wstep - wyklad_wstep

W ydział Chemiczny
Politechnika Rzeszowska
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
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; 2; 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
2
"Inżynieria Chemiczna i Procesowa"
hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r
(autor hasła prof. St.Wroński)
To już jest nieaktualna definicja
3
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.
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
4
• 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.
5
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
6
W roku 1908 powstał American Institute of Chemical Engineers (AIChE), ale
powstanie inżynierii chemicznej jako dyscypliny nauk wiąże się z
opublikowaniem w 1923 w USA książki „Principles of Chemical Engineering”.
Wprowadzono w niej istotne dla rozwoju badań i metod nauczania pojęcie
operacji
jednostkowej
(procesu
jednostkowego,
podstawowego).
Wprowadzenie tego pojęcia wynikało ze spostrzeżenia, że w wielu tzw.
przemysłach
przetwórczych
(np.
chemicznym,
rafineryjno-naftowym,
spożywczym, cukrowniczym, rolnym, lekkim, jak też w dziedzinie ochrony
środowiska) występuje szereg identycznych w zasadzie procesów o jednakowych
podstawach fizykochemicznych, zwanych procesami podstawowymi.
Zasadniczy przedmiot inżynierii chemicznej stanowiły i nadal stanowią
odpowiednio sklasyfikowane procesy jednostkowe jak: filtracja, sedymentacja,
fluidyzacja, destylacja, rektyfikacja, absorpcja, adsorpcja, ekstrakcja, ługowanie,
suszenie, krystalizacja, zatężanie roztworów, procesy prowadzone w reaktorach
chemicznych, biochemicznych i innych oraz systematyczny opis tych procesów.
Zespoły tych procesów, odpowiednio ze sobą powiązane, tworzą kompletne ciągi
technologiczne.
7
Z chwilą lepszego poznania procesów jednostkowych okazało się, że nie stanowią one
wyodrębnionych jednostek. Innymi słowy, nie są "klockami elementarnymi". Procesy
jednostkowe zaczęto traktować, jako specjalne przypadki lub kombinacje
szeregowo-równoległe: przenoszenia pędu, przenoszenia ciepła i/lub dyfuzyjnokinetycznego ruchu masy.
Przykładowo: filtracja - specjalnym przypadkiem hydrodynamiki przepływu, a
destylacja jest połączeniem wspomnianego ruchu masy i ruchu ciepła..
Z kolei proces w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu płynu,
dyfuzyjnego ruchu masy, transportu ciepła oraz reakcji.
Priorytetowymi kierunkami badawczymi Inżynierii Chemicznej
Procesowej oraz Bioinżynierii są obecnie:
• Inżynieria reaktorów 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.
i
8
Inżynieria chemiczna i procesowa
Podstawowym narzędziem służącym do opisu poszczególnych procesów jest
modelowanie, polegające na analizie przebiegu procesu przy pomocy modeli
matematycznych i fizycznych zwanych modelami dynamiki danego procesu.
9
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. 10
m kg NaOH
m kg H
O
2
Świeża żółć wołowa
100 kg
KONSERWACJA I PRZECHOWYWANIE
3m kg NaOH
100+2m kg
3m kg H
O
2
HYDROLIZA CIŚNIENIOWA
100+8m kg
ZAGĘSZCZANIE HYDROLIZATU I
Butanol 3.5 kg
50 kg
Woda (destylat)
ok.60 kg
Butanol
nas.H2 O 25 kg
EKSTRAKCJA SOLI BUTANOLEM
Faza
wodna
43 kg
Dest.azeot.
2.5 kg
Faza
butanol.
32 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
2
Straty
4 kg
11
Toluen 1 kg
Odpad
2 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. 2 kg
Osad OE-2
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
Produkt 0.35 kg
wodna
Faza octan.10 kg
(kw.cholowy OE-III)
ok.50 kg
0.6 kg Straty octanu etylu
1.4 kg MeOH
m/2 kg Kwas solny 1:x m/m
lub kwas siarkowy
38 kg H 2O
STRĄCANIE KWASU CHOLOWEGO
Odpad 88.8 kg
Produkt 3.6 kg
Kwas cholowy
surowy (strącany)
12
Nomeklatura
Podstawowe nazewnictwo
Ruch ciepła
Ruch masy
Ilość masy składnika kluczowego A przenoszona w czasie  to: m' -[kmolA];
A
lub mA - [kgA];
'
Strumień masowy: m A
[ kmolA /s];m A
Gęstość strumienia masy::
Szybkość ruchu masy.

[ kgA /s];

'
N  mA A
'
A

NA  mA A
[kmol/m2s]
[kgA/m2s]
13
Nomeklatura c.d. Ruch masy – oznaczenia, nazewnictwo
Rodzaj stężenia
Nazwa stężenia
Symbol
Definicja
Wymiar
Faza
gazowa
Faza
ciekła
Stężenie ogólnie
ZA
SA
Ciśnienie cząstkowe
pA
-
Koncentracja molowa
C’Ag
C’Ac
nA V
[kmolA/m3]
Koncentracja masowa
CAg
CAc
mA V
[kgA/m3]
Udział molowy
yA
xA
nA n
[kmolA/kmol]
mA m
[kgA/kg]
Udział masowy
wA 
yA
Stosunek molowy
YA
Stosunek masowy
WA  Y A
uA 
Pa
xA
XA
UA 
XA
n A ni
[kmolA/kmol
i]
mA mi
[kgA/kg i]
14
Elementy opisujące własności czynnika oraz elementy termodynamiki
(mieszanin gazowych i ciekłych)
Elementy przenoszenia pędu
15
Własności
Parametry opisujące własności czynnika
(mieszanin gazowych i ciekłych)
N
N
i 1
i 1
Masa molowa zastępcza dla mieszaniny gazowej lub ciekłej: M z   yi M i lub   xi M i
Gęstość
GAZY: Dla gazu idealnego parametry p, v, T wiąże ze sobą równanie stanu –Clapeyrona:
1 M
pv = nRT  v M  v  RT     z
[kg/m3] gdzie v -[m3/kg]
v vM
n p
RT
v

z
Dla gazu rzeczywistego: M
p
Dla mieszaniny gazowej:

pMz

zRT
z = f(Tr, pr)
Tr 
T
p
; pr 
Tkr
pkr
N
N
yi Tkri pkr ,m   yi pkri
Metoda Parametrów Zredukowanych: Tkr ,m  i
i 1
1
CIECZE: gęstość mieszanin cieczy -   1  2  m1  m2 
M
 2 m1  1 m2
monografia prof. St. Bredtsznajdera „Własności gazów i cieczy”, WNT W-wa 1962
16
Hydrodynamika (przenoszenie pędu)

Prawo zachowania ciągłości strugi:

m  V    g F  w0  F    w F 

gdzie: V [m3/s] - przepływ objętościowy;  [kg/m3] - gęstość płynu; g [kg/m2s] - prędkość masowa
płynu; F [m2] - przekrój poprzeczny rurociągu; w0 [m3/m2s] - prędkość objętościowa płynu; w [m/s]
- prędkość liniowa płynu.
Charakter przepływu płynu
Re 
wd 


gd


wd

W prostej rurze
gdzie:  [Pas] - współczynnik dynamiczny lepkości płynu;  [m2/s] - współczynnik kinematyczny
lepkości płynu.
4F
de 
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
17
Hydrodynamika c.d.
Przepływy dwufazowe (gaz - ciecz; ciecz - ciecz)
Spływ grawitacyjny cieczy po ścianie

4
Re z 
gdzie:  to jednostkowe natężenie zraszania ściany cieczą  
c
mc
O
Przepływy przez wypełnienie nieruchome
Definicje parametrów wypełnienia, które określa każdy producent wypełnień:
a [m2/m3] - powierzchnia jednostkowa (właściwa) wypełnienia;
 [m3/m3] - objętość swobodna (właściwa) wypełnienia.
Wartości a oraz  w tablicach.
Dla fazy płynącej ruchem wymuszonym rdzeniem przekroju aparatu:
Re z 
ge d e

4F
de  e
Oe
4
de 
a

ge 
m
F


Re z 
4 m 4 g0

F a a
Dla fazy płynącej spływem grawitacyjnym po wypełnieniu:
Re z 
4 e
c

mc
e 
Oe
Oe = a F

Re z 
g0
a c
T. Hobler „Dyfuzyjny ruch masy i absorbery”, WNT W-wa 1976
18
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 Lb w c  d  e
Porównajmy wymiary:
p [N/m2] = [kg/ms2] = = d a [m] a
Lb [m] b
wc [m/s]c
 d [kg/m3] d
 e [kg/m s] e
a stąd:
p = C w (2-e) d (-b –e) Lb  e  (1 – e)
a teraz wykładniki przy poszczególnych
wymiarach:
[kg]  1 = d + e
[m]  – 1 = a + b + c – 3d – e
[s]  – 2 = – c – e
Rozwiązując tak otrzymany układ równań oraz
wyrażając pozostałe wykładniki przez b i e
otrzymujemy:
d=1–e
c=2–e
a=–b–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.
 p 
  
 2   C 

wd



w 
Mieczysław Serwiński – „Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej”
e
L
 
d 
b
19
Opory przepływu płynu c.d.
 p
 Eu

2
w 
- moduł (liczba Eulera), charakteryzujący stosunek sił oporów
ciśnienia do sił bezwładności płynu,
 wd  

  Re - liczba Reynoldsa,
  
d
   Kg
 L
- moduł geometryczny
przy wykładniku - e = A
przy wykładniku - b = 1
 L
Postać końcowa: Eu  C Re  
d
A
20
Opory przepływu płynu c.d.
Po rozwikłaniu równania Eulera ze względu na p, otrzymamy:
w2  L 
 p
 
2 d
równanie Darcy-Weisbacha
- to współczynnik oporu hydraulicznego.
Empirycznie wyznaczono zależność tego współczynnika od Re i otrzymano:
- dla Re < 2100:   64
Re
- przepływ burzliwy Re = 3 *103  105
- równanie Blassiusa,   0.3164
Re 0.25
- przepływ burzliwy Re > 105
- równanie Nikuradze:   0.0032  0.321
Re 0.237
21
Opory przepływu płynu c.d.
2
w
Opory miejscowe  p  

2
gdzie:  - to współczynnik oporu miejscowego, którego wartości podawane są w tablicach
Opory podczas przepływu płynu przez warstwę wypełnienia:
we2  L 
 p  e
 
2  de 
3 n


1



w  L 
3 n
 p   
 
3
2  d e   

2
g02  L 
 p2 f 2  
   de 
zmodyfikowane równanie Darcy-Weisbacha:
równanie Leva:
de  3
6V

 wd e  

Re  
  

równanie Żaworonkowa:
Re z 
4 m 4 g0

F a a
22
Opory przepływu płynu c.d.

Zjawisko zalewania (zachłystywania się) aparatu

Korelacja Kafarowa - Dytnierskiego
 y  1.2 exp(-4x)

   0.25
0.125
  mc    g 

x     
Dla układu gaz-ciecz:




c
g
 m  

g

 
0.16

2



g
 y  w0kr a 
  c 







c   g   w 
3



g

y  1.2 exp (-4x)

   0.25
0.125
Dla układu ciecz-ciecz:
  VE    E 

x     
  V   E  R 
wrz = z w0 kr
  R
 w2 a   0.125   0.16   0.2
0 kr 
c
m 
E 



y

z < 1 najczęściej 0.7- 0.8
     
   

3
 E R  w  1 2

g

23
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ