TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA STOSOWANA GENEZA NOWEGO PROCESU TECHNOLOGICZNEGO CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU SCHEMAT IDEOWY

Transkrypt

1 PODSTAWY TECHNOLOGII OGÓLNEJ wykład 1 TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA STOSOWANA GENEZA NOWEGO PROCESU TECHNOLOGICZNEGO CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU SCHEMAT IDEOWY

2 rozkolce (9,000 1 g purpury tyryjskiej) William Perkin: MOWEINA ( ) 1 2 toluidyna anilina chinina + C, H K 2 Cr 2 O letni W. Perkin próbuje zsyntezować chininę przypadkowo otrzymuje substancję barwną MOWEINĘ (purpurę anilinową)

3 Technologia chemiczna - definicja Technologia chemiczna jest nauką stosowaną, interdyscyplinarną, która ma zaproponować warunki i schematy technologiczne otrzymywania żądanych produktów chemicznych w optymalny, przyjazny dla środowiska sposób, z uwzględnieniem odpowiedniej skali wytwarzania i po możliwych do zaakceptowania kosztach. Bortel E., Koneczny H, Zarys technologii chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992

4 nauki podstawowe są rozwijane przez ludzką ciekawość świata nauki stosowane stawiają sobie za cel rozwiązywanie konkretnych problemów

5 Nauką podstawową technologii chemicznej jest chemia ODKRYCIE NAUKOWE WYNALAZEK APLIKACJA

6 duża skala strona ekonomiczna zagadnienia aspekt środowiskowy

7 Fazy i etapy opracowywania technologii [Synoradzki, Wisialski, 2006]

8 Współczesne uwarunkowania projektowania procesowego Nowe materiały aparaturowe i konstrukcyjne Wykorzystanie komputerów Wzrastające wymogi ochrony środowiska Rosnące koszty energii

9 Environmental Technology Final product toxic /non-toxic biodegradable / nonbiodegradable recyclable / nonrecyclable Environmental technology Production process renewable energy renewable raw material water/ wastewater/ solid waste emission to atmosphere Clean technologies harness renewable materials and energy sources reduce the use of natural resources cut or eliminate emissions and wastes

10 Bloki problemowe technologii chemicznej

11 Elementy projektowania chemicznych zakładów przemysłowych

12 Podstawowe pojęcia Proces technologiczny zespół odpowiednio uszeregowanych procesów jednostkowych w których z surowców i półproduktów uzyskuje się w instalacji określone produkty Proces technologiczny ciągły proces technologiczny, którego wszystkie etapy przebiegają jednocześnie i określonym porządku, parametry technologiczne nie zmieniają się w czasie, zaś doprowadzanie surowców i półproduktów oraz odbiór produktów odbywa się równocześnie i w sposób nieprzerwany Proces technologiczny okresowy proces technologiczny, którego etapy następują kolejno po sobie w czasie, powtarzają się cyklicznie; doprowadzanie surowców i półproduktów i odbiór produktów odbywa się w odstępach czasu wynikających z koncepcji technologicznej procesu, zaś parametry procesu zmieniają się cyklicznie w czasie Tok technologiczny warunki prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji, charakteryzowane wartościami wszystkich parametrów technologicznych procesu

13 Podstawowe pojęcia Proces produkcyjny całokształt czynności technologicznych i organizacyjnych wymaganych dla praktycznej realizacji procesu technologicznego w instalacji Cykl produkcyjny zespół procesów jednostkowych zawartych między dwoma najbliższymi, takimi samymi etapami okresowego procesu technologicznego Faza produkcyjna stan przerobionego materiału po kolejnym etapie procesu technologicznego, charakteryzowany przez jego właściwości fizyczne i chemiczne Instalacja produkcyjna zespół urządzeń przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji technologicznej Etap produkcyjny proces jednostkowy lub wyodrębniająca się grupa procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny

14 Podstawowe pojęcia Technologiczna koncepcja procesu wybór i uszeregowanie operacji i procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny oraz określenie sposobu ich realizacji Produkt główny produkt, którego otrzymanie stanowi zasadniczy cel prowadzenia danego procesu technologicznego Produkt przejściowy produkt każdego z etapów procesu technologicznego przerabiany dalej w tym samym procesie produkcyjnym Produkt uboczny produkt, którego wytwarzanie wynika z przyjętej koncepcji technologicznej procesu, nie stanowiącego jednak zasadniczego celu prowadzenia procesu Półprodukt produkt otrzymany w wyniku zakończonego etapu procesu produkcyjnego lub całego etapu produkcyjnego i przeznaczony do dalszej przeróbki w innym procesie produkcyjnym

15 Podstawowe pojęcia Surowiec podstawowy surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) wchodzi w skład produktu głównego Surowiec pomocniczy surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) nie wchodzi w skład produktu głównego Projekt procesowy opracowanie umożliwiające sporządzenie prawidłowych założeń techniczno-ekonomicznych zawierające zestawienie danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku technologicznego procesu w skali przemysłowej, sporządzenia bilansu materiałowego i energetycznego każdego z urządzeń instalacji z podaniem typu, gabarytów i harmonogramu pracy urządzeń Projekt techniczny zestaw informacji obejmujący podstawową dokumentację realizacyjną rozwiązań projektowych zawartych w założeniach techniczno-ekonomicznych, składający się z części technologicznej, kontrolno-pomiarowej i innych związanych ze specyfiką inwestycji oraz projektu organizacji produkcji, zarządzania i uruchomienia instalacji

16 Podstawowe pojęcia Założenia techniczno-ekonomiczne opracowanie obejmujące minimalny zakres dokumentacji inwestycji niezbędny do określenia kosztów inwestycji, opracowania projektu technicznego, zamówienia podstawowych urządzeń oraz zaplanowania dostaw materiałów Pełna dokumentacja projektowa inwestycji dane zawarte w projekcie procesowym, założeniach techniczno-ekonomicznych i projekcie technicznym Schemat ideowy procesu technologicznego uproszczony rysunek, na którym w prostokątnych obramowaniach wymienione są oddzielnie, z zachowaniem kolejności, wszystkie procesy jednostkowe, główne parametry ich prowadzenia, surowce, półprodukty i produkty, a także zaznaczony jest kierunek przepływu reagentów Schemat technologiczny procesu uproszczony rysunek schematyczny ciągu urządzeń wchodzących w skład instalacji z naniesionymi danymi z projektu procesowego

17 Podstawowe pojęcia Zdolność produkcyjna - w procesie okresowym stosunek ilości produktu otrzymanego w jednym cyklu produkcyjnym instalacji przy maksymalnym jej wykorzystaniu i normalnym toku technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego - w procesie ciągłym ilość produktu otrzymana w jednostce czasu przy maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym Zdolność przerobowa - w procesie okresowym stosunek ilości surowców i półproduktów wprowadzanych w jednym cyklu produkcyjnym instalacji i normalnym toku technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego - w procesie ciągłym ilość surowca (surowców) przetworzona w jednostce czasu przy maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym

18 Koncepcja chemiczna procesu Dokonanie wyboru surowców i ustalenie szeregu przemian chemicznych i fizycznych zapewniających otrzymanie produktu.

19 Pełna koncepcja chemiczna metody obejmuje: Ustalenie równań stechiometrycznych proponowanych reakcji chemicznych Wykonani obliczeń stechiometrycznych, podanie bilansu stechiometrycznego i teoretycznych wskaźników zużycia surowców Wykonanie obliczeń termodynamicznych obejmujących: Powinowactwo chemiczne proponowanych przemian Stałe równowagi chemicznej i fazowej proponowanych przemian Skład równowagowy układu Wpływ temperatury, ciśnienia i składu początkowego na stan równowagi układu reakcyjnego Efekty cieplne przemian chemicznych i i fazowych Dokonanie wstępnej kalkulacji kosztów produkcji Dokonanie wstępnej weryfikacji koncepcji chemicznej, dobranie optymalnego wariantu z szeregu teoretycznie możliwych Obliczenie lub wyznaczenie doświadczalne właściwości fizykochemicznych czystych reagentów i ich mieszanin Doświadczalne przebadanie kinetyki wybranych przemian chemicznych i fazowych, wyznaczenie szybkości oraz równań kinetycznych dla wszystkich reakcji chemicznych, dobór katalizatorów

20 Dodatkowo należy brać pod uwagę następujące uwarunkowania: Ochronę środowiska Gospodarkę odpadami Dostępność energii, wody technologicznej i chłodzącej Gwarancję dostaw surowców Powiązanie nowej instalacji z innymi istniejącymi w kombinacie chemicznym Tendencje cen krajowych i zagranicznych Czystość patentową metody Sposób prowadzenia procesu (okresowy/ ciągły) Rachunek ekonomiczny

21 Koncepcja technologiczna Jest to określenie liczby, kolejności i rodzajów procesów podstawowych niezbędnych do prowadzenia produkcji

22 Wytwarzanie azotanu amonu (NH 4 NO 3 ) Przykład wariantów koncepcji metoda laboratoryjna wytwarzania azotanu amonu z amoniaku i kwasu azotowego jest podstawą rozwiązań przemysłowych zagadnienie sprowadza się do znalezienia ekonomicznych metod przemysłowych wytwarzania półproduktów

23 Wytwarzanie azotanu amonu Przykład wariantów koncepcji otrzymywanie amoniaku jako produktu ubocznego w gazowniach, a kwasu azotowego z saletry chilijskiej nie mogło rozwiązać zagadnienia wytwarzania związków azotowych w dużej skali i ma jedynie historyczne znaczenie

24 Przykład wariantów koncepcji Jakie surowce były najtańsze i najbardziej dostępne? NH 4 NO 3

25 Przykład wariantów koncepcji zagadnienia przemysłowej produkcji azotanu amonu polegały na : 1. wyeliminowaniu surowców możliwych do uzyskania w sposób bardzo ograniczony (amoniak z gazowni, saletra chilijska) i zastąpieniu ich surowcami głównymi, których zapasy są praktycznie nieograniczone (tlen, azot, woda) 2. znalezieniu takiego rozwiązania, w którym wykorzystuje się ciepło reakcji egzotermicznej amoniaku z kwasem azotowym dla odparowania roztworu azotanu amonu ( z wyeliminowaniem niebezpieczeństwa wybuchowego azotanu amonu)

26 Przykład wariantów koncepcji tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej temperaturze (temperatura w łuku elektrycznym ok o C) obliczenia termodynamiczne wartości stałej równowagi reakcji (a) wykazują, ze wydajność reakcji będzie niewielka, a zużycie energii na ogrzanie reagentów bardzo duże

27 Przykład wariantów koncepcji obliczenia termodynamiczne wykazują, że odwrócenie reakcji rozpadu azotynu amonu mogłoby nastąpić dopiero w warunkach, których nie można zrealizować w praktyce koncepcja jest nierealna!!!

28 Przykład wariantów koncepcji metoda ta stosowana jest w przypadku, gdy dysponujemy tanią energią elektryczną, która zużywana jest w dużych ilościach w procesie elektrolizy

29 Przykład wariantów koncepcji

30 Przykład wariantów koncepcji koncepcja otrzymywania azotanu amonu z amoniaku wytwarzanego przez syntezę z azotu i wodoru jest obecnie jedyną metodą stosowana w skali przemysłowej w koncepcji tej otrzymuje się tlenek azotu nie przez bezpośrednie łączenie tlenu z azotem, lecz drogą pośrednią przez kolejne wytwarzanie i utlenianie amoniaku przypadek ten ilustruje sformułowane powyżej twierdzenie, że wprowadzenie surowca pomocniczego (wodoru) umożliwia przeprowadzenie z dużą wydajnością reakcji (N 2 + O 2 ), której bezpośrednie przeprowadzenie jest utrudnione

31 Przykład wariantów koncepcji metody oparte na koncepcji wytwarzania wodoru przez reakcję paliwa (gazu ziemnego, innych gazowych i ciekłych węglowodorów, koksu itp.) z parą wodną są obecnie niemal wyłącznie stosowane rachunek termochemiczny i termodynamiczny pozwala na obliczenie minimalnego (teoretycznego) zużycia paliwa i maksymalnej wydajności

32 Przykład wariantów koncepcji WNIOSKI bezpośrednie przeprowadzenie syntezy azotanu amonu z powietrza i wody (jako surowców głównych) w jednej operacji wymaga dostarczenia dużej ilości energii z zewnątrz i nie jest możliwe przy zastosowaniu metod, którymi obecnie dysponuje technika rozważany proces można zrealizować w kilku etapach - takimi możliwościami realizacji procesu przez doprowadzenie energii z zewnątrz są : synteza tlenku azotu w łuku elektrycznym i elektroliza wody

33 Koncepcja technologiczna Jest to określenie liczby, kolejności i rodzajów procesów podstawowych niezbędnych do prowadzenia produkcji Powstaje w trakcie analizy i sprawdzania koncepcji chemicznej i jej uzupełniania o elementy: wyboru metod rozdziału, sposobu prowadzenia procesu (periodyczny lub ciągły), określenie zasadniczych parametrów oraz głównych rozwiązań aparaturowych. Koncepcja chemiczna szereg przemian fizykochemicznych!!!

34 Koncepcja technologiczna W przypadku pozytywnej oceny koncepcji chemicznej przystępuje się do badań w skali laboratoryjnej, a następnie ćwierć-technicznej w celu zbadania rozpatrywanych procesów chemicznych aby móc ustalić: optymalne warunki prowadzenia reakcji głównej optymalne warunki prowadzenia reakcji ubocznych odporność materiałów jakie należy stosować do budowy aparatury

35 Koncepcja technologiczna obejmuje Dobór rodzaju, kolejności i sposobu realizacji czynności jednostkowych składających się na proces przemysłowy Opracowanie schematu blokowego procesu Opracowanie bilansu masowego i cieplnego procesu Badania modelowe Dobór typów i wielkości aparatów i urządzeń Dobór tworzywa konstrukcyjnego Opracowanie schematu technologicznego procesu

36 SCHEMAT IDEOWY Schemat ideowy (blokowy) jest to graficzne przedstawienie procesu technologicznego polegające na zestawieniu poszczególnych procesów i operacji jednostkowych w kolejności ich realizacji oraz wszystkich występujących strumieni masowych.

37 Proces jednostkowy (ang. unit process) jest to wyodrębniony zespół przemian fizycznych i chemicznych materii, charakterystyczny ze względu na zachodzącą reakcję chemiczną. Operacja jednostkowa (ang. unit operation) jest to wyodrębniony zespół, fizycznych przemian materii (bez reakcji chemicznej), charakterystyczny ze względu na ich skutek Strumienie masowe: wchodzące/wychodzące, stan skupienia, recykle.

38 Elementy schematu ideowego

39 Ważniejsze czynności jednostkowe Operacje jednostkowe inżynierii chemicznej 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 Procesy jednostkowe inżynierii reakcji chemicznych 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 i fotochemiczne

40 Schemat ideowy procesu regeneracji amoniaku w produkcji sody metodą Solvay a

41 Otrzymywanie paracetamolu (proces jednoetapowy) - ćwiczenie

42 Otrzymywanie paracetamolu (proces jednoetapowy) - ćwiczenie aminofenol + bezwodnik octowy = paracetamol + kwas octowy

43 Otrzymywanie paracetamolu (proces jednoetapowy) - ćwiczenie Czynności jednostkowe: acetylowanie aminofenolu (T=100 C, t = 15 min) krystalizacja sączenie przemywanie rozpuszczanie krystalizacja sączenie suszenie

44 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) - ćwiczenie Orzymywanie pięciooctanu -D-glukozy Orzymywanie pięciooctanu -D-glukozy

45 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap I

46 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap I

47 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap II

48 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap II

49 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap I Czynności jednostkowe: ucieranie acetylowanie rozgniatanie mieszanie sączenie rozgniatanie sączenie przemywanie rekrystalizacja (rozpuszczania, krystalizacja, sączenie) suszenie

50 Otrzymywanie pięciooctanu D-glukozy (proces dwuetapowy) etap II Czynności jednostkowe: ucieranie dozowanie aetylowanie pięciooctanu -D-glukozy chłodzenie hydroliza bezwodnika octowego dekantacja przemywanie sączenie przemywanie krystalizacja (rozpuszczania, krystalizacja, sączenie, suszenie)

51 KARTKÓWKA 1 otrzymywanie p-nitroacetanilidu