W y d z i a ł C h e m i c z n y P o l i t e c h n i k a R z e s z o w s k a i m. I g n a c e g o Ł u k a s i e w i c z a Wojciech Piątkowski Inżynieria Chemiczna i Procesowa Inżynieria Bioprocesowa Wstęp Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej Wydział Chemiczny, Politechnika Rzeszowska
Komunikat Londyński My, przedstawiciele 18 towarzystw reprezentujących inżynierię chemiczną całego świata, osobiście składamy podpisy pod następującym oświadczeniem: Kluczowym wyzwaniem dla naszej dyscypliny w XXI wieku jest wykorzystanie naszych umiejętności w celu poprawy jakości życia, rozwoju zatrudnienia, rozwoju ekonomicznego i społecznego i ochrony środowiska. Wyzwanie to obejmuje istotę zrównoważonego rozwoju. Będziemy pracować aby uczynić świat lepszym miejscem dla przyszłych pokoleń. 3
W szczególności, inżynierowie naszej dyscypliny będą: Projektować procesy i produkty, które są innowacyjne, energooszczędne i ekonomiczne, czyniąc najlepszy użytek z rzadkich bogactw naturalnych i zapewniając, że odpady i niekorzystne oddziaływanie na środowisko zostaną zminimalizowane. Osiągać najwyższe standardy bezpieczeństwa w produkcji i wykorzystaniu produktów wszelkich rodzajów. Dostarczać procesów i produktów, które dadzą ludziom schronienie, odzież, pożywienie i dobre zdrowie. Pracować wspólnie z innymi dyscyplinami w poszukiwaniu rozwiązań. Angażować się w uczciwy i otwarty dialog ze społeczeństwem nad wyzwaniami, które niesie produkcja dóbr żądanych przez społeczeństwo. Popierać badania pozwalające naszej dyscyplinie odpowiadać w pełni na globalne wymagania. Zachęcać najzdolniejszych i najlepszych młodych ludzi do naszej dyscypliny i popierać ich nieustanny rozwój zawodowy. W tym celu musimy współpracować i szanować wspólne wysiłki w dążeniu do spełnienia tego wyzwania. Jesteśmy świadomi, że wyzwanie to nie może zostać spełnione jedynie dzięki naszym wysiłkom ale to nie umniejsza naszej odpowiedzialności w dążeniu do jego spełnienia. Ułożono w Londynie z okazji obchodów 75 rocznicy IChemE 10 kwietnia 1997 4
"Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 001 r (autor hasła prof. St.Wroński) To już jest nieaktualna definicja 4
Na zjeździe AIChE w 19 roku zaaprobowano pojęcie operacji jednostkowej (obecnie procesu jednostkowego). Idea nasuwała się sama. Każdy, dowolnie skomplikowany proces technologiczny, przebiegający w dowolnej skali, da się rozłożyć na pewne składowe, takie jak: przepływy płynów przez rurociągi, filtracja, sedymentacja, odparowanie, destylacja, rektyfikacja, absorpcja, ekstrakcja, adsorpcja, suszenie, krystalizacja, sublimacja oraz liczne procesy chemiczne z towarzyszącymi im zjawiskami ruchu masy i ciepła. Każdy ciąg technologiczny jest zatem zbudowany z pewnej sekwencji operacji jednostkowych, jak z klocków Lego. Idea ta była potem rozwijana przez dziesięciolecia, z pożytkiem dla inżynierii chemicznej i jej użytkowników. Pojęcie operacji jednostkowej było pierwszym owocem unifikacji metod badawczych inżynierii chemicznej. Było też jej pierwszym poziomem. Operacja jednostkowa (ang. unit operation) jest to wyodrębniony zespół, fizycznych przemian materii (bez reakcji chemicznej), charakterystyczny ze względu na ich skutek. Proces jednostkowy (ang. unit process) jest to wyodrębniony zespół przemian fizycznych i chemicznych materii, charakterystyczny ze względu na zachodzącą reakcję chemiczną. 6
Z chwilą lepszego poznania operacji jednostkowych okazało się, że nie stanowią one wyodrębnionych jednostek. Innymi słowy, nie są one "klockami elementarnymi". Procesy jednostkowe zaczęto traktować, jako specjalne przypadki lub kombinacje szeregoworównoległe: przenoszenia pędu, przenoszenia ciepła oraz/lub dyfuzyjno-kinetycznego ruchu masy. Przykładowo: filtracja - specjalnym przypadkiem hydrodynamiki przepływu, a destylacja jest połączeniem wspomnianego ruchu masy oraz ruchu ciepła.. Z kolei proces w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu płynu, dyfuzyjnego ruchu masy, transportu ciepła oraz reakcji. Przykładowo: destylacja jest połączeniem wspomnianego ruchu masy i ciepła, a filtracja - specjalnym przypadkiem przepływu. Z kolei proces w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu płynu, dyfuzyjnego ruchu masy oraz transportu ciepła. W latach 50-tych (wtedy powstało światowe czasopismo Chemical Engineering Science) obserwuje się stopniowe odchodzenie od koncepcji operacji jednostkowych na korzyść idei zjawisk przenoszenia. W miejsce ujęć empirycznych - dominujących w "epoce operacji jednostkowych" zaczęto wprowadzać opisy ilościowe oparte na prawach zachowania i na znajomości mechanizmów rządzących procesami. "Klockami elementarnymi" okazały się zjawiska leżące u podstaw wszelkich procesów fizycznych i chemicznych. Tak wykrystalizował się drugi poziom unifikacji inżynierii chemicznej. Czy istnieje poziom trzeci? Takie podstawowe podejście do zjawisk przenoszenia i procesów chemicznych oznaczało, iż wagi nabrała ich analiza matematyczna. To z kolei stworzyło ogromne możliwości przewidywania właściwości technologicznych i ekonomicznych dowolnie zaprojektowanych procesów lub ich ciągów poprzez symulacje komputerowe. 7
Operacje jednostkowe inżynierii chemicznej 1. Operacje dynamiczne Przepływ płynów Sedymentacja Fluidyzacja Filtracja Rozdrabnianie Mieszanie Flotacja. 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. 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 7
Jerzy BAŁDYGA Celem inżynierii chemicznej i procesowej jest wytwarzanie produktów przemysłu chemicznego, czy szerzej produktów całego szeregu przemysłów przetwórczych. Powszechnie zaakceptowana definicja inżynierii chemicznej i procesowej mówi, że jest to nauka techniczna, która wykorzystuje podstawy: matematyki, fizyki, biologii i chemii do opisu i realizacji procesów, w których materia ulega przemianom fizykochemicznym, prowadzącym do jej pożądanej formy, czyli produktu. Podstawami Inżynierii Chemicznej i Procesowej są teoria i opis matematyczny zjawisk transportu (przenoszenia, ruchu): pędu w tym przepływów wielofazowych, ciepła, masy. Klasyczna inżynieria chemiczna zajmuje się badaniem podstaw teoretycznych procesów jednostkowych składających się z w/w zjawisk transportu a służących do rozdzielania mieszanin substancji, w tym: - mechanicznych, jak np.: sedymentacja, filtracja i wirowanie, - złożonych z ruchów ciepła o masy, dwu- i więcej fazowych: absorpcji, adsorpcji, ekstrakcji, krystalizacji, destylacji, suszenia, itp.. Bardzo ważnym działem jest Inżynieria reakcji chemicznych. Inżynieria chemiczna i procesowa uczy projektowania aparatów, procesów i ciągów technologicznych, a ponadto optymalnych metod przebiegu procesów oraz sterowania nimi. Jest nauką uniwersalną o procesach występujących nie tylko w przemyśle chemicznym, ale we wszystkich przemysłach przetwórczych, gdzie wytwarza się produkty w odpowiedniej postaci handlowej. Obecnie inżynieria procesowa wkroczyła w dziedzinę ochrony środowiska w części dotyczącej teorii procesów, a także projektowania i wyboru aparatury stosowanej w biotechnologii, nanotechnologii, ochronie wód, powietrza i gleby. https://pl.wikipedia.org/wiki/technologia_chemiczna_i_inżynieria_procesowa 8
Priorytetowymi kierunkami badawczymi inżynierii chemicznej i procesowej oraz inżynierii bioprocesowej są obecnie: Inżynieria reaktorów (reakcji) chemicznych, Inżynieria bioprocesowa (biochemiczna), Nowoczesne, niekonwencjonalne metody rozdzielania mieszanin, Odnawialne nośniki energii, Procesy i aparaty chemiczne w ochronie środowiska, Procesy w skali nano nanotechnologie, Intensyfikacja procesów, zaawansowane sterowanie procesami. 9
LITERATURA Tadeusz Hobler Ruch ciepła i wymienniki Mieczysław Serwiński Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej Tadeusz Hobler Dyfuzyjny ruch masy i absorbery Praca zbiorowa pod red. Z. Ziółkowskiego Procesy dyfuzyjne i termodynamiczne skrypt Pol. Wrocławskiej część; 1; ; 3; Z. Kembłowski, St. Michałowski, Cz. Strumiłło, R. Zarzycki Podstawy teoretyczne inżynierii chemicznej i procesowej C.O. Bennett, J.E. Meyers, Przenoszenie pędu, ciepła i masy Red. T. Kudra Zbiór zadań z podstaw teoretycznych inżynierii chemicznej i procesowej R. Zarzycki Zadania rachunkowe z inżynierii chemicznej K.F.Pawłow; P.G. Romankow; A.A. Noskow Przykłady i zadania z zakresu aparatury i inżynierii chemicznej Z. Kawala; M. Pająk; J. Szust Zbiór zadań z podstawowych procesów inżynierii chemicznej ; skrypt Pol. Wrocławskiej cz.: I, II, III Praca zbiorowa pod red. J. Bandrowskiego Materiały pomocnicze do ćwiczeń i projektów z inżynierii chemicznej skrypt Pol. Śląskiej 10
Inżynieria chemiczna i procesowa Podstawowym narzędziem służącym do opisu poszczególnych procesów jest modelowanie matematyczne, polegające na analizie przebiegu procesu przy pomocy układów równań matematycznych i fizycznych zwanych modelami dynamiki danego procesu. 11
W ramach Inżynierii bada się podstawy teoretyczne procesów przemiany materii (i opisuje się przebieg tych procesów w czasie i przestrzeni - WP) tworząc tzw. modele matematyczne. Modele po weryfikacji eksperymentalnej, wykorzystuje się do optymalizacji przebiegu procesów, sterowania procesami, bezpiecznego ich prowadzenia i przewidywania przebiegu procesów przetwórczych oraz do projektowania urządzeń, aparatów, ciągów technologicznych, itp. Jak widać, w centrum zainteresowania jest tu proces. Modele są syntezą informacji zaczerpniętych z: fizykochemii, termodynamiki, hydrodynamiki płynów, nauki o transporcie pędu, ciepła i masy oraz szeregu innych dyscyplin naukowych. Modelowanie umożliwia przewidywanie przebiegu procesów w aparatach niezależnie od ich wielkości. Modelowanie matematyczne procesów Inżynierii Chemicznej oraz projektowanie procesów i aparatów opiera się na dość skomplikowanych obliczeniach. Niemal w każdym przypadku niezbędne jest użycie komputera jako środka wspomagającego. Nowoczesny inżynier chemik musi posługiwać się komputerem z taką samą wprawą jak specjalistyczną aparaturą chemiczną. 1
3m kg NaOH 3m kg H O m kg NaOH m kg H O Świeża żółć wołowa 100 kg KONSERWACJA I PRZECHOWYWANIE 100+m kg HYDROLIZA CIŚNIENIOWA 100+8m kg ZAGĘSZCZANIE HYDROLIZATU I Butanol 3.5 kg Butanol nas.h O.5 kg 5 kg EKSTRAKCJA SOLI BUTANOLEM Faza wodna 43 kg Dest.azeot. 50 kg Faza butanol. 3 kg Woda (destylat) ok.60 kg Odpad 40.5 kg Woda 31 kg Woda 50 kg DESTYLACJA AZEOTROPOWA BUTANOLU Azeotrop Hydrolizat Faza wodna 40 kg 19 kg Butanol nas. H O 19 kg Straty 4 kg 13
Toluen 1 kg Odpad kg Toluen 15 kg Faza wodna 40 kg m kg Kwas solny 1:x m/m lub kwas siarkowy DESTYLACJA EKSTRAKCJA TOLUENEM T-I Faza Faza toluenowa 16 kg wodna 40+m kg Octan et.4 kg Osad OE-1 1 kg Octan et.13 kg m/4 kg Kwas solny 1:x m/m lub kwas siarkowy DESTYLACJA EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-I Faza Faza octan.10 kg wodna 1.5 kg Straty octanu etylu Octan et. kg Osad OE- 1 kg Octan et.11 kg m/9 kg Kwas solny 1:x m/m lub kwas siarkowy DESTYLACJA EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-II Faza Faza octan.10 kg wodna 0.7 kg Straty octanu etylu Octan et.1.6 kg Osad OE-3 0.4 kg Octan et.11 kg m/10 kg Kwas solny 1:x m/m lub kwas siarkowy DESTYLACJA EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-III Faza wodna Produkt 0.35 kg Faza octan.10 kg (kw.cholowy OE-III) 0.6 kg Straty octanu etylu ok.50 kg 1.4 kg MeOH 38 kg H O STRĄCANIE KWASU CHOLOWEGO m/ kg Kwas solny 1:x m/m lub kwas siarkowy Odpad 88.8 kg Produkt 3.6 kg Kwas cholowy surowy (strącany) 14
Nomeklatura Podstawowe nazewnictwo Ruch ciepła Ruch masy Ilość masy składnika kluczowego A przenoszona w czasie to: -[kmola]; lub m A - [kga]; ' m A Strumień masowy: [ kmola /s]; [ kga /s]; Gęstość strumienia masy:: ' [kmol/m ' s] N m A A Szybkość ruchu masy. m A A N A m A A m A ' [kga/m s] 15
Nomeklatura c.d. Ruch masy oznaczenia, nazewnictwo Rodzaj stężenia Nazwa stężenia Symbol Definicja Wymiar Faza gazowa Faza ciekła Stężenie ogólnie Z A S A Ciśnienie cząstkowe p A - Pa Koncentracja molowa C Ag C Ac n A V [kmola/m 3 ] Koncentracja masowa C Ag C [kga/m 3 ] Ac m A V Udział molowy y A x [kmola/kmol] A n Udział masowy w A u A x A m [kga/kg] y A Stosunek molowy Y A X A [kmola/kmol Stosunek masowy W A U A X A m [kga/kg i] A m i Y A n A m A n A n i i] 16
Elementy opisujące własności czynnika oraz elementy termodynamiki (mieszanin gazowych i ciekłych) Elementy przenoszenia pędu 17
Własności Masa molowa zastępcza dla mieszaniny gazowej lub ciekłej: Gęstość Parametry opisujące własności czynnika (mieszanin gazowych i ciekłych) M z N y M lub N i i i1 i1 GAZY: Dla gazu idealnego parametry p, v, T wiąże ze sobą równanie stanu Clapeyrona: pv = nrt v T v [kg/m 3 ] gdzie v -[m 3 /kg] M n R M z p 1 v v M x i M i T Dla gazu rzeczywistego: vm z R pm z p z = f(t r, p r ) zrt Dla mieszaniny gazowej: CIECZE: gęstość mieszanin cieczy - i1 Metoda Parametrów Zredukowanych: m N N i1 monografia prof. St. Bredtsznajdera Własności gazów i cieczy, WNT W-wa 196 m V i i T Dla -składnikowej mieszaniny cieczy kr,m m N i1 T y r i T T T kri kr p ; p r kr,m 1 1 m m m m 1 1 p p N kr i1 y i p kri 18
Hydrodynamika (przenoszenie pędu) Prawo zachowania ciągłości strugi: m V g F w0 F w F V gdzie: [m 3 /s] - przepływ objętościowy; [kg/m 3 ] - gęstość płynu; g [kg/m s] - prędkość masowa płynu; F [m ] - przekrój poprzeczny rurociągu; w 0 [m 3 /m s] - prędkość objętościowa płynu; w [m/s] - prędkość liniowa płynu. wd g d wd Re w prostej rurze Charakter przepływu płynu gdzie: [Pas] - współczynnik dynamiczny lepkości płynu; [m /s] - współczynnik kinematyczny lepkości płynu. F de 4 O W przewodzie o przekroju różnym od kołowego gdzie: O [m] - obwód zwilżany przez płyn T. Hobler Ruch ciepła i wymienniki, WNT W-wa 1986 19
Hydrodynamika c.d. Spływ grawitacyjny cieczy po ścianie Re z 4 c Przepływy dwufazowe (gaz - ciecz; ciecz - ciecz) gdzie: to jednostkowe natężenie zraszania ściany cieczą Przepływy przez wypełnienie nieruchome Definicje parametrów wypełnienia, które określa każdy producent wypełnień: a [m /m 3 ] - powierzchnia jednostkowa (właściwa) wypełnienia; [m 3 /m 3 ] - objętość swobodna (właściwa) wypełnienia. Wartości a oraz w tablicach. Dla fazy płynącej ruchem wymuszonym rdzeniem przekroju aparatu: ge de Re z d e F 4 O e e de 4 a g e m F Dla fazy płynącej spływem grawitacyjnym po wypełnieniu: Re z e 4 c e m O c e g 0 O e = a F Re z a c Re z 4m 4 g 0 F a a mc O T. Hobler Dyfuzyjny ruch masy i absorbery, WNT W-wa 198 0
Opory przepływu płynu Opór przepływu płynu przez rurociąg prosty jest funkcją następujących zmiennych: p = f (w, d, L,, ) W myśl zasad Analizy Wymiarowej funkcję tę zapisujemy funkcją potęgową (metoda Rayleigh a): p = C d a L b w c d e Porównajmy wymiary: p [N/m ] = [kg/ms ] = = d a [m] a L b [m] b w c [m/s] c d [kg/m 3 ] d e [kg/m s] e a stąd: p = C w (-e) d (-b e) L b e (1 e) Grupujemy parametry według wykładników: parametry z cyfrą na lewą stronę r-nia; na prawej stronie: wszystkie parametry z wykładnikiem e razem; wszystkie parametry z wykładnikiem d razem. a teraz wykładniki przy poszczególnych wymiarach: [kg] 1 = d + e [m] 1 = a + b + c 3d e [s] = c e Rozwiązując tak otrzymany układ równań oraz wyrażając pozostałe wykładniki przez b i e otrzymujemy: d = 1 e c = e a = b e Mieczysław Serwiński Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej p L C w wd d e b 1
Opory przepływu płynu c.d. p w Eu - moduł (liczba Eulera), charakteryzujący stosunek sił oporów ciśnienia do sił bezwładności płynu, wd Re - liczba Reynoldsa, przy wykładniku - e = A d L Kg - moduł geometryczny przy wykładniku - b = 1 Postać końcowa: Eu CRe A L d
Opory przepływu płynu c.d. Po rozwikłaniu równania Eulera ze względu na p, otrzymamy: w p L d - dla Re < 100: 64 Re równanie Darcy-Weisbacha - to współczynnik oporu hydraulicznego. Empirycznie wyznaczono zależność tego współczynnika od Re i otrzymano: - przepływ burzliwy Re = 3 *10 3 10 5 - równanie Blassiusa, 0. 3164 0 5 Re. - przepływ burzliwy Re > 10 5 - równanie Nikuradze: 0. 003 0. 31 Re. 0 37 3
Opory przepływu płynu c.d. Opory miejscowe w p gdzie: - to współczynnik oporu miejscowego, którego wartości podawane są w tablicach Opory podczas przepływu płynu przez warstwę wypełnienia: p e w e L d e zmodyfikowane równanie Darcy-Weisbacha: w p 3n L d e 1 3 3n równanie Leva: d e 6 V 3 Re wd e p g0 f L d e równanie Żaworonkowa: Re z m 4 4 g 0 F a a 4
Opory przepływu płynu c.d. 0 16 3 0 0 15 0 5 y x exp(-4x) 1. y. w c g c g kr. g c g. g c g a w m m Zjawisko zalewania (zachłystywania się) aparatu Korelacja Kafarowa - Dytnierskiego Dla układu gaz-ciecz: 0 1 0 16 0 15 3 0 0 15 0 5 y x exp (-4x) 1. y. m. w c. R E E kr. R E E. R E g a w V V Dla układu ciecz-ciecz: w rz = z kr w 0 z < 1 najczęściej 0.7-0.8 5
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ