OPTYMALIZACJA I STEROWANIE PROCESAMI CHEMICZNYMI OPTYMALIZACJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO A PROJEKTOWANY DOBÓR APARATURY

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH OPTYMALIZACJA I STEROWANIE PROCESAMI CHEMICZNYMI OPTYMALIZACJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO A PROJEKTOWANY DOBÓR APARATURY Jerzy Wisialski Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

2 ISTOTA PROJEKTOWANIA Projektowanie jako sztuka optymalnych wyborów Rozwiązanie sposobu realizacji procesu lub operacji jednostkowej, Obliczenia i dobór aparatury spośród wielu możliwych wariantów Inżynieria chemiczna, Inżynieria procesowa Chemical Process Development Powiększanie skali procesu: Laboratorium, Instalacja wielkolab., ¼, ½-techniczna, Miniplant (MIM), Instalacja pilotowa Instalacja przemysłowa INWESTOR Organizacja cyklu badawczo projektowo wdrożeniowego

3 OPTYMALIZACJA Optymalizacja - metoda wyznaczania najlepszego rozwiązania z punktu widzenia określonego kryterium. Poszukiwanie ekstremum funkcji: Kryterium = f(parametru) Kryterium, np. wydajność względna procesu, koszt Parametr, np. temperatura, nadmiar stechiometryczny Optymalizacje jedno i wielokryterialne. Optymalizacja wielokryterialna wszędzie tam, gdzie optymalne decyzje muszą być podjęte w drodze kompromisów pomiędzy dwoma lub więcej sprzecznymi celami. Występuje w wielu dziedzinach: m.in. projektowaniu procesu produkcji i aparatury Przykład: maksymalizacja wydajności względnej przy minimalizacji kosztów.

4 RODZAJE KOSZTÓW Koszty stałe [zł/rok] (np. inwestycyjne (amortyzacja), utrzymanie ruchu, administracyjne) dla wybudowanej instalacji Ale na jednostkę produktu mogą być zmienne [zł/kg] (zmienna skala produkcji) Koszty operacyjne (eksploatacyjne, produkcyjne), zmienne [zł/rok] - zależne od skali produkcji (np. surowce, energia) Ale na jednostkę produktu [zł/kg] mogą być stałe Robocizna: koszt zmienny [zł/rok] (zależny od skali produkcji) lub stały [zł/rok, zł/kg]

5 OPTIMUM KOSZTÓW Koszt jednostkowy K i [zł/kg] Σ Kosztów [zł/kg] ΣK minimum Koszty aparatury [zł/kg] Koszty eksploatacyjne (surowce, energia) [zł/kg] Robocizna [zł/kg] P optimum Parametr [skala produkcji, wydajność względna (reaktory), parametr procesowy (wymienniki)]

6 NAKŁADY INWESTYCYJNE A SKALA PRODUKCJI K 2 A K 1 P P 2 1 n Nakłady inwestycyjne K [mln zł] n = 0,6 (średnia skala) n = 1 (wielokrotność nitek technolog.) n = 0,3 (mała skala, półtechnika) Skala produkcji P [t/rok]

7 DECYZJE PROJEKTOWE Proces periodyczny czy ciągły Liczba nitek technologicznych (np. w procesie ciągłym) Liczba kontra pojemność reaktorów periodycznych Typ reaktora Liczba reaktorów w kaskadzie Oczyszczanie rozpuszczalnika: destylacja periodyczna czy ciągła Rodzaj destylacji: - klasyczna (kub destylacyjny), - filmowa (cienkowarstwowa), - molekularna (krótkodrożna) Odrębny filtr + suszarka czy też filtrosuszarka Wymrażanie resztkowych par rozpuszczalnika czy sprężanie Nadciśnienie czy podciśnienie (hermetyzacja, bezpieczeństwo)

8 KRYTERIA OPTYMALNEGO DOBORU APARATURY SPEŁNIENIE WYMAGAŃ PROCESOWYCH (temperatura, ciśnienie, stopień rozdziału (destylacja, ekstrakcja), wydajność, LPT, rodzaj medium przetłaczanego, itp; TRWAŁOŚĆ (korozja, erozja materiały konstrukcyjne); Możliwość monitorowania i automatyzacji przebiegu procesu jak i pracy urządzenia; BEZPIECZEŃSTWO (wykonanie Ex, elektr. statyczna, hermetyczność, UDT) ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA; NIEZAWODNOŚC RUCHOWA kwalifikacje obsługi; CENA danego urządzenia. KOSZTY eksploatacyjne RYZYKO technologiczne

9 OPTYMALIZACJA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ N R O D R - powrót (reflux) O - odciek (zawrót do kolumny) D - destylat (poza kolumnę) N - liczba półek teoretycznych N minimum R minimum R Zależność liczby półek teoretycznych (N) od powrotu (R) dla kolumny rektyfikacyjnej (ciągłej)

10 OPTYMALIZACJA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ K i Koszty całkowite K minimum Koszty inwestycyjne N Koszty produkcyjne E R minimum R optimum R Określenie optymalnego powrotu R

11 REAKTORY Reaktor periodyczny (zbiornikowy) Reaktor ciągły zbiornikowy z mieszaniem pojemność czas przebywania stopień konwersji, Kaskada reaktorów zbiornikowych - optimum N Reaktor ciągły rurowy (tłokowy)

12 REAKTOR POLIMERYZACJI Rem n 2 d m Ruch laminarny Re m < MOC MIESZANIA N m N m k d 3 n 2 m Ruch burzliwy rozwinięty Re m > Re m - liczba Reynoldsa dla mieszania n - prędkość obrotowa mieszadła, d m - średnica mieszadła; k N m k d 5 n 3 m - współczynnik mieszania

13 WYTŁACZARKA REAKCYJNA Napęd wytłaczarki Zasilanie materiałem Mieszanie, sprężanie, ugniatanie, odgazowanie Uformowanie wyrobu w GŁOWICY Chłodzenie i cięcie żyłki RYNNA KRAJARKA ŚLIMAKI CYLINDRY WYTŁACZARKA REAKCYJNA DWUŚLIMAKOWA WSPÓŁBIEŻNA REAKTOR RUROWY? Z cyrkulacją?

14 OPORY PRZEPŁYWU PRZEZ RUROCIĄG Równanie Darcy-Weisbacha (przepływ izotermiczny przez rurociąg) L P D 2 u 2g ΔP - spadek ciśnienia u - prędkość liniowa przepływu L - długość rurociągu D - średnica rurociągu ρ - gęstość (płynu) g - przyspieszenie ziemskie λ - współczynnik oporów przepływu f (Re)

15 PRZEPŁYW PŁYNU (gazu, cieczy) Miara burzliwości przepływu płynu Liczba Reynoldsa Re (bezwymiarowa) Re u dr u prędkość liniowa przepływu, d r - średnica (rurociągu); ρ gęstość płynu μ lepkość dynamiczna Ruch laminarny Re < Obszar przejściowy Ruch burzliwy Re > a 64 Re b Ren

16 OPTYMALIZACJA WYMIENNIKÓW CIEPŁA q k F t m [kj/h] równanie Fourier a q strumień ciepła do odebrania [kj/h] k - współczynnik przenikania ciepła [kj/m 2 h 0 C] F - powierzchnia wymiany ciepła [m 2 ] t m - średnia logarytmiczna różnica temperatur [ 0 C] T kondensacji T 1 T 2 T wody chłodniczej T m T 1 ln T T1 T 2 2

17 WYMIANA CIEPŁA, WYMIENNIKI 1 k 1 w s s 1 z Medium chłodzone T z α z Ścianka wymiennika λ s Woda chłodnicza T w α w k współczynnik przenikania ciepła α w - współczynnik wnikania ciepła (wewnętrzny) α z - współczynnik wnikania ciepła (zewnętrzny) s grubość ścianki λ s przewodnictwo cieplne materiału ścianki

18 WYMIANA CIEPŁA, WYMIENNIKI Ruch wymuszony, burzliwy Równanie bezwymiarowe Nu C Re a Pr b Liczba Nusselta Nu d w p Liczba Prandtla Pr c p α - współczynnik wnikania ciepła d w - średnica wewnętrzna rury λ p - przewodnictwo cieplne płynu ρ gęstość płynu μ lepkość dynamiczna C, a, b - współczynniki

19 OPTYMALIZACJA WYMIENNIKÓW CIEPŁA Skraplacz płaszczowo-rurkowy Stałe: Wydajność kondensacji Δ T wody chłodzącej Natężenie przepływu wody Zmienne: Prędkość linowa wody u w f w (smukłość, liczba biegów) u w Pow. wymiany F Koszt wymiennika u w Δ P Koszt eksploatacyjny Optymalna prędkość u w - Minimum Σ (K I + K W )

20 USUWANIE WODY LABORATORYJNE ŚRODKI SUSZĄCE: Sole bezwodne Na 2 SO 4, MgSO 4, CuSO 4, K 2 CO 3,, Tlenki: MgO, Al 2 O 3, Wodorki: glinowodorek litu Li(AlH 4 ), CaH 2, Reaktywne metale: Na, K, Mg Zalety: - bezpośrednio w reaktorze (wygoda w lab.), - skuteczność (nie zawsze), - brak bezpośredniego zużycia energii Wady: - dodatkowa operacja filtracji, - odpad zawierający oprócz wody produkty reakcji konieczność przemycia np. rozpuszczalnikiem, utylizacja - jeśli regeneracja to odparowanie wody ale i rozpuszczalnika, - zużycie energii (filtracja, regeneracja)

21 USUWANIE WODY SITA MOLEKULARNE Sita molekularne materiały nanoporowate, o ściśle określonym, wąskim zakresie rozmiarów porów, które posiadają zdolność selektywnego adsorbowania cząsteczek związków chemicznych. Glinokrzemiany (zwłaszcza zeolity), niektóre rodzaje silikażelu, porowate polimery, węgiel aktywny Jako środki suszące zeolity (glinokrzemiany) Zalety: Obojętne chemicznie, nietoksyczne, można stosować wielokrotnie (regeneracja), duża pojemność adsorpcyjna wody, selektywność <średnicy porów. Regeneracja: termiczna (TSA) lub zmienno ciśnieniowa (PSA) Wady: regeneracja energia, przy mieszaniu (niezalecane) kruszenie się kolumny ze złożem stałym i cyrkulacja medium reakcyjnego.

22 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA T P = const. T P T W T AZ Obszar jednofazowy (P) Obszar jednofazowy (W) Obszar dwóch faz cieczy W X r PW X AZ X rwp X p WYKRES FAZOWY T x dla UKŁADU HETEROFAZOWEGO, składniki W + P

23 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA y y AZ Obszar jednofazowy (W) Obszar jednofazowy (P) Obszar dwufazowy W X rpw X AZ X rwp X P RÓWNOWAGA CIECZ (x) PARA (y) dla UKŁADU HETEROFAZOWEGO W - P

24 USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA J. Wisialski

25 USUWANIE WODY - STRIPPING T P = const. Para T wb Ciecz - Para T wa Ciecz W P X D1 X Dk X X S X W Wykres fazowy T x dla układu homofazowego

26 USUWANIE WODY - STRIPPING

27 USUWANIE WODY - PERWAPORACJA Perwaporacja (proces membranowy) - technika rozdziału mieszanin ciekłych związków chemicznych, wykorzystująca przeważnie polimerowe membrany nieporowate określane potocznie jako gęste lub membrany ceramiczne o średnicy porów poniżej 5 nm. W przypadku membran polimerowych, separacja wynika z różnic w rozpuszczalności poszczególnych składników w membranie (sorpcja) oraz różnic w szybkości ich dyfuzji poprzez tę membranę. Jest to proces alternatywny do odwróconej osmozy. Często stosuje się obniżone ciśnienie po stronie permeatu w celu usprawnienia procesu. Stosowane jest również wymywanie permeatu gazem inertnym. Czynnikiem rozdzielającym jest membrana i energia - praca przeniesienia pod wpływem gradientu prężności par.

28 USUWANIE WODY - PERWAPORACJA SCHEMAT ODWADNIANIA ETANOLU METODĄ PERWAPORACJI

29 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA w procesie FITRACJI i SUSZENIA OSADU ZADANIE TECHNOLOGICZNE: Odfiltrować osad BDBW od toluenu ( T = 50 o C) Przemyć osad toluenem Wysuszyć mokry osad od toluenu KRYTERIA Zanieczyszczenie środowiska Bezpieczeństwo Koszt aparatury Koszty ruchowe

30 Chłodzenie Temperatura [oc] PRĘŻNOŚĆ PARY NASYCONEJ TOLUENU Obszar odparowania Sprężanie i skraplanie ,00 10,00 100, ,00-20 Temperatura zapłonu: + 4 o C Ciśnienie [mbar] -40

31 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA wersja 1 Zawiesina BDBW w toluenie T = 60 C Filtrat do neutralizacji Para Para T = 60 C Azot Glikol zimny T = - 5 C T < 4 C (< temp. zapłonu, < DGW) T = 50 C Toluen odzyskany BDBW suchy Pompa próżniowa membranowa

32 ODZYSK ROZPUSZCZALNIKA wersja 2 Zawiesina BDBW w toluenie T = 60 C Para Azot T < 4 C (< temp. zapłonu, < DGW) Filtrat do neutralizacji T = 50 C Para T = 60 C Glikol zimny T = - 5 C Inżektor Toluen odzyskany BDBW suchy

33 PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTRACJA, SUSZENIE FILTROSUSZARKA Filtracja (ciśnienie, próżnia) Wygładzanie osadu Przemywanie Suszenie (temp., próżnia) Wyładunek (hermetyczny, N 2 )

34 PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTROSUSZARKA

35 PODSUMOWANIE PROJEKTOWANIE JAKO SZTUKA OPTYMALNYCH WYBORÓW PROJEKTOWANIE JEST PROCESEM ITERACYJNYM VALUE ENGINEERING Analiza kosztów i rozwiązań projektowych celem najbardziej optymalnego rozwiązania projektu w ramach budżetu, obniżanie kosztów oparte na doskonaleniu procesów i optymalizacji