technologia chemiczna jako nauka stosowana … · 2016-09-28 · obliczenia termodynamiczne...
TRANSCRIPT
TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA
STOSOWANA
GENEZA NOWEGO PROCESU
TECHNOLOGIA CHEMICZNAwykład 1
GENEZA NOWEGO PROCESU
TECHNOLOGICZNEGO
CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU
Czym się zajmuje technologia
chemiczna i inżynieria chemiczna i inżynieria
procesowa?
Technologia chemiczna jest nauką stosowaną,
interdyscyplinarną, która ma zaproponować
warunki i schematy technologiczne otrzymywania
żądanych produktów chemicznych w optymalny,
przyjazny dla środowiska sposób,
Technologia chemiczna - definicja
przyjazny dla środowiska sposób,
z uwzględnieniem odpowiedniej skali
wytwarzania i po możliwych do zaakceptowania
kosztach.
Bortel E., Koneczny H, Zarys technologii chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992
nauki podstawowenauki podstawowe
są rozwijane przez ludzką ciekawość
świata
nauki stosowanenauki stosowane
stawiają sobie za cel rozwiązywanie
konkretnych problemów
Nauką podstawową
technologii chemicznej
jest chemia
ODKRYCIE NAUKOWE →→→→ WYNALAZEK →→→→ APLIKACJA
� odkrycie przez Benjamina Franklina elektrycznej natury piorunówpozwoliło mu na wynalezienie piorunochronu w 1752 r. Wynalazekten jest stosowany do dnia dzisiejszego, zabezpieczając budynkipodczas burz
� odkrycie fal elektromagnetycznych umożliwiło GuglielmoMarconiemu/ Nikoli Tesla wynalezienie radia, a następniezaowocowało lawiną wynalazków usprawniających budowę
Odkrycia i wynalazki
zaowocowało lawiną wynalazków usprawniających budowęradioodbiorników i łączność radiową
Chemia nowoczesna
XVIII/XIX w
Chemia stosowana
(chemia techniczna) ???
wytop miedzi(2200-700 p.n.e.)
metalurgia
garncarstwogarncarstwo
wyrób farb i perfum
Tutankhamun's
gold sarcophagus
110 kg Au
�Produkcja amoniaku (metoda Habera i
Boscha)
�Produkcja nawozów azotowych
�Produkcja metanolu
Gorgius Agricola 1494-1555 NaCl, MgCl2, KCl, K2SO4, LiCO3, Na2SO4
Great Salt Lake, UT
Zatężanie witriolu wykorzystując energię słoneczną
przedstawione w De Re Metallica libri XII8
Destylacja słoneczna
� zatężanie alkoholu
� ekstrakcja ziół
� otrzymywanie olejków
zapachowychGiovanni Della Porta (1535-1615) Magiae NaturalisKsięga X O destylacji, rozdział IV Jak destylować używając ciepła Słońca?
9
Carlos Wilson, 1872Pierwsza na świecie stacja destylacji
słonecznej, Las Salinas, Chile
Oczyszczano odcieki z kopalni saletry sodowej (zasolenie 140 g/kg); 64 wnęki o łącznej
pow. 4450m2, produkowano 22,7m3 wody /dziennie
Delyannis E., Historic background of desalination and renewable energies, Solar Energy 75 (2003) 357-366. 10
Destylacja słoneczna (odsalanie wody)
500 litrów wody pitnej dziennie
William Perkin: MOWEINA(1838-1907)
toluidyna anilina
1 2
rozkolce (9,000 →→→→ 1 g purpury tyryjskiej)
chinina
1856 – 18-letni W. Perkin próbuje zsyntezować chininę – przypadkowo otrzymuje substancję barwną – MOWEINĘ (purpurę anilinową)
+ C, HK2Cr2O7
Historia technologii polskiej
Józef Zawadzki (1886-1951)Uniwersytet Jagielloński (1910)
Politechnika w Karlsruhe (1912-13); asystent F. Habera i H. Buntego
„Technologia chemiczna nieorganiczna”
Politechnika Warszawska (od 1915), Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Warszawska (od 1915), Katedra Technologii Chemicznej
Janusz Ciborowski (1918-1986)Politechnika Warszawska (1945)
Massachusetts Institute of Technology, USA (1946—1947)
„Inżynieria chemiczna”, „Podstawy inżynierii chemicznej”
technologia chemiczna
a
inżynieria procesowa
Wzajemnie dopełniające się dyscypliny naukowe,
dotyczące problemów projektowania, budowy i
eksploatowania urządzeń i instalacji, eksploatowania urządzeń i instalacji,
umożliwiających prowadzenie procesów
technologicznych (przekształcenie surowców w
użyteczne produkty)
Chemical Engineering
Przejście od skali laboratoryjnej do wielkiej produkcji
SUROWCE
pomysł →→→→ skala laboratoryjna →→→→ skala przemysłowa
URZĄDZENIA
Skala przemysłowa
Silosy do mąki Zbiornik fermentacji drożdży Automat do formowania ciasta Silosy do mąki Zbiornik fermentacji drożdży Automat do formowania ciasta
Komora fermentacji Automat załadowczy Piec komorowy
Cechy charakterystyczne
• duża skala
• strona ekonomiczna zagadnienia• strona ekonomiczna zagadnienia
• aspekt środowiskowy
Podstawy technologii chemicznej
obejmują:•opis procesów technologicznych
•projekt procesowy
•procesy pomocnicze w technologii chemicznejprocesy pomocnicze w technologii chemicznej
Do procesów pomocniczych technologii
chemicznej zaliczamy:•gospodarkę ciepłem;
•wytwarzanie próżni i ciśnienia
•produkcję gazów technicznychprodukcję gazów technicznych
•zagospodarowanie odpadów
•uzdatnianie i dezynfekcję wody
•oczyszczanie ścieków
Fazy i etapy opracowywania technologii
[Synoradzki, Wisialski, 2006]
Współczesne uwarunkowania projektowania
procesowego
Nowe materiały aparaturowe i konstrukcyjne
Wykorzystanie komputerówWykorzystanie komputerów
Wzrastające wymogi ochrony środowiska
Rosnące koszty energii
Proces technologiczny a środowisko
Final product
• toxic /non-toxic• biodegradable / non-
biodegradable• recyclable / non-
recyclable
• renewable energy• renewable raw
materialProduction process
• renewable raw material•water/ wastewater/
solid waste• emission to
atmosphere
Clean technologies
•harness renewable materials and energy sources• reduce the use of
natural resources•cut or eliminate
emissions and wastes
Technology
Elementy
projektowania
chemicznych
zakładów
przemysłowych
SPIS TREŚCI PROJEKTU PROCESOWEGO
I. Koncepcja chemicznaI.1. Ogólna charakterystyka i zapotrzebowanie wyrobu
I.2. Światowe kierunki sposobów wytwarzania i rozwiązań technicznych
I.3. Charakterystyka proponowanej metody
I.4. Charakterystyka surowców
I.5. Charakterystyka produktu głównego i ubocznych
I.6. Charakterystyka odpadów i ścieków z omówieniem możliwości ich utylizacji, magazynowania lub
neutralizacji
II. Koncepcja technologicznaII.1. Schemat ideowy
II.2. Indywidualne parametry poszczególnych procesów i operacji jednostkowych
II.3. Bilans materiałowyII.3. Bilans materiałowy
II.4. Bilans energetyczny
II.5. Opis procesu technologicznego
II.6. Schemat technologiczny
II.7. Materiały konstrukcyjne i ochrona przed korozjąII.8. Zestawienie aparatów i urządzeńII.9. Harmonogram pracy aparatów
II.10. Kontrola produkcji
II.11. Zapotrzebowanie siły roboczej
II.12. Zagadnienia higieny i bezpieczeństwa pracy
II.13. Ocena oddziaływania na środowisko
III. Opracowanie wstępnego uzasadnienia ekonomicznego
IV. Literatura
Koncepcja chemiczna procesu
Dokonanie wyboru surowców i ustalenie szeregu
przemian chemicznych i fizycznych
zapewniających otrzymanie produktu.
Koncepcja technologiczna procesu
Jest to określenie liczby, kolejności i rodzajów
procesów podstawowych niezbędnych do
prowadzenia produkcji.
Pełna koncepcja chemiczna metody obejmuje:� Ustalenie równań stechiometrycznych proponowanych reakcji chemicznych
� Wykonanie obliczeń stechiometrycznych, podanie bilansu stechiometrycznego i
teoretycznych wskaźników zużycia surowców
� Wykonanie obliczeń termodynamicznych obejmujących:
� Stałe równowagi chemicznej i fazowej proponowanych przemian
� Skład równowagowy układu
� Wpływ temperatury, ciśnienia i składu początkowego na stan równowagi układu
reakcyjnego
� Efekty cieplne przemian chemicznych i fazowych� Efekty cieplne przemian chemicznych i fazowych
� Dokonanie wstępnej kalkulacji kosztów produkcji
� Dokonanie wstępnej weryfikacji koncepcji chemicznej, dobranie optymalnego wariantu
z szeregu teoretycznie możliwych
� Obliczenie lub wyznaczenie doświadczalne właściwości fizykochemicznych czystych
reagentów i ich mieszanin
� Doświadczalne przebadanie kinetyki wybranych przemian chemicznych i fazowych,
wyznaczenie szybkości oraz równań kinetycznych dla wszystkich reakcji chemicznych,
dobór katalizatorów
Dodatkowo należy brać pod uwagę
następujące uwarunkowania:
� Ochronę środowiska
� Gospodarkę odpadami
� Dostępność energii, wody technologicznej i chłodzącej
� Gwarancję dostaw surowców
Powiązanie nowej instalacji z innymi istniejącymi w � Powiązanie nowej instalacji z innymi istniejącymi w
kombinacie chemicznym
� Tendencje cen krajowych i zagranicznych
� Czystość patentową metody
� Sposób prowadzenia procesu (okresowy/ ciągły)
� Rachunek ekonomiczny
Jak opracować/ wybrać
koncepcję chemiczną procesu?koncepcję chemiczną procesu?
Jak możemy otrzymać azotan amonu
(NH4NO3)?
Przykład wariantów koncepcji
Wytwarzanie azotanu amonu (NH4NO3)
Przykład wariantów koncepcji
metoda laboratoryjna wytwarzania azotanu amonu z amoniaku i kwasu azotowego jest podstawą rozwiązań przemysłowych – zagadnienie sprowadza się do znalezienia ekonomicznych metod przemysłowych wytwarzania półproduktów
Wytwarzanie azotanu amonu
Przykład wariantów koncepcji
otrzymywanie amoniaku jako produktu ubocznego w gazowniach, a kwasu azotowego z saletry chilijskiej nie mogło rozwiązać zagadnienia wytwarzania związków azotowych w dużej skali i ma jedynie historyczne znaczenie
Przykład wariantów koncepcji
zagadnienia przemysłowej produkcji azotanu amonu
polegały na :
1. wyeliminowaniu surowców możliwych do uzyskania w
sposób bardzo ograniczony (amoniak z gazowni, saletra
chilijska) i zastąpieniu ich surowcami głównymi, których chilijska) i zastąpieniu ich surowcami głównymi, których
zapasy są praktycznie nieograniczone (XXXXXXXXXXXXX)
2. znalezieniu takiego rozwiązania , w którym wykorzystuje się
ciepło reakcji egzotermicznej amoniaku z kwasem azotowym
dla odparowania roztworu azotanu amonu ( z
wyeliminowaniem niebezpieczeństwa wybuchowego azotanu
amonu)
Przykład wariantów koncepcji
Jakie surowce były najtańsze i najbardziej dostępne?
NH4NO3NH4NO3
tlen
azotazot
woda
Przykład wariantów koncepcji
tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej � tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej temperaturze;
� obliczenia termodynamiczne wartości stałej równowagi reakcji (a) wykazują, ze wydajność reakcji będzie niewielka , a zużycie energii na ogrzanie reagentów bardzo duże
� sposób wytwarzania NO w łuku elektrycznym (temperatura ok. 3000oC) od dawna nie jest stosowany w przemyśle – reakcję tworzenia tlenku azotu należy prowadzić w możliwie wysokiej temperaturze, po czym gazy opuszczające przestrzeń reakcyjną trzeba szybko schłodzić do temperatury poniżej 1200-1300oC (zamrażanie układu w stanie równowagi – przemiany prowadzone z udziałem plazmy)
Przykład wariantów koncepcji
obliczenia termodynamiczne wykazują, że odwrócenie reakcji rozpadu azotynu amonu mogłoby nastąpić dopiero w warunkach, których nie można zrealizować w praktyce
– koncepcja jest nierealna !!!
Przykład wariantów koncepcji
metoda ta stosowana jest w przypadku, gdy dysponujemy tanią energią elektryczną, która zużywana jest w dużych ilościach w procesie elektrolizy
Pierwsza fabryka amoniaku rozpoczęła produkcję
30t NH3/dobę w 1913 roku
„Chleb z powietrza”
30t NH3/dobę w 1913 roku
Za syntezę amoniaku z pierwiastków składowych
Fritz Haber otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii
w 1918 roku
F.Haber od 1904 rozpoczął prace nad równowagą reakcji powstawania amoniaku z atomów azotu i
wodoru w wysokich temperaturach i wysokim ciśnieniu. Badania związane były z prognozowanym na
lata 30. XX wieku głodem w Europie (gdzie w ciągu dwóch stuleci liczba mieszkańców zwiększyła się
czterokrotnie).
Przykład wariantów koncepcji
koncepcja otrzymywania azotanu amonu z amoniaku wytwarzanego przez syntezę z azotu i wodoru jest obecnie jedyną metodą stosowaną w skali przemysłowej
w koncepcji tej otrzymuje się tlenek azotu nie przez
Przykład wariantów koncepcji
PODSUMOWANIE
w koncepcji tej otrzymuje się tlenek azotu nie przez bezpośrednie łączenie tlenu z azotem, lecz drogą pośrednią przez kolejne wytwarzanie i utlenianie amoniaku
wprowadzenie surowca pomocniczego (wodoru) umożliwia przeprowadzenie z dużą wydajnością reakcji (N2 + O2),
której bezpośrednie przeprowadzenie jest utrudnione
niemal wyłącznie stosowane są metody oparte
na koncepcji wytwarzania wodoru
przez reakcję paliwa
Przykład wariantów koncepcji
PODSUMOWANIE
przez reakcję paliwa
(gazu ziemnego, innych gazowych i ciekłych
węglowodorów, koksu itp.)
z parą wodną
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające � Proces technologiczny – zespół odpowiednio uszeregowanych procesów
jednostkowych w których z surowców i półproduktów uzyskuje się w instalacji określone produkty
� Proces technologiczny ciągły – proces technologiczny, którego wszystkie etapy przebiegają jednocześnie i określonym porządku, parametry technologiczne nie zmieniają się w czasie, zaś doprowadzanie surowców i półproduktów oraz odbiór produktów odbywa się równocześnie i w sposób nieprzerwany nieprzerwany
� Proces technologiczny okresowy – proces technologiczny, którego etapy następują kolejno po sobie w czasie, powtarzają się cyklicznie; doprowadzanie surowców i półproduktów i odbiór produktów odbywa się w odstępach czasu wynikających z koncepcji technologicznej procesu, zaś parametry procesu zmieniają się cyklicznie w czasie
� Tok technologiczny – warunki prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji, charakteryzowane wartościami wszystkich parametrów technologicznych procesu
� Proces produkcyjny – całokształt czynności technologicznych i organizacyjnych wymaganych dla praktycznej realizacji procesu technologicznego w instalacji
� Cykl produkcyjny – zespół procesów jednostkowych zawartych między dwoma najbliższymi, takimi samymi etapami okresowego procesu technologicznego
� Faza produkcyjna – stan przerobionego materiału po kolejnym etapie
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające
� Faza produkcyjna – stan przerobionego materiału po kolejnym etapie procesu technologicznego, charakteryzowany przez jego właściwości fizyczne i chemiczne
� Instalacja produkcyjna – zespół urządzeń przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji technologicznej
� Etap produkcyjny – proces jednostkowy lub wyodrębniająca się grupa procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny
� Technologiczna koncepcja procesu – wybór i uszeregowanie operacji i procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny oraz określenie sposobu ich realizacji
� Produkt główny – produkt, którego otrzymanie stanowi zasadniczy cel prowadzenia danego procesu technologicznego
� Produkt przejściowy – produkt każdego z etapów procesu
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające
� Produkt przejściowy – produkt każdego z etapów procesu technologicznego przerabiany dalej w tym samym procesie produkcyjnym
� Produkt uboczny – produkt, którego wytwarzanie wynika z przyjętej koncepcji technologicznej procesu, nie stanowiącego jednak zasadniczego celu prowadzenia procesu
� Półprodukt – produkt otrzymany w wyniku zakończonego etapu procesu produkcyjnego lub całego etapu produkcyjnego i przeznaczony do dalszej przeróbki w innym procesie produkcyjnym
� Surowiec podstawowy – surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) wchodzi w skład produktu głównego
� Surowiec pomocniczy – surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) nie wchodzi w skład produktu głównego
� Projekt procesowy – opracowanie umożliwiające sporządzenie prawidłowych założeń techniczno-ekonomicznych zawierające zestawienie danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające
danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku technologicznego procesu w skali przemysłowej, sporządzenia bilansu materiałowego i energetycznego każdego z urządzeń instalacji z podaniem typu, gabarytów i harmonogramu pracy urządzeń
� Projekt techniczny – zestaw informacji obejmujący podstawową dokumentację realizacyjną rozwiązań projektowych zawartych w założeniach techniczno-ekonomicznych, składający się z części technologicznej, kontrolno-pomiarowej i innych związanych ze specyfiką inwestycji oraz projektu organizacji produkcji, zarządzania i uruchomienia instalacji
� Założenia techniczno-ekonomiczne – opracowanie obejmujące minimalny
zakres dokumentacji inwestycji niezbędny do określenia kosztów inwestycji,
opracowania projektu technicznego, zamówienia podstawowych urządzeń oraz
zaplanowania dostaw materiałów
� Pełna dokumentacja projektowa inwestycji – dane zawarte w projekcie
procesowym, założeniach techniczno-ekonomicznych i projekcie technicznym
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające
� Schemat ideowy procesu technologicznego – uproszczony rysunek, na którym
w prostokątnych obramowaniach wymienione są oddzielnie, z zachowaniem
kolejności, wszystkie procesy jednostkowe, główne parametry ich
prowadzenia, surowce, półprodukty i produkty, a także zaznaczony jest
kierunek przepływu reagentów
� Schemat technologiczny procesu – uproszczony rysunek schematyczny ciągu
urządzeń wchodzących w skład instalacji z naniesionymi danymi z projektu
procesowego
� Zdolność produkcyjna
- w procesie okresowym – stosunek ilości produktu otrzymanego w jednym
cyklu produkcyjnym instalacji przy maksymalnym jej wykorzystaniu i
normalnym toku technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu
produkcyjnego
- w procesie ciągłym – ilość produktu otrzymana w jednostce czasu przy
maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym
Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające
maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym
� Zdolność przerobowa
- w procesie okresowym – stosunek ilości surowców i półproduktów
wprowadzanych w jednym cyklu produkcyjnym instalacji i normalnym toku
technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego
- w procesie ciągłym – ilość surowca (surowców) przetworzona w jednostce
czasu przy maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku
technologicznym