Inżynieria Chemiczna i Bio-Procesowa -- wykład podsumowujący semestr I-szy rok akademicki , semestr zimowy

Transkrypt

1 Inżynieria Chemiczna i Bio-Procesowa -- wykład podsumowujący semestr I-szy rok akademicki , semestr zimowy prof. M. Kamioski (z wykorzystaniem prezentacji dr hab. inż. Bogdana Chachulskiego, dr inż. Iwony Hołowacz, dr inż. Donaty Konopackiej Łyskawy) Gdaosk, 018

2 Przedmiot zainteresowania inżynierii procesowej Inżynieria procesowa / bioprocesowa, to dziedzina wiedzy teoretycznej i praktycznej, a także określony obszar umiejętności praktycznych, dotyczący opisu, projektowania optymalnych warunków stosowania, a także optymalnej realizacji w praktyce różnego rodzaju operacji jednostkowych w procesach technologicznych / biotechnologicznych - w technologii chemicznej i pokrewnych, w tym, w biotechnologii, przemyśle farmaceutycznym, przetwarzania żywności itp.; Inżynieria posługuje się : - opisem matematycznym (w tym, analizą matematyczną (formułowaniem i analitycznymi, lub numerycznymi metodami rozwiązywania równao różniczkowych, teoretycznymi narzędziami optymalizacji itp.), - modelowaniem (teoretycznym, a także doświadczalnym) operacji jednostkowych i procesów, - powiększaniem skali operacji jednostkowych / procesów ze skali laboratoryjnej, poprzez wielkolaboratoryjną, ¼ techniczną, półtechniczną, zwanymi skalą pilotową, do skali technicznej (procesowej) - wieloma innymi narzędziami, w tym, doświadczalną weryfikacją hipotez,, modeli, opisu operacji jednostkowych i procesów. Poszukuje się zawsze minimum funkcji Ef = f(k Ł ), tzn., Efektywnośd operacji / procesu - vs. koszty łączne (koszty inwestycyjne + materiałowe + operacyjne + pracy + inne).

3 Cel przedmiotu Poznanie i zrozumienie fizycznych i fizyko-chemicznych mechanizmów zjawisk mających miejsce podczas jednostkowych operacji technologicznych i biotechnicznych w skali od laboratoryjnej przez wielkolaboratoryjną, ¼ techniczną, ½ techniczną, do procesowej (niekiedy pomija się niektóre z wymienionych etapów) w przenoszeniu / powiększaniu skali operacji jednostkowych, czy procesów mających miejsce w technologii chemicznej i pokrewnych oraz w bio-technologii; Poznanie i zrozumienie wpływu najważniejszych parametrów operacyjnych i zmian tychże na wartośd najważniejszych parametrów procesowych, dla: - oporów hydrodynamicznych (hydraulicznych), - oporów ruchu (wymiany) ciepła oraz na wartości strumieni przepływu ciepła, - oporów ruchu (wymiany) masy, lub, masy i ciepła oraz na wartości strumieni masy (w tym semestrze tylko dla operacji membranowych wymiany masy), a także, ruchu masy i ciepła - jednocześnie; Nabycie umiejętności w zakresie podstawowych zasad przewidywania ( projektowania - obliczania) wartości najważniejszych parametrów oraz kierunków zmian podstawowych parametrów operacji jednostkowych / procesów realizowanych w warunkach stanu ustalonego (braku zmienności wielkości procesowych w funkcji czasu trwania określonej operacji jednostkowej / procesu).

4 Zakres przedmiotu w I-szym semestrze kursu Wprowadzenie. Statyka płynów. Płyny doskonałe. Równanie Bernoulliego. Płyny rzeczywiste. Lepkośd płynów. Analiza wymiarowa - założenia metodyka - kryteria podobieostwa. Opory przepływu płynów w przewodach - równanie Darcy-Weisbacha. Opory lokalne. Opory przepływu płynów przez warstwy porowate - równanie Leva. Fluidyzacja. Moc pompy. Opadanie cząstek w płynach. Sedymentacja, Komory pyłowe, Klasyfikatory hydrauliczne. Separacja cząstek pod wpływem siły odśrodkowej (cyklony, hydrocyklony, wirówki). Filtracja - ogólne równanie filtracji, filtracja pod stałym ciśnieniem. Filtracja przy stałym objętościowym natężeniu przepływu filtratu. Filtracja dwustopniowa. Filtr obrotowy. Filtracja pod wpływem siły odśrodkowej. Procesy membranowe: wprowadzenie, mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja, odwrócona osmoza, dializa. Mieszanie - typy mieszadeł a cyrkulacja cieczy w mieszalniku; indeks/stopieo mieszania, czas mieszania, moc mieszania, efektywnośd mieszania, intensywnośd mieszania. Analiza wymiarowa procesu mieszania; Kryteria podobieostwa dla mieszania. Moc mieszania. Wymiana ciepła wprowadzenie (podstawowe definicje). Przewodzenie ciepła. Wnikanie ciepła: konwekcja swobodna i wymuszona, wnikanie podczas wrzenia, podczas kondensacji pary nasyconej. Przenikanie ciepła. Promieniowanie podczerwone. Wymienniki ciepła. Wyparki i zagęszczanie na drodze odparowania. Nieustalone przepływy ciepła (ogrzewanie/chłodzenie cieczy w zbiorniku/reaktorze okresowym).

5 Opis w inżynierii bazuje na - Określonych prawach fizyki i fizyko-chemii, - Bilansowaniu masy i strumieni masy, - Bilansowaniu energii i strumieni energii, - Wykorzystaniu analizy wymiarowej oraz definiowaniu bezwymiarowych liczb podobieostwa (liczb kryterialnych), np. Eu, Re, Nu, Pr, Gr,, - Wykorzystaniu zasad podobieostwa operacji / procesów w różnej skali realizacji -- najpierw, na zapewnieniu podobieostwa geometrycznego (warunek konieczny), -- następnie, na zapewnieniu podobieostwa fizycznego (warunek dostateczny) Najczęściej wystarczy równośd podstawowych liczb kryterialnych dla zapewnienia pełnego podobieostwa fizycznego operacji i procesów w warunkach 1 i (np., w skali wielkolaboratoryjnej / procesowej (z wyjątkiem projektowania podobieostwa niektórych szczególnych operacji jednostkowych - zwłaszcza operacji mieszania - tu najbardziej korzystna wydaje się podobieostwo geometryczne przy równoczesnej równości wskaźnika N/V [W/m 3 ]). - Modelowaniu różnego typu metodami, najczęściej z zastosowaniem narzędzi o charakterze matematycznym, - Formułowaniu i rozwiązywaniu równao, szczególnie, równao różniczkowych, - Iteracją (tzn. zakłada się prawdopodobną wartośd parametru operacyjnego znajdującego się w uwikłanej postaci w równaniu opisującym przebieg parametrów operacyjnych i poszukuje zgodności wartości założonej z otrzymaną w rozwiązaniu. Cel dobór (określenie) optymalnych parametrów i warunków operacji jednostkowych / procesu technologicznego / biotechnologicznego

6 Podejście inżynierskie W praktyce procesowej najczęściej wiele parametrów opisuje określoną operację jednostkową / proces. Warto pamiętad o tzw. podejściu inżynierskim, polegającym na rozpatrzeniu które z w/w parametrów mają istotny wpływ na efekt koocowy i, których wpływ ma drugorzędne znaczenie. W pierwszej kolejności należy zając się ustaleniem korzystnych wartości wielkości znaczących. Jeśli to się udało, można dalej pracowad nad tymi, które mają mniejsze znaczenie! Tę zasadę warto też zastosowad ucząc się do. Najpierw poznad i zrozumied prawa i zasady ogólne dotyczące określonego działu (zakresu problematyki), a następnie (jeśli wystarczy czasu) zając się sprawami szczegółowymi!

7 Należy znad wymiary fizyczne podstawowych wielkości fizyki i fizykochemii, a także parametrów operacyjnych inżynierii chemicznej i bio-procesowej, będących przedmiotem obliczeo inżynierskich!!! Należy pamiętad, że, i wartośd, i wymiar fizyczny obliczanej wielkości muszą byd poprawne. Jeśli sprawdzenie wymiaru fizycznego obliczanego parametru prowadzi do wniosku, że jest niepoprawny zastosowano nieprawidłową zależnośd matematyczną do wykonania obliczeo. Powyższe nie dotyczy zależności empirycznych - pół-empirycznych

8 POWTÓRZENIE PODSTAWOWYCH DZIAŁÓW INŻYNIERII UWZGLĘDNIONYCH w ZIMOWYM SEMESTRZE

9 Wielkości - miary przepływu: W - strumień masy, masowe natężenie przepływu masa płynu m o gęstości, przepływająca przez dany przekrój A w jednostce czasu : W m V - strumień objętości, objętościowe natężenie przepływu objętość płynu V, która przepływa przez dany przekrój A w jednostce czasu : V V kg s m 3 s

10 m

11 RÓWNANIE CIĄGŁOŚCI STRUGI -- strumieo masy jednakowy w każdym przekroju przewodu / warstwy porowatej (jeśli nie ma bocznych odpływów ) u 1, A 1, p 1 u, A, p h 1 h h=0 A pole przekroju poprzecznego, m Przekrój poprzeczny jest to przekrój prostopadły do kierunku przepływu płynu h wysokość położenia, m

12 u 1 h 1 g p 1 u h g p const Równanie Bernoulliego wyraża związek, jaki zachodzi między położeniem płynącego elementu płynu h, ciśnieniem p i prędkością przepływu u Każdy człon równania ma wymiar fizyczny s ; Można powiedzieć, że w czasie ustalonego przepływu płynu doskonałego suma energii kinetycznej, energii potencjalnej położenia i energii ciśnienia dla jednostki masy płynącej strugi jest wielkością stałą. m

13 Inżektor wodno wodny ( POMPKA WODNA )

14 OPORY PRZEPŁYWU / PROFIL PRZEPŁYWU PŁYNU w PRZEWODACH (RUROCIĄGACH) A ruch laminarny (uwarstwiony) B ruch burzliwy (wirowy) Re<300 Re>3000 (10 000) W warunkach przemysłowych dąży się z zasady do utrzymywania warunków przepływu burzliwego w rurociągach / aparatach oprócz kolumn z mikro-ziarnistymi wypełnieniami. W warunkach laboratoryjnych, szczególnie podczas przepływu cieczy z powodu względnie wysokich lepkości oraz niskich wartości średnic przewodów rurowych uzyskiwanie warunków ruchu burzliwego cieczy w przewodach rurowych - nie jest najczęściej możliwe. W przypadku przepływu gazu w przewodach rurowych laboratoryjnych układów reaktorowych ruch gazu ma najczęściej charakter słabo burzliwy. W warstwach porowatych tak, w warunkach przemysłowych ( procesowych, technicznych ), jak i laboratoryjnych, ruch płynu (gazu / cieczy / płynu nadkrytycznego) w przestrzeni międzyziarnowej tych obiektów ma prawie z reguły charakter laminarny (uwarstwiony)

15 Opis warunków laminarnego (uwarstwionego) (Re<300) / burzliwego (wirowego) (Re>3000) przepływu płynu lepkiego w przewodach rurowych / kanałach Profil przepływu Równania opisujące profil przepływu płynu w przewodach rurowych można wyprowadzid zrównao różniczkowych Paraboloida obrotowa Profil zmierza do równomiernego (tłokowego) W miarę wzrostu wartości liczby Reynoldsa

16 Zasady analizy wymiarowej Wyznaczanie strat ciśnienia płynu w oparciu o analizę wymiarową P f d,l,u,, d - średnica przewodu, m L - długość przewodu, na której nastąpił spadek ciśnienia płynu, m u - średnia liniowa prędkość przepływu płynu, m/s - gęstość płynu, kg/m 3 - lepkość dynamiczna płynu, Pas = N s/m

17 e d c b a u L d A P e d c b a s m kg m kg s m m m A s m kg 3 poszukiwaną zależność przedstawia się w postaci iloczynu potęg podstawowych wymiarów fizycznych układu miar (SI) wszystkie symbole należy rozumieć jako wymiary fizyczne a nie wielkości procesowe Zasady analizy wymiarowej, d,l,u, P f

18 PODOBIEŃSTWO GEOMETRYCZNE / FIZYCZNE Przepływ płynu lepkiego (η) w różnych układach pod działaniem różnicy ciśnień ΔP Eu L d P u P u L f d du, Podobieństwo geometryczne - simpleks geometryczny Liczba kryterialna Eulera - podobieństwo hydrodynamiczne w zakresie : -- stosunek sił ciśnienia (Δp wyraża różnicę ciśnień w dwóch dowolnych punktach strumienia) do sił bezwładności (ciśnienie dynamiczne odpowiadające energii kinetycznej jednostki objętości płynu), czyli określa Re ud ud Liczba kryterialna Reynoldsa, podobieństwo hydrodynamiczne w zakresie : -- stosunek sił bezwładności do sił lepkości (tarcia wewnętrznego) i określa podobieństwo hydrodynamiczne w przypadku przepływu płynu rzeczywistego przez przewody / warstwy porowate / kolumny / reaktory / wymienniki ciepła /

19 Współczynnik oporu Przepływ laminarny w przewodach rurowych / kapilarach P u P f L d du, L d u Re ud 64 Re 64 ud P 64 ud L d u 3uL P Równanie Poiseuill a d

20 Współczynnik oporu Przepływ burzliwy (wirowy) w przewodach rurowych / kapilarach Re 3000 P u L d f Re f Re, f Re - bezwymiarowy współczynnik oporów jest funkcją liczby Reynoldsa i szorstkości rury P u L d P H L d L 1 d u u g,pa,m Równanie Darcy - Weisbacha

21 Współczynnik oporu Współczynnik oporu

22 Opory lokalne Spadek ciśnienia płynu na oporach lokalnych - zmiany przekroju (nagłe zwężenie lub rozszerzenie przekroju), zmiany kierunku przepływu (np. kolanka), elementy aparatury i armatury umieszczone w drodze przepływu (zawory, kurki, zasuwy, przepływomierze itd.) - jest sumą oporów trasy przepływu (tr) - samego rurociągu oraz tychże oporów lokalnych (ol) P P tr P ol

23 g u D L D L H e, H g u g p h g u g p h Opory lokalne

24 . Opory lokalne Spadek ciśnienia płynu na oporach lokalnych P współczynnik oporu lokalnego, charakterystyczny dla danego oporu lokalnego, - ol i u Rodzaj oporu Współczynnik ξ Współczynnik n wlot 0,5 5 wylot 1 50 nagłe rozszerzenie przewodu (A 1 / A pole przekroju węższej /szerszej części) A1 1 A kolanko 90 o 0,7 35 kolanko 45 o 0,3 15 zawór 3, 150 zasuwa 0,15 7 kurek do pobierania prób

25

26

27 Opadanie cząstek / odpylanie W przypadku cząstek porowatych wewnętrznie ich gęstośd względna (ρ wzgl ) : zależy od porowatości wewnątrz-ziarnowej (ε w/z ), gęstości fazy stałej (ρ s ) oraz od gęstości płynu znajdującego się wewnątrz porów (ρ L ) ρ wzgl = ρ s (1- ε w/z ) + ρ L (ε w/z )

28 Wykorzystanie w praktyce opadania cząstek - Najczęściej - opadanie zakłócone już od ok. % v/v - SEPARACJA HYDRAULICZNA SEDYMENTACJA DEKANTACJA ELUTRIACJA ODPYLANIE FLUIDYZACJA -- W przypadku ruchu po łuku i działania sił odśrodkowych (dośrodkowych) -- Wirowanie Cyklony Hydrocyklony

29

30 lub ciecz!!!

31 Porowatośd

32

33 FLUIDYZACJA problemy w praktyce W dużej skali korzystnie wydzielid sekcje, np. wykorzystując zasadę plastra miodu lub ciecz, lub płyn nadkrytyczny

34

35

36 WIROWANIE - wirówka talerzowa rozdzielanie emulsji dwóch wzajemnie nierozpuszczalnych cieczy o różnych gęstościach lepkiej fazy ciekłej zdyspergowanej w nielepkiej ciekłej fazy ciągłej, np. rozdzielanie emulsji oleju od wody, śmietany od mleka odtłuszczonego

37 Kolumny z wypełnieniem nieporowatym wewnętrznie kształtowym / pakietowym Na rozwiniętej powierzchni wypełnienia można immobilizowad enzymy, bakterie, osad czynny

38 Opór przepływu w warstwach porowatych o litych elementach wypełnienia równanie Leva P 400 R e L d e u 1 3 lg ( ) --- wielkośd ziaren (d p d e, d z ) w Re - dla przepływu płynu w warstwach porowatych (!!!) ε porowatośd międzyziarnowa wypełnienia ϕ czynnik kształtu wypełnienia stosunek powierzchni wypełnienia do powierzchni kuli o tej samej objętości, jak element wypełnienia K współczynnik oporu przepływu L d p L c d e m d m Re = u d p ρ / η u liniowa prędkośd przepływu płynu w warstwie porowatej, obliczana dla pustej d e zastępcza średnica wypełnienia o określonej geometrii d p średnia średnica wypełnienia ziarnistego o ziarnach kulistych / nieregularnych d z średnica zastępcza wypełnienia ziarnistego z

39

40 Jeśli wartość porowatości (międzyziarnowej) wypełnienia nie zmienia się pod wpływem ciśnienia oddziałującego na wlocie płynu do warstwy wypełnienia, wypełnienie nazywamy nieściśliwym. W przeciwnym razie - ściśliwym Wypełnienie nieściśliwe / ściśliwe P 400 R e L d e u 1 3 Zredukowana przepuszczalność złoża Φ = (dp) /K, obliczona na podstawie przepuszczalności K ; K = u Lc η / ΔP, powinna wynosić ok od ok. 750 do Poniżej 750 złoże kolumny może być niestabilne (nietrwałe) kolumna zbyt luźno wypełniona; Powyżej 1500 nienaturalny opór.

41 Wypełnienie ziarniste - kolumn / adsorberów / bioreaktorów z ziarnistą warstwą porowatą o ziarnach wewnętrznie porowatych

42

43 Ziarniste warstwy porowate charakterystyka, pojęcia : -- porowatośd / dyspersja / sorpcja - desorpcja

44 WARSTWY POROWATE o ZIARNACH / KSZTAŁTKACH / PAKIETACH WEWNĘTRZNIE POROWATYCH u = V / F ; F=π d c /4 POJĘCIA i CHARAKTERYSTYKA -- prędkości przepływu (u / u ) - obliczana dla niewypełnionej kolumny (u) (w warstwie porowatej adsorpcyjnej / w wypełnionej kolumnie chromatograficznej (u ) -- oporu przepływu (ΔP) zależnośd ΔP od warunków operacyjnych (od natężenia / prędkości przepływu, dla nieściśliwych / ściśliwych warstw porowatych -- porowatości (ε) całkowitej (ε T ), między-ziarnowej (ε m/z ), wewnątrz-ziarnowej (ε w/z ) -- rozkładu wielkości porów wewnętrznych w ziarnach wypełnienia ( F(d) ) -- objętości wykluczania (V excl ) / objętości martwej (V o, V m ) / objętości wewnątrz-ziarnowej (V w/z ), -- czasu przebywania oraz dyspersji masy w warstwach porowatych - sprawności rozdzielania ( H / D eff ) / sprawności kolumny (N), określanych: -- z zastosowaniem pojęcia HETP (H), -- z zastosowaniem pojęcia dyspersji (D eff - efektywnej dyfuzji -- zależności dyspersji masy (H, h, D eff ) od parametrów procesu / parametrów wypełnienia (parametrów warstwy porowatej), -- retencji (k) / selektywności i związek tych parametrów ze sprawnością kolumny (N)/ temperaturą (T) / ciśnieniem (P) masą cząsteczkową (M) lepkością dynamiczną (η) płynu, -- powierzchni sorpcyjnej ( powierzchni właściwej (a)) wypełnienia oraz wpływ - na czas przebywania /retencję / selektywnośd.

45 Pojęcia różnego rodzaju porowatości -- stosunek przestrzeni zajętej przez płyn do całkowitej objętości -- ε m/z - porowatośd między-ziarnowa (odniesiona do objętości złoża (kolumny)) ε w/z - porowatośd wewnątrz-ziarnowa (odniesiona do sumy objętości ziaren w warstwie porowatej (w wypełnieniu kolumny)) ε t - porowatośd całkowita (odniesiona do objętości złoża (kolumny)) Dośd łatwo można wykazad, że: ε t = ε m/z + (1- ε m/z ) ε w/z Np. dla ε m/z = 0.4 i ε w/z = 0.6 ε t = Objętośd martwa (Vo, Vm) oraz związek z parametrami kolumny / warstwy porowatej V o (V m )= V c ε t

46 Testowanie dyspersji w warstwie porowatej na wylocie z kolumny warunki braku sorpcji, jednak wnikanie trasera do wszystkich porów wewnętrznych, albo, warunki sorpcji i wnikania do wszystkich porów wewnętrznych, z jednocześnie - liniowością izotermy sorpcji impulsowe wprowadzanie trasera na wejściu badanie odpowiedzi na wyjściu skokowa zmiana na wejściu badanie odpowiedzi na wyjściu niewielka dyspersja znaczna dyspersja

47 Zapewnienie tłokowego profilu przepływu płynu w ziarnistej / monolitycznej warstwie porowatej wypełnienia kolumny / reaktora ze złożem porowatym oraz równomiernej dystrybucji na całej powierzchni złoża (wypełnienia) warunek konieczny minimalizacji dyspersji Najważniejsze znaczenie dla uzyskiwania tłokowego (równomiernego profilu przepływu w przekroju poprzecznym wypełnienia, ma : poprawna konstrukcja systemu dystrybucji / kolekcji, poprawny sposób wypełniania kolumny (formowania złoża / warstwy porowatej)

48 Pompy, wentylatory 1. Wysokość ssania zależy od prężności pary nasyconej płynu przekrój 0 - dla zwierciadła cieczy przekrój 1 - przed pompą P 3 3 h P 0 1, P 1 0 h 1 P h u 1 0 h 1 0 h 0 p 0 p 1 u 1 g H 01 h 1 p 0 graniczna wartość wysokości ssania Dla P 0 = P atm, dla wody h 1 10 m H O

49 N = V ΔP / η [W = J/sek]

50 Wydajność pompy 1 1 n n H H c c H H P H c Krzywa a - charakterystyka sieci V f H V f H c Krzywa b - charakterystyka pompy 1 1 n n V V n n N N P H Punkt pracy pompy n=const

51 Przede wszystkim, pompowanie zawiesin materiału biologicznego

52 MIESZANIE / MIESZALNIKI / MIESZADŁA kryterium ruchu cieczy w mieszalniku liczba Reynoldsa Re Lud L u dn Re M nd L L u prędkośd obwodowa zewnętrznej krawędzi mieszadła, m/s n - prędkośd obrotowa mieszadła, 1/s liczba Reynoldsa dla mieszania jest funkcją rodzaju stosowanego mieszadła i mieszalnika

53 Modelowanie mocy mieszania moc mieszania laminarnego moc mieszania burzliwego N K n L d 3 N K L n 3 d 5

54 Podobne warunki mieszania w obu mieszalnikach - moc właściwa, tj. moc przypadająca na jednostkę objętości mieszanego układu w obu mieszalnikach jest taka sama. N V 1 1 N V dla mieszania laminarnego dla mieszania burzliwego n1 n n d 1 n d1 3

55 Filtracja - oddzielenie ciała stałego z zawiesiny od cieczy/gazu za pomocą porowatej warstwy filtracyjnej, przepuszczalnej tylko dla cieczy/gazu. przegroda filtracyjna: sita tkaniny płyty warstwa materiałów ziarnistych lub włóknistych ceramiczne warstwy filtracyjne Osad nieściśliwy ściśliwy = const = f(p)

56 FILTRACJA

57

58 1 p = const s = 0 C V A x p Ad dv L d x p A C dv V L V 0 0 x p A VC V L K V VC równanie Rutha 3,m x A R C f s m, x p A K L 6 K V jeżeli R f 0 czyli C = 0

59 ODPAROWUWANIE ROZPUSZCZALNIKA - WYPARKI

60

61 do skraplacza

62 Wyparka z jednokrotnym przepływem roztworu

63

64 SKRAPLACZ BAROMETRYCZNY Funkcja wytwarzanie i utrzymywanie próżni w wyparce; Hydrodynamika wykorzystanie prawa Bernouliego

65 Przewodzenie ciepła przez ściankę płaską jednowarstwową / wielowarstwową λ = [W/m K]

66

67 PRZEWODZENIE CIEPŁA. T w1 Dla ustalonego przewodzenia ciepła przez ścianę płaską o grubości, przewodności (praktycznie nie zależy od temperatury) oraz gdy wartości temperatury na powierzchniach są stałe i wynoszą T w1 oraz T w, gęstość strumienia ciepła można obliczyć z zależności: T w q ( T ) w T 1 w 67

68

69

70

71 WNIKANIE CIEPŁA analiza wymiarowa

72 INŻYNIERIA PROCESOWA. KONWEKCJA SWOBODNA. Podczas konwekcji swobodnej wnikaniu ciepła towarzyszy ruch płynu także w kierunku przeciwnym do oddziaływania grawitacji, wywołany różnicami w gęstości płynu powstającymi wskutek ogrzewania i ochładzania się różnych elementów objętości płynu. 7

73 INŻYNIERIA PROCESOWA. KONWEKCJA. 73

74 INŻYNIERIA PROCESOWA. KONWEKCJA SWOBODNA. Wnikanie ciepła podczas konwekcji swobodnej można opisać równaniem kryterialnym: Nu C GrPr n Nu l Pr c Gr g l 3 t 3 g l t l - charakterystyczny wymiar liniowy [m]; - lepkość kinematyczna płynu [m /s]; - współczynnik rozszerzalności objętościowej [K -1 ]; t - różnica temperatur między temperaturą powierzchni ścianki a temperaturą ośrodka [K]. 74

75 KONWEKCJA. Wnikanie ciepła (konwekcja) pomiędzy powierzchnią ścianki a płynem opisuje równanie Newtona: d Q d A q t w t gdzie - współczynnik wnikania ciepła [W/m K] 75

76 Konwekcja swobodna Ogólne równanie kryterialne opisujące wnikanie ciepła podczas konwekcji swobodnej (naturalnej) w przypadku płynu dla którego wartośd liczby Pr 0,5 ma postad: Nu = C Gr Pr n W równaniu tym oprócz wyjaśnionych wcześniej liczb kryterialnych Nusselta Nu i Prandtla Pr pojawia się liczba Grashofa Gr: gdzie: l charakterystyczny wymiar liniowy, m lepkośd kinematyczna płynu, m /s współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu, K -1 t = T w T różnica temperatury między temperaturą powierzchni ścianki a temperaturą ośrodka, K Wszystkie parametry fizykochemiczne określa się dla średniej temperatury warstwy przyściennej płynu T m obliczonej jako średnia arytmetyczna z temperatury powierzchni ścianki T w i temperatury ośrodka T. Współczynnik rozszerzalności objętościowej płynu dla gazów może byd w przybliżeniu obliczony z zależności: β = 1/T natomiast dla cieczy wartośd współczynnika należy odczytad z tablic danych fizykochemicznych. Charakterystyczny wymiar liniowy l występujący w liczbach Nusselta i Grashofa jest wymiarem pionowym danego elementu omywanego przez płyn, gdyż ruch płynu podczas konwekcji naturalnej zachodzi w kierunku przeciwnym niż oddziaływanie grawitacyjne.

77 KONWEKCJA WYMUSZONA Wnikanie ciepła przy przepływie wymuszonym (z reguły za pomocą pompy) opisuje równanie kryterialne: Nu C Re a Pr b d L gdzie liczba Nusselta Nu oraz liczba Prandtla Nu Pr l c 77

78 KONWEKCJA WYMUSZONA Dla gazów i cieczy o małej lepkości: Nu 0,03 Re 0,8 Pr 0,4 Dla cieczy o dużej lepkości: Nu 0,07 Re 0,8 Pr 0,33 w Wnikanie ciepła przy przepływie laminarnym od płynu do ścianki przewodu Nu C Re Pr d L n 78

79 PRZENIKANIE CIEPŁA Jeżeli dwa ośrodki płynne: grzejny i ogrzewany, o temperaturach odpowiednio t 1 i t, przedzielone są płaską ścianką o powierzchni A to przepływ ciepła między tymi ośrodkami (przebieg zmian temperatury) wygląda następująco: T t 1 T 1 t w1 t w t czynnik grzejny czynnik ogrzewany 79

80 PRZENIKANIE CIEPŁA Natężenie przepływu ciepła między ośrodkami oblicza się dla płaskiej ścianki z zależności : Q K A t 1 t gdzie K - współczynnik przenikania ciepła [W/(m K)]; K

81 Wymienniki ciepła i rodzaje przepływów w wymiennikach ciepła

82 PRZENIKANIE CIEPŁA 8

83 A B C C Kilka rodzajów wymienników ciepła : A - spiralny, B - typu rura w rurze, C, C - typu płaszczowo rurkowego : trzybiegowy (C ), dwubiegowy (C )

84

85 Szczególne warunki wnikania / przenikania ciepła Podczas wrzenia płynu W warunkach kondensacji nasyconej pary wodnej / innego rodzaju pary nasyconej przeponowo (wymiennik ciepła w wyparce) / bezprzeponowo (skraplacz barometryczny wyparki, skraplacz w destylacji / rektyfikacji, kolumna rektyfikacyjna ) W mieszalniku / bioreaktorze z wężownicą grzejną / chłodzącą, płaszczem grzejnym / chłodzącym

86

87

88

89 SKRAPLACZ BAROMETRYCZNY bezprzeponowa wymiana ciepła i masy

90

91

92

93 Porównanie orientacyjnych zakresów wartości współczynników wnikania ciepła w różnych warunkach wnikania Należy w ten sposób projektowad warunki wymiany ciepła, by maksymalizowad wartości α, tzn. - minimalizowad łączny opór cieplny wnikania ciepła ciecze organiczne, wrzenie Pary zw. organicznych, kondensacja Para wodna, kondensacja woda, wrzenie woda, konwekcja wymuszona Ciekłe metale, konwekcja wymuszona Gazy, konwekcja swobodna Ciecze organiczne, konwekcja wymuszona Gazy,1 atm, konwekcja wymuszona Gazy, 00 atm, konwekcja wymuszona W m K 93

94 PROMIENIOWANIE CIEPLNE -- należy nie zaniedbywać, szczególnie w przypadku rozpatrywania efektywności funkcjonowania izolacji cieplnej, czy ogrzewania przy pomocy promienników podczerwieni Ciało doskonale czarne - pochłania całą energię promieniowania (bez przepuszczania i odbijania). Ilość energii wypromieniowanej w jednostce czasu i na jednostkę powierzchni przez ciało doskonale czarne określa prawo Stefana- Boltzmanna : E gdzie E 0 - energia wypromieniowana [W/m ]; T - temperatura absolutna ciała [K]; C 0 = 5,67 [W/(m K 4 ). 0 C 0 T

95 Ciało niedoskonale czarne ( szare ) emituje mniejszą energię, proporcjonalnie do stopnia czarności

96 PROMIENIOWANIE. Promieniowanie cieplne w przypadku ciał stałych zależy głównie od stanu ich powierzchni, np. inna będzie emisja, gdy ciało będzie chropowate, a inna gdy jego powierzchnia zostanie wypolerowana. Dla tzw. ciał szarych równanie będzie miało postać: E C T przy czym stała promieniowania ciała szarego wynosi: C = C 0 gdzie jest stopniem czarności (zdolnością emisji, emisyjnością) danego ciała i przyjmuje wartości od zera do jedności. Warto pamiętać, że błyszczące aluminium posiada bardzo niską emisyjność cieplną w zakresie podczerwieni, dlatego jest stosowane do pokrywania izolacji termicznej 96

97 97 INŻYNIERIA PROCESOWA. PROMIENIOWANIE. Natężenie przepływu ciepła w postaci energii promienistej między powierzchniami oblicza się ze wzoru: gdzie A 1 - powierzchnia mniejsza [m ]; a 1- - zastępczy stopień czarności T T A C Q

98 Przenikanie ciepła (przez ścianki wymienników ciepła) ; Pojęcie rodzaju wzajemnych przepływów mediów w wymiennikach ciepła; Obliczanie wymienników ciepła

99 Przebiegi zmian temperatury czynników w wymiennikach ciepła; Pojęcie zastępczej różnicy temperatur w wymiennikach ciepła WSPÓŁPRĄDOWY WYMIENNIK CIEPŁA t k t t 1p t p t 1k t k t 1p t 1k t k t p t p droga procesu PRZECIWPRĄDOWY WYMIENNIK CIEPŁA t p t t 1p t p t 1k t 1p t 1k t p t k t k t k droga procesu 99

100 WSPÓŁPRĄD ============ ============ PRZECIWPRĄD

101

102 PRZENIKANIE CIEPŁA Natężenie przepływu ciepła podczas przenikania między dwoma ośrodkami oblicza się z zależności: Q K A W obliczeniach wymiany ciepła w wymiennikach nie możemy zastosować zwykłej różnicy temperatur gdyż ta zmienia się wzdłuż wymiennika. Używa się tzw. średniej logarytmicznej różnicy temperatur, albo średniej arytmetycznej, gdy to dozwolone : t 1 t t z t p ln t t t p k k Δt z = (Δt p + Δt k ) / 10

103 ZASTĘPCZA RÓŻNICA TEMPERATURY WYMIENNIKA CIEPŁA gdy tw/ tm < 1.5 () t e = ( tw + tm )/

104

105

106 POWIERZCHNIA WYMIANY CIEPŁA i GEOMETRIA WYMIENNIKA CIEPŁA F = [m ] Q = [J/S]=[W] K=[W/ m K] t zast =[K] F = Q / K t zast Na podstawie wartości powierzchni wymiany ciepła można zaprojektowad wymiary geometryczne wymiennika ciepła, takie jak, długośd i średnica korpusu, liczba i średnica rurek wymiennika ciepła oraz inne wymiary. Rachunki nie są łatwe, nawet dla najprostszego jednobiegowego płaszczowo rurowego wymiennika ciepła. Wielkością wejściową jest strumieo cieplny Q, jaki musi zostad przekazany medium podgrzewanemu, lub chłodzonemu, a także wartości parametrów wejściowych i wyjściowych medium grzejnego / chłodzącego oraz podgrzewanego / chłodzonego i wstępnie przyjęta geometria wymiennika. Obliczenia wykonuje się w sposób iteracyjny, albo metodyką prób i błędów. Najpierw trzeba dokonad założeo średnich temperatur ścianek, obliczyd wstępnie wartości współczynników wnikania ciepła, kolejno sprawdzid poprawnośd przyjętych założeo, aż do uzyskania zadowalającej zgodności. Obecnie z reguły korzysta się z gotowych programów komputerowych adekwatnych dla wymiennika ciepła określonego typu. Jest mało prawdopodobne by Paostwo w przyszłości projektowali algorytmy dla takich programów. Stąd najważniejsze byście rozumieli zasadę procedury

107 Filtracja -- skrośna ( poprzeczna ) wzdłużna ( pseudofiltracja ) w technikach membranowych

108 Podstawowe operacje i zasady postępowania w technikach membranowych

109 recyrkulacja TECHNIKI MEMBRANOWE Schematy ideowe mikrofiltracja - MF membrana mikroporowata (mikrofiltracyjna) koncentrat HO+ zanieczyszczenia substancja rozpuszczona dializa - D membrana dializująca strumień oczyszczony dialysat Schematy ideowe najważniejszych odmian stosowania w praktyce technik membranowych w ukladach ciecz / c-st / ciecz albo gaz / c-st / gaz recyrkulacja ultrafiltracja / nanofiltracja - UF/ NF membrana ultrafiltracyjna lub nanofiltracyjna HO+ sole odwrócona osmoza / nanofiltracja - RO / NF koncentrat koncentrat gaz wsadowy sole rozdzielenie gazów ewaporacja membrana półprzepuszczalna elektroliza produktu sole gaz ubogi gazy skoncentrowane membrana półprzepuszczalna HO ciekłe membrany H H H H H H M M M M M M oczyszczony eluent stężony eluent + metale

110 Nanofiltracja

111 Ultrafiltracja

112 Mikrofiltracja

113 Zakresy wielkości cząstek rozdzielanych / wzbogacanych t. membranowymi z membr. stałymi

114 cząsteczek /cząstek Operacja rozdzielania Porównanie operacji rozdzielania pod względem wielkości porów, wielkości i rodzaju cząstek i zasady rozdzielania

115

116

117

118

119

120

121 PROCES jako suma / kombinacje operacji jednostkowych Prezentowany poniżej schemat technologiczny procesu otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją ciekłej frakcji brzeczki pofermentacyjnej oraz z wykorzystaniem młóta ( muta ) stałej pozostałości po odwirowaniu ciekłej frakcji brzeczki po-fermentacyjnej, jako paliwa stałego do kogeneracji energii elektrycznej. Schemat ilustruje wzajemne powiązanie wielu różnych operacji jednostkowych - częśd została przedstawiona było w semestrze zimowym, a inne będą w semestrze letnim przedmiotem kursu Inżynierii Chemicznej i Bio-procesowej

122

123 Proces otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją brzeczki oraz wykorzystaniem młóta ( muta ), jako paliwa - schemat ideowy - cz. I-sza

124 Proces otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją brzeczki pofermentacyjnej, wykorzystaniem podsuszonego młóta ( muta ), jako paliwa - schemat ideowy - cz. II-ga Operacje transportu magazynowania, przetwarzania materiałów stałych, płynów, ruchu i wymiany ciepła / masy / ciepła i masy, a także, rozdzielania - są istotnymi składowymi procesu przepływy, wymiana ciepła w warunkach konwekcji, kondensacji pary wodnej, rektyfikacja ciągła, wirowanie, filtracja, ultrafiltracja, suszenie,