Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Prowadzący: prof. nzw. dr hab.inż. Arkadiusz Moskal

Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiejul. Waryńskiego 1 00 – 645 WarszawaPok. 323 Tel. 0-22-234-64-15E-mail: [email protected]/moskal/chemia


Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania


Wykłady : Czwartki godz. 12:00 – 14:00 Aula Zawadzkiego Poniedziałki godz. 9:00 – 11:00

Obecność na wykładach nie jest obowiązkowa.

W sumie 60 h wykładu

Do wykładu prowadzone są ćwiczenia audytoryjne.

Zaliczenie ćwiczeń jest warunkiem koniecznym umożliwiającymprzystąpienia do egzaminu końcowego z przedmiotu.

Egzamin pisemny w formie pytań testowych z całości przerobionego materiału.



Plan wykładu: L.p Data Temat

1 21.02.11 Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania.

2 24.02.11 Procesy mechaniczne. Mechanika płynów. Płyny idealne.

3 28.02.11 Procesy mechaniczne. Mechanika płynów. Płyny Rzeczywiste.

4 3.03.11 Procesy mechaniczne. Mechanika płynów. Opory przepływów

5 7.03.11 Procesy mechaniczne. Procesy ruchu ciał stałych w płynach

6 10.03.11 Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz.

7 14.03.11 Procesy mechaniczne. Filtracja zawiesin.

8 17.03.11 Procesy mechaniczne. Techniki membranowe. (Maciek Szwast)

9 21.03.11 Procesy mechaniczne. Mieszanie płynów.

10 24.03.11 Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe

11 28.03.11 Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe. C. D.

12 31.03.11 Procesy cieplne. Obliczanie wymienników ciepła i procesów cieplnych.

13 4.04.11 Procesy przemian fazowych. Zatężanie roztworów ciała stałego.

14 7.04.11 Procesy przemian fazowych. Krystalizacja.

15 11.04.11 Procesy przemian fazowych. Destylacja.

16 14.04.11 Teoria procesów wymiany masy.

17 18.04.11 Procesy wielostopniowe. Rektyfikacja dwuskładnikowa.

18 21.04.11 Procesy wielostopniowe. Absorpcja stopniowana.

19 28.04.11 Procesy wielostopniowe. Ekstrakcja stopniowana.

20 5.05.11 Procesy wielostioniowe. Układy wieloskładnikowe. Sprawność stopni.

21 9.05.11 Procesy dyfuzyjno-kinetyczne. Absorbcja, ekstrakcja i rektyfikacja ciągła

22 12.05.11 Procesy jednoczesnego przenikania ciepła i masy. Klimatyzacja powietrza.

23 16.05.11 Procesy jednoczesnego przenikania ciepła i masy. Suszarnictwo.

24 19.05.11 Technika Reakcji Chemicznych. Wprowadzenie

25 23.05.11 Technika Reakcji Chemicznych. Reaktory okresowe i ciągłe.

26 26.05.11 Bioprocesy.

27 6.06.11 Bioprocesy. C. D.

28 09.06.11 Inżynieria Chemiczna. Bioinżynieria - wyzwanie na przyszłość.

29 13.06.11 Termin "0" egzaminu.

30 16.06.11 Termin "0" egzaminu.



Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)?Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)?

Inżynieria chemiczna zwana bardziej poprawnie inżynierią procesową to nauka inżynieryjna zajmująca się projektowaniem operacji i procesów związanych z przepływem płynów, przemian cieplnych i chemicznych prowadzonych w skali przemysłowej.Zasady inżynierii procesowej mają zwykle charakter praktyczny "praw inżynieryjnych", umożliwiających poprawne projektowanie instalacji chemicznych. Zasady wypracowane dla inżynierii chemicznej są często stosowane przy budowie urządzeń nie-chemicznych, takich jak np. instalacje do produkcji i przesyłu energii termicznej w elektrociepłowniach. Stąd częściej mówi się o inżynierii procesowej niż tylko chemicznej.Podstawowym pojęciem w inżynierii procesowej jest proces jednostkowy, zwany też po prostu procesem, który jest pojedynczym aktem przemiany fizycznej lub chemicznej materii w aparaturze, oraz operacja jednostkowa będąca wyodrębnionym zespołem, fizycznych przemian materii (bez reakcji chemicznej).Procesy chemiczne obejmują wszystkie zjawiska, którym towarzyszy reakcja chemiczna. Na przykład rektyfikacji może towarzyszyć reakcja estryfikacji i wtedy taki proces nazywamy destylacją reaktywną.

Definicja z http://pl.wikipwedia.org: Definicja z http://pl.wikipwedia.org:

BIOINŻYNIERIABIOINŻYNIERIA

Wykorzystanie narzędzi inżynierskich do opisu zjawisk w układach ożywionychWykorzystanie narzędzi inżynierskich do opisu zjawisk w układach ożywionych



Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)?

Co wchodzi w jej skład ?

Termodynamika Procesowa-Metody obliczeń własności płynów -Równowagi fazowe procesów

Kinetyka Procesowa:-Mechanika płynów-Przenikanie ciepła i masy z reakcją chemiczną

Procesy Podstawowe:-wyjaśnia mechanizmy znanychprocesów na tle praw fizyki-klasyfikacja procesów

Aparaturoznawstwo Procesowe-umiejętność wyboru odpowiedniej apartaury do danego procesu




Tematyką inżynierii chemicznej i procesowej są metody obliczania i projektowaniaprocesów.

Informacje o procesie otrzymujemy z zależności ilościowych między poszczególnymi wielkościami charakteryzującymi proces.

Zależności ilościowe otrzymujemy w wyniku BILANSU RÓŻNICZKOWEGO lub ALGEBRAICZNEGO tych wielkości.

OGÓLNE ZASADY BILANSOWANIA PROCESÓW LUB ICH CIĄGÓW



Wielkości opisujące proces

Wielkości EKSTENSYWNE

Wielkości INTENSYWNE



„Wielkością EKSTENSYWNĄ nazywamy wielkość fizyczną lub geometryczną,której akumulacja może być mierzona addytywnie, tzn. być sumą akumulacji występujących w podobszarach składających się na dany obszar. „

DEFINICJA:

Akumulacja – ilość nagromadzającej się wielkości ekstensywnej w obszarzebilansowania.

Przeciwieństwem wielkości EKSTENSYWNEJ jest wielkość INTENSYWNA, nie tworząca akumulacji w obszarze, ponieważ może być przypisana punktowi wprzestrzeni.



Przykłady :

Wielkości ekstensywne : masa, objętość, energia, pęd

Wielkości intensywne: ciśnienie, temperatura

Wielkości ekstensywne podlegają ogólnym zasadom bilansowania .

NIE BILANSUJEMY WIELKOŚCI INTENSYWNYCH !!!!!!



AKSJOMATY BILANSOWE:

1. Określenie obszaru bilansowania (Control Volume)

M1M2 M3

M5M6

M7

M8

M9

M10



Wielkość ekstensywna zawarta w obszarze bilansowym (C.V) może ulegać zmianomna skutek:

Zjawisk zachodzących wyłącznie wewnątrz obszaru bilansowania

Oddziaływania między układem a otoczeniem przez granice układu



Zjawiska zachodzące wyłącznie wewnątrz obszaru bilansowania

Wielkość ekstensywna może powstawać lub znikać na rzecz innej, współistniejącejw tym samym obszarze wielkości ekstensywnej

ZJAWISKO PRZEMIANY:

0i

iPSuma produkcji, przez którą rozumiemy tworzenie i/lubzanikanie zamkniętego zbioru ulegających wzajemnieprzemianie wielkości ekstensywnych, w tym samymukładzie jest równa zeru.



Oddziaływania między układem a otoczeniem przez granice układu

W przypadku skalarnych wielkości ekstensywnych oddziaływanie układu zotoczeniem sprowadza się do zespołu wpływających i wypływających strumienitej wielkości z układu.

UKŁAD

OTOCZENIE

OTOCZENIE

WLOTWYLOT

Tworzenie Zanikanie



Tworzenie i napływ wielkości ekstensywnej zwiększają jej akumulacje w układzie

Zanikanie i odpływ wielkości ekstensywnej zmniejszają jej akumulacje w układzie.



Podstawowy AKSJOMAT bilansowy dla wybranej wielkości ekstensywnej :

Zmiana akumulacjiwielkości zawartej w układzie

Produkcjawewnątrz układu

Wymiana międzyukładem

a otoczeniem



W przypadku procesów przemysłu chemicznego przedstawiony aksjomat bilansowania ograniczamy do układów których elementami będą pojedyncze aparaty lub ich zespoły.

Wielkościami ekstensywnymi podlegającymi bilansowaniu są masa i energia,a przemianą zachodzącą wewnątrz obiektu – reakcja chemiczna.

Należy dokładnie zdefiniować w jakich jednostkach określa się wielkości biorące udział w bilansie oraz podać wymiar tych jednostek !!!!!!!

Powszechnie obowiązującym jest układ SI

kg, s , m



Aby sporządzić bilans masy i energii należy postępować w następujący sposób:

a) Zestawić wszystkie dostępne informacje na temat bilansowanego obiektu i wyraźnie określić cel obliczeń. b) Określić, jakie dodatkowe informacje mogą być potrzebne i uzyskać te

informacjec) Naszkicować bilansowany układ i nanieść na schemat zgromadzone dane.d) Wybrać wygodną dla danego przypadku podstawę bilansowania. Podstawa

bilansu jest odnośnikiem dla wykonującego obliczenia. Podstawą może być

przedział czasu np.. 1 godzina lub ilość wybranego składnika np. 5 kg CaCO3. Czasami

dobrze jest wybrać za podstawę wielkość jednostkową np. 1 kg, 1 mol/he) Jeżeli w obszarze bilansowym zachodzi reakcja chemiczna, należy ją

wpisać na schemacie i sprawdzić stechiometrię. Z równania reakcji odczytać można

w jakich proporcjach jedne substancje są zużywane a inne powstają w trakcie

procesu chemicznego.f) Zapisujemy relację ilościową bilansowanego obiektu zgodnie z aksjomatem bilansowym, uwzględniając jednolitość jednostek bilansowanej wielkości i obliczamy wartość nieznanego elementu bilansu.



Ważna uwaga:

Jeżeli za podstawę bilansową obiektu, w którym zachodzi reakcja chemiczna przyjęliśmy jednostki masowe (kg), to dla uwzględnieniaprodukcji zamieniamy je na mole, obliczamy ilość wymaganego produktuZgodnie z reakcją i następnie otrzymaną wartość w molach znów Zamieniamy na jednostki masowe (kg). !!!!!!!

!!!!!!!!!BILANSUJEMY KILOGRAMY !!!!!!



BILANS MASY:

Bilans masy opiera się na podstawowej zasadzie fizyki:

ZASADZIE ZACHOWANIA MATERII

Jeżeli w rozważaniach pominiemy zagadnienie energii atomowej , to w danym układzie ilość materii pozostaje stała.

Jeżeli układ jest przepływowy bez reakcji chemicznej to prawo to przyjmuje postać:

Akumulacja Wlot Wylot



Ogólniej dla Objętości Kontrolnej o skończonych rozmiarach umieszczonej w strumieniuprzepływającego płynu:

Prawo zachowania masy przyjmuje postać:



Dla procesów USTALONYCH w czasie:

AKUMULACJA = 0

Bilanse sprowadzają się wtedy do zwykłych zależności algebraicznych typu:

WLOT = WYLOT



Dla procesów NIE USTALONYCH w czasie:


Gdzie akumulacja to matematycznie pochodna po czasie :

dtmd

m – to bilansowana wielkość w obszarze kontrolnym

Bilanse sprowadzają się wtedy do równań różniczkowych.



Przykład 1. ( Bilans masy – proces ustalony )

SurówkaOdpady

Produkt

350 kg/h kwas octowy

10,9% kwas octowy21,7% woda67,4% benzen

Roztwórwodny80% kwas octowy20% woda

Benzen

Rozdzielanie w ciągłej kolumnie destylacyjnej mieszaniny trójskładnikowej:benzen – kwas octowy -woda

Należy obliczyć ilość benzenu wprowadzonego do kolumny w jednostce czasu.



Za podstawę bilansu przyjmujemy 1 h. Niech x oznacza liczbę kg benzenu w surówce na kg surówki.

ms - strumień surówki [kg/h] mo – strumień odpadów [kg/h] mp- strumień produktu [kg/h]

Bilans ogólny kolumny:

ms = mo + mp

Skład surówki: x % mas. benzenu (1 – x) * 0,2 – ilość wody; (1 – x ) *0,8 – ilość kwasu octowego;

Bilans wody:

ms*( 1- x )*0,2 = mo*0,217

(1)

(2)



Bilans benzenu:

ms* x = mo * 0,674

Bilans kwasu octowego:

ms * ( 1 – x ) * 0,8 = mp * 1 + mo * 0,109

(3)

(4)

Dostajemy układ równań algebraicznych z trzema niewiadomymi.



Przykład 2. ( Bilans masy – proces nieustalony w czasie )

Do zbiornika wpływają dwa strumienie Q1 [m3/h] i Q2 [m3/h] a wypływa Q3 [m3/h]

W chwili t=0 zbiornik jest pusty. WyznaczyćCzas napełniania zbiornika jeżeli jego objętośćwynosi Vk [m3]



outin mmdtdm

321 QQQ

dtVd

Zakładamy że gęstość jest stała więc:

321 QQQdtdV




321 QQQdtdV

Dostaliśmy równanie różniczkowe opisujące zmianę objętości zbiornika w czasie którecałkujemy:

kk tt

tt

VV

VV

dtQQQdV00

321

Ostatecznie dostajemy:

321 QQQV

t kk



Prawo zachowania masy dla układów przepływowych z reakcją chemiczną

Dla procesów NIE USTALONYCH w czasie:

Akumulacja Wlot Wylot Produkcja/Konsumpcja

Potrzebna jest informacja o szybkości reakcji chemicznej i jej kinetyce.



A+B--> P.

Szybkość reakcji rA= k * CA * CB

Bilans składnika A:

AAout

Ain

A konsumpcjammdtmd

Bilans składnika A:

BBout

Bin

B konsumpcjammdtmd

Bilans składnika P:

PPout

Pin

P produkcjammdtmd



BAAPAA

A CVkCCQCQdtVCd 0

BABPBB

B CVkCCQCQdtVCd 0

BAPP

P CVkCCQdtVCd

Zakładamy że objętość w reaktorze nie ulega zmianie



BAAPAA

A CVkCCQCQdtCd

V 0

BABPBB

B CVkCCQCQdtCd

V 0

BAAP

P CVkCCQdtCd

V

Dostajemy układ równań różniczkowych, opisujących zmiany stężeń substratów iproduktów w czasie.



Jeżeli w obszarze bilansowania znajduje się więcej niż jeden element np. kilka aparatów powiązanych ze sobą, to bilansujemy każdy element układu oddzielniea następnie bilansujemy całość układu.

Przy dekompozycji układu możemy natrafić na bilans „punktu zmieszania” , miejscapołączenia się co najmniej trzech strumieni.

Strumień A

Strumień B

Strumień C

WLOT = WYLOT



W procesach przemysłu chemicznego często spotykamy się z przypadkami zawracania części produktu do reaktora oraz z tzw. Bocznikowaniem.

PROCES PRODUKTSURÓWKA

Bocznikowanie

Zawracanie

Strumień“oczyszczający”

Usuwanie akumulacji składnikainnertnego lub niepożądanego.



BILANS ENERGII:

Ogólna zasada bilansu energii jest taka sama jak zasada bilansu masy. Opiera sięona na tym samym AKSJOMACIE bilansowania.

Energia może objawiać się w wielu formach:

Energia nuklearna, energia elektryczna, energia potencjalna, energia kinetyczna,energia wewnętrzna, energia chemiczna, energia cieplna, praca

W obliczeniach inżynierii chemicznej i procesowej skupiamy się na :

Energii cieplnej (CIEPŁO) i pracy.



Ciepło – jest to energia transportowana z jednego obszaru do drugiego pod wpływem gradientu temperatury.

Praca - jest definiowana przez siłę przemieszczającą obiekt na wybranymodcinku przestrzeni.

W bilansach energetycznych obiektów przemysłu chemicznego stosuje się pojęcieENTALPII będącej sumą dwóch członów występujących w tego typu bilansach:

pVUi Czasami entalpię nazywa się „ciepłem całkowitym”



Zasady bilansu ENERGETYCZNEGO:

Energiadoprowadzona

do układu

Energiaodprowadzona

z układu

Energiazużyta lub

wytworzonaw układzie

Energiazakumulowana

w układzie



Układ przepływowy:

W LO T W Y LO T

C iep ło P raca

M asa

E nerg ia

M asa

E nerg ia

P R O D U K C JA

IE KE P

IE KE P

IE KE P

IE KE P

dIdEKdEP

dIdEKdEP

O TO C ZE N IE

D E

D E p

W rozważaniach ilościowychwystarczy zająć się w bilansie:Energią kinetyczną EKEnergią potencjalną EPEnergią wewnętrzną UCiepłem wymienionym z otoczeniem q pracą

DEp – przyrost energii produkowanej wewnątrz układu



Ciepło Praca

PRODUKCJA

DUdEKdEP

DUdEKdEP

OTOCZENIE

DE

DEp

Układ nie przepływowy:



Ważnym elementem który należy uwzględnić w bilansie energii jest odwracalnośćbilansowanego procesu.

Każdy rzeczywisty proces uwzględniający tarcie, uderzenie, skończoną różnicętemperatur, mieszanie, nie może być odwracalny.

W obliczeniach bilansowych wiele procesów rzeczywistych można przybliżyć bilansem słusznym dla procesów odwracalnych

Pracę ekspansji dla odwracalnego procesu nie przepływowego oblicza się z :

pdVWnp

Pracę ekspansji dla odwracalnego procesu przepływowego oblicza się z :

VdpWp



Bilans energii układu z uwzględnieniem wspomnianych form energii przedstawiasię następująco:

EPEKUWq np UKŁAD NIE PRZEPŁYWOWY:

UKŁAD PRZEPŁYWOWY:

EPEKiWq p W szczególnym przypadku gdy EK, EP, q i Wp są równe zeru, bilans energetycznyukładu przepływowego sprowadza się do bilansu entalpii.



Przykład. Bilans cieplny i masowy kolumny rektyfikacyjnej

Bilans materiałowy całej kolumny [mol/s]:

DWS Bilans składnika bardziej lotnego:

wDs WxDxSx

Gdzie xs ,xD , xW to ułamki molowe składnika



Bilans cieplny kolumny:

DwDws QWiDiQSi

Gdzie is, id, iw – to entalpie molowe surówki, destylatui cieczy wyczerpanej. Qw ciepło doprowadzone do kotłaQD ciepło odprowadzone w deflegmatorze.





Eliminując S z równania otrzymujemy:

wsSD xxWxxD

Wprowadźmy nowe oznaczenia:

DQ

q DD

WQ

q WW

Ciepło oddane na jeden moldestylatu w defegmatorze

Ciepło dostarczone dokotła na jeden molcieczy wyczerpanej




Uwzględniając te oznaczenia w równaniu entalpowym oraz eliminując S :

wwssDD iqiWiqiD

Dzieląc stronami równania otrzymujemy:

ws

wws

sD

sDD

xxiqi

xxiqi

Jest to równanie przedstawiające zależność między ilością ciepła dostarczonądo kotła i oddawaną w deflegmatorze



Documents

Inżynieria Chemiczna i Procesowa