 3.4. Транспорт чврстог материјала....................... 67 Преносници с траком ......................... 67 Преносници с ланцем ......................... 69 Елеватори ..................................... 69 Пужасти транспортери ....................... 70 Пнеуматски транспортери .................... 71 4. Ситњење и просејавање материјала ................... 78 4.1. Ситњење материјала – појам и значај................ 78 4.1.1. Уређаји за грубо дробљење материјала ....... 81 Дробилице .................................... 81 4.1.2. Уређаји за средње ситњење материјала ...... 82 Дробилицe на ваљке .......................... 82 Жрвњеви ...................................... 83 Дезинтегратори ............................... 84 Млинови са чекићима ......................... 84 4.1.3. Уређаји за фино ситњење материјала ......... 85 Млин с плочама ............................... 85 Млин с ваљцима ............................... 86 Млин с куглама ................................ 87 4.1.4. Уређаји за колоидно млевење материјала .... 88 Центрифугални млин ......................... 89 4.4.5. Машине за сечење материјала ................ 89 4.2. Просејавање материјала ............................. 90 4.2.1. Уређаји за класирање материјала . . . . . . . . . . . . . 92 Обртна сита ................................... 92 Осцилаторна сита ............................. 93 Вибрациона сита .............................. 93 5. Мешање материјала .................................... 97 5.1. Појам мешања и карактеристике смеша ............. 97 5.2. Опрема за мешање ................................... 101 5.2.1. Мешачи за прах ................................ 101
5 5.2.2. Мешачи за течности ........................... 104 Мешање коришћењем мешалице ............. 105 Мешање коришћењем циркулационих пумпи 108 5.2.3. Мешачи за тесто и пасте 109 6. Нехомогени системи .................................... 113
Појам и подела нехомогених система ................ 113
Методе раздвајања нехомогених система ........... 118 6.2.1. Филтрација .................................... 118 Уређаји за филтрацију ......................... 119 Пешчани филтер .............................. 122 Вакуум-филтер с бубњем...................... 122 Врећасти филтер .............................. 123 Филтер-пресе .................................. 124 6.2.2. Таложење ...................................... 126 Уређаји за таложење .......................... 129 Таложник за суспензије ....................... 130 Згушњивачи .................................. 130 6.2.3. Класирање и сепарација помоћу медија ....... 131 Уређаји за класирање и сепарацију ........... 132 Ламелни сепаратори .......................... 133 Алфа-Лавал сепаратор ........................ 134 6.2.4. Кретање честица у центрифугалном пољу .... 135 Уређаји за раздвајање фаза уз примену центрифугалне силе........................... 136 Центрифуге.................................... 136 Ултрацентрифуге .............................. 137 Суперцентрифуге.............................. 138 Циклони ....................................... 139 6.2.5. Електроталожник ............................. 140 7. Флуидизација ........................................... 145 Механизам флуидизације ..................... 146 8. Основе размене топлоте – основни појмови .......... 150 8.1. Термодинамички системи и њихова својства ........ 151 8.1.1. Основне термодинамичке величине .......... 152 8.1.2. Термодинамички процеси ..................... 155
6.1.
6.2.
6 8.1.3. Основни гасни закони ......................... 157 8.1.4. Рад и топлота у термодинамичким процесима ..................................... 158 Први закон термодинамике 160 Други закон термодинамике .................. 162 Топлотне машине и Други закон термодинамике................................ 163 8.2. Операције преношења топлоте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.2.1. Механизми преношења топлоте .............. 168 Преношење топлоте провођењем – кондукција ................................... 169 Преношење топлоте кроз равну плочу ........ 171 Провођење топлоте кроз више слојева материјала различитих својстава ............. 172 Преношење топлоте с равне површине конвекцијом ................................... 173 Преношење топлоте зрачењем ................ 174 Размена топлоте зрачењем између два тела .. 175 Пролаз топлоте – збирни коефицијент провођења топлоте или укупни отпор преношењу топлоте ........................... 176
ПРЕДГОВОР
Уџбеник пред вама написан је на основу важећих програма за предмет Машине, апарати и операције и предмет Технолошке операције, а за
образовне профиле хемијско-технолошки техничар, техничар за индустријску фармацеутску технологију, прехрамбени техничар и техничар
за биотехнологију. Изложени наставни садржаји изучавају се у другом разреду средње школе у
хемија, неметали
и подручју рада пољопривреда, производња и прерада хране.
усвајање знања о врстама и начину рада основних типова машина и уређаја који су саставни део технолошких поступака
7
подручју
Уџбеник могу користити и остали образовни профили јер, иако постоје разлике у наставним плановима и програмима, сви предвиђају исте наставне целине (различитог обима). Поред програма, у обзир су узети и тенденције развоја и унапређивање система образовања у Србији, којима се баве стручњаци које окупља Завод за унапређивање образовања и васпитања. Наиме, у обзир су узети стандарди постигнућа који представљају суштину знања, вештина и умења које ученици треба да поседују на крају циклуса образовања. При писању овог уџбеника ауторa је водила жеља да помогне ученицима да се упознају са основним знањима из технолошких операција, као и њиховом применом и значајем у технолошким поступцима процесне индустрије.
Уџбеника треба да ученицима омогуће
у подручју рада хемија, неметали и графичарство, као и подручју рада пољопривреда, производња и прерада хране. Овај уџбеник треба да буде и помоћ наставнику у процесу подучавања ученика, јер истраживања у области методике показују да су ученици способни да науче много више од онога што се углавном очекује уколико им се садржаји представе на одговарајући начин. Дакле, смисао овог уџбеника јесте да дâ преглед принципа на којима функционишу уређаји који обављају појединачне технолошке операције и да укаже на неке карактеристичне делове опреме. Разумевање принципа функционисања уређаја је за техничаре важно јер им оно омогућује да стекну основу захваљујући којој ће моћи да препознају опрему, рукују
рада
и графичарство
Садржаји
8 опремом и уочавају евентуалне проблеме у функционисању опреме, који могу довести до хаварија, или до неефикасног рада. Ови проблеми отклањају се приликом одржавања или поправки, а потребно је делове опреме заменити новим деловима који ће одговарати истим захтевима процеса. Овај уџбеник би требало да помогне да се код ученика развије систематичност, прецизност, смисао за економичност и одговорност, што
обављање радних задатака у индустријским погонима. Захваљујем
и ученицима
који су прегледали прву верзију овог
дали
у вези с јасноћом излагања градива и
Аутор
је неопходно за успешно
рецензентима, као
Хемијско-прехрамбене технолошке школе из Београда
уџбеника и
своја запажања
тиме допринели побољшању квалитета овог уџбеника.
Када се постави питање шта је процесно хемијско инжењерство, обично добијамо одговор да је оно инжењерство у хемијској индустрији које проучава производњу хемикалија или да је то хемија која се користи у фабрикама. Ниједан од тих одговора није
9 УВОД
исправан.
процес-
хемијских знања, али само то инжењерство много је сложеније и разликује се од других типова инжењерства. У процесном
користи се математика,
и
како би савладали технички проблем на сигуран и економичан начин. Друштвена структура, очување околине и везе с другим областима инжењерства одређују начин вођења хемијских процеса. Процесно инжењерство било је стуб десет великих корака у развоју човечанства. 1. Овладавање атомском енергијом развијало се паралелно с развојем процесног инжењерства. Откриће атомске фисије десило се пре Другог светског рата, а хемијско инжењерство створило је уређаје који су омогућили концентрисање урана и настанак атомске бомбе. Та
била
ка производњи оружја у Другом
корисних открића која
данас се користе у биологији, медицини,
У 19. веку откривен је свет полимерне хемије, али тек у 20. веку он је постао економску реалност, захваљујући открићима која су довела до индустријске производње пластичних маса. Једна од првих коришћених пластичних маса је бакелит, откривен 1908, и тај период се сматра као почетком пластичног доба. Данас се полимерни материјали користе у свим доменима технике, медицине и свакодневног живота, они су саставни део текстила, посуђа, обуће и покућства. 3. Процесно инжењерство има примену у медицини, као и у производњи апарата за медицину.
Истина је, у
ном инжењерству има пуно
инжењерству
физика
хемија
истраживања,
усмерена
светском рату довела су до многих
данас, срећом по човечанство, имају мирнодопску примену. Технике засноване на атомској физици
археологији… 2.
4.
век човека.
5. Производња хемијских влакана омогућила је замену природних влакана синтетичким. Данас се синтетичким влакнима пуне јастуци, покривачи, јакне, а такође се изграђују многе тканине. Осим тога синтетичка влакна се додају природним влакнима, услед чега се она модификују и постају издржљивија и боље се подносе на кожи. На пример, најлон чарапе постале су замена за свилене, а синтетичке тканине омогућиле су израду панцир-прслука.
6. Резултати
9. Индустрија
10
Процесно инжењерство допринело је развоју производње антибиотика. Данас је масовна производња лекова јефтина и допринела је бољем преживљавању пацијената оболелих од заразних болести. Могућност да некада скупоцени производи, као што је то био пеницилин, буду доступанни широкој популацији продужује животни
истраживања у процесном инжењерству омогућују економски исплативо третирање отпада и спречавање загађивања околине. На пример, каталитичко сагоревање горива у аутомобилима, нови типови горива и уређаји за пречишћавање ваздуха смањују загађивање околине. 7. Процесно инжењерство примењује се у производњи ђубрива која омогућују добијање већих приноса што је веома значајно за будућност производње хране будући да се становништво на свету постаје бројније. Развој биотехнологије повезан је с производњом хране. 8. Петрохемијска индустрија и производња супстанци једностав-
користе се за израду горива, уља за подмазивање,
синтетичких гума и синтетичких влакана. Наша
од развоја ове индустрије.
није структуре
пластичних маса,
цивилизација умногоме зависи
синтетичких гума такође је заснована на принципима
Данашња производња
гума представља основу за производњу аутомобилских гума,
за ролере... 10. Процесно инжењерство бави се прерадом сировина у вредније производе и даје алате да се процеси обављају, оптимизују и пројектују. Прерада сировина и алата засновани су на познавању технолошких операција, машина и уређаја у процесној индустрији. Техничари који раде у процесној индустрији морају разумети принципе по којима ради хемијска, фармацеутска, прехрамбена козметичка индустрија, као и сродне гране индустрије. Њихов задатак неће бити да пројектују нову опрему, али зато може да се догоди да морају да из-
процесног инжењерства.
синтетичких
али и спортских ципела, трака за транспортере, точкова
од предвиђеног одвијања процеса, као и за текуће и превентивно одржавање опреме.
опреме и постројења.
Технолошке операције представљају област коју проучавају процесни инжењери и технолози свих профила. С
хнолошки процес састоји од мање-више истих потпроцеса, такозваних основних операција, педесетих
да се не посматра свака технологија појединачно, већ све заједно као целина која се састоји од типизираних делова. На тај начин се упознавањем основних технолошких операција може савладати свака технологија уз минимално учење нових садржаја.
11 веду замену постојеће опреме или да изаберу замену за неке делове опреме. Због тога је потребно да познају принципе рада који су засновани на појединачним операцијама из којих се касније изводе начини функционисања одређених апарата и машина у хемијској и прехрамбеној индустрији. Осим тога, техничари су задужени за вођење рада уређаја, указивање на одступања
Такође, учествују у ремонтима
на
обзиром на то да се сваки те-
година дошло се
идеју
1.1. Технолошки
12
ОСНОВНИ ПРИНЦИПИ РАДА УРЕђАЈА
1.
процес У процесном инжењерству и сродним областима технолошка операција је основни елемент процеса. Приликом прераде млека, на пример, хомогенизација, пастеризација, хлађење и паковање млека представљају технолошке операције које су све међусобно повезане и заједно чине процес прераде млека. Процес може имати велики број технолошких операција које воде добијању жељеног производа. У уређајима који се користe у неком технолошком поступку одигравају се процеси који изгледају веома сложено, али се пажљивом анализом може уочити да се ради о низу повезаних физичких промена (технолошких операција). Те физичке промене у уређајима одигравају се на принципима које објашњавају технолошке операције. Дакле, технолошке операције баве се физичким променама материјала у процесима индустрије. 1.2. Одржање масе и енергије Материјал и енергија се не троше, већ само мењају облик. То је основни принцип на коjем почива наш свет. У процесној индустрији важе закони одржања масе и енергије, нема акумулације и сав материјал који уђе у процес мора из њега изаћи. При преради млека, на пример, ако се у центрифугу стави сирово млеко да би се смањио проценат масноће, из уређаја ће изаћи обрано млеко и павлака која садржи масноћу. При томе, закон одржања масе примењује се не само на укупни унос него на сваку од компоненти које улазе и излазе из процеса. Закон одржања енергије каже да се енергија не ствара нити уништава, па укупна количина енергије која улази у постројење мора бити једнака енергији која постројење напушта. Пошто енергија има више облика –кинетичка, потенцијална, топлотна, хемијска, електрична и слично – то
13 је мало сложеније за праћење. Током прераде материјала енергија мења своје видове, на пример, механичка енергија флуида може се преводити у топлотну енергију. Ако се посматра пастеризација млека, разматрању се може приступити на два начина. • Може се посматрати енергетски биланс за цео процес. У том случају у обзир се узима топлота предата млеку, топлота одведена из млека при хлађењу, као и губитак топлоте у околину. У енергетски биланс морају се укључити потенцијална и кинетичка енергија млека које улази и излази из постројења, али и други видови енергије у деловима постројења у којима се флуид греје и хлади. • Закон одржања енергије може се применити и на део процеса, на пример може се посматрати само део пастеризатора у коме се млеко загрева. Тада губитак топлоте коју носи топла вода мора бити једнак енергији коју преузима млеко и губитку топлоте у околину. Из оваквих разматрања биланс масе и енергије може се извести за сваку појединачну технолошку операцију.
материјалних и енергетских биланса Материјални и енергетски биланси могу се испитати за цео технолошки поступак или за сваку операцију појединачно. За то се користе дијаграми (блок-дијаграми) са стрелицама које представљају токове материјала и енергије; смер стрелице означава да је ток усмерен ка појединачној операцији односно да је то излаз из посматране операције. сировине посматрана технолошка операција губитак енергије претходне технолошке операције производи споредни производи енергија следеће технолошке операције енергија рад Слика 1.1. – Схематски приказ тока материјала и енергије у технолошком процесу
1.3. Приказивање
води се тако да се добије максималан учинак у смислу исплативости и искоришћености материјала
сaстоји се
пет класа процеса: – процеса струјања флуида, који укључују транспорт флуида, филтрацију и флуидизацију,
14 На схеми су назначени и фактори који такође имају утицаја на одвијање технолошког процеса, али који у строгом смислу не спадају у материјалне и енергетске билансе. Када се посматра неки технолошки процес, важно је уочити шта су сировине, шта се троши и шта се добија из њега. Ако је технолошки процес приказан једним блоком (означава се правоугаоником), онда су улази у процес све што је потребно за његово одвијање: материјал, енергија, рад, док је излаз из процеса жељени производ и губитак енергије и
као
на
Цео
од
материјала,
– преноса
испаравање и кондензацију, – процеса преноса масе који укључују апсорпцију гасова, дестилацију, екстракцију, адсорбцију и сушење и – термодинамичких процеса. У процесној индустрији користе се разни симболични прикази процеса, што олакшава њихово сагледавање: − дијаграми тока процеса и дијаграми протока информација, сигнала и инструментације и − схеме управљања пројектом приликом изградње или пуштања у рад опреме. 1.4. Брзина технолошких процеса У процесном инжењерству основна поставка јесте да постоји погонска сила за неки процес, која доводи до промене стања материјала или до преноса материјала и да постоји отпор том преносу: брзина преноса = погонска сила отпор преносу За сваку појединачну операцију могуће је дефинисати погонску силу и отпор, као и брзину процеса. Погонска сила јесте спољно дејство на систем; брзина процеса је промена у смеру у којем се жели произвести промена у систему; сам отпор зависи од природе система.
евентуално материјала,
што је то приказано
слици 1.1.
процес
и енергије. Процесно инжењерство
– механичких процеса који укључују транспорт чврстог
ситњење и спрашивање, просејавање материјала,
топлоте, који укључује
(∆р) у појединим деловима уређаја, а транспорт
се остварује јесте пренос количине кретања.
• Размена топлоте је топлотна операција, а разлика температура (∆Т) представља погонску силу.
• Сушење материјала припада операцијама преноса масе (дифузионим операцијама), а разлика концентрација (∆с) (у овом случају влаге у материјалу и његовој околини) представља погонску силу за процес.
Резиме
користе се дијаграми (блокдијаграми): блокови представљају
15 Ако се погледа тип погонске силе за процесе који се одвијају у оквиру појединачних технолошких операција, уочава се да је погонска сила различита за одвијање различитих група процеса. • Транспорт флуида, на пример, спада у механичке операције у којима
захваљујући разлици притисака
се транспорт одвија
који
операције баве се физичким променама материјала у процесима индустрије. У
процесу важе закони одржања масе и енергије. Они се приказују материјалним и енергетским билансима (за цео
поступак или за сваку операцију појединачно). За то приказивање
процес, а стрелице токове материјала и енергије
означава да
операцији односно да је то излаз из посматране операције). Брзина
технолошког процеса дефинише се као однос погонске силе и отпора преносу: брзина преноса = погонска сила отпор преносу . Погонске
типа технолошке операције: – код механичких операција погонска сила је разлика притисака; – код топлотних операција погонска сила је разлика температура, – код операција преноса масе погонска сила је разлика концентрација.
Технолошке
технолошком
технолошки
(смер стрелице
је ток усмерен ка појединачној
одигравања
силе зависе од