Розділ 2. Теоретичні засади технології

2.1. Основні технологічні поняття та визначення

Технологія як самостійна галузь знання виникла в кінці XVIII на початку XIX століття в зв'язку зі зростанням машинного ви­робництва. Умовно технологію ділять на механічну та хімічну, хоча в сучасній промисловості важно провести чітку границю між цими двома видами технології. Механічна технологія розглядає процеси, що пов'язані зі зміною фізичних властивостей та форми перероблюємих матеріалів, а хімічна — процеси, що пов'язані з хімічними перетвореннями. Умовність такого поділу зв'язана з тим, що при всіх хімічних перетвореннях мають місце фізичні зміни, а зміна фізичних властивостей майже завжди пов'язана з хімічними, а в деяких випадках і з біохімічними перетвореннями.

Найбільше узагальнено розглядають технологію як хімічну, яка дуже розгалужена і ділиться на технологію органічних та не­органічних речовин. Однією зі стародавніх гілок технології ор­ганічних речовин є харчова. Харчова технологія була однією з перших технологій, а млин був першим харчовим підприємством. Однією з особливостей харчової технології є переробка сировини рослинного та тваринного походження. В зв'язку з цим помітну роль у харчової технології відіграють біохімічні процеси.

У своєму розвитку хімічна технологія як наука пройшла чоти­ри етапи або періоди. На першому, найбільш ранньому етапі хімічна технологія була зібранням рецептів та описів проведення окремих технологічних операцій без будь-якого суворого обґрунтування причин вибору того чи іншого способу перероб­ки. Наука на цьому етапі носила описовий характер. Вибір тех­нологічних операцій та їх послідовності виконання проводили тільки на основі порівнювання різних варіантів.

На наступному другому етапі крім опису методів та техно­логічних засобів визначались спроба аналізу фізико-хімічних явищ та обґрунтування причин, що визначають вибір техно­логічного засобу. Наука на цьому етапі носила якісний характер, який дозволяє визначити технологічні процеси на основі якісно­го аналізу без достатнього кількісного обґрунтування.

На третьому етапі розвитку технологія базується на знаннях про одиничні процеси, що загальні для багатьох технологічних засобів в різних галузях хімічної та харчової технологи. Оди­ничні процеси узагальнює наука "Процеси та апарати".

35

Цей період характеризується більш суворим кількісним обґрунтуван­ням вибору технологічних засобів та режимів. З'явилась мож­ливість розраховувати розміри, режими, потужність та інші ха­рактеристики машин та апаратів.

Третій найважливіший етап розвитку технології почався тоді, коли були винайденні вакуум-випарні апарати, ректифікаційні колони, холодильні машини, електричні двигуни, фільтри безпе­рервної дії, промислові способи адсорбції, екстрагування. На по­чатку XX ст. в результаті узагальнення виробничого досвіду ви­конання окремих технологічних операцій виникла наука про процеси і апарати. В цей же час значним внеском в технологію можна вважати вдосконалення способів одержання низьких тем­ператур

(-185 °С) зверхвисокого тиску (200 МПа) виробництва сплавів, що мають хімічну стійкість, механічну міцність, тощо.

В зв'язку з суперечністю вимог до машин та апаратів (напри­клад, при мінімальних витратах енергії устаткування може мати дуже низьку потужність) їх характеристики на цьому етапі розвит­ку технології однозначно не визначились тобто могли б тільки визначитись на основі досвіду та високої кваліфікації проектантів.

Нарешті, на четвертому сучасному етапі розвитку технологія як наука використовує не тільки теоретичні основи процесів та апаратів, тобто теорію одиничних процесів, але і методи теорії систем, теорії оптимізації та математичне моделювання.

Теоретичні основи процесів та апаратів дозволяють визначи­ти кінетичні закономірності, теорія систем дозволяє розглядати кінетичні закономірності на кожній технологічній операції, на кожній технологічній дільниці в сукупності та узгоджувати їх з позицій кінцевої мети функціонування всієї технологічної лінії. Теорія оптимізації дозволяє вибрати оптимальний, тобто най­кращий в якомусь розумінні варіант технологічної операції, дільниці, лінії і т.д., спираючись на методи математичного моде­лювання. Сукупність цих методів дозволяє вибрати таке сполу­чення технологічних операцій, яке забезпечує найменші витрати на одержання продукту заданої якості.

Звідціль витікають важливі висновки, що при аналізі діючого або при проектуванні нової технологічної лінії необхідні не тільки знання фізико-хімічних основ явищ, які і відбуваються в конкретній технології, методів розрахунку процесів та апаратів, але і методів оптимізації, що засновані на математичному моде­люванні та використанні обчислювальної техніки.

36

В зв'язку з широким впровадженням в технологію автоматич­них та автоматизованих систем управління з'явилась не­обхідність вивчення явищ та одержання кількісної оцінки ще однієї сторони технологічних процесів — їх специфічних власти­востей як об'єктів управління. Оскільки автоматизація можлива тільки на основі суворої формальної кількісної оцінки перехідних процесів та якості функціонування об'єктів управління, якості продукції, то з'явилась необхідність в розробці методів фор­малізації. Це в свою чергу потребує більш глибокого вивчення фізико-хімічних явищ, удосконалення принципів розрахунку процесів та апаратів і т. і. Таким чином, широке впровадження автоматизації обумовлює також розвиток та удосконалення чис­то технологічних засобів, методів і процесів, тобто сприяє роз­витку технології як науки.

Зараз технологія перебуває на п'ятому етапі свого розвитку і може розглядатися як кібернетична інформаційна система, що узгоджує не тільки внутрішні проблеми технології (якість, собівартість продукції, тощо) а і зовнішні — постачання сирови­ни, збут продукції, поява конкурентів т. і.

Технологія як наукова дисципліна відноситься до числа при­кладних галузей знання і кожна її галузь відрізняється від інших об'єктом, предметом і завданнями. Об'єктом технології є окремі операції, лінії та комплексні технологічні процеси виробництва різ­них виробів: тканин, металу, лугів, кислот, добрив, миючих засо­бів, борошна, хліба, м'яса, молока, цукерок, вина, консервів тощо.

Предмет технології можна розглядати як систему уявлень, ка­тегорій, принципів та законів синтезу (проектування) ефективних технологічних процесів, які склалися в технології в процесі її ста­новлення і розвитку. До предмету технології належить віднести специфічні найменування процесів, продуктів та напівфабри­катів, методи визначення їх якісних та кількісних характеристик, конкретні проявлення законів фундаментальних наук в техно­логії, закономірності технологічних процесів (швидкість, рівно­вага та ін.), їх моделі (ідеальні об'єкти). Окремі складові предме­ту технології поняття можуть бути використані і іншими наука­ми, але тільки їх сукупність, зведена в систему, яка має системні, тобто найбільш загальні для технології ознаки з однаковим спо­собом їх вимірювання і є предметом технології.

Технологія, як і будь-яка інша прикладна наука, є синтетич­ною (інтегральною, поліпредметною) і заснована на теоретичних

37

засадах фундаментальних наук, які з'ясовують та описують ок­ремі явища, що проявляються при виконанні технологічних опе­рацій (теплообмін, хімічна реакція, тощо).

Теоретичні основи технології включають параметричні, мор­фологічні (субстратні) та функціональні описи. Параметричний опис властивостей, ознак та співвідношень не з'ясовує зако­номірності технологічних процесів, а тільки фіксує їх (графічне чи інше зображення технологічної схеми, машини, апарату, ха­рактеристики потоків продукту та робочих агентів і т. ін.).

Морфологічний опис визначає взаємозв'язки властивостей, ознак і їх співвідношень кожної технологічної операції окремо. Це так звані зв'язки побудови окремих елементів технологічної лінії. До морфологічного опису треба віднести статичні, кінетичні та інші закономірності якісного або кількісного характеру, за допо­могою яких встановлюють технологічні режими та динамічні вла­стивості окремих стадій виробничого процесу (технологічних операцій), та конструктивні параметри машин та апаратів.

Функціональний опис установлює взаємозв'язки між техно­логічними операціями (елементами) технологічної лінії та може бути одержано експериментально або аналітично. Це зв'язки структури виробничого процесу. Морфологічні та функціо­нальні описи складають зміст будь-якої технології як науки, фор­малізують статичні, кінетичні та динамічні закономірності окре­мих стадій та всієї структури виробничого процесу, складають необхідні передумови для використання методів та законів фун­даментальних наук, які описують окремі явища. Ця формалізація неможлива без спрощення (ідеалізації) об'єкту, відкинення неістотних для розв'язання даного завдання характеристик, тоб­то без побудови ідеальних об'єктів (моделей) технології.

Головна мета технології може бути досягнена тільки при на­явності кількісної оцінки довершеності процесу та якості продук­ту. Одержати ці оцінки можна тільки сукупністю методів з вико­ристанням перелічених трьох видів опису, що засновані на різних модельних уявленнях. Таким чином технологія користується дво­ма типами моделей: ідеальні об'єкти фундаментальних наук, на базі яких сформульовано найбільш загальні закони та зако­номірності природознавчих наук та ідеальні об'єкти власне самої технології, на базі яких складено морфологічні описи окремих стадій (технологічних операцій) та функціональні описи структу­ри технологічних ліній.

38

Таким чином, основним методичним засобом технології як на­уки є визначення найбільш істотних зв'язків між параметрами ок­ремих технологічних операцій та параметрами структури техно­логічної лінії (ідеалізація об'єктів), вибір відомих або розробка но­вих засобів їх кількісної оцінки. Постачають ці методи фундамен­тальні науки, які створюють ідеальні моделі окремих явищ, що ха­рактерні для виробництва будь-якого продукту. Створення ідеаль­них об'єктів окремих стадій всієї структури технологічної лінії (мо­делі другого та третього рівня) — суто технологічна задача. Якщо механізм окремих явищ не встановлено або не описано, то відомі описи фундаментальних наук не дозволяють встановити необхідні зв'язки між окремими операціями технологічної лінії та парамет­рами кожної операції окремо. В такому разі морфологічні і функціональні описи об'єднують емпірично. Створення ідеальних об'єктів технології починають з ідеалізації параметричного опису, а потім морфологічного, який дозволяє встановити найбільш важ­ливі істотні закономірності окремих стадій. При складанні функціонального опису технологічної лінії моделі складають вияв­ленням найбільш істотних зв'язків між окремими стадіями, що впливають на вибрані показники якості технологічної лінії.

Великий російський вчений Д.І. Менделєєв так визначив за­вдання технології: "Роль химии — изучать получение железа из руд, а дело технологии — изучать выгодные для того способы, выбирать из всех возможностей наиболее применимую по выгод­ности к данным условиям времени и места, чтобы придать про­дукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и фор­мах" (Энциклопедический словарь изд. Брокгауза и Ефрона т. XXXVIII, "Технология", 1891). Цим визначенням Д.І. Мен­делєєв встановив взаємозв'язки між фундаментальною наукою (хімія) і прикладною (технологія).

Ці зв'язки більш ретельно викладені Д.І. Менделєєвим в його праці "Основы фабрично-заводской промышленности" в 1897 році, яка започаткувала основи науки про технологію.

Технологією можна назвати галузь знання прикладного ха­рактеру, яка займається вивченням засобів виробництва про­дуктів, корисних людині, та може вибрати із цих засобів найбільш економічні та найбільш довершені відносно надання належної якості виробляємого продукту. Закономірності про­цесів сучасної технології засновані на фундаментальних законах хімії, фізики, біології. При аналізі та синтезі сучасних техно-

39

логічних процесів широко використовують методи математики, економіки, теорії оптимізації, теорії управління та інших наук.

Таким чином з одного боку технологія — це сукупність за­собів переробки сировини в готовий продукт, а з іншого — науко­ва дисципліна, яка розробляє та довершує ці засоби. Відповідно з цим основні загальні завдання технології повинні забезпечити:

1) найбільше вилучення корисної речовини із сировини;

2) відповідні задані або оптимальні властивості (якість) гото­вого продукту;

3) відсутність шкоди довкіллю в процесі виробництва;

4) відповідні (задані) або оптимальні затрати на виготовлення готового продукту;

5) можливість керування технологічними процесами найбільш простими засобами;

6) визначену або оптимальну надійність функціонування тех­нологічних процесів.

Виходячи з наведеного визначення предмета та методів тех­нології як науки, її основною найбільш загальною метою є забез­печення потреб суспільства в одержанні потрібних людині ви­робів, що забезпечують належні умови життя.

Окремими частковими задачами технології можуть бути:

- знаходження нових та найкраще використання існуючих видів сировини для одержання певних продуктів заданої якості;

- розробка найбільш доцільних засобів та спроможностей дій на переробляєму сировину та напівфабрикати;

- розробки засобів економічного використання енергії, устат­кування та виробничих площ;

- вдосконалення існуючих та розробка нових засобів і прист­роїв вимірювання, контролю та керування технологічними про­цесами;

- розробка нових та вдосконалення існуючих методів кількісної оцінки технологічних процесів та апаратів;

- вдосконалення методів моделювання технологічних про­цесів на основі теорії подібності та фізичних, математичних та інших моделей.

Найважливішою проблемою при аналізі та синтезі техно­логічних процесів будь-якої технології залишається одержання їх кількісних оцінок його функціонування. Вибрати оптимальний варіант нового технологічного процесу або оптимальний варіант вдосконалення існуючого, а також оптимальний метод

40

розв'язання задачі можна тільки на основі кількісної оцінки. Оскільки кількісну оцінку технологічного процесу будь-якої тех­нології можна одержати тільки вимірюванням або обчисленням, то вдосконалення методів кількісної оцінки повинно бути засно­вано головним чином на вдосконаленні принципів виміру та об­числень (складання математичних моделей).

Будь-яка технологічна лінія характеризується продуктивністю, тобто кількістю продукції, виготовленою протягом одиниці часу, собівартістю продукції, тобто затратами на одиницю виміру про­дукції, та іншими показниками які будуть розглядатися вище.

Якість продукції повинна відповідати національним та між­народним стандартам, які встановлює ISO — міжнародна орга­нізація по стандартизації (Женева) (стандарт ISO якості — серія 9000). В Одесі головна організація ЗАТ "НВО Харчопромавто-матика" є складовою частиною метрологічної служби України і діє під керівництвом Держстандарту.