Kémiai technológia I.A kémiai technológia általános jellemzése

2. előadás

Kémiai technológiák jellemzői

Technológia: Nagy számú változóval dolgozik Vezérlő változó a költség Megfelelő termékminőség Nagyméretű berendezések Szervezés döntő szerepet játszik

Tudomány Technológia

Cél: tud. eredmény Cél: szükségletek kielégítése

Mibe kerül??? Profitorientált

Alaptörvényei Törvény: objektív, tartós, ismétlődő

Kémiai technológia törvényei(természeti + társadalmi)

Törvény

Természeti(term. törvényekből

levezethetők)

Társadalmi(tendencia, rövid ideig megsérthető, tartósan

nem)

Alaptörvényei1. Költségparaméter törvénye2. A paraméterek nagy számának törvénye

Vezérlő paraméterek

3. Léptékhatás törvényelaborkísérlet félüzemi kísérlet nagyüzem B1 B2

B1 a kisebb üzem beruházási költsége

B2 a nagyobb üzem beruházási költsége

K1 a kisebb üzem kapacitásaK2 a nagyobb üzem kapacitásax: 0,6 – 0,9

Alaptörvényei4. Automatizáció törvénye5. ( Nem valósítható meg az a technológia, amely

mai tudásunk szerint a környezet terhelését nem minimalizálja)

Fejlődéstörvények: A nyersanyagok értékes alkotóinak mennyisége

idővel csökken Az energiaigényes szennyező technológiákat a fejlett

országokból a fejlődőkbe viszik Nincs olyan termék, melynek a minősége nem

javítható A jobb minőségű termék előállítása kisebb energiát,

anyagot kíván

A vegyipari folyamatok osztályozása üzemmód szerint A kémiai reakciókat leggyakrabban üstreaktorban

vagy csőreaktorban végzik. Szakszos technológia ajánlott, ha:

A termelési kapacitás kisebb mint 500 t/év. Szezonális és/vagy rövid élettartalmú termék

esetében. Kis reakciósebesség (un. lomha reakciók) esetén. Nehezen kezelhető anyagok (pl.: zagyok) reakciójánál. Gyorsan bomló, szennyeződésre érzékeny anyagok

esetén. Finomkémiai termékek, gyógyszerek,

növényvédőszerek esetében

Szakaszos és folyamatos gyártás Folyamatos technológia ajánlott, ha:

A termelési kapacitás nagyobb mint 5000t/év. Tartós, nagy kereslettel rendelkező termékek

gyártásánál. Olajipari, gázipari technológiák esetében.

500 és 5000 t/év kapacitás között az adott céltermék és a piac jellemzői határozzák meg az előállítás módját.

Szakaszos gyártás Időben periodikusan ismétlődő

részműveletekből áll.1. Kiindulási anyag adagolása.2. Művelet elvégzése vagy folyamat levezetése.3. Készülék vagy gép ürítése.4. Tisztítás.

Folyamatos gyártás Az egész gyártóberendezésen át gyakorlatilag állandó sebességgel

áramlanak a folyamatban résztvevő anyagok, miközben olyan körülményeket biztosítunk, hogy a kívánt átalakulás lejátszódjék.

1. Kiindulási anyagok (a és b) elegyítése. 2. Az elegy felmelegítése. 3. A reakció levezetése a tartózkodási idő alatt. 4. Az elegy hűtése. 5. A melléktermék(ek) (c) elválasztása a termék(ek)től (d).

Folyamatos gyártás - kaszkádrendszer Folyamatos csőreaktor helyett használhatunk két vagy több

szakaszos reaktort: 1. Kiindulási anyagok (a és b) elegyítése. 2. Az elegy felmelegítése. 3. Adott ideig tartó reakció: tartózkodási idő a műveleti egységben. 4. Az elegy hűtése. 5. A melléktermékek (c) elválasztása a termékektől (d).

Tartozkodási idő Az az időintervallum, amely alatt az anyag a

műveleti egység belépési és kilépési pontja között áthalad. Jele: τ

Folyamatos gyártás esetén:

Tartózkodási idő Kaszkádrendszer esetén:

A gyártás gazdaságosságával kapcsolatos alapfogalmak Konverzió: Megmutatja, hogy az összes bevezetett anyagnak

hány %-a alakult át.

Hozam (kitermelés): Megmutatja, hogy az összes bevezetett anyagnak hány %-a alakult át a kívánt céltermékké.

Szelektivitás: Az átalakult anyag céltermékké alakult %-át adja

A fenti paramétereket a gyártás során jelenlévő minden résztvevő anyagra külön kell számítani.

A hozamot minden egyes műveletre ki kell számítani. Az egyes lépések hozamainak összegéből adódik a végső hozam.

A gyártás gazdaságosságával kapcsolatos alapfogalmak A kapacitás egyrészt befogadóképességet

jelent, másrészt gyártási kapacitás értelemben azt jelenti, hogy az adott készülékben vagy berendezésben bizonyos idő alatt mennyi termék állítható elő. (pl.: 4.5tonna/nap). Optimális gyártási kapacitásnál kisebb kapacitású

üzemek már kevésbé gazdaságosak.

A termelékenység az egységnyi idő alatt gyártott terméket jelenti mennyiségben vagy értékben kifejezve, rendszerint a gyártásban közvetlenül vagy közvetve foglalkoztatott egy főre vonatkoztatva. (15000 Ft./fő).

Termelési költségek Nyersanyagköltség: a gyártáshoz közvetlenül felhasznált

nyersanyagok értéke. Energiaköltség a gyártásnál. Közvetlen munkabér: azoknak a dolgozóknak a munkabére, akik

közvetlenül a termékelőállításával foglalkoznak. Amortizáció: a gyártóberendezések elhasználódásának következtében

beálló értékcsökkenés. Általános költségek: a gyár azon részeinek költsége, melyek nem

végeznek közvetlenül termelő munkát, mint az igazgatás, irodák, karbantartó műhelyek, fürdők…

Általános amortizáció: a nem közvetlenül termelő munkát végző berendezések, épületek, utak… elhasználódásának következtében beálló értékcsökkenés.

Egyéb költségek: a termék árának az a része, amit adóra, kutatásra, a gyár fejlesztésére, új épületekre, gépekre, új eljárások bevezetésére és szociális kiadások egy részére fordítanak.

Környezetvédelmi költségek

Az anyag útja a vegyipari műveletekben és folyamatokban A vegyipar célja a maximális hasznos konverzió elérése (>95%:

csak a kívánt termék keletkezik). Egyes nagy volumenekben gyártott termékeknél csak így lehet nagyipari gyártást létrehozni (cementgyártás, szuperfoszfátgyártás, vasgyártás, kénsavgyártás).

Gyakran csak részleges az átalakulás. A változatlanul maradt kiindulási anyagokat (a és b) el kell

választani (2) a termékektől (c) és amennyiben lehet újra fel kell használni a gyártásban (1):

A visszavezetést recirkulációnak nevezik

A recirkuláció okai Egyensúlyhoz vezető reakció megy végbe, és

nem volna gazdaságos olyan körülmények között vezetni a reakciót, hogy erősen megközelítsék a teljes átalakulást (nagyon nagy nyomás alatt kellene dolgozni térfogatcsökkenéssel járó egyensúlyi reakcióknál). Ilyen eset pl.: az ammóniaszintézis:

A recirkuláció okai Az egyik reakciókomponensnek feleslegben

kell lennie: Kedvező egyensúlyi helyzettel kell megközelíteni

az optimális átalakulást. Robbanóelegy képződésének elkerülése (oxidációs

reakciók). Másodlagos reakciók elkerülése (benzol

klórozása):

A recirkuláció okai A termék csak kis koncentrációban lehet jelen a reakcióelegyben

a reakciókörülmények között, mert nagyobb koncentrációban másodlagos reakciók mennének végbe. Ilyen eset az etil-benzol dehidrogénezése sztirollá, ami nagyobb koncentrációban polimerizálódnék:

Mechanikai műveletek között is találhatók példák recirkulációra. Ilyen például az, amikor egy anyagot finomra kell őrölni, a finom szemcséjű frakciót szitálással elkülönítik, a többit pedig visszavezetik az őrlőbe

A gyártási folyamatok ábrázolása Reakció (ΔH=…..kJ/mol vagy kcal/mol) Folyamatábra, feltüntetve az egyes berendezésekkel,

anyagáramokkal, főbb műveleti paraméterekkel (egyes berendezések üzemi hőmérséklete, nyomása…)

A nitrobenzol szakaszos gyártása Reakció:

Mechanizmus:

A nitrobenzol szakaszos gyártása Folyamatábra:

A vegyipari folyamatok osztályozása a reakcióközeg halmazállapota szerint A vegyipari folyamatok céltudatos lefolytatása

három kritérium optimumának beállítását célozza:1. A reakció termodinamikailag lehetséges legyen

(szabadentalpia csökkenés)2. A reakció folyamán a különböző molekulák

molekulánkként találkozhassanak3. A molekulák között a reakció kellő gyorsassággal

menjen végbe Ideális esetben:

A + B = C + DNehezen biztosítható, hogy minden A molekula mellett egy B molekula legyen: tökéletes homogenizálás

A reakcióközeg halmazállapota Gáz – gáz rendszerek Folyadék – folyadék rendszerek Gáz – folyadék rendszerek Gáz – szilárd rendszerek Szilárd – folyadék rendszerek Szilárd – szilárd rendszerek

Katalitikus ipari folyamatok Katalizátor: Módosítja a reakció irányát és/vagy sebességét,

de nem jelenik meg a reakció végtermékei között. Ha egy reakciónak az aktiválási energiája nagy, akkor csak

jelentős energiabefektetéssel (magas hőmérséklet) hajtható végre a reakció.

A katalizátorok csökkentik a reakció aktiválási energiáját (leggyakrabban úgy, hogy alternatív reakcióutat nyitnak, lehetővé téve a lassú, sebességmeghatározó lépés megkerülését), így azonos hőmérsékleten nagyobb lesz a reakció sebessége.

A katalizátor nem befolyásolja a rendszer egyensúlyi helyzetét, csak a sebességet, amellyel az egyensúly beáll!

 Reakciók sebességének határa a molekulák diffúziója! A katalízis három fő típusa: homogén katalízis, heterogén

katalízis, enzimkatalízis .

A katalízis energiadiagramja

Csökkenthetők a berendezések (reaktorok) nagysága

Kevésbé drága szerkezeti anyagokat kell használni

Energiagazdálkodás

Homogén katalízis A katalizátor és a reagensek azonos fázisban

vannak: SO2 + ½ O2 SO3, ∆H=

- A folyamat az aktiválási energia nagysága

miatt lassan megy végbe, azonban, ha nitrogén-oxidok is jelen vannak, akkor a sebesség megnövekszik, mert

NO2 + SO2 SO3 + NONO + ½ O2 NO2

A két folyamatnak egyenként kisebb aktiválási energia szükséges

Heterogén katalízis

Lépései:1. A reagáló molekulák

diffúziója a szilárd katalizátor felületére

2. A reagáló molekulák adszorpciója a felületen

3. Az aktiválási energia felvétele a katalizátor „aktív gócairól”

4. Reakció5. A termék diffúziója a

katalizátorról

•A katalizátor és a reakcióelegy külön fázisban vannak •A katalizátor könnyen visszanyerhető a reakcióelegyből •Hátrányuk, hogy néhány kivételtől eltekintve nem szelektívek

Enzimkatalízis A katalizátorok speciális ún. aktív centrummal

rendelkző fajlagos aktivitású fehérjemolekulák. Az enzimkatalízisnek mind, homogén mind heterogén rendszerekben működő változatai ismeretesek. 

Előnyük, hogy rendkívül specifikusak és csak az enzimre jellemző reakciót katalizálják.

Hátrányuk, hogy nagyon érzékenyek a környezeti paraméterek megváltozására

Drágák