View
219
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Wojciech Piątkowski
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Inżynieria Bioprocesowa
Wstęp
Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej
Wydział Chemiczny, Politechnika Rzeszowska
P o l i t e c h n i k a R z e s z o w s k a
i m. I g n a c e g o Ł u k a s i e w i c z a
W y d z i a ł C h e m i c z n y
Komunikat Londyński
My, przedstawiciele 18 towarzystw reprezentujących inżynierię
chemiczną całego świata, osobiście składamy podpisy pod następującym
oświadczeniem:
Kluczowym wyzwaniem dla naszej dyscypliny w XXI wieku jest
wykorzystanie naszych umiejętności w celu poprawy jakości życia, rozwoju
zatrudnienia, rozwoju ekonomicznego i społecznego i ochrony środowiska.
Wyzwanie to obejmuje istotę zrównoważonego rozwoju.
Będziemy pracować aby uczynić świat lepszym miejscem dla przyszłych
pokoleń.
3
W szczególności, inżynierowie naszej dyscypliny będą:• Projektować procesy i produkty, które są innowacyjne, energooszczędne i ekonomiczne,
czyniąc najlepszy użytek z rzadkich bogactw naturalnych i zapewniając, że odpady i
niekorzystne oddziaływanie na środowisko zostaną zminimalizowane.
• Osiągać najwyższe standardy bezpieczeństwa w produkcji i wykorzystaniu produktów
wszelkich rodzajów.
• Dostarczać procesów i produktów, które dadzą ludziom schronienie, odzież, pożywienie i
dobre zdrowie.
Pracować wspólnie z innymi dyscyplinami w poszukiwaniu rozwiązań.
Angażować się w uczciwy i otwarty dialog ze społeczeństwem nad wyzwaniami, które
niesie produkcja dóbr żądanych przez społeczeństwo.
Popierać badania pozwalające naszej dyscyplinie odpowiadać w pełni na globalne
wymagania.
Zachęcać najzdolniejszych i najlepszych młodych ludzi do naszej dyscypliny i popierać ich
nieustanny rozwój zawodowy.
W tym celu musimy współpracować i szanować wspólne wysiłki w dążeniu do spełnienia
tego wyzwania. Jesteśmy świadomi, że wyzwanie to nie może zostać spełnione jedynie
dzięki naszym wysiłkom ale to nie umniejsza naszej
odpowiedzialności w dążeniu do jego spełnienia.
Ułożono w Londynie z okazji obchodów 75 rocznicy IChemE 10 kwietnia 19974
"Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r
(autor hasła prof. St.Wroński)
To już jest nieaktualna definicja
4
Na zjeździe AIChE w 1922 roku zaaprobowano pojęcie operacji jednostkowej (obecnie procesu
jednostkowego). Idea nasuwała się sama. Każdy, dowolnie skomplikowany proces technologiczny,
przebiegający w dowolnej skali, da się rozłożyć na pewne składowe, takie jak: przepływy płynów przez
rurociągi, filtracja, sedymentacja, odparowanie, destylacja, rektyfikacja, absorpcja, ekstrakcja, adsorpcja,
suszenie, krystalizacja, sublimacja oraz liczne procesy chemiczne z towarzyszącymi im zjawiskami ruchu
masy i ciepła. Każdy ciąg technologiczny jest zatem zbudowany z pewnej sekwencji operacji
jednostkowych, jak z klocków Lego. Idea ta była potem rozwijana przez dziesięciolecia, z pożytkiem
dla inżynierii chemicznej i jej użytkowników.
Pojęcie operacji jednostkowej było pierwszym owocem unifikacji metod badawczych inżynierii
chemicznej. Było też jej pierwszym poziomem.
• Operacja jednostkowa (ang. unit operation) jest to
wyodrębniony zespół, fizycznych przemian materii (bez
reakcji chemicznej), charakterystyczny ze względu na ich
skutek.
• Proces jednostkowy (ang. unit process) jest to
wyodrębniony zespół przemian fizycznych i chemicznych
materii, charakterystyczny ze względu na zachodzącą
reakcję chemiczną.
6
Z chwilą lepszego poznania operacji jednostkowych okazało się, że nie stanowią one wyodrębnionych
jednostek. Innymi słowy, nie są one "klockami elementarnymi".
7
Procesy jednostkowe zaczęto traktować, jako specjalne przypadki lub kombinacje szeregowo-
równoległe: przenoszenia pędu, przenoszenia ciepła oraz/lub dyfuzyjno-kinetycznego ruchu masy.
Przykładowo: filtracja - specjalnym przypadkiem hydrodynamiki przepływu, a destylacja jest
połączeniem wspomnianego ruchu masy oraz ruchu ciepła..
Z kolei proces w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu płynu, dyfuzyjnego ruchu
masy, transportu ciepła oraz reakcji.
Przykładowo: destylacja jest połączeniem wspomnianego ruchu masy i ciepła, a filtracja - specjalnym
przypadkiem przepływu. Z kolei proces w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu
płynu, dyfuzyjnego ruchu masy oraz transportu ciepła.
W latach 50-tych (wtedy powstało światowe czasopismo Chemical Engineering Science) obserwuje się
stopniowe odchodzenie od koncepcji operacji jednostkowych na korzyść idei zjawisk przenoszenia. W
miejsce ujęć empirycznych - dominujących w "epoce operacji jednostkowych" zaczęto wprowadzać opisy
ilościowe oparte na prawach zachowania i na znajomości mechanizmów rządzących procesami.
"Klockami elementarnymi" okazały się zjawiska leżące u podstaw wszelkich procesów fizycznych i
chemicznych.
Tak wykrystalizował się drugi poziom unifikacji inżynierii chemicznej. Czy istnieje poziom trzeci?
Takie podstawowe podejście do zjawisk przenoszenia i procesów chemicznych oznaczało, iż wagi
nabrała ich analiza matematyczna. To z kolei stworzyło ogromne możliwości przewidywania właściwości
technologicznych i ekonomicznych dowolnie zaprojektowanych procesów lub ich ciągów poprzez
symulacje komputerowe.
Operacje jednostkowe
inżynierii chemicznej
Procesy jednostkowe
inżynierii reakcji
chemicznych
1. Operacje dynamiczne
• Przepływ płynów
• Sedymentacja
• Fluidyzacja
• Filtracja
• Rozdrabnianie
• Mieszanie
• Flotacja
2. Wymiana ciepła
• Ogrzewanie i chłodzenie
• Wrzenie, kondensacja, sublimacja
3. Wymiana masy
• Destylacja, rektyfikacja
• Absorpcja
• Rozpuszczanie, krystalizacja
• Ekstrakcja
• Adsorpcja
• Nawilżanie, suszenie
1. Procesy przebiegające w warunkach
zbliżonych do warunków normalnych
• Procesy roztworowe
• Procesy dyfuzyjne z udziałem
reakcji chemicznych
• Absorpcja
• Procesy kontaktowe i kataliza
2. Procesy przebiegające w wysokich
temperaturach
• Spalanie, zgazowanie, piroliza
• Reakcje faz stałych
• Kalcynacja
• Elektrotermia
3. Procesy wysokociśnieniowe
• Reakcje w autoklawie z udziałem cieczy
• Wysokociśnieniowe reakcje
kontaktowe z udziałem gazów
4. Reakcje elektrochemiczne
7
Celem inżynierii chemicznej i procesowej jest wytwarzanie produktów przemysłu chemicznego, czy szerzej
produktów całego szeregu przemysłów przetwórczych.
Powszechnie zaakceptowana definicja inżynierii chemicznej i procesowej mówi, że jest to nauka techniczna,
która wykorzystuje podstawy: matematyki, fizyki, biologii i chemii do opisu i realizacji procesów, w których
materia ulega przemianom fizykochemicznym, prowadzącym do jej pożądanej formy, czyli produktu.
Jerzy BAŁDYGA
Podstawami Inżynierii Chemicznej i Procesowej są teoria i opis matematyczny zjawisk transportu (przenoszenia,
ruchu): pędu w tym przepływów wielofazowych, ciepła, masy.
Klasyczna inżynieria chemiczna zajmuje się badaniem podstaw teoretycznych procesów jednostkowych
składających się z w/w zjawisk transportu a służących do rozdzielania mieszanin substancji, w tym:
- mechanicznych, jak np.: sedymentacja, filtracja i wirowanie,
- złożonych z ruchów ciepła o masy, dwu- i więcej fazowych: absorpcji, adsorpcji, ekstrakcji, krystalizacji, destylacji,
suszenia, itp..
Bardzo ważnym działem jest Inżynieria reakcji chemicznych.
Inżynieria chemiczna i procesowa uczy projektowania aparatów, procesów i ciągów technologicznych, a ponadto
optymalnych metod przebiegu procesów oraz sterowania nimi. Jest nauką uniwersalną o procesach występujących nie
tylko w przemyśle chemicznym, ale we wszystkich przemysłach przetwórczych, gdzie wytwarza się produkty w
odpowiedniej postaci handlowej. Obecnie inżynieria procesowa wkroczyła w dziedzinę ochrony środowiska w części
dotyczącej teorii procesów, a także projektowania i wyboru aparatury stosowanej w biotechnologii, nanotechnologii,
ochronie wód, powietrza i gleby.
8https://pl.wikipedia.org/wiki/Technologia_chemiczna_i_inżynieria_procesowa
Priorytetowymi kierunkami badawczymi inżynierii chemicznej i procesowej
oraz inżynierii bioprocesowej są obecnie:
• Inżynieria reaktorów (reakcji) chemicznych,
• Inżynieria bioprocesowa (biochemiczna),
• Nowoczesne, niekonwencjonalne metody rozdzielania mieszanin,
• Odnawialne nośniki energii,
• Procesy i aparaty chemiczne w ochronie środowiska,
• Procesy w skali nano – nanotechnologie,
• Intensyfikacja procesów, zaawansowane sterowanie procesami.
9
Tadeusz Hobler – „Ruch ciepła i wymienniki”
Mieczysław Serwiński – „Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej”
Tadeusz Hobler – „Dyfuzyjny ruch masy i absorbery”
Praca zbiorowa pod red. Z. Ziółkowskiego – „Procesy dyfuzyjne i termodynamiczne” –
skrypt Pol. Wrocławskiej część; 1; 2; 3;
Z. Kembłowski, St. Michałowski, Cz. Strumiłło, R. Zarzycki – „Podstawy teoretyczne
inżynierii chemicznej i procesowej”
C.O. Bennett, J.E. Meyers, „Przenoszenie pędu, ciepła i masy”
Red. T. Kudra –„ Zbiór zadań z podstaw teoretycznych inżynierii chemicznej i procesowej”
R. Zarzycki – „Zadania rachunkowe z inżynierii chemicznej”
K.F.Pawłow; P.G. Romankow; A.A. Noskow – „Przykłady i zadania z zakresu aparatury i
inżynierii chemicznej”
Z. Kawala; M. Pająk; J. Szust – „Zbiór zadań z podstawowych procesów inżynierii
chemicznej”; skrypt Pol. Wrocławskiej cz.: I, II, III
Praca zbiorowa pod red. J. Bandrowskiego – „Materiały pomocnicze do ćwiczeń i projektów
z inżynierii chemicznej” – skrypt Pol. Śląskiej
LITERATURA
10
Podstawowym narzędziem służącym do opisu poszczególnych procesów jest
modelowanie matematyczne, polegające na analizie przebiegu procesu przy
pomocy układów równań matematycznych i fizycznych zwanych modelami dynamiki
danego procesu.
Inżynieria chemiczna i procesowa
11
Modele są syntezą informacji zaczerpniętych z: fizykochemii, termodynamiki,
hydrodynamiki płynów, nauki o transporcie pędu, ciepła i masy oraz szeregu innych
dyscyplin naukowych.
Modelowanie umożliwia przewidywanie przebiegu procesów w aparatach niezależnie
od ich wielkości.
Modelowanie matematyczne procesów Inżynierii Chemicznej oraz projektowanie
procesów i aparatów opiera się na dość skomplikowanych obliczeniach. Niemal w
każdym przypadku niezbędne jest użycie komputera jako środka wspomagającego.
Nowoczesny inżynier chemik musi posługiwać się komputerem z taką samą wprawą
jak specjalistyczną aparaturą chemiczną.
W ramach Inżynierii bada się podstawy teoretyczne procesów przemiany materii
(i opisuje się przebieg tych procesów w czasie i przestrzeni - WP) tworząc tzw.
modele matematyczne. Modele po weryfikacji eksperymentalnej, wykorzystuje się do
optymalizacji przebiegu procesów, sterowania procesami, bezpiecznego ich
prowadzenia i przewidywania przebiegu procesów przetwórczych oraz do projektowania
urządzeń, aparatów, ciągów technologicznych, itp. Jak widać, w centrum
zainteresowania jest tu proces.
12
m kg NaOH
m kg H O2
Świeża żółć wołowa
KONSERWACJA I PRZECHOWYWANIE
3m kg NaOH
3m kg H O2
HYDROLIZA CIŚNIENIOWA
ZAGĘSZCZANIE HYDROLIZATU I
Woda (destylat)
EKSTRAKCJA SOLI BUTANOLEM
Odpad 40.5 kg
Fazawodna
Dest.azeot.
Faza
butanol.
DESTYLACJA AZEOTROPOWA BUTANOLU
Butanol 3.5 kg
Butanolnas.H O
2
2
Woda
Azeotrop
Straty
Faza wodna
Butanol nas. H O 19 kg
100 kg
100+2m kg
100+8m kg
ok.60 kg
50 kg
25 kg
43 kg 32 kg2.5 kg
31 kg
Woda50 kg
19 kg
4 kg
40 kg
Hydroli-zat
13
Fazawodna m kg Kwas solny 1:x m/m
Faza toluenowa 16 kgFazawodna
EKSTRAKCJA TOLUENEM T-IDESTYLACJA
Odpad
Toluen 1 kg
m/4 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IDESTYLACJA
Osad OE-1Octan et.4 kg
1.5 kg Straty octanu etylu
m/9 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIDESTYLACJA
Osad OE-2
Octan et. 2 kg
0.7 kg Straty octanu etylu
m/10 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIIDESTYLACJA
Osad OE-3Octan et.1.6 kg
0.6 kg Straty octanu etylu
Faza octan.10 kgProdukt 0.35 kg(kw.cholowy OE-III)
STRĄCANIE KWASU CHOLOWEGO
m/2 kg Kwas solny 1:x m/m1.4 kg MeOH
38 kg H O2
Produkt 3.6 kg
Kwas cholowysurowy (strącany)
Odpad 88.8 kg
ok.50 kg
0.4 kg Octan et.11 kg
Faza octan.10 kg
1 kg
Faza octan.10 kg
1 kg
Octan et.11 kg
Octan et.13 kg
40+m kg
2 kg Toluen 15 kg40 kg
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
14
Nomeklatura Podstawowe nazewnictwo
Ruch ciepła
Ruch masyIlość masy składnika kluczowego A przenoszona w czasie to: -[kmolA];
lub - [kgA];
Strumień masowy: [ kmolA /s]; [ kgA /s];
Gęstość strumienia masy:: [kmol/m2s]
Szybkość ruchu masy.
[kgA/m2s]
Am
mA'
mA '
Am
''AAN m A
AAN m A
15
Nomeklatura c.d. Ruch masy – oznaczenia, nazewnictwo
Rodzaj stężenia
Nazwa stężenia Symbol Definicja Wymiar
Faza
gazowa
Faza
ciekła
Stężenie ogólnie ZA SA
Ciśnienie cząstkowe pA - Pa
Koncentracja molowa C’Ag C’
Ac[kmolA/m3]
Koncentracja masowa CAg CAc[kgA/m3]
Udział molowy yA xA[kmolA/kmol]
Udział masowy wA uA [kgA/kg]
Stosunek molowy YA XA[kmolA/kmol
i]
Stosunek masowy WA UA [kgA/kg i]
VnA
VmA
nnA
mmA
iA nn
iA mm
Ay
AXAY
Ax
16
Elementy opisujące własności czynnika oraz elementy termodynamiki
(mieszanin gazowych i ciekłych)
Elementy przenoszenia pędu
17
monografia prof. St. Bredtsznajdera „Własności gazów i cieczy”, WNT W-wa 1962
Własności Parametry opisujące własności czynnika
(mieszanin gazowych i ciekłych)
N
i
N
iiiiiz MxMyM
1 1
lubMasa molowa zastępcza dla mieszaniny gazowej lub ciekłej:
Gęstość
GAZY: Dla gazu idealnego parametry p, v, T wiąże ze sobą równanie stanu –Clapeyrona:
pv = nRT [kg/m3] gdzie v -[m3/kg]
Dla gazu rzeczywistego: z = f(Tr, pr)
vv
n
T
pM
R
M
z
v
M
v
1
v zT
pM
R
pM
z T
z
R TT
Tp
p
pr
kr
r
kr
;
Metoda Parametrów Zredukowanych:
N
ikriim,kr TyT
1
N
ikriim,kr pyp
1
Dla mieszaniny gazowej:
18
CIECZE: gęstość mieszanin cieczy - 1
1
N
ii
m N
ii
m
V
1 2 1 2
2 1 1 2
m
m m
m m
Dla 2-składnikowej
mieszaniny cieczy
Hydrodynamika (przenoszenie pędu)Prawo zachowania ciągłości strugi:
FwFwFgVm 0
gdzie: [m3/s] - przepływ objętościowy; [kg/m3] - gęstość płynu; g [kg/m2s] - prędkość masowa
płynu; F [m2] - przekrój poprzeczny rurociągu; w0 [m3/m2s] - prędkość objętościowa płynu; w [m/s]
- prędkość liniowa płynu.
V
Charakter przepływu płynu
Re wd gd wd
gdzie: [Pas] - współczynnik dynamiczny lepkości płynu; [m2/s] - współczynnik kinematyczny
lepkości płynu.
w prostej rurze
gdzie: O [m] - obwód zwilżany przez płyn
dF
Oe
4W przewodzie o przekroju różnym od kołowego
19T. Hobler „Ruch ciepła i wymienniki”, WNT W-wa 1986
Przepływy dwufazowe (gaz - ciecz; ciecz - ciecz)
Hydrodynamika c.d.
Spływ grawitacyjny cieczy po ścianie
Rezc
4
m
O
cgdzie: to jednostkowe natężenie zraszania ściany cieczą
Przepływy przez wypełnienie nieruchome
Definicje parametrów wypełnienia, które określa każdy producent wypełnień:
a [m2/m3] - powierzchnia jednostkowa (właściwa) wypełnienia;
[m3/m3] - objętość swobodna (właściwa) wypełnienia.
Wartości a oraz w tablicach.
Dla fazy płynącej ruchem wymuszonym rdzeniem przekroju aparatu:
Reze eg d
dF
Oe
e
e
4
da
e 4
gm
Fe
Rez
m
F a
g
a
4 4 0
Dla fazy płynącej spływem grawitacyjnym po wypełnieniu:
Reze
c
4
ec
e
m
O
Oe = a F Rezc
g
a 0
20T. Hobler „Dyfuzyjny ruch masy i absorbery”, WNT W-wa 1982
Opory przepływu płynuOpór przepływu płynu przez rurociąg prosty jest funkcją następujących zmiennych:
p = f (w, d, L, , )
W myśl zasad Analizy Wymiarowej funkcję tę zapisujemy funkcją potęgową (metoda
Rayleigh’a): p = C d a Lb w c d e
Porównajmy wymiary:p [N/m2] = [kg/ms2] = = d a [m] a
Lb [m] b
wc [m/s]c
d [kg/m3] d
e [kg/m s] e
a stąd:p = C w (2-e) d (-b –e) Lb e (1 – e)
a teraz wykładniki przy poszczególnychwymiarach:
[kg] 1 = d + e
[m] – 1 = a + b + c – 3d – e
[s] – 2 = – c – e
Rozwiązując tak otrzymany układ równań orazwyrażając pozostałe wykładniki przez b i eotrzymujemy:
d = 1 – e
c = 2 – e
a = – b – e
Grupujemy parametry według wykładników: parametry z cyfrą na lewą
stronę r-nia; na prawej stronie: wszystkie parametry z wykładnikiem e
razem; wszystkie parametry z wykładnikiem d razem.
e b
2C
p L
wd dw
21Mieczysław Serwiński – „Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej”
Opory przepływu płynu c.d.
p
w 2
Eu - moduł (liczba Eulera), charakteryzujący stosunek sił oporów
ciśnienia do sił bezwładności płynu,
Re
dw - liczba Reynoldsa,
przy wykładniku - b = 1gKL
d
- moduł geometryczny
Eu C
ReAL
dPostać końcowa:
przy wykładniku - e = A
22
Opory przepływu płynu c.d.
Po rozwikłaniu równania Eulera ze względu na p, otrzymamy:
pw L
d
2
2równanie Darcy-Weisbacha
- dla Re < 2100: 64
Re
- to współczynnik oporu hydraulicznego.
Empirycznie wyznaczono zależność tego współczynnika od Re i otrzymano:
0 3164
0 25
.
Re .
- przepływ burzliwy Re = 3 *103 105
- równanie Blassiusa,
0 00320 321
0 237.
.
Re .- równanie Nikuradze:
- przepływ burzliwy Re > 105
23
Opory przepływu płynu c.d.
Opory podczas przepływu płynu przez warstwę wypełnienia:
pw L
de
e
e
2
2zmodyfikowane równanie Darcy-Weisbacha:
p
w L
de
n
n
2 3
3
3
2
1równanie Leva: 3
6
Vde
edwRe
p fg L
de
2 0
2
2 równanie Żaworonkowa: Rez
m
F a
g
a
4 4 0
gdzie: - to współczynnik oporu miejscowego, którego wartości podawane są w tablicach
Opory miejscowe pw
2
2
24
Opory przepływu płynu c.d.
160
3
20
1250250
y
x
exp(-4x) 1.2 y
.
w
c
gc
gkr
.
gc
g
.
g
c
g
aw
m
m
Zjawisko zalewania (zachłystywania się) aparatu
Korelacja Kafarowa - Dytnierskiego
Dla układu gaz-ciecz:
20
21
1601250
3
20
1250250
y
x
(-4x)exp 1.2 y
.
m
.
w
c
.
RE
Ekr
.
RE
E
.
R
E
g
aw
V
V
Dla układu ciecz-ciecz:
wrz = z krw0
z < 1 najczęściej 0.7 - 0.8
25
Recommended