Page 1
Wojciech Piątkowski
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Inżynieria Bioprocesowa
Wstęp
Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej
Wydział Chemiczny, Politechnika Rzeszowska
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
W y d z i a ł C h e m i c z n y
Page 2
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
Page 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 19974
Page 4
"Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r
(autor hasła prof. St.Wroński)
To już jest nieaktualna definicja
4
Page 5
Na zjeździe AIChE w 1922 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
Page 6
Z chwilą lepszego poznania operacji jednostkowych okazało się, że nie stanowią one wyodrębnionych
jednostek. Innymi słowy, nie są one "klockami elementarnymi".
7
Procesy jednostkowe zaczęto traktować, jako specjalne przypadki lub kombinacje szeregowo-
równoległe: 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.
Page 7
Operacje jednostkowe
inżynierii chemicznej
Procesy jednostkowe
inżynierii reakcji
chemicznych
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
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
7
Page 8
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.
Jerzy BAŁDYGA
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.
8https://pl.wikipedia.org/wiki/Technologia_chemiczna_i_inżynieria_procesowa
Page 9
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
Page 10
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
LITERATURA
10
Page 11
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.
Inżynieria chemiczna i procesowa
11
Page 12
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.
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.
12
Page 13
m kg NaOH
m kg H O2
Świeża żółć wołowa
KONSERWACJA I PRZECHOWYWANIE
3m kg NaOH
3m kg H O2
HYDROLIZA CIŚNIENIOWA
ZAGĘSZCZANIE HYDROLIZATU I
Woda (destylat)
EKSTRAKCJA SOLI BUTANOLEM
Odpad 40.5 kg
Fazawodna
Dest.azeot.
Faza
butanol.
DESTYLACJA AZEOTROPOWA BUTANOLU
Butanol 3.5 kg
Butanolnas.H O
2
2
Woda
Azeotrop
Straty
Faza wodna
Butanol nas. H O 19 kg
100 kg
100+2m kg
100+8m kg
ok.60 kg
50 kg
25 kg
43 kg 32 kg2.5 kg
31 kg
Woda50 kg
19 kg
4 kg
40 kg
Hydroli-zat
13
Page 14
Fazawodna m kg Kwas solny 1:x m/m
Faza toluenowa 16 kgFazawodna
EKSTRAKCJA TOLUENEM T-IDESTYLACJA
Odpad
Toluen 1 kg
m/4 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IDESTYLACJA
Osad OE-1Octan et.4 kg
1.5 kg Straty octanu etylu
m/9 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIDESTYLACJA
Osad OE-2
Octan et. 2 kg
0.7 kg Straty octanu etylu
m/10 kg Kwas solny 1:x m/m
Fazawodna
EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIIDESTYLACJA
Osad OE-3Octan et.1.6 kg
0.6 kg Straty octanu etylu
Faza octan.10 kgProdukt 0.35 kg(kw.cholowy OE-III)
STRĄCANIE KWASU CHOLOWEGO
m/2 kg Kwas solny 1:x m/m1.4 kg MeOH
38 kg H O2
Produkt 3.6 kg
Kwas cholowysurowy (strącany)
Odpad 88.8 kg
ok.50 kg
0.4 kg Octan et.11 kg
Faza octan.10 kg
1 kg
Faza octan.10 kg
1 kg
Octan et.11 kg
Octan et.13 kg
40+m kg
2 kg Toluen 15 kg40 kg
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
lub kwas siarkowy
14
Page 15
Nomeklatura Podstawowe nazewnictwo
Ruch ciepła
Ruch masyIlość masy składnika kluczowego A przenoszona w czasie to: -[kmolA];
lub - [kgA];
Strumień masowy: [ kmolA /s]; [ kgA /s];
Gęstość strumienia masy:: [kmol/m2s]
Szybkość ruchu masy.
[kgA/m2s]
Am
mA'
mA '
Am
''AAN m A
AAN m A
15
Page 16
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 - Pa
Koncentracja molowa C’Ag C’
Ac[kmolA/m3]
Koncentracja masowa CAg CAc[kgA/m3]
Udział molowy yA xA[kmolA/kmol]
Udział masowy wA uA [kgA/kg]
Stosunek molowy YA XA[kmolA/kmol
i]
Stosunek masowy WA UA [kgA/kg i]
VnA
VmA
nnA
mmA
iA nn
iA mm
Ay
AXAY
Ax
16
Page 17
Elementy opisujące własności czynnika oraz elementy termodynamiki
(mieszanin gazowych i ciekłych)
Elementy przenoszenia pędu
17
Page 18
monografia prof. St. Bredtsznajdera „Własności gazów i cieczy”, WNT W-wa 1962
Własności Parametry opisujące własności czynnika
(mieszanin gazowych i ciekłych)
N
i
N
iiiiiz MxMyM
1 1
lubMasa molowa zastępcza dla mieszaniny gazowej lub ciekłej:
Gęstość
GAZY: Dla gazu idealnego parametry p, v, T wiąże ze sobą równanie stanu –Clapeyrona:
pv = nRT [kg/m3] gdzie v -[m3/kg]
Dla gazu rzeczywistego: z = f(Tr, pr)
vv
n
T
pM
R
M
z
v
M
v
1
v zT
pM
R
pM
z T
z
R TT
Tp
p
pr
kr
r
kr
;
Metoda Parametrów Zredukowanych:
N
ikriim,kr TyT
1
N
ikriim,kr pyp
1
Dla mieszaniny gazowej:
18
CIECZE: gęstość mieszanin cieczy - 1
1
N
ii
m N
ii
m
V
1 2 1 2
2 1 1 2
m
m m
m m
Dla 2-składnikowej
mieszaniny cieczy
Page 19
Hydrodynamika (przenoszenie pędu)Prawo zachowania ciągłości strugi:
FwFwFgVm 0
gdzie: [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.
V
Charakter przepływu płynu
Re wd gd wd
gdzie: [Pas] - współczynnik dynamiczny lepkości płynu; [m2/s] - współczynnik kinematyczny
lepkości płynu.
w prostej rurze
gdzie: O [m] - obwód zwilżany przez płyn
dF
Oe
4W przewodzie o przekroju różnym od kołowego
19T. Hobler „Ruch ciepła i wymienniki”, WNT W-wa 1986
Page 20
Przepływy dwufazowe (gaz - ciecz; ciecz - ciecz)
Hydrodynamika c.d.
Spływ grawitacyjny cieczy po ścianie
Rezc
4
m
O
cgdzie: to jednostkowe natężenie zraszania ściany cieczą
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:
Reze eg d
dF
Oe
e
e
4
da
e 4
gm
Fe
Rez
m
F a
g
a
4 4 0
Dla fazy płynącej spływem grawitacyjnym po wypełnieniu:
Reze
c
4
ec
e
m
O
Oe = a F Rezc
g
a 0
20T. Hobler „Dyfuzyjny ruch masy i absorbery”, WNT W-wa 1982
Page 21
Opory przepływu płynuOpór 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 poszczególnychwymiarach:
[kg] 1 = d + e
[m] – 1 = a + b + c – 3d – e
[s] – 2 = – c – e
Rozwiązując tak otrzymany układ równań orazwyrażając pozostałe wykładniki przez b i eotrzymujemy:
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.
e b
2C
p L
wd dw
21Mieczysław Serwiński – „Zasady Inżynierii Chemicznej i Procesowej”
Page 22
Opory przepływu płynu c.d.
p
w 2
Eu - moduł (liczba Eulera), charakteryzujący stosunek sił oporów
ciśnienia do sił bezwładności płynu,
Re
dw - liczba Reynoldsa,
przy wykładniku - b = 1gKL
d
- moduł geometryczny
Eu C
ReAL
dPostać końcowa:
przy wykładniku - e = A
22
Page 23
Opory przepływu płynu c.d.
Po rozwikłaniu równania Eulera ze względu na p, otrzymamy:
pw L
d
2
2równanie Darcy-Weisbacha
- dla Re < 2100: 64
Re
- to współczynnik oporu hydraulicznego.
Empirycznie wyznaczono zależność tego współczynnika od Re i otrzymano:
0 3164
0 25
.
Re .
- przepływ burzliwy Re = 3 *103 105
- równanie Blassiusa,
0 00320 321
0 237.
.
Re .- równanie Nikuradze:
- przepływ burzliwy Re > 105
23
Page 24
Opory przepływu płynu c.d.
Opory podczas przepływu płynu przez warstwę wypełnienia:
pw L
de
e
e
2
2zmodyfikowane równanie Darcy-Weisbacha:
p
w L
de
n
n
2 3
3
3
2
1równanie Leva: 3
6
Vde
edwRe
p fg L
de
2 0
2
2 równanie Żaworonkowa: Rez
m
F a
g
a
4 4 0
gdzie: - to współczynnik oporu miejscowego, którego wartości podawane są w tablicach
Opory miejscowe pw
2
2
24
Page 25
Opory przepływu płynu c.d.
160
3
20
1250250
y
x
exp(-4x) 1.2 y
.
w
c
gc
gkr
.
gc
g
.
g
c
g
aw
m
m
Zjawisko zalewania (zachłystywania się) aparatu
Korelacja Kafarowa - Dytnierskiego
Dla układu gaz-ciecz:
20
21
1601250
3
20
1250250
y
x
(-4x)exp 1.2 y
.
m
.
w
c
.
RE
Ekr
.
RE
E
.
R
E
g
aw
V
V
Dla układu ciecz-ciecz:
wrz = z krw0
z < 1 najczęściej 0.7 - 0.8
25
Page 26
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ