Procese Tehnologice-bilant de Materiale

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

C A P I T O L U L 1

P R O C E S E T EH N O L O G I C E C A R A C T E R IS T I C I T E H N IC E

Ş I E C O N O M I C E CUPRINS 1.1. Criterii de clasificare a proceselor tehnologice 1.2. Variabile caracteristice proceselor tehnologice 1.3. Indicatori tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice 1.4. Bilanţul de materiale 1.5. Bilanţul energetic

1.1. Criterii de clasificare a proceselor tehnologice

Tehnologia se ocupă cu studiul operaţiilor şi proceselor industriale prin

intermediul cărora materiile prime sunt transformate în bunuri materiale necesare societăţii, pe baza unui proces tehnologic specific.

Procesul tehnologic poate fi definit ca totalitatea operaţiilor concomitente sau ordonate în timp necesare pentru obţinerea unui produs prin sinteză, prelucrare sau asamblare.

Succesiunea în timp a operaţiilor prin care se realizează procesul tehnologic se numeşte flux tehnologic. În cadrul unui proces tehnologic putem distinge: flux tehnologic principal şi flux tehnologic secundar.

Fluxul tehnologic principal este format din faze principale de fabricaţie, care cuprind transformările materiei prime până la produsul finit (de ex., cărbuni → cocs; metan → amoniac, clorură de sodiu → sodă calcinată, lemn → cherestea etc.).

Fluxul tehnologic secundar sau auxiliar, este format din faze secundare ale procesului tehnologic, care au drept scop prelucrarea produselor secundare rezultate din fazele principale, sau au rolul de a condiţiona materia primă sau produsele secundare (de ex., recuperarea produselor volatile rezultate la cocsificarea cărbunilor, prepararea aglomeratului autofondant pentru încărcătura furnalului etc.).

Timpul necesar pentru ca materiile prime şi auxiliare să treacă prin toate operaţiile procesului tehnologic se numeşte ciclu de fabricaţie.

Procesul tehnologic este alcătuit din faze de fabricaţie distincte, care conduc la un

T E H N O L O G I I I N D U S T R I A L E

produs intermediar sau finit. Faza de fabricaţie este alcătuită dintr-un grup de operaţii care, pornind de la o

anumită materie primă (sau produs intermediar), printr-o anumită succesiune conduc la obţinerea unui produs intermediar sau a unui produs finit.

Majoritatea proceselor tehnologice decurg în mai multe faze de fabricaţie distincte; acestea, la rândul lor sunt alcătuite din operaţii. Operaţiile pot fi specifice unui anumit domeniu, (ca de exemplu clorurarea, fermentarea ş.a.), sau nespecifice, deci operaţii care se regăsesc în mai multe domenii (de exemplu, încălzirea, răcirea, topirea, amestecarea etc.). Aceste operaţii se mai numesc şi operaţii unitare.

Fazele unui proces tehnologic se reprezintă grafic sub formă de scheme de faze, iar operaţiile care formează fazele procesului tehnologic se reprezintă în scheme de operaţii, în succesiunea lor normală.

Din punct de vedere al modificărilor la care sunt supuse materialele ce intră într-un proces tehnologic, operaţiile unitare se clasifică în operaţii fizico-mecanice, fizice şi chimice.

Succesiunea aparatelor, a instalaţiilor, a agregatelor, a maşinilor corespunzătoare operaţiilor prin intermediul cărora se desfăşoară în condiţii optime procesul tehnologic formează schema tehnologică a instalaţiei, sau a procesului respectiv.

Operaţiei principale din cadrul unui proces tehnologic îi corespunde un utilaj principal sau de bază; în funcţie de capacitatea de producţie a acestuia se stabileşte capacitatea de producţie a întregii instalaţii.

Clasificarea proceselor tehnologice Procesele tehnologice se pot clasifica după următoarele criterii:

a) din punct de vedere al tehnicii de lucru: procese manuale, mecanizate, automatizate, cibernetizate, robotizate;

b) din punct de vedere al naturii fenomenelor care au loc în timpul desfăşurării procesului tehnologic: procese fizice, procese chimice, procese biologice; procese combinate, care conţin operaţii fizice, chimice şi biologice;

c) din punct de vedere al desfăşurării în timp sau al regimului de lucru se disting: procese discontinue, continue, combinate şi ciclice.

Procesul discontinuu sau periodic, se caracterizează prin faptul că instalaţia (utilajul principal) se alimentează cu o anumită cantitate de materiale (şarjă) care, după ce este prelucrată, este descărcată (evacuată) după un anumit timp. După încheierea ciclului de fabricaţie, operaţia se repetă (de ex. elaborarea oţelului în convertizorul LD, coacerea formelor crude în cuptor pentru obţinerea cărămizilor, sau a plăcilor ceramice ş.a.).

În procesele discontinue, fazele de fabricaţie utile sunt doar acelea în care se efectuează transformările propriu-zise şi care au o durată bine determinată în funcţie de regimul de lucru specific fiecărui proces. Durata celorlalte faze secundare, premergătoare şi ulterioare, poate varia în funcţie de aparatura utilizată şi de condiţiile de lucru, cât şi de calificarea personalului. Din punct de vedere economic, pentru creşterea productivităţii muncii, durata acestor faze trebuie să fie minimă. Pe baza unui calcul tehnico-economic se dimensionează instalaţiile auxiliare (pompe, conducte, staţii de producere a frigului etc.) şi se stabileşte un grad maxim de utilizare a acestora astfel


încât, decalate în timp, să servească mai multe instalaţii sau operaţii. Prin dimensionarea tehnologică corespunzătoare se poate ajunge la o funcţionare continuă a acestor instalaţii.

În cazul proceselor discontinue, utilajul de bază (convertizorul LD, cuptorul etc.) este cel mai costisitor, iar reducerea duratei ciclului de fabricaţie prezintă o importanţă economică deosebită.

Procesul tehnologic continuu se caracterizează prin simultaneitatea desfăşurării tuturor stadiilor sale. Materia primă se încarcă continuu pe măsura eliminării unei cantităţi corespunzătoare de produs finit din instalaţie. Astfel funcţionează furnalul - în procesul de elaborare a fontei de primă fuziune, instalaţia de fabricare a cimentului; instalaţiile de distilare a ţiţeiului, majoritatea instalaţiilor din industria chimică, unele instalaţii de asamblare etc.

Regimul de funcţionare continuu decurge fără acumulări de materiale sau energie şi prezintă următoarele avantaje:

- posibilitatea realizării unei mecanizări şi automatizări complete a procesului, ceea ce permite reducerea la minimum a muncii manuale şi creşterea productivităţii;

- omogenitatea din punct de vedere calitativ a produselor obţinute; - sporirea calităţii produselor finite (de ex., turnarea continuă în comparaţie cu

turnarea clasică a oţelurilor); - utilajele sunt mai compacte, spaţiile construite se micşorează, ceea ce permite

reducerea investiţiilor şi a cheltuielilor de reparaţii şi întreţinere; - reducerea timpului, deci creşterea producţiei în unitatea de timp. Procesele combinate sau semicontinue se caracterizează prin faptul că o parte din

instalaţie funcţionează în regim discontinuu, iar cealaltă în regim continuu (de ex., cocsificarea cărbunilor se realizează discontinuu, iar prelucrarea produselor volatile se realizează în instalaţii cu funcţionare continuă).

Procesele ciclice se caracterizează prin faptul că materiile prime netransformate (nereacţionate) la o trecere prin instalaţia tehnologică sunt recirculate în instalaţie cu o nouă cantitate de materie primă proaspătă (fig.1.1.). Aceste procese se întâlnesc în industria chimică, tratarea apelor reziduale şi recircularea apei epurate etc.

d) Procesele tehnologice se pot clasifica şi din punct de vedere al scopului urmărit, respectiv al participării la transformarea materiei prime în produs finit, după cum urmează:

Materie primă

Proces tehnologic

Produs impurificat Separare Produs finit

materie primă recirculată

Fig.1.1. Schema unui proces tehnologic ciclic.


- procese de bază - care constau în însăşi transformarea materiei prime în produs finit, pe fluxul tehnologic principal (de ex., elaborarea fontei de primă fuziune în furnal, obţinerea sodei prin procedeul Solvey etc.);

- procese auxiliare - care sunt realizate în scopul asigurării condiţiilor optime de desfăşurare a proceselor de bază, fără a participa direct la transformarea materiei prime în produs finit (de ex., preîncălzirea aerului înaintea intrării în focar, procesele de automatizare, alimentarea unor instalaţii cu apă demineralizată etc.);

- procese de deservire - care au drept scop deservirea proceselor tehnologice de bază şi a proceselor auxiliare (de ex., transportul materiei prime, a materialelor auxiliare, a produselor finite; întreţinerea şi repararea utilajelor; controlul calităţii materiilor prime şi a produselor finite etc.).

Suma proceselor tehnologice de bază, a proceselor auxiliare şi de deservire, care concură la obţinerea unui produs finit reprezintă procesul de producţie.

e) După nivelul dezvoltării tehnologice, procesele tehnologice se clasifică în: - cu tehnologii emergente, relativ recente, ce nu şi-au dovedit viabilitatea pe

piaţă. Comportă riscuri, pot fi neprofitabile, dar reprezintă o rezervă tehnologică ce poate fi perfecţionată pentru valorificare;

- cu tehnologii evolutive, ce s-au impus prin performanţele lor şi profit. Prezintă cel mai mare interes pe piaţă;

- cu tehnologii mature, cunoscute şi aplicate de mai mulţi ani, cu rezultate satisfăcătoare. Reprezintă "zestrea " tehnologică a unei întreprinderi, care susţine financiar activitatea şi dezvoltarea acesteia. Multe tehnologii actuale sunt variante perfecţionate ale unor tehnologii mature;

- cu tehnologii în declin, ce coexistă în paralel cu alte tehnologii concurente, performante. Performanţele reduse impun înlocuirea lor;

- cu tehnologii depăşite, cu calitate scăzută a produselor şi costuri mari de producţie.

De exemplu, procedeul de fotolitografiere utilizat pentru fabricarea circuitelor integrate este un procedeu socotit matur, cu diferite variante ce îl fac evolutiv, iar utilizarea laserului pentru deschiderea de ferestre este un procedeu emergent.

Produse În urma desfăşurării proceselor productive rezultă bunuri materiale denumite produse, care pot fi: produse principale - cele care constituie obiectivul principal al procesului tehnologic şi produse secundare - care rezultă din fabricaţie în mod inevitabil fără să constituie un obiectiv special (de ex., în procesul de cocsificare al cărbunilor produsul principal este cocsul care trebuie să corespundă din punct de vedere calitativ anumitor norme; în paralel însă se obţin şi o serie de produse secundare: gudroane, ape amoniacale, gaze de cocserie care se valorifică integral). Valorificarea produselor secundare prezintă eficienţă economică şi constituie o utilizare complexă a materiei prime cu pierderi minime de substanţe utile. Valorificarea acestora poate constitui, în unele cazuri, o rezervă internă de materiale şi este o cale de reducere a costurilor producţiei. Aceasta se poate realiza fie chiar în cadrul procesului tehnologic din care au rezultat, fie în alte domenii industriale, ca materiale auxiliare.

Produsele secundare care nu se pot utiliza sub nici o formă poartă denumirea de


reziduuri şi este indicat ca acestea să se neutralizeze (dacă este cazul) şi să se depoziteze astfel încât valoarea conţinută în ele să poată fi recuperată când există bază tehnologică corespunzătoare.

În funcţie de stadiul de prelucrare în care se găsesc produsele într-o instalaţie industrială, acestea pot fi:

- produse brute - produse care nu pot fi utilizate ca atare, întrucât mai necesită operaţii de condiţionare, purificare sau finisare;

- produse semifabricate - rezultate în unele etape intermediare ale procesului tehnologic, care pot fi utilizate în continuare la o altă etapă a procesului tehnologic sau care reprezintă materie primă pentru o altă fabricaţie (de ex., ţagle rotunde - pentru fabricarea ţevilor prin laminare);

- produse finite - produse obţinute în ultima etapă a procesului tehnologic, finisate, corespunzătoare din punct de vedere calitativ normelor de utilizare.

Produsele finite trebuie să corespundă din punct de vedere calitativ anumitor condiţii stabilite prin norme speciale cuprinse în standarde, norme interne şi caiete de sarcini. În cazul în care acestea nu corespund condiţiilor de calitate ele constituie rebuturi. Din punct de vedere al posibilităţilor de utilizare, rebuturile pot fi: recuperabile şi nerecuperabile, când constituie o reală pierdere de materie primă.

Valorificarea produselor secundare, conducerea proceselor tehnologice la parametri optimi, astfel încât cantitatea de produse secundare şi de rebuturi să fie minimă trebuie să fie permanent în atenţia tehnicianului şi economistului, pentru reducerea consumurilor specifice de materii prime, auxiliare şi energie şi deci pentru reducerea costurilor de producţie.

1.2. Variabile caracteristice proceselor tehnologice

Fiecare proces tehnologic se desfăşoară în instalaţii, ce se pot caracteriza prin intrări şi ieşiri de materiale, energie şi informaţii. Materialele suferă procese de transformare chimică, fizică sau biologică, precum şi acţiuni perturbatoare care sunt compensate prin mărimi de comandă, în cadrul legăturii funcţionale de tipul:

xe = f (xi, xp, i, e) (1.1)

în care: xe - mărimea variabilelor de ieşire (produs finit); xi - mărimea variabilelor de intrare (materii prime, forme de energie, materii auxiliare); i, e - variabile de comandă.

Aşadar, orice proces tehnologic este caracterizat prin factori, sau variabile, ce intervin la intrarea şi ieşirea din proces, sau pe parcursul procesului.

Variabilele caracteristice proceselor tehnologice pot fi: variabile independente (comandabile xi şi necomandabile xp) şi variabile dependente (de performanţă xep, intermediare xei).

Variabile independente (de intrare) Variabile independente comandabile, xi sunt acele mărimi ce pot fi modificate de

operator în sensul şi la valoarea dorită, astfel încât să fie atinse performanţele de calitate,


cantitate, profit etc. (de ex., debit de materie primă, materiale auxiliare, temperatură, presiune, viteză liniară, sau de rotaţie etc.).

Variabile necomandabile xp (perturbaţii) sunt mărimi ce nu pot fi modificate de operator în vederea conducerii procesului în modul dorit, acestea având caracter aleator. Variabilele necomandabile sau perturbaţiile provin de la: materiile prime şi auxiliare, mediul ambiant, starea utilajului, factorii economice, sociali şi politici.

Materii prime şi auxiliare constituie una din sursele perturbatoare posibile ale proceselor tehnologice. Ele intervin prin calitate, compoziţie, accesibilitate, cost, determinând într-o măsură hotărâtoare indicii calitativi şi cantitativi ai producţiei industriale.

Materiile prime sunt materiale ce se regăsesc în produsul finit, în timp ce materialele auxiliare nu se regăsesc. Ele pot fi naturale, semifabricate industriale, sau din agricultură. Cele naturale şi din agricultură sunt: minerale şi roci (hidrocarburi fluide, gaze, minereuri, sare etc.), vegetale (fibre, grăsimi, cereale etc.) şi animale (grăsimi, fibre etc.).

Prin procese fizice, fizico-chimice, chimice şi biochimice, materia primă naturală poate fi transformată în produse finite sau în alte materii prime.

Neomogenitatea compoziţiei şi a structurii materiei prime naturale minerale provoacă dificultăţi tehnice, perturbaţii care implică crearea unui regim tehnologic uniform şi conducerea acestuia la parametrii optimi, prin modificarea unor variabile de intrare şi chiar de ieşire (respectiv de performanţă).

Materiile prime minerale sunt epuizabile, nu se pot reînnoi ca materiile prime vegetale şi animale şi din această cauză este necesară economisirea acestor resurse.

Mediul ambiant constituie o a doua sursă de perturbaţii a proceselor tehnologice. Variabile ca temperatura, umiditatea, viteza vântului, cantitatea de precipitaţii, cutremurele şi uneori chiar presiunea atmosferică influenţează sensibil desfăşurarea proceselor tehnologice la parametrii optimi. De ex., efectul perturbator al temperaturii ambiante se reflectă ca o modificare a temperaturii apei şi a aerului, utilizaţi apoi ca agenţi de transfer termic.

Starea utilajului se manifestă ca efect perturbator în desfăşurarea proceselor tehnologice la parametrii optimi, prin modificarea coeficienţilor de transfer termic datorită depunerilor, modificarea regimurilor de curgere, modificarea suprafeţelor de contact datorită uzurilor etc.

Factorii economici intervin ca variabile aleatorii, necomandabile, în majoritatea proceselor tehnologice (de ex., costul materiilor prime, a materialelor auxiliare, al energiei, cât şi preţul de vânzare al produselor, factori ce se pot modifica în timp în funcţie de diferite conjuncturi economice). Pentru a se obţine un efect economic în permanenţă pozitiv, întreprinderea este obligată ca în urma prospectării pieţei să-şi modifice programul de producţie (consumuri specifice, parametrii etc.) şi ca atare şi procesul tehnologic.

Factorii sociali (calificarea forţei de muncă, conflicte de muncă), politici (conflicte internaţionale etc.) pot de asemenea perturba o activitate productivă industrială.

Variabile dependente (de ieşire) Variabilele dependente de performanţă (xep) sunt variabile care servesc direct la


aprecierea performanţelor economice şi tehnice ale procesului tehnologic, ca de exemplu: profitul, costul de producţie, productivitatea, randamentul în produs, cantitatea produselor principale, cantitatea produselor secundare, calitatea produselor rezultate, protecţia oamenilor şi a mediului. În conducerea proceselor tehnologice este necesară modificarea variabilelor comandabile, astfel încât, în condiţiile acţiunii perturbaţiilor (xp) să se obţină valori optime pentru variabilele de performanţă.

Variabilele dependente intermediare (xei) sunt acele variabile din cadrul procesului, care servesc la constatarea efectului modificării variabilelor independente, înainte ca acest efect să se facă resimţit total sau parţial asupra variabilelor de performanţă. Asemenea variabile sunt, de exemplu: temperaturile şi presiunile din interiorul unor instalaţii, compoziţia produselor la ieşirea din anumite utilaje intermediare (gradul de transformare a materiilor prime în produse) etc. În cazul în care dependenţa dintre variabilele de performanţă şi variabilele intermediare nu este cantitativ exprimată cu precizia necesară, variabilele intermediare pot constitui un indicator important în operaţia de corectare a variabilelor comandabile.

În concluzie, factorii care determină desfăşurarea proceselor la parametrii optimi şi care reprezintă variabilele necesare pentru întocmirea modelelor matematice ale acestora sunt: calitatea şi consumul de materii prime, auxiliare, energie; randamentul, conversia, calitatea produsului finit, intensitatea procesului de producţie, determinat de parametrii specifici, menţinuţi în limitele optime menţionate prin proiectul tehnologic, investiţiile necesare producţiei, costul produselor finite, beneficiul, calitatea mediului.

1.3. Indicatori tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice

Indicatorii tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice sunt

mărimi scalare, care caracterizează o substanţă, un dispozitiv, un sistem tehnic sau un proces tehnologic, din punct de vedere tehnic şi economic. Aceştia reprezintă mărimi caracteristice producţiei unei întreprinderi, folosite în compararea rezultatelor activităţii acesteia cu întreprinderi de profil, din ţară sau din alte ţări, pentru urmărirea producţiei în timp, pentru calcularea aprovizionării cu materii prime, materiale, utilităţi, energie, combustibil, pentru estimarea producţiei etc.

După natura mărimilor din care derivă, indicatorii tehnico-economici sunt: de consum, de utilizare, de calitate, de mecanizare.

1.3.1. Indicatori de consum Indicatorii de consum cuprind în principal consumurile specifice, randamentele,

extracţia cantitativă. 1. Consumuri specifice

Consumurile specifice reprezintă cantitatea de materii prime sau de materiale, combustibil, energie necesară/utilizată pentru obţinerea unei unităţi de produs. În anumite situaţii, deşi unităţile de măsură sunt identice, acestea nu pot fi simplificate


deoarece se referă la produse/instalaţii diferite. De exemplu, g/g, kg/kg, t/t, t/m3, l/g, kWh/kg, kg/bucată, m/bucată etc.

Consumurile specifice de materii prime reprezintă cantitatea de materii prime necesare pentru obţinerea unei unităţi de produs finit, de exemplu:

acetilenã mmetan m = C ;

otel tonafontã tone = C ;

fontã tonaminereu tone = C 3

3

spspsp (1.2)

Consumul specific de materiale auxiliare reprezintă cantitatea de materiale

auxiliare necesare pentru obţinerea unei unităţi de produs finit:

sintezãdegazmcarbondedioxidmC 3

3

sp = (1.3)

Consum specific energetic reprezintă cantitatea de energie consumată pentru

unitatea de produs finit, de exemplu:

acetilenã mkWh=C ;

electric otel tonakWh=C ;

NaOH tonakWh=C 3spspsp (1.4)

În această categorie sunt incluse toate formele de energie utilizate pentru

desfăşurarea procesului tehnologic. Consumurile specifice de utilităţi generale (abur, apă, aer tehnic, gaz inert)

cocs tonaazot Nm=C ;

sintezãdegaz mrãcire apã m=C

3

sp3

3

sp (1.5)

În funcţie de modul de determinare a consumului specific se deosebesc:

consum specific teoretic (net); norma de consum; consum specific practic (real). a) Consumul specific teoretic ( t

spC ) reprezintă cantitatea minimă (teoretică, în fapt) de materii prime, materiale auxiliare, utilităţi, combustibili şi energie necesară pentru obţinerea unităţii de produs. În calcul nu se au în vedere pierderile de fabricaţie, toleranţa maşinilor, gradul de transformare al reactanţilor. Se determină din calcule stoechiometrice, pe bază unor considerente teoretice, a geometriei pieselor etc. b) Norma de consum ( n

spC ) reprezintă limita maximă admisă a consumului de materii prime, materiale auxiliare, combustibil, energie. Norma de consum se stabileşte utilizând:

- calcule tehnico-analitice pe baza desenului tehnic, a fişei tehnologice, a reţetei de fabricaţie etc.;

- experimentări în laborator sau în producţie, în condiţii asemănătoare; - metode statistice de calcul bazate pe realizările anterioare la care se aplică

corecţii de reducere. Practic, norma de consum este egală cu consumul specific teoretic, la care se


adaugă pierderile tehnologice/unitate de produs. Pierderile tehnologice se referă la materii prime, materiale auxiliare, combustibil,

energie, pierdute în mod inevitabil în timpul procesului respectiv. Pe lângă acestea se înregistrează şi pierderi netehnologice din alte cauze, excluzând cele legate de tehnologie. Normele de consum servesc la proiectarea unei instalaţii şi apoi la calcularea fluxului de materiale pentru realizarea aprovizionării tehnico-materiale. c) Consum specific practic ( p

spC ) reprezintă valoarea realizată în activitatea de producţie, fiind influenţată de: calitatea materiilor prime, a materialelor, de nivelul tehnic al instalaţiei, calificarea forţei de muncă şi de unii factori aleatori (pierderi la transport, la depozitare etc.). Aşadar, consumul specific practic reprezintă suma dintre norma de consum şi pierderile totale/unitate produs.

Între cele trei tipuri de consumuri specifice există următoarea dependenţă:

tspC ≤ n

spC ≤ pspC (1.6)

Dacă p

spC ≤ nspC , se economisesc materii prime, materiale, combustibil, energie, cu

consecinţe favorabile în privinţa reducerii cheltuielilor de producţie şi creşterea profitului.

Raportul dintre consumul specific teoretic şi cel practic defineşte gradul de utilizare al materiei prime, materialului, combustibilului, energiei:

100⋅= psp

tsp

CC

U , (%) (1.7)

2. Randamentul în produs reprezintă gradul de utilizare al materiei prime şi este

dat, în principiu, de raportul exprimat procentual, dintre cantitatea de produs practic obţinut şi cantitatea maximă, teoretică de produs care s-ar fi putut obţine din materia primă respectivă în cazul conducerii optime a procesului (fără pierderi). Randamentul se exprimă în mod diferenţiat, în funcţie de tipul proceselor tehnologice.

Pentru procese cu transformări chimice, randamentul este dat de raportul dintre masa de produs obţinut în mod practic (mp) şi masa de produs care ar fi trebuit să se obţină în mod teoretic (mt) şi care rezultă din calcule stoechiometrice:

100⋅=t

p

mm

η , (%) (1.8)

unde mp < mt.

Din cauza pierderilor, randamentul este sub 100%. Cu cât valoarea acestuia se apropie mai mult de 100%, cu atât procesul este mai perfecţionat, consumul de materii prime mai mic şi, în consecinţă, costul produsului finit mai scăzut.

În cazul proceselor tehnologice chimice care se desfăşoară conform unor reacţii chimice reversibile (A + B ↔ R + S), transformarea realizată la o singură trecere prin


coloana de sinteză este numită "conversie" şi este dată de următoarea relaţie:

100⋅=introdusãprimãmateriemoli

tãtransformamateriemoliConversia , (%) (1.9)

Astfel, conversia, în cazul procesului de sinteză a amoniacului din elemente, este

de 15-18% şi pentru a se ajunge la un grad de transformare a materiei prime ridicat (85-90%) se procedează la recircularea materiilor nereacţionate (proces cu recirculare).

Pentru industria prelucrătoare randamentul se exprimă prin raportul procentual dintre cantitatea de materie primă necesară în mod teoretic (mt) pentru obţinerea unui produs şi cantitatea de materie primă efectiv utilizată în procesul de producţie (mp):

100⋅=p

t

mmη , (%) (1.10)

unde mp < mt (la prelucrări fizice materia primă are dimensiuni mai mari decât produsul finit datorită prezenţei adaosului de prelucrare.

Pentru sectorul energetic, randamentul se exprimă cu relaţia:

100⋅=c

u

EEη , (%) (1.11)

unde: Eu = energia efectiv obţinută (energia utilă); Ec = energia totală disponibilă dată de sursă (energia consumată).

În cazul în care procesul de fabricaţie constă din mai multe faze, şi fiecărei faze îi corespunde un anumit randament, randamentul total (ηtotal) pentru întregul proces se determină cu relaţia:

∏=

=n

iitotal

1

ηη (1.12)

în care: η1, η2, η3, ……ηi = randamentele diferitelor faze ale procesului. Randamentul optim se obţine prin respectarea tuturor condiţiilor tehnice şi

economice prescrise pentru procesul tehnologic.

1.3.2. Indicatori de utilizare Indicatorii de utilizare caracterizează eficacitatea şi gradul de folosire judicioasă a

instalaţiilor şi utilajelor. Pot fi de utilizare intensivă şi de extensivă. a) Indicatorii de utilizare intensivă apreciază modul în care este utilizată capacitatea de producţie a unui utilaj şi se referă fie la cantitatea de produse realizate, fie la cantitatea de materie primă prelucrată cu un utilaj (instalaţie) într-o anumită perioadă (unitate) de timp. Sub acest aspect, o importanţă majoră o prezintă gradul de utilizare a capacităţii de producţie şi producţia specifică Psp.

Capacitatea de producţie (Cp) este principala caracteristică a aparatelor, utilajelor şi instalaţiilor şi reprezintă producţia maximă pe care o poate da un utilaj sau o instalaţie,


în condiţiile exploatării optime, într-o anumită perioadă de timp (oră, zi, an). Se exprimă fie prin cantitatea de materiale intrate în fabricaţie în unitatea de timp, fie prin cantitatea de materiale obţinute din fabricaţie (P) în unitatea de timp (Ta):

ap T

PC = , (tone/an) (1.13)

Capacitatea de producţie depinde de dimensiunile utilajelor şi de viteza cu care se

desfăşoară procesul respectiv; în majoritatea cazurilor; cu cât dimensiunile utilajelor sunt mai mari şi viteza procesului este mai mare, cu atât capacitatea de producţie a acestora este mai mare. Tehnologia oferă câteva modalităţi de utilizare intensivă a capacităţii de producţie, prin: aplicarea procedeelor şi tehnicilor celor mai avansate, prin automatizarea şi cibernetizarea proceselor tehnologice, prin controlul riguros al producţiei, respectarea parametrilor tehnologici, respectarea condiţiilor de calitate a produselor etc.

Gradul de utilizare a capacităţii de producţie se calculează raportând producţia reală în unitatea de timp la capacitatea de producţie:

100⋅⋅

=pa

realã

CTPU , (%) (1.14)

Un grad redus de utilizare al capacităţii de producţie (de exemplu de 40%) indică

lipsa contractelor, sau uzura utilajelor, calificarea necorespunzătoare a forţei de muncă, aprovizionare defectoasă, discontinuităţi în activitate etc.

Producţia specifică (Psp) este capacitatea de producţie a unei maşini, utilaj, agregat etc., raportată la o caracteristică constructivă importantă ce caracterizează aparatul, utilajul sau maşina respectivă:

iai

psp K T

P = KC = P ⋅

(1.15)

unde: Ki = caracteristică specifică utilajului respectiv, (de exemplu, m3 volum reactor, m2 suprafaţa unui cuptor tip tunel, sau chiar număr de maşini ce efectuează aceeaşi operaţie etc.).

Pentru mărirea producţiei specifice este necesară reducerea caracteristicei tehnice (volumul utilajului sau gabaritul acestuia); în mod corespunzător vor fi mai mici cheltuielile pentru exploatarea utilajului, acesta se poate controla şi conduce mai bine, se amplasează în încăperi de dimensiuni mai reduse, scad cheltuielile de reparaţii şi întreţinere etc.

b) Indicatorii de utilizare extensivă arată cât timp a funcţionat utilajul respectiv

faţă de întregul interval de timp de care se dispune. Notând cu Ta - timp de activitate şi Tcal - timp calendaristic, se obţine:


100⋅ TT = I

cal

aue , (%) (1.16)

Din diferenţa dintre timpul calendaristic şi cel de activitate se obţine timpul de

inactivitate (Tin):

Tin = Tcal - Ta (1.17) Prin raportarea timpului de inactivitate la timpul calendaristic, se obţine indicele de

inactivitate (Kin):

100 T

T - T = Kcal

acaln i ⋅ , (%) (1.18)

1.3.3. Indicatori de calitate Calitatea este o noţiune complexă, ce se referă la un proces, produs, fenomen etc.

Calitatea are un caracter dinamic, cu un grad mare de generalizare. Calitatea producţiei se exprimă prin randamente, consumuri specifice, indicatorii

de utilizare intensivă şi extensivă, grad de mecanizare, automatizare, cibernetizare, robotizare, cheltuieli de întreţinere, protecţia mediului, a oamenilor etc.

Condiţiile de calitate corespunzătoare fiecărui produs sau materie primă sunt prevăzute în standarde, în norme interne (NI) sau în caiete de sarcini.

Calitatea unui produs se exprimă prin caracteristici: - tehnice: concepţie constructivă, execuţie, parametrii de lucru, nivel tehnic; - economice: preţ, greutate, consumuri specifice, termen de garanţie, finisare,

ambalare; - estetice şi organice: formă, culoare, design, comoditate în utilizare, confort,

ambianţă etc.; - fiabilitate; - mentenabilitate, respectiv uşurinţa de întreţinere. Calitatea unui produs se impune încă din faza de proiectare. Urmează faza de

fabricaţie, etapă importantă de realizare a calităţii produsului, ţinând cont de calitatea materiilor prime, auxiliare, funcţionarea instalaţiei la parametrii optimi, conducerea instalaţiei de către un personal calificat. După executare, produsul este livrat beneficiarului, direct sau prin intermediari. În această fază, calitatea produsului este

Che

ltuie

li

Calitate50 100 %

Fig.1.2. Variaţia cheltuielilor cu creşterea calităţii produsului finit.


influenţată de calitatea depozitării, a transportului şi a altor activităţi. Creşterea calităţii produselor implică creşterea costurilor în cele trei faze menţionate, ceea ce afectează în final preţul produsului. În fig.1.2. se prezintă variaţia costului de producţie cu creşterea calităţii produsului. Costul de producţie creşte exponenţial cu sporirea calităţii. De exemplu, costul cuprului rafinat electrolitic la puritatea de 99,8%, creşte de 3 ori faţă de cel rafinat termic, de puritate 95-98%. Problema calităţii, pentru fiecare unitate economică se identifică cu stabilirea unui raport optim: calitate/preţ, în condiţii de solicitare crescândă a creşterii calităţii produselor. Tehnicile şi mijloacele de estimare cantitativă a calităţii produselor fac obiectul CALIMETRIEI. În cadrul calimetriei se realizează o estimare şi o ierarhizare a caracteristicilor funcţionale ale produsului, pornindu-se de la următoarele considerente generale:

- caracteristicile unui produs nu au importanţă egală în deţinerea calităţii, de aceea estimarea fiecăruia trebuie corectată cu un coeficient de ponderare (Pi);

- suma ponderilor atribuite caracteristicilor unui produs trebuie să fie întotdeauna constantă;

- pentru corectarea acestor indici se utilizează aceeaşi scală. Pe baza principiilor menţionate, calitatea unui produs se poate exprima şi ca o

medie ponderată a unor indici de calitate Ki, convertiţi la aceeaşi scală. Scala se referă la un nivel maxim obţinut pe plan mondial, sau la nivelul obţinut în alte întreprinderi similare.

Indicatorul global de calitate (Qglobal) poate fi exprimat prin relaţia:

P K = Q ii

n

1 = iglobal � (1.19)

unde: n - numărul caracteristicilor luate în considerare; Ki - indicele de calitate al caracteristicii i; Pi - ponderea atribuită caracteristicii i.

Indicatorul de concordanţă arată în ce măsură un produs corespunde funcţiei pentru care a fost creat.

În calimetrie, indicii care permit compararea în mod obiectiv a două procedee cu funcţii similare se cunosc sub denumirea de indici de referinţă şi se determină cu relaţia:

P CC = Q i

n

1 = ir ⋅

′� (1.20)

unde: Qr - indice de referinţă; C şi C' - valoarea aceleiaşi caracteristici, i, pentru două produse; Pi - ponderea cu care caracteristica participă la întregirea produsului respectiv.

1.3.3.1. Fiabilitatea Fiabilitatea reprezintă probabilitatea ca produsul să-şi îndeplinească misiunea

prescrisă cel puţin un timp dat (to) în condiţii de utilizare "specifice", respectiv:

R(to) = Prob {T ≥ to} (1.21)


unde: R(to) - funcţia de supravieţuire (de fiabilitate), sau probabilitatea ca T să ia cel puţin valoarea to ; T - variabilă aleatoare care descrie comportamentul în funcţionare al produsului.

Creşterea siguranţei în exploatare, componentă importantă a calităţii, se exprimă prin fiabilitate.

Industria modernă a trebuit să se adapteze rapid solicitărilor crescânde de calitate, punând în mod expres problema furnizării de produse (componente, subansamble, sisteme etc.) cu o durabilitate şi fiabilitate dată, astfel încât cerinţele de înlocuire să poată fi satisfăcute în mod economic. În prezent există posibilitatea stabilirii ştiinţifice, pe baza unor considerente tehnice, economice şi statistico-matematice a modului în care pot fi puse în echilibru calitatea intrinsecă (cu aspectul ei fiabilistic), performanţele produsului şi costul acestuia.

Se pune tot mai mult accentul pe activitatea de proiectare şi de investigare amănunţită a condiţiilor de mediu şi utilizare în care produsul considerat va fi necesar să-şi îndeplinească misiunea pentru care a fost creat. În acelaşi timp, trebuie să se aibă în vedere variabilitatea incorporată atât în procesul de producţie, cât şi în procesul de utilizare, fapt care conduce la variabilitatea caracteristicilor calitative intrinseci, precum şi a celor legate de performanţele produsului.

În această abordare, apar următorii factori care intervin în definirea cantitativă a fiabilităţii:

- factorul probabilistic generat de natura aleatoare (întâmplătoare) a comportării produsului în exploatare, la care se adaugă "încărcarea genetică aleatoare" a produsului, moştenită în decursul procesului de proiectare şi respectiv de producţie;

- timpul-factor de raportare a îndeplinirii misiunii; - misiunea efectivă, definită prin specificaţii tipice de performanţe; - condiţiile de exploatare (de mediu) pentru care produsul a fost în mod expres

destinat să-şi îndeplinească misiunea prescrisă. Valoarea fiabilităţii depinde de condiţiile de exploatare, de uzura instalaţiei,

mărimea intervalului de timp pentru care se calculează, de complexitatea produsului, a sistemului. Pentru un produs complex, fiabilitatea rezultă din produsul fiabilităţilor fiecărui component.

Fiabilitatea diferă în funcţie de condiţiile procesului tehnologic (mediu corosiv, agresiv etc.), de complexitatea instalaţiei, probleme sociale. Pentru asigurarea fiabilităţii pe ansamblul unei instalaţii se apelează la existenţa unor piese, subansamble, utilaje de schimb similare, sau chiar la linii tehnologice similare, montate în paralel cu cele în funcţiune (instalaţii de rezervă).

Creşterea fiabilităţii atrage creşterea investiţiei, deci şi a amortizării ei, dar şi scăderea cheltuielilor de întreţinere a instalaţiei (fig.1.3.). Cheltuielile totale, rezultate ca sumă a cheltuielilor cu amortizărilor şi cu reparaţiile/întreţinerile înregistrează un minim corespunzător unei anumite fiabilităţi. Este posibil ca la valoarea minimă a cheltuielilor să se obţină o fiabilitate scăzută. Pentru creşterea fiabilităţii este necesară creşterea cheltuielilor totale, în special pe seama cheltuielilor de amortizare.

În practică, se ţine seama şi de cheltuielile înregistrate de beneficiar prin


nefuncţionarea utilajului (sistemului), astfel încât se acceptă o zonă optimă de fiabilitate şi nu un punct.

1.3.3.2. Mentenabilitatea Mentenabilitatea este definită ca aptitudinea unui dispozitiv de a fi menţinut, sau

restabilit în sfera de a-şi îndeplini funcţia specificată, atunci când mentenanţa se efectuează în condiţii date cu procedee şi remedii prescrise.

Mentenanţa este formată din ansamblul tuturor acţiunilor tehnice şi organizatorice care le sunt asociate, efectuate în scopul menţinerii sau restabilirii unui dispozitiv în starea de a-şi îndeplini funcţiile prevăzute.

Mentenanţa poate avea: - caracter preventiv, atunci când se efectuează la intervale de timp prestabilite,

având scopul reducerii probabilităţii defectării (riscului) sau degradării produsului;

- caracter corectiv, când este efectuată după apariţia unei defectări, având scopul restabilirii capacităţii de funcţionare.

Caracterul preventiv al mentenanţei se realizează prin reparaţii efectuate la termenele planificate şi pentru preîntâmpinarea avariilor, sau a funcţionării defectuase a utilajelor. Reparaţiile cu caracter preventiv sunt: curente, mijlocii, capitale şi accidentale.

Reparaţiile curente (RC) includ activităţi de curăţire, reglaj, repararea şi înlocuirea unor componente cu uzură fizică accelerată, sau supuse la solicitări puternice. Acestea se mai numesc uneori şi revizii tehnice.

Reparaţiile mijlocii (RM) sau intermediare au ca obiectiv înlocuirea componentelor cu uzură normală, într-un volum şi o amploare ce depăşesc reparaţiile curente.

Reparaţiile capitale (RK) cuprind revizuirea completă a utilajelor, demontarea completă a tuturor părţilor, verificarea tuturor punctelor ce pot genera căderi, înlocuiri

4

2

3

1

Fig.1.3. Variaţia costurilor în funcţie de fiabilitate: 1-cheltuieli de producţie; 2-cheltuieli de întreţinere; 3-cheltuieli totale; 4-interval de optim fiabilitate-cheltuieli.


masive a pieselor care s-au uzat, ori şi-au epuizat "resursa" de funcţionare. Reparaţiile accidentale (RA) au menirea să refacă capacitatea de funcţionare în

urma unei avarii sau căderi. Funcţia de mentenabilitate a unui produs în intervalul de timp (0, t) se exprimă

prin relaţia:

G(t) = P (T < t) (1.22) în care; T - variabila aleatoare - "timp de restabilire" a unui produs în caz de defectare; G(t) - probabilitatea ca produsul să fie restabilit în intervalul de timp (0, t).

Intervalul dintre două reparaţii capitale consecutive, exprimat în ore poartă numele de ciclu total de funcţionare.

Ansamblul acţiunilor de refacere a capacităţii de funcţionare a sistemelor sunt reunite în conceptul de reînnoire.

1.3.3.3. Disponibilitatea Disponibilitatea este aptitudinea unui dispozitiv - sub aspectele combinate de

fiabilitate, mentenabilitate şi de organizare a acţiunilor de mentenanţă - de a-şi îndeplini funcţia specificată, la un moment dat, sau într-un interval de timp dat. Sintetic, disponibilitatea poate fi exprimată prin indicatorul coeficient de disponibilitate, Kd:

t n1 + t

n1

t n1

= Ki

n

i = 1i

n

i = 1

i

n

i = 1d

′��

� (1.23)

unde: ti - intervalele de timp de funcţionare fără defecţiuni; n - numărul intervalelor ti, respectiv ti'; ti' - intervalele de timp de restabilire.

1.3.3.4. Modernizarea şi înlocuirea utilajelor Modernizarea utilajelor este acţiunea de intervenţie asupra aparatului de producţie,

în scopul adaptării acestuia la cele mai noi cerinţe ale progresului tehnico-ştiinţific. Scopul acestor acţiuni vizează în principal atenuarea efectului uzurii morale a instalaţiilor (comparativ cu mentenanţa care vizează uzura fizică) şi se îndreaptă către:

- aplicarea unor măsuri pentru creşterea randamentului utilajelor, prin perfecţionări constructive, adăugarea unor SDV-uri (scule, dispozitive, verificatoare) îmbunătăţite, ce au menirea reducerii timpilor auxiliari ai procesului de producţie, mecanizarea şi automatizarea unor operaţii;

- modernizarea în vederea reducerii consumurilor specifice de materiale, energie şi utilităţi prin perfecţionarea operaţiilor de debitare a materialelor, reducerea pierderilor de energie, valorificarea căldurilor reziduale etc.;

- modernizarea în vederea îmbunătăţirii calităţii produselor prin lucrări ce urmăresc sporirea preciziei de prelucrare, îmbunătăţirea finisajului etc.;

- îmbunătăţirea condiţiilor de exploatare şi ridicarea nivelului de protecţie a


muncii prin efectuarea unor transformări, introducerea robotizării, cibernetizării etc.

Fiecare dintre măsurile propuse sunt analizate prin compararea cheltuielilor necesitate de modernizare cu cele ale avantajelor obţinute, sau a cheltuielilor de achiziţionare a unor utilaje, sau de echipamente noi. 1.3.3.5. Standardizarea

Standardele sunt prescripţii tehnice elaborate de specialiştii din sfera activităţii productive, de producători, de consumatori şi de un organism calificat, sau recunoscut.

Standardizarea are următoarele scopuri: - specificarea caracteristicilor produsului din punct de vedere calitativ, pentru

identificarea lui, respectarea şi creşterea calităţii; - tipizarea şi unificarea caracteristicilor dimensionale, pentru a se putea asigura

interschimbabilitatea pieselor şi a subansamblelor. Standardizarea se caracterizează prin acte normative denumite standarde.

Standardele cuprind reglementări privind: - materii prime, materiale, combustibil şi energie, produse industriale şi agricole; - subansamble şi piese de uz general ale maşinilor, utilajelor şi instalaţiilor; - lucrări de construcţii; - prescripţii şi reguli pentru proiectare, metodologie, terminologie, clasificări,

prescripţii generale pentru controlul calităţii produselor; - protecţia vieţii, a bunurilor, a mediului. Standardele au caracter de obligativitate la nivelul economiei naţionale, sau sunt de

recomandare, deci nerespectarea lor poate atrage unele consecinţe nefavorabile. Standardele obligatorii se referă la sănătate, protecţia mediului, produse tipizate. Standardizarea este un proces dinamic, standardele fiind revizuite în timp, în conformitate cu modificarea şi perfecţionarea procesului tehnologic şi cu creşterea exigenţei consumatorilor.

Întrucât în activitatea economică se întâlnesc o varietate de standarde, clasificarea acestora va avea în vedere mai multe criterii.

a) În funcţie de conţinut, se deosebesc următoarele tipuri: - standarde generale, care au ca obiect tehnologii, unităţi de măsură, simboluri,

metode statistico-matematice pentru controlul procesului, a calităţii etc.; - standarde complete de produs, care cuprind specificarea calităţii, modul de

verificare al calităţii, marcarea etc.; - standarde parţiale, care se referă numai la unele aspecte ale obţinerii unui

produs (materie primă, dimensiuni etc.). b) După elaborare:

- standarde internaţionale elaborate de ISO (Organizaţia Internaţională de Standardizare) şi standarde EN, elaborate de Uniunea Europeană;

- standarde naţionale, elaborate de institute de standardizare existente în fiecare ţară. De exemplu, în România sunt aplicate standarde româneşti SR (se păstrează încă şi standarde cu denumirea mai veche STAS), elaborate de Institutul Român de Standardizare, în SUA standarde ASTM, în Germania DIN, în Marea Britanie BS etc.;


- standarde sau norme de calitate elaborate de organizaţii profesionale internaţionale, cum sunt :Uniunea Internaţională a Căilor Ferate, Uniunea Internaţională pentru Electrotehnică, armata (standarde NATO, sau MIL în SUA), regulamente ale registrului consumatorilor (Lloyd, Registrul Naţional Român), ş.a.;

- standarde ale unor firme ce s-au impus pe piaţa internaţională, cum sunt: FORD, DAEWOOD, RENAULT, VOLVO ş.a. pentru autoturisme, BAC, MIG, MIRAGE pentru industria aeronautică, AECL pentru construcţia de centrale nuclearo-electrice din Canada etc.

În vederea ţinerii evidenţei standardelor şi a orientării în numeroasele domenii la care se referă s-a adoptat clasificarea alfa-numerică, urmată de clasificarea zecimală. Astfel, standardele au indicativul format din literele SR, numărul de ordine al SR-ului, anul aprobării (ultimile două cifre) indicele de clasificare alfanumerică. Clasificarea alfanumerică împarte problemele de standardizare pe sectoare notate cu câte o literă (A,B,C,...); sectoarele sunt împărţite în zece grupe notate cu o cifră de la 0 la 9; grupele se împart în zece subgrupe notate de la 0 la 9.

De exemplu, SR ISO 9000-95, a fost aprobat în anul 1995, în conformitate cu standardele generale din seria ISO 9000, ce cuprind recomandări privitoare la managementul calităţii şi cerinţele pentru asigurarea acestuia. Sau, SR EN 45012-93, este standardul aprobat în 1993 după normele Uniunii Europene, care indică criteriile generale pentru organismele ce efectuează certificarea sistemelor calităţii.

Standardele româneşti au fost clasificate prin STAS 10000-91 (Principiile şi metodologia standardizării. Adoptarea standardelor internaţionale în standardele româneşti) după cum urmează:

- standarde identice cu cele internaţionale, notate SR ISO şi SR EN. Echivalenţa se stabileşte la conţinut, forma de prezentare şi traducere într-o limbă de circulaţie internaţională;

- standarde echivalente la conţinut cu cele internaţionale (nu şi la prezentare, traducere), notate SR EQV;

- standarde neechivalente, notate cu NEQ. Standardele ISO de produs sunt mult mai numeroase decât cele româneşti,

dovedind atenţia sporită acordată calităţii pe pieţele ţărilor dezvoltate economic. Alinierea standardelor româneşti la cele internaţionale trebuie realizată nu numai scriptic, ci trebuie susţinută de tehnologii moderne care să asigure obţinerea unor produse de calitate, de aparate de înaltă precizie care să indice valoarea proprietăţilor solicitate produselor şi calificarea corespunzătoare a personalului productiv şi de laborator.

Câteva exemple: standardele ISO din grupa 9000 au caracter general, cuprind recomandări privind managementul calităţii şi cerinţele pentru asigurarea acestuia; standardele ISO din grupa 14000 sunt orientate pe protecţia mediului etc.

Pe lângă standarde se mai utilizează şi norme de calitate, ce stabilesc nivelul unor indici de calitate solicitaţi de beneficiari. Au valabilitate numai între parteneri (producător - beneficiar). Pe lângă acestea se mai utilizează în întreprinderi şi caiete de sarcini, ce stabilesc la fiecare loc de muncă valorile pentru indicii de calitate, condiţiile de prelucrare a materiilor prime sau a semifabricatelor, normele de timp, asigurarea


protecţiei muncii etc.

1.3.3.6. Asigurarea şi controlul calităţii materialelor Asigurarea şi controlul calităţii produselor se poate realiza în mod corespunzător şi

prin controlul statistic al procesului tehnologic. Desfăşurarea normală a procesului tehnologic poate fi perturbată de următoarele categorii de factori:

- sistematici (defecţiuni, intrări necorespunzătoare - materii prime, utilităţi, manevre neadecvate etc.);

- întâmplători (neidentificaţi, sau a căror influenţă nu este economic să fie înlăturată; ţin de natura mediului ambiant, de uzura utilajului etc.).

Dacă nu se manifestă influenţe ale unor factori perturbatori sistematici procesul se consideră ca fiind sub control din punct de vedere statistic, respectiv abaterile care se manifestă în calitatea produselor sunt în limitele impuse de legea distribuţiei normale. Apariţia unor factori perturbatori sistematici produce variaţia calităţii produselor peste aceste limite. Practic se înregistrează pe fişe variaţia calităţii produselor (alegându-se reprezentarea cea mai adecvată, eventual prin câteva operaţii simple: mediere, însumare etc.). Fişele având marcate limitele de calitate între care se consideră că procesul se desfăşoară normal arată şi momentul în care este necesară intervenţia pentru prevenirea fabricării produselor de calitate necorespunzătoare.

Controlul calităţii produselor se referă la analiza atât a intrărilor (materii prime, auxiliare etc.), cât şi a ieşirilor (produse). Deoarece operaţia de control costă dar nu produce valoare este necesar să se facă la un cost cât mai scăzut, minimizându-se în acelaşi timp riscul de a introduce, sau a scoate din procesul de fabricaţie materiale necorespunzătoare. Prin aplicarea metodelor de analiză statistică se poate deduce cantitatea minimă de materiale sau numărul minim de unităţi de produs care trebuie verificate - (probe) astfel încât să se poată conchide asupra întregii cantităţi de material sau produs (populaţia). Teoretic sunt necesare minim 100 de probe, dar pentru analizele curente se folosesc de obicei 2-3 probe de acelaşi tip. Pentru loturile de produse noi, sau destinate unor pieţe cu condiţii severe de calitate se testează un număr apropiat de cel dedus teoretic.

1.3.4. Indicatorul de mecanizare Indicatorul (gradul) de mecanizare reprezintă raportul procentual dintre cantitatea

de lucrări executate mecanic şi cantitatea de lucrări executate în ansamblu. Astfel, indicatorul de mecanizare este dat de relaţia:

100 VV = I

t

mmec ⋅ , (%) (1.24)

unde: Vm - volumul lucrărilor realizate în mod mecanizat; Vt - volumul total al lucrărilor.

Acest indicator este mult utilizat în: exploatări miniere, în transport, depozitare, în construcţii, în domeniul prelucrărilor mecanice a materialelor etc.

O valoare ridicată a acestui indicator are consecinţe pozitive asupra productivităţii muncii, a condiţiilor de muncă, a calităţii produselor, a consumurilor de materiale, a conducerii optime a proceselor. Similar se pot calcula indicatori de automatizare,


cibernetizare şi respectiv robotizare. Dacă suma indicatorilor de mecanizare, automatizare, cibernetizare şi robotizare este mică, rezultă că procesul decurge în procent mare manual. În consecinţă este necesară forţă mare de muncă, sunt probleme sociale, calitatea produselor poate scădea, sunt necesare cheltuieli pentru protecţia muncii etc.

1.4. Bilanţul de materiale

Analiza unui proces tehnologic sau studiul de optimizare al unei instalaţii sau a

unui proces tehnologic se poate realiza prin simularea procesului respectiv, prin bilanţurile de masă (de materiale), din care rezultă indicatorii tehnico-economici ai procesului respectiv pe fluxuri, pe componente, pe stadii, în timp.

Analiza procesului tehnologic prin simularea procesului, pe calculator, cu ajutorul bilanţurilor de materiale impune construcţia unui model de sistem, respectiv a unui model matematic care să satisfacă toate restricţiile.

Modelul matematic descrie blocurile componente ale procesului, la care nu se elimină variabilele şi ţine cont de toate intrările şi ieşirile de materiale.

Bilanţul de materiale (de masă) este forma cantitativă în care se exprimă transformarea materialelor într-un proces tehnologic, sau expresia matematică a acestor transformări şi se bazează pe legea conservării materiei, conform căreia masa tuturor materialelor care intră în fabricaţie trebuie să fie egală cu masa tuturor produselor rezultate din proces.

M + M = M + M rjei �� (1.25) în care: Mi - masa materialelor introduse în proces; Me - masa materialelor existente în instalaţie; Mj - masa materialelor ieşite din proces; Mr - masa materialelor rămase în instalaţie.

Cantităţile de materiale care intră în alcătuirea bilanţului de materiale se exprimă în unităţi de masă, unităţi de masă/timp, sau în procente de masă.

Pentru calculul bilanţului de materiale este necesar să se precizeze: partea de instalaţie la care se referă, compoziţia materiilor prime şi a produselor finite, durata pentru care se întocmeşte (oră, an) în cazul proceselor continue, sau durata unei şarje, în cazul proceselor discontinue, precum şi natura procesului.

Bilanţul de materiale poate fi: - bilanţ total, sau general, care se referă la întregul proces tehnologic, cuprinzând

toate materialele intrate şi ieşite; - bilanţ parţial, care se întocmeşte pentru:

• o parte din instalaţie, sau un aparat, incluzând toate materialele care intervin;

• un singur material din întreaga instalaţie; • o parte din instalaţie, sau o parte dintr-un aparat şi un singur material.

Exprimarea matematică a bilanţului de materiale se diferenţiază în funcţie de


regimul de lucru al instalaţiei (regim staţionar, regim nestaţionar, regim nestaţionar cu reacţie chimică).

a) Regimul staţionar, caracterizat prin funcţionarea continuă şi invarianţa în timp a parametrilor (presiune, temperatură, concentraţie, viteză, debit, direcţie de curgere). Ecuaţiile de bilanţ total şi parţial pentru componentul k sunt:

- bilanţ total; m = m j

ji

i�� (1.26)

- bilanţ parţial m C m Cii

Ai jj

Aj� �=. . (1.27)

unde: mi - masa materialelor intrate; mj - masa materialelor ieşite; CAi - concentraţia componentului A în materialele intrate (exprimată în fracţie de masă); CAj - concentraţia componentului A în materialele ieşite.

b) Regimul nestaţionar, caracterizat prin producerea de acumulări de materiale

(sau energie) şi funcţionare discontinuă. Ecuaţiile de bilanţ sunt:

- bilanţ total: dt

dM + m = m jj

ii

�� (1.28)

- bilanţ parţial: dt

dC M+ dt

dM C + C . m = C m AjAjAjj

jAij

i

⋅⋅⋅ �� (1.29)

unde M este masa materialelor acumulate până la timpul t.

c) Regimul nestaţionar cu reacţie chimică:

- bilanţul parţial: dt

dM + C . m = dt

dC + C . m AAjj

j

AAii

i�� (1.30)

unde: dCA/dt - viteza reacţiei de formare a componentului A; dMA/dt - viteza de acumulare a componentului A.

Ecuaţia de bilanţ total este de forma ecuaţiei pentru regimul nestaţionar, deoarece la însumarea tuturor componenţilor, considerând semnul plus pentru formare şi semnul minus pentru consum, suma derivatelor care indică vitezele de reacţie este nulă.

În mod curent, în calcule se utilizează următoarea ecuaţie:

m + m = m pierderiji �� (1.31)

Forma de prezentare grafică a bilanţurilor de materiale este diferită, în funcţie de structura instalaţiilor şi de scopul urmărit: tabele, combinaţie de tabele şi schemă de faze sau operaţii, schemă de faze sau operaţii pe care se trec cantităţile de materiale ce intră şi ies din instalaţie, diagramă Sankey etc. Prezentarea grafică permite urmărirea fluxului de materiale şi a bilanţului într-o formă uşor controlabilă, precum şi punerea în evidenţă a eventualelor pierderi pe parcursul procesului.


În tabelul 1.1. se prezintă forma tabelară a bilanţului de materiale. La întocmirea bilanţurilor de materiale, pierderile sistematice se determină prin

calcule, iar pierderile accidentale, pe baza datelor statistice, cu recomandarea să nu se treacă la rubrica "pierderi de fabricaţie" diferenţele de cantităţi care nu pot fi regăsite prin calcule; aceste aspecte ar reflecta o greşeală de calculaţie, sau o conducere necorespunzătoare a procesului. În cazul în care apar din bilanţ pierderi mari, înseamnă că instalaţia funcţionează în condiţii necorespunzătoare, tehnologia nu este pusă la punct, pregătirea personalului nu este corespunzătoare.

Bilanţul de materiale serveşte la urmărirea circulaţiei materialelor într-o instalaţie, la stabilirea consumurilor specifice, la evidenţierea acumulărilor, la dimensionarea utilajelor şi stabilirea capacităţilor de producţie pentru instalaţiile ce se proiectează. Pentru exploatarea unor instalaţii noi, bilanţul de materiale permite descoperirea pierderilor de materiale, a strangulărilor în producţie, cunoaşterea compoziţiilor şi a cantităţilor de produse secundare şi de impurităţi, precum şi alegerea optimă a posibilităţilor de minimizare a acestora, astfel încât procesul să decurgă la parametrii optimi.

Tabelul 1.1. Bilanţ de materiale tabelar.

MATERIALE INTRATE kg % MATERIALE

IEŞITE kg %

Materia primă Material auxiliar

M1 M2

Produs finit Produs secundar

Pierderi

M3 M4 M5

Total M1+M2 100 Total M3+M4+M5 100

Bilanţul de materiale intră în alcătuirea modelului matematic al procesului tehnologic analizat, în vederea alegerii tipului de utilaj, a schemei tehnologice optime, calculul regimului optim de lucru, determinarea stabilităţii în funcţionare a utilajelor. Unele modele matematice ale procesului servesc ca bază pentru automatizarea complexă a acestuia.

1.5. Bilanţul energetic

Bilanţul energetic pune în evidenţă energiile care intervin într-o instalaţie, sau într-un proces tehnologic, deoarece orice transformare a materiilor prime într-un produs finit se desfăşoară cu un aport de energie.

Bilanţul energetic este o aplicaţie a legii conservării energiei, conform căreia cantitatea de energie introdusă într-un sistem trebuie să fie egală cu cantitatea de energie obţinută în urma efectuării procesului respectiv (scoasă din sistem). Ecuaţia de bilanţ energetic este:


E + E + E = E + E perai �� (1.32) unde: Ei� - suma energiilor care intră în sistem; Ea� - suma energiilor care se aflau în sistem în momentul iniţial; Er� - suma energiilor rămase în sistem în momentul final al duratei pentru care se stabileşte bilanţul; Ee� - suma energiilor ieşite din sistem; Ep - energia pierdută în exterior.

În bilanţul energetic pot interveni următoarele forme de energie: - energia potenţială: Epot = m.g.z;

- energia cinetică: 2c vm

21E ⋅= ;

- energia internă: U = m.u; - lucrul exterior: Le = m.p.v; - energia mecanică: W; - căldura introdusă din exterior: Q; - alte energii: electrică, magnetică, luminoasă etc.

S-au utilizat următoarele notaţii: m - masa; g - acceleraţia gravitaţională; z - înălţimea, sau distanţa pe plan orizontal; v - viteza; u - energia internă a unităţii de masă; p - presiunea; v - volumul pe unitatea de masă.

Pentru multe procese tehnologice bilanţul energetic se poate întocmi numai ca bilanţ termic:

erai hm + hm = Q + hm + hm )()()()( ∆⋅�∆⋅�∆⋅�∆⋅� (1.33)

unde: ∆h - variaţia de entalpie pe unitatea de masă, egală cu diferenţa dintre entalpia materialului (h) şi entalpia materialului la temperatura de referinţă (298 K):

∆h = h - ht (1.34)

Entalpia este funcţia termodinamică ce însumează energia internă şi lucrul exterior necesar pentru ocuparea de către sistem a volumului său propriu, la presiunea de lucru. Se notează cu h, dacă se exprimă în unităţi de energie pe unitatea de masă, sau cu H, când se exprimă în unităţi de energie pe kmol. Deci, expresia entalpiei este:

H = U + p ·V (1.35)

Ca şi energia internă, U, entalpia unui sistem nu poate fi măsurată direct, ceea ce se

poate măsura fiind numai diferenţa între două stări, deci variaţia de entalpie, ∆H. Variaţia de entalpie ∆H se calculează din căldura specifică a materialului (c) şi diferenţa de temperatură, dată de relaţia:

t + t + = c 2⋅⋅ γβα (1.36)

în care α, β, γ sunt coeficienţi care depind de natura substanţei.

Prin urmare:


dt )t . + t . + ( = c.dt = H 2t

t

t

t

2

1

2

1

γβα��∆ (1.37)

Pentru reacţiile chimice, efectul termic al reacţiei este egal cu variaţia entalpiei

sistemului, respectiv cu diferenţa dintre entalpia produşilor de reacţie şi entalpia reactanţilor:

H . - H . = H rrpp νν ��∆ (1.38)

în care: vp şi vr sunt coeficienţii stoechiometrici ai reacţiei chimice.

După efectul termic, reacţiile chimice pot fi exoterme, endoterme şi fără efect termic.

Reacţiile exoterme sunt reacţiile în care entalpia reactanţilor este mai mare decât entalpia produşilor de reacţie, deci variaţia de entalpie este mai mică decât zero:

∆H < 0, când H . > H . pprr νν �� (1.39)

Reacţiile care au loc în procesul de combustie sunt exoterme. Multe procese chimice sunt exoterme şi în acest caz este necesară scoaterea unei cantităţi de energie termică din sistem (răcirea sistemului), prin utilizarea unor schimbătoare de căldură - răcitoare şi utilizarea eficientă a căldurii produselor de reacţie.

Reacţiile endoterme sunt reacţiile în care entalpia reactanţilor este mai mică decât entalpia produşilor de reacţie şi deci, variaţia de entalpie este mai mare decât zero:

∆H > 0, când H . > H . pprr νν �� (1.40)

În cazul proceselor endoterme, reacţia se poate produce doar dacă se dă sistemului o anumită cantitate de energie. De exemplu, obţinerea cimentului se realizează numai prin topirea la aproximativ 1400°C a amestecului de var, argilă şi alte adausuri. La temperatura ambiantă, materiile prime nu se combină.

Procesele chimice fără efect termic nu sunt influenţate de creşterea, sau scăderea temperaturii, ci de alţi factori, cum ar fi presiunea, lumina etc.

Bilanţul energetic se întocmeşte pentru o durată determinată (oră, zi, an, durata prelucrării unei şarje). Din ecuaţia de bilanţ se stabilesc pierderile în exterior, se dimensionează utilajele, se urmăreşte consumul de energie. Se pot întocmi:

- bilanţul total energetic pentru întreaga instalaţie; - bilanţuri parţiale pentru un aparat, sau o porţiune de aparat.

La nivelul întreprinderilor se stabileşte bilanţul energetic real. Bilanţul normat rezultă din cel real, reducând pierderile prin măsuri tehnico-organizatorice.

În situaţia în care pierderile se elimină, sau se reduc la minim, rezultă bilanţul optim.


Rezumat Tehnologia se ocupă cu studiul operaţiilor şi proceselor tehnologice prin care

materiile prime sunt transformate în produse. Procesele tehnologice reprezintă totalitatea operaţiilor concomitente sau ordonate în timp pentru obţinerea unui produs prin sinteză, prelucrare sau asamblare. Procesele tehnologice industriale fiind foarte diverse se clasifică după mai multe criterii. Procesele tehnologice se caracterizează prin factori, sau variabile,ce intervin la intrarea şi ieşirea din proces, sau pe parcurs (intermediari).

Pentru aprecierea proceselor tehnologice se utilizează indicatori tehnici, economici, tehnico-economici, sociali, de mediu ş.a. Principalii indicatori tehnico-economici sunt: -de consum (ex. consumuri specifice, randamente); - de utilizare intensivă (producţia specifică, gradul de utilizare a capacităţii de producţie) şi extensivă (indicii de activitate şi respectiv de inactivitate); - de calitate (standarde, norme,caiete de sarcini); - de mecanizare/automatizare.

În procese se calculează bilanţuri de materiale şi de energie, ca expresii ale legilor conservării masei/energiei.

Cuvinte cheie proces tehnologic flux tehnologic operaţie fază de fabricaţie variabile consumuri specifice randamente producţie specifică grad de utilizare a capacitaţii de producţie fiabilitate standardizare grad de mecanizare/automatizare bilanţuri

Bibliografie suplimentară 1. Socolescu A., Angelescu A.,”Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE,

Bucureşti, 2001; 2. Ciobotaru V., Angelescu A., Vişan S., „Progres

tehnic,calitate,standardizare”, Ed.ASE, Bucureşti, 2001; 3. Băloiu L.M., Frăsineanu I., „Gestiunea inovaţiei”, Ed. Economică, Bucureşti,

2001; 4. Olaru M., „Managementul calităţii”, Ed. Economică, Bucureşti, 1995; 5. Fleser T., „Mentenanţa utilajelor tehnologice”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998.


Întrebări recapitulative 1. Ce reprezintă procesul tehnologic? 2. Care este diferenţa dintre faza de fabricaţie şi operaţia tehnologică? 3. Ce sunt procesele tehnologice continue? 4. Cum se clasifică procesele tehnologice după nivelul dezvoltării tehnologice? 5. Care sunt diferenţele dintre variabilele comandabile şi cele necomandabile? 6. Ce sunt consumurile specifice? 7. Cum se defineşte randamentul total al unui proces tehnologic? 8. Ce reprezintă fiabilitatea unui produs? 9. Cum se clasifică standardele după modul de elaborare? 10. Cum se clasifică bilanţurile de materiale? 11. De ce se utilizează bilanţurile energetice în activitatea economică?

Documents

Procese Tehnologice-bilant de Materiale