Eksperymentalne i teoretyczne aspekty chromatografii … · 4 "Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r (autor hasłaprof. St.Wroński)

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

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 19974

"Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r

(autor hasła prof. St.Wroński)

To już jest nieaktualna definicja

4

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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


Fazawodna

EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIDESTYLACJA

Osad OE-2

Octan et. 2 kg



Fazawodna

EKSTRAKCJA OCTANEM ETYLU OE-IIIDESTYLACJA

Osad OE-3Octan et.1.6 kg


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

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

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

Elementy opisujące własności czynnika oraz elementy termodynamiki

(mieszanin gazowych i ciekłych)

Elementy przenoszenia pędu

17

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

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

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

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”

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


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


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


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

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Documents

Eksperymentalne i teoretyczne aspekty chromatografii … · 4 "Inżynieria Chemiczna i Procesowa" hasło zamieszczone w Wielkiej Encyklopedii PWN, 2001 r (autor hasłaprof. St.Wroński)