Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa"— Zapis prezentacji:

1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Prowadzący: prof. nzw. dr hab.inż. Arkadiusz Moskal Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej ul. Waryńskiego 1 00 – 645 Warszawa Pok. 323 Tel

2 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania Wykłady : Czwartki godz. 12:00 – 14:00 Aula Zawadzkiego Poniedziałki godz. 9:00 – 11:00 Aula Zawadzkiego Obecność na wykładach nie jest obowiązkowa. W sumie 60 h wykładu Do wykładu prowadzone są ćwiczenia audytoryjne. Zaliczenie ćwiczeń jest warunkiem koniecznym umożliwiającym przystąpienia do egzaminu końcowego z przedmiotu. Egzamin pisemny w formie pytań testowych z całości przerobionego materiału. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

3 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Plan wykładu: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)? Definicja z 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. BIOINŻYNIERIA Wykorzystanie narzędzi inżynierskich do opisu zjawisk w układach ożywionych Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)? Co wchodzi w jej skład ? Kinetyka Procesowa: -Mechanika płynów -Przenikanie ciepła i masy z reakcją chemiczną Termodynamika Procesowa Metody obliczeń własności płynów Równowagi fazowe procesów Inżynieria Chemiczna i Procesowa Procesy Podstawowe: -wyjaśnia mechanizmy znanych procesów na tle praw fizyki -klasyfikacja procesów Aparaturoznawstwo Procesowe -umiejętność wyboru odpowiedniej apartaury do danego procesu Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

6 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Tematyką inżynierii chemicznej i procesowej są metody obliczania i projektowania procesów. 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 Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wielkości EKSTENSYWNE Wielkości opisujące proces Wielkości INTENSYWNE Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
DEFINICJA: „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. „ Akumulacja – ilość nagromadzającej się wielkości ekstensywnej w obszarze bilansowania. Przeciwieństwem wielkości EKSTENSYWNEJ jest wielkość INTENSYWNA, nie tworząca akumulacji w obszarze, ponieważ może być przypisana punktowi w przestrzeni. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

9 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wielkości ekstensywne : masa, objętość, energia, pęd Przykłady : Wielkości intensywne: ciśnienie, temperatura Wielkości ekstensywne podlegają ogólnym zasadom bilansowania . NIE BILANSUJEMY WIELKOŚCI INTENSYWNYCH !!!!!! Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
AKSJOMATY BILANSOWE: 1. Określenie obszaru bilansowania (Control Volume) Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wielkość ekstensywna zawarta w obszarze bilansowym (C.V) może ulegać zmianom na skutek: Zjawisk zachodzących wyłącznie wewnątrz obszaru bilansowania Oddziaływania między układem a otoczeniem przez granice układu Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

12 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Zjawiska zachodzące wyłącznie wewnątrz obszaru bilansowania ZJAWISKO PRZEMIANY: Wielkość ekstensywna może powstawać lub znikać na rzecz innej, współistniejącej w tym samym obszarze wielkości ekstensywnej Suma produkcji, przez którą rozumiemy tworzenie i/lub zanikanie zamkniętego zbioru ulegających wzajemnie przemianie wielkości ekstensywnych, w tym samym układzie jest równa zeru. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

13 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Oddziaływania między układem a otoczeniem przez granice układu W przypadku skalarnych wielkości ekstensywnych oddziaływanie układu z otoczeniem sprowadza się do zespołu wpływających i wypływających strumieni tej wielkości z układu. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Tworzenie i napływ wielkości ekstensywnej zwiększają jej akumulacje w układzie Zanikanie i odpływ wielkości ekstensywnej zmniejszają jej akumulacje w układzie. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

15 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Podstawowy AKSJOMAT bilansowy dla wybranej wielkości ekstensywnej : Wymiana między układem a otoczeniem Produkcja wewnątrz układu Zmiana akumulacji wielkości zawartej w układzie Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Aby sporządzić bilans masy i energii należy postępować w następujący sposób: Zestawić wszystkie dostępne informacje na temat bilansowanego obiektu i wyraźnie określić cel obliczeń. b) Określić, jakie dodatkowe informacje mogą być potrzebne i uzyskać te informacje c) 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/h e) 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. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ważna uwaga: Jeżeli za podstawę bilansową obiektu, w którym zachodzi reakcja chemiczna przyjęliśmy jednostki masowe (kg), to dla uwzględnienia produkcji zamieniamy je na mole, obliczamy ilość wymaganego produktu Zgodnie z reakcją i następnie otrzymaną wartość w molach znów Zamieniamy na jednostki masowe (kg). !!!!!!! !!!!!!!!!BILANSUJEMY KILOGRAMY !!!!!! Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

19 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

20 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ogólniej dla Objętości Kontrolnej o skończonych rozmiarach umieszczonej w strumieniu przepływającego płynu: Prawo zachowania masy przyjmuje postać: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dla procesów USTALONYCH w czasie: AKUMULACJA = 0 Bilanse sprowadzają się wtedy do zwykłych zależności algebraicznych typu: WLOT = WYLOT Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dla procesów NIE USTALONYCH w czasie: Akumulacja Wlot Wylot Gdzie akumulacja to matematycznie pochodna po czasie : m – to bilansowana wielkość w obszarze kontrolnym Bilanse sprowadzają się wtedy do równań różniczkowych. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład 1. ( Bilans masy – proces ustalony ) Rozdzielanie w ciągłej kolumnie destylacyjnej mieszaniny trójskładnikowej: benzen – kwas octowy -woda Należy obliczyć ilość benzenu wprowadzonego do kolumny w jednostce czasu. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 (1) 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 (2) Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Bilans benzenu: ms* x = mo * 0,674 (3) Bilans kwasu octowego: ms * ( 1 – x ) * 0,8 = mp * 1 + mo * 0,109 (4) Dostajemy układ równań algebraicznych z trzema niewiadomymi. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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. Wyznaczyć Czas napełniania zbiornika jeżeli jego objętość wynosi Vk [m3] Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

27 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Akumulacja Wlot Wylot Zakładamy że gęstość jest stała więc: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dostaliśmy równanie różniczkowe opisujące zmianę objętości zbiornika w czasie które całkujemy: Ostatecznie dostajemy: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

30 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Szybkość reakcji rA= k * CA * CB Bilans składnika A: Bilans składnika A: Bilans składnika P: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

31 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Zakładamy że objętość w reaktorze nie ulega zmianie Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dostajemy układ równań różniczkowych, opisujących zmiany stężeń substratów i produktów w czasie. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Jeżeli w obszarze bilansowania znajduje się więcej niż jeden element np. kilka aparatów powiązanych ze sobą, to bilansujemy każdy element układu oddzielnie a następnie bilansujemy całość układu. Przy dekompozycji układu możemy natrafić na bilans „punktu zmieszania” , miejsca połączenia się co najmniej trzech strumieni. Strumień B Strumień A Strumień C WLOT = WYLOT Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W procesach przemysłu chemicznego często spotykamy się z przypadkami zawracania części produktu do reaktora oraz z tzw. Bocznikowaniem. Usuwanie akumulacji składnika innertnego lub niepożądanego. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
BILANS ENERGII: Ogólna zasada bilansu energii jest taka sama jak zasada bilansu masy. Opiera się ona 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. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

36 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ciepło – jest to energia transportowana z jednego obszaru do drugiego pod wpływem gradientu temperatury. Praca - jest definiowana przez siłę przemieszczającą obiekt na wybranym odcinku przestrzeni. W bilansach energetycznych obiektów przemysłu chemicznego stosuje się pojęcie ENTALPII będącej sumą dwóch członów występujących w tego typu bilansach: Czasami entalpię nazywa się „ciepłem całkowitym” Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Zasady bilansu ENERGETYCZNEGO: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

38 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Układ przepływowy: W rozważaniach ilościowych wystarczy zająć się w bilansie: Energią kinetyczną EK Energią potencjalną EP Energią wewnętrzną U Ciepłem wymienionym z otoczeniem q  pracą DEp – przyrost energii produkowanej wewnątrz układu Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Układ nie przepływowy: Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

40 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ważnym elementem który należy uwzględnić w bilansie energii jest odwracalność bilansowanego procesu. Każdy rzeczywisty proces uwzględniający tarcie, uderzenie, skończoną różnicę temperatur, 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 : Pracę ekspansji dla odwracalnego procesu przepływowego oblicza się z : Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

41 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Bilans energii układu z uwzględnieniem wspomnianych form energii przedstawia się następująco: UKŁAD NIE PRZEPŁYWOWY: UKŁAD PRZEPŁYWOWY: W szczególnym przypadku gdy EK, EP, q i Wp są równe zeru, bilans energetyczny układu przepływowego sprowadza się do bilansu entalpii. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

42 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład. Bilans cieplny i masowy kolumny rektyfikacyjnej Bilans materiałowy całej kolumny [mol/s]: Bilans składnika bardziej lotnego: Gdzie xs ,xD , xW to ułamki molowe składnika Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

43 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład. Bilans cieplny i masowy kolumny rektyfikacyjnej Bilans cieplny kolumny: Gdzie is, id, iw – to entalpie molowe surówki, destylatu i cieczy wyczerpanej. Qw ciepło doprowadzone do kotła QD ciepło odprowadzone w deflegmatorze. Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

44 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład. Bilans cieplny i masowy kolumny rektyfikacyjnej Eliminując S z równania otrzymujemy: Wprowadźmy nowe oznaczenia: Ciepło oddane na jeden mol destylatu w defegmatorze Ciepło dostarczone do kotła na jeden mol cieczy wyczerpanej Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

45 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład. Bilans cieplny i masowy kolumny rektyfikacyjnej Uwzględniając te oznaczenia w równaniu entalpowym oraz eliminując S : Dzieląc stronami równania otrzymujemy: Jest to równanie przedstawiające zależność między ilością ciepła dostarczoną do kotła i oddawaną w deflegmatorze Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania

46 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wykład nr 1 : Wiadomości wstępne. Podstawy Bilansowania