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.
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
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.
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]
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)]
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]
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)
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
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)
OPTYMALIZACJA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ K i Koszty całkowite K minimum Koszty inwestycyjne N Koszty produkcyjne E R minimum R optimum R Określenie optymalnego powrotu R
REAKTORY Reaktor periodyczny (zbiornikowy) Reaktor ciągły zbiornikowy z mieszaniem pojemność czas przebywania stopień konwersji, Kaskada reaktorów zbiornikowych - optimum N Reaktor ciągły rurowy (tłokowy)
REAKTOR POLIMERYZACJI Rem n 2 d m Ruch laminarny Re m < 50 200 MOC MIESZANIA N m N m k d 3 n 2 m Ruch burzliwy rozwinięty Re m > 10 000 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
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?
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)
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 < 2 000 Obszar przejściowy Ruch burzliwy Re > 3 000 a 64 Re b Ren
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
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
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
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 )
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)
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.
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
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
USUWANIE WODY DESTYLACJA AZEOTROPOWA J. Wisialski
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
USUWANIE WODY - STRIPPING
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.
USUWANIE WODY - PERWAPORACJA SCHEMAT ODWADNIANIA ETANOLU METODĄ PERWAPORACJI
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
Chłodzenie Temperatura [oc] PRĘŻNOŚĆ PARY NASYCONEJ TOLUENU 120 100 80 Obszar odparowania 60 40 Sprężanie i skraplanie 20 0 1,00 10,00 100,00 1 000,00-20 Temperatura zapłonu: + 4 o C Ciśnienie [mbar] -40
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
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
PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTRACJA, SUSZENIE FILTROSUSZARKA Filtracja (ciśnienie, próżnia) Wygładzanie osadu Przemywanie Suszenie (temp., próżnia) Wyładunek (hermetyczny, N 2 )
PROBLEMY ROZDZIAŁU - OCZYSZCZANIA FILTROSUSZARKA
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