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

Transkrypt

1 TECHNOLOGIA CHEMICZNA wykład 1 TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA STOSOWANA GENEZA NOWEGO PROCESU TECHNOLOGICZNEGO CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU

2 Czym się zajmuje technologia chemiczna i inżynieria procesowa?

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

5 Nauką podstawową technologii chemicznej jest chemia ODKRYCIE NAUKOWE WYNALAZEK APLIKACJA

6 Odkrycia i wynalazki odkrycie przez Benjamina Franklina elektrycznej natury piorunów pozwoliło mu na wynalezienie piorunochronu w 1752 r. Wynalazek ten jest stosowany do dnia dzisiejszego, zabezpieczając budynki podczas burz odkrycie fal elektromagnetycznych umożliwiło Guglielmo Marconiemu/ Nikoli Tesla wynalezienie radia, a następnie zaowocowało lawiną wynalazków usprawniających budowę radioodbiorników i łączność radiową

7 Chemia nowoczesna XVIII/XIX w Chemia stosowana (chemia techniczna)??? wytop miedzi( p.n.e.) metalurgia garncarstwo wyrób farb i perfum Produkcja amoniaku (metoda Habera i Boscha) Produkcja nawozów azotowych Produkcja metanolu Tutankhamun's gold sarcophagus 110 kg Au

8 Gorgius Agricola NaCl, MgCl 2, KCl, K 2 SO 4, LiCO 3, Na 2 SO 4 Great Salt Lake, UT Zatężanie witriolu wykorzystując energię słoneczną przedstawione w De Re Metallica libri XII 8

9 Destylacja słoneczna zatężanie alkoholu ekstrakcja ziół otrzymywanie olejków zapachowych Giovanni Della Porta ( ) Magiae Naturalis Księga X O destylacji, rozdział IV Jak destylować używając ciepła Słońca? 9

10 Carlos Wilson, 1872 Pierwsza na świecie stacja destylacji słonecznej, Las Salinas, Chile Oczyszczano odcieki z kopalni saletry sodowej (zasolenie 140 g/kg); 64 wnęki o łącznej pow. 4450m 2, produkowano 22,7m 3 wody /dziennie Delyannis E., Historic background of desalination and renewable energies, Solar Energy 75 (2003)

11 Destylacja słoneczna (odsalanie wody) 500 litrów wody pitnej dziennie

12 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)

13 Historia technologii polskiej Józef Zawadzki ( ) Uniwersytet Jagielloński (1910) Politechnika w Karlsruhe ( ); asystent F. Habera i H. Buntego Technologia chemiczna nieorganiczna Politechnika Warszawska (od 1915), Katedra Technologii Chemicznej Janusz Ciborowski ( ) Politechnika Warszawska (1945) Massachusetts Institute of Technology, USA ( ) Inżynieria chemiczna, Podstawy inżynierii chemicznej

14 technologia chemiczna a inżynieria procesowa Wzajemnie dopełniające się dyscypliny naukowe, dotyczące problemów projektowania, budowy i eksploatowania urządzeń i instalacji, umożliwiających prowadzenie procesów technologicznych (przekształcenie surowców w użyteczne produkty) Chemical Engineering

15 Przejście od skali laboratoryjnej do wielkiej produkcji SUROWCE URZĄDZENIA pomysł skala laboratoryjna skala przemysłowa

16 Skala przemysłowa Silosy do mąki Zbiornik fermentacji drożdży Automat do formowania ciasta Komora fermentacji Automat załadowczy Piec komorowy

17 Cechy charakterystyczne duża skala strona ekonomiczna zagadnienia aspekt środowiskowy

18 Podstawy technologii chemicznej obejmują: opis procesów technologicznych projekt procesowy procesy pomocnicze w technologii chemicznej

19 Do procesów pomocniczych technologii chemicznej zaliczamy: gospodarkę ciepłem; wytwarzanie próżni i ciśnienia produkcję gazów technicznych zagospodarowanie odpadów uzdatnianie i dezynfekcję wody oczyszczanie ścieków

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

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

22 Proces technologiczny a środowisko Final product toxic /non-toxic biodegradable / nonbiodegradable recyclable / nonrecyclable 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

23 Elementy projektowania chemicznych zakładów przemysłowych

24 SPIS TREŚCI PROJEKTU PROCESOWEGO I. Koncepcja chemiczna I.1. Ogólna charakterystyka i zapotrzebowanie wyrobu I.2. Światowe kierunki sposobów wytwarzania i rozwiązań technicznych I.3. Charakterystyka proponowanej metody I.4. Charakterystyka surowców I.5. Charakterystyka produktu głównego i ubocznych I.6. Charakterystyka odpadów i ścieków z omówieniem możliwości ich utylizacji, magazynowania lub neutralizacji II. Koncepcja technologiczna II.1. Schemat ideowy II.2. Indywidualne parametry poszczególnych procesów i operacji jednostkowych II.3. Bilans materiałowy II.4. Bilans energetyczny II.5. Opis procesu technologicznego II.6. Schemat technologiczny II.7. Materiały konstrukcyjne i ochrona przed korozją II.8. Zestawienie aparatów i urządzeń II.9. Harmonogram pracy aparatów II.10. Kontrola produkcji II.11. Zapotrzebowanie siły roboczej II.12. Zagadnienia higieny i bezpieczeństwa pracy II.13. Ocena oddziaływania na środowisko III. Opracowanie wstępnego uzasadnienia ekonomicznego IV. Literatura

25 Koncepcja chemiczna procesu Dokonanie wyboru surowcówi ustalenie szeregu przemian chemicznych i fizycznych zapewniających otrzymanie produktu. Koncepcja technologiczna procesu Jest to określenie liczby, kolejności i rodzajów procesów podstawowych niezbędnych do prowadzenia produkcji.

26 Pełna koncepcja chemiczna metody obejmuje: Ustalenie równań stechiometrycznych proponowanych reakcji chemicznych Wykonanie obliczeń stechiometrycznych, podanie bilansu stechiometrycznego i teoretycznych wskaźników zużycia surowców Wykonanie obliczeń termodynamicznych obejmujących: 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 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

27 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

28 Jak opracować/ wybrać koncepcję chemiczną procesu?

29 Jak możemy otrzymać azotan amonu (NH 4 NO 3 )? Przykład wariantów koncepcji

30 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

31 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

32 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 (XXXXXXXXXXXXX) 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)

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

34 tlen azot woda

35 Przykład wariantów koncepcji tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej temperaturze; obliczenia termodynamiczne wartości stałej równowagi reakcji (a) wykazują, ze wydajność reakcji będzie niewielka, a zużycie energii na ogrzanie reagentów bardzo duże sposób wytwarzania NO w łuku elektrycznym (temperatura ok o C) od dawna nie jest stosowany w przemyśle reakcję tworzenia tlenku azotu należy prowadzić w możliwie wysokiej temperaturze, po czym gazy opuszczające przestrzeń reakcyjną trzeba szybko schłodzić do temperatury poniżej o C (zamrażanie układu w stanie równowagi przemiany prowadzone z udziałem plazmy)

36 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!!!

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

38 Chleb z powietrza Pierwsza fabryka amoniaku rozpoczęła produkcję 30t NH 3 /dobę w 1913 roku Za syntezę amoniaku z pierwiastków składowych Fritz Haber otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1918 roku F.Haber od 1904 rozpoczął prace nad równowagą reakcji powstawania amoniaku z atomów azotu i wodoru w wysokich temperaturach i wysokim ciśnieniu. Badania związane były z prognozowanym na lata 30. XX wieku głodem w Europie (gdzie w ciągu dwóch stuleci liczba mieszkańców zwiększyła się czterokrotnie).

39 Przykład wariantów koncepcji

40 Przykład wariantów koncepcji PODSUMOWANIE koncepcja otrzymywania azotanu amonu z amoniaku wytwarzanego przez syntezę z azotu i wodorujest obecnie jedyną metodą stosowaną 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 wprowadzenie surowca pomocniczego (wodoru) umożliwia przeprowadzenie z dużą wydajnością reakcji (N 2 + O 2 ), której bezpośrednie przeprowadzenie jest utrudnione

41 Przykład wariantów koncepcji PODSUMOWANIE niemal wyłącznie stosowane są metody oparte na koncepcji wytwarzania wodoru przez reakcję paliwa (gazu ziemnego, innych gazowych i ciekłych węglowodorów, koksu itp.) z parą wodną

42 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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

43 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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

44 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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

45 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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

46 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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

47 Podstawowe pojęcia materiały uzupełniające 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