11

7. PROCESNO PROJEKTIRANJE

22

● smješten je izmeñu razvoja procesa i detaljnog (strojarskog) projektiranja ili projektnog inženjeringa

● primarni zadatak procesnog inženjeringa je da znanja stečena o nekom procesu kroz istraživačke radove i industrijsku praksu pretoči u inženjersko rješenje procesa proizvodnje.

Osnovni elementi procesnog inženjeringa:

● Izrada projektnog zadatka● Sinteza, optimizacija i oponašanje procesnih shema● Dimenzioniranje procesnih ureñaja.

7. Procesno projektiranje (Procesni inženjering)

33

7.1. Projektni zadatak

● naziv objekta ● opis namjene ● podatke o vrsti, količini i kvaliteti sirovine, način dopreme● podatke o količini i kvaliteti proizvoda, način otpreme do tržišta● podatke o vrsti i količini energenata● plan razmještaja postrojenja, ● norme koje su se koristile za projektiranje● podatke o ekonomičnosti ● podatke o mogućnostima proširenja kapaciteta i dr.

Uz projektni zadatak takoñer treba priložiti odreñene preliminarne podatke o vremenu i o terenu..

Projektni zadatak treba sadržavati:

44

Podaci o vremenu:

● maksimalne brzine i učestalost udara vjetra radi projektiranja temelja● glavni smjerovi vjetra radi planiranja rasporeda postrojenja● relativna vlažnost zraka radi projektiranja sustava za sušenje zraka, rashladnih

tornjeva● maksimalne i minimalne temperature radi predviñanja izolacije, projektiranja

rashladnih i ogrjevnih sustava● količine padalina (minimalne i maksimalne, prosječne godišnje i sezonske) radi

dimenzioniranja odvodnih kanala● dubine zamrzavanja tla radi odreñivanja minimalne dubine temelja i projektiranja

betonskih vodova pod zemljom.

Podaci o terenu:

● nosivost tla ● mape s visinskim kotama.

55

● blok sheme● procesne sheme ili sheme procesnih tokova● mehanička shema procesnih vodova● kombinirane procesne i mehaničke sheme● mehaničke sheme pomoćnih sredstava● specijalne sheme i dijagrami.

7.2. Sinteza, optimizacija i oponašanje procesnih shema

Procesna shema je vizualizacija razmatranog procesa i predstavlja dijagram procesnihkoraka i njihovu meñusobnu povezanost. Na temelju dobro definirane procesne shememože se provesti simulacija procesa i predvidjeti ponašanje procesa prije njegove izvedbe,odnosno predvidjeti procesni parametri (protok, sastav, tlak, temperatura...) na temelju kojih se mogu utvrditi utrošci sirovina i energije, kapaciteti potrebne opreme i dr. Procesna shema služi i kao sredstvo za komuniciranje izmeñu stručnjaka koji sudjeluju u izradi procesnog i projektnog inženjeringa.

Danas su u uporabi sljedeće sheme:

66

Slikovito i na jednostavan način prikazuju osnovnu ideju procesa bez pojedinosti.

reaktor separatorsirovina

proizvod

nusproizvod

Blok sheme

77

Procesne sheme ili sheme procesnih tokova (engl. Process Flowsheet)

Sadrže sljedeće podatke i informacije:● sve jedinice glavne opreme označene simbolom i koja je po svom obliku prepoznatljiva.

Istovrsna oprema se označava istim simbolom. Svaka oprema ima brojčanu oznaku koja označava redoslijed u shemi, konstrukcijski materijal, glavne funkcije

● usmjerenost strujanja materijala i energije od ureñaja do ureñaja● točne podatke o procesnim fluidima, njihov sastav, gustoću● podatke o p, T, te informacije o radnom ciklusu ili veličini šarže.

Mehaničke sheme procesnih vodova

Predstavljaju centralni izvor podataka za sve projektne grupe za izradu glavnih i pomoćnih cjevovoda, razvoda, instrumenata, i dr. Cjevovod je sklop sastavljen od niza meñusobno povezanih cijevi, najčešće cilindričnog oblika s pripadajućim elementima kao što su kompenzatori, ventili, kontrolni i mjerni ureñaji, prirubnice i ostali pomoćni elementi. Shematski prikazuje pomoću P&ID dijagrama (engl. Pipingand Instrumentation Diagram), koji prikazuje funkcionalnu shemu cjevovoda s potrebnim pomoćnim ureñajima.

88

Svaki vod mora biti obilježen brojem identifikacije iz kojeg stručnjak očitava sve podatke koji su bitni.Podaci se daju u obliku brojčano-slovnih oznaka, a za njihovo raspoznavanje koriste se priručnici s objašnjenjempojedinih oznaka. Jedan od načina označivanja prikazan je na sljedećoj shemi:

Xx Xxx Xxxxx Xxx Xx Xx

B

CA

D

E

F

Primjer označavanja cijevne linije

A - ovdje se označava nazivni promjer cijevi (kako se rade najčešće prema američkim ANSI i ASME standardima,obično se dimenzija daje u inchima (1 in = 25,4 mm)

B - označava se vrsta fluida koji se transportira - bitan podatak zbog djelovanja fluida na cijev (korozija)

C - označava se klasa cjevovoda - pokazatelj kvalitete cijevi i maksimalnog tlaka (važno radi odreñivanja konstrukcijskog materijala, debljine stjenke i korozivnog dodatka)

D - upisuje se broj sekcije (područja) u shemi - služi za preglednije i bolje snalaženje u shemi

E - upisuje se redni broj linije unutar pojedine sekcije - takoñer služi za bolje snalaženje u shemi

F - označava se vrsta zaštite i izolacije.

99

Detaljno pokazuju meñusobno povezivanje vodova pomoćnih sredstava, npr. vode, energenta, inertnih plinova, vodove za otpadne tvari npr. otpadne vode.

To su sheme koje na osnovu procesnih shema specijalisti razvijaju u detalje.

Specijalne sheme i dijagrami

Mehaničke sheme i dijagrami

Kombinirane procesne i mehaničke sheme

Sadrži sve podatke i informacije iz pojedinačnih procesnih i mehaničkih shema procesnih tokova.

1010

Simbol- prvo slovo iz engleskog naziva: E - izmjenjivač (engl. Exchanger) T - kolona, toranj (engl. Tower) F - peć (engl. Furnace)P - pumpa (engl. Pump)C - kondenzator (engl. Condenser)V - posuda (engl. Vessel)

Sve jedinice glavne opreme prikazuju se simbolom koji je po svom obliku prepoznatljiv za pojedini ureñaji označava se velikim prvim slovom iz engleskog naziva, kao npr.

Vodovi se označavaju iscrtanim ------------- ili punim linijama različite debljine.

fluid boja

voda zelenapara crvenazrak plavagorivi plin žuta s crnim

prstenom

fluid boja

negorivi plin žutagorive kapljevine smeñakiseline narančastalužine ljubičasta

S obzirom na fluid koji protječe, cjevovodi se često označavaju bojama i to:

1111

Shematski prikaz različitih armatura i spojeva cijevi.

2″

ventil

�Ť

2

12

zasun klinasti

ventil

klapna povratna

ventil kutni

prir slijepa prirubnica

motorni ventil s dij

pipac

prirubnica

slijepa prirubnica

motorni ventils dijafragmom

ili

odvajanje voda spajanje s fleksibilnom cijevi

redukcija

odvajanje voda

spajanje s fleksibilnom

cijevi

ili

"

1212

zasun (cijevni zatvarači s pregradom

koja se pomiče okomito na smjer gibanja fluida)

presjek vanjski izgled

leptirasti ventil kuglasti ventil

ventil

1313

Prirubnice

Prirubnica je dio cjevovoda, a služi za povezivanje dijelova cijevne linije vijčanimspojem. Na taj način su pojedini dijelovi odvojivi i olakšana je izmjena u slučaju potrebe. Kako bi meñusobna veza dviju prirubnica bila nepropusna u spoj se umeće brtva.

KompenzatoriKompenzatori su elementi, koji omogućavaju temperaturne diletacije cjevovoda, ada pri tomu sile i naprezanja u njemu ostanu u dopuštenim granicama.

Cijevni lukovi u obliku U-lukova i lira se izvode ili kao glatke, ili nabrane, ili valovitedilatacijske cijevi i najjednostavniji su način omogućavanja toplinskih dilatacija.

Kompenzatori od valovitih cijevi (u obliku harmonike)

1515

Procesne sheme se crtaju tako da se papir podijeli na točno odreñena polja koja se mogu na različite načine obilježavati (slovima, brojevima ili kombinirano):

A B C D

A B C D

1 2 3 4 5

Svi vodovi crtaju se na istoj razini. Najniže se crtaju najmanji ureñaji (pumpe), u sredini teška oprema (mlinovi, reaktori) a prema gore izmjenjivači topline, kolone apsorpcijske i destilacijske, itd. Uz svaki ureñaj se navodi i rezervni. Svi ureñaji se ne crtaju u istom omjeru umanjenja.

1616

Osnovni simboli instrumenta

instrument montiran lokalno na mjestu mjerenja

instrument montiranna tabli ili ploči (komandnoj)

transmiter montiran lokalno

transmiter montiran na komandnoj ploči

Pneumatski prijenos informacije od transmitera koji je montiran lokalno do instrumenta na komadnojploči.

Pneumatski spoj od instrumenta koji je montiran lokalno do motornogventila s dijafragmom.

1717

Simboli sustava za kontrolu protokaFRC (engl. Flow Record Control)

Instrument za reguliranje protoka stransmiterom montiranim lokalno ipneumatski povezanim s instrumentomprimaocem montiranim na komandnoj ploči,koji je pneumatski spojen s motornim ventilom s dijafragmom.

FRC

3

Simboli sustava za kontrolu temperatureTRC (engl. Temperature Record Control)

TRC

1

Instrument za reguliranje temperature montiran na komandnoj ploči i pneumatski spojen s motornim ventilom s dijafragmom.

1818

Simboli sustava za kontrolu tlakaPRC (engl. Pressure Record Control)

Instrument za reguliranje tlaka s pneumatskim prijenosom od transmitera montiranog lokalno do instrumenta primaoca montiranim na komandnoj ploči i pneumatski spojenim s motornim ventilom s dijafragmom.

PRC

7

LRC

2

Instrument za reguliranje razine s transmiterom montiranim lokalno i pneumatski povezanim s instrumentom primaocem montiranim na komandnoj ploči.

Simboli sustava za kontrolu razineLRC (engl. Level Record Control)

1919

Primjer: Procesna shema proizvodnje benzena procesom hidrodealkilacije toluena

R. Turton, R. C. Bailie, W. B. Whiting, J. A. Shaeiwitz, Analysis, Synthesis, and Design of ChemicalProcesses, 2nd ed Prentice Hall, New Jersey, 2003

2020

7.2. Sinteza, optimizacija i oponašanje procesnih shema

Sinteza procesa je pojam pod kojim podrazumijevamo metodiku i sredstva pomoću kojih se traži najbolja struktura procesa, tj. procesne sheme koje opisuju proces za neku predviñenu proizvodnju. Pri tome se analiziraju različite mogućnosti i odabire optimalno rješenje, tj. paralelno sa sintezom provodi se i optimizacija.Da bi se koliko je moguće, ali ne na štetu dobrog rješenja, taj postupak pojednostavio,imamo dva pristupa:

Tradicionalan pristup Temelji se na primjeni tzv. heurističkih pravila i najprije se primjenjuje. Nagomilanaiskustva generacija inženjera omogućuju u mnogim slučajevima brzo i učinkovitorješavanje procesnih problema.

NprNpr. . a) pri rektifikaciji smjese ugljikovodika iskustveno se zna da je

Ropt = (1,2-1,3) Rminb) kao separacijski proces rektifikacija ima prednost u odnosu na apsorpciju i

ekstrakcijuc) agresivne komponente treba uklanjati prve, kao i komponente koje su u većem

udjelu i koje se lakše odvajajud) ionskom izmjenom ne mogu se odvajati neionski spojevi.

2121

Evolucijski pristupDetaljno se analizira svaki korak u sintezi i ponavlja sve dok se ne doñe do krajnjeg

optimalnog rješenja.

Npr. želi se izvršiti razdvajanje jedne trokomponentne smjese rektifikacijom, ako su sve tri komponente bliske po svojim hlapljivostima i udjelima:

ABC

A

B

C

a) b)

ABC

A

B

C

AB

BC

2222

ABC

A

BC

AB

ABC

A

BBC

B

C

ili

c)

Broj mogućih izravnih (b, c) shema [ ]2×(C-1) !=

C!(C-1)!

d)

broj komponenti

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

broj mogućih povezivanja

1 2 5 11 42 132 429 1430 4862 16796

C

2323

Oponašanje procesnih shema

Oponašanje procesnih shema svodi se na bilanciranje materijala i energije. Odnosno, bilanciranjem se izračunavaju količine materijala i energije koje sudjeluju u procesu. Pri tome se može bilancirati cijela procesna shema ili procesni ureñaji pojedinačno.Bilanciranje predstavlja podlogu procesnog projektiranja i za dimenzioniranje pojedinih procesnih ureñaja. To je dinamičan proces koji se ponavlja s neprekidnim povećavanjem točnosti. Polazi se od grubih početnih proračuna do konačnih vrlo preciznih.Bilanca predstavlja matematički model promatranog procesa, a bilanciranje je rješenje jednadžbi promatranog matematičkog modela. Prema teoriji relativnosti, ukupnost mase i energije u nekom sustavu je konstantna i na tome se temelji bilanca tvari i energije.

Zakon o očuvanju mase i energije:

ul iz

d(m E)(m E) (m E) .

dt

⋅ ⋅ ⋅ ⋅+ = + − +

2424

zakon o očuvanju mase:

zakon o očuvanju energije:

Za nestacionarne sustave:

izul mm⋅⋅

= .EE izul

⋅⋅=

Primjer: U posudu volumena 100 l ulijeva se voda masenom brzinom 0,1 kg s-1 H2O(specifična gustoća vode ≈ 1). Promjena mase po vremenu dana je izrazom:

, a kad se posuda napuni vodom, ovaj izraz će biti:

Za stacionarne sustave:

odnosno:

sustav je nestacionaran

sustav je stacionaran.

zakon o očuvanju mase:

zakon o očuvanju energije:

izul mmdt

dm ⋅⋅−= izul EE

dt

dE ⋅⋅−=

izul mmdt

dm ⋅⋅−= 0mm

dt

dmizul =−=

⋅⋅

1skg1,001,0dt

dm −=−=

1skg01,01,0dt

dm −=−=

2525

7.3. Postavljanje bilance

Da bi se istražio neki proces oponašanjem, prikazuje se matematičkim oblikom, tj. definira se matematički model i utvrñuje način njegovog rješavanja.

procesnajedinica

algoritamulazna informacija izlazna informacija

npr. c, p, T

ulazna struja izlazna struja

granica

2626

REAKTOR SEPARATOR 1 2 3

4

5

6

7

II

I

III IV V

I – ukupna bilanca - obuhvaća cjelinu i povezuje ulaznu struju 1 s izlaznim strujama 4 i 7 (1 = 4 + 7)

II – bilanca reaktora - povezuje ulaz u reaktor s njegovim izlazom (2 = 3)

III – bilanca separatora - odnosi se na razdvajanje proizvoda reaktora na čisti proizvod i ostatak 3 = 4 + 5

IV – bilanca spoja - obuhvaća miješanje svježeg pojenja i povratnog toka (1 + 6 = 2)

V - bilanca razdjelnika - povezuje povratni tok i proizvod (5 = 6 + 7).

2727

Kod postavljanja bilance za proračun su bitne:

km ol nastalog proizvoda Konverzija po prolazu=------------------------------------------------------------------------= km ol ograničavajućeg reaktanta na ulazu u reaktor (struja 2) km ol ogranič. reaktanta na ulazu – kmol ogr. reak. na izlazu =-------------------------------------------------------------------- km ol ograničavajućeg reaktanta na ulazu

kmol nastalog proizvoda Ukupna konverzija =---------------------------------------------------------------------- kmol ograničavajućeg reaktanta u svježem pojenju (struja 1)

kmol proizvoda na izlazu iz procesa Iskorištenje =---------------------------------------------------------- kmol proraegiranog ograničavajućeg reaktanta

2828

Reakcija dobivanje sumporova trioksida katalitičkom oksidacijom

REAKTOR SEPARATOR 1 2 3 5

4

SO2 (g) + 1/2O2 (g) ↔ SO3 (g)

Primjer 1: Izračunavanje recirkulacijskog omjera uz 100 % ukupnu konverziju i konverziju po prolazu kroz reaktor od 50%

Na primjeru dobivanje sumporova trioksida katalitičkom oksidacijom, treba izračunati recirkulacijski omjer ili omjer protoka recikla prema protoku čistog proizvoda, uz uvjete ukupne konverzije od 100 %. Pretpostavlja se da su reaktanti prisutni u stehiometrijskomomjeru, i da je potpuno odvajanje neproreagiranih reaktanata u separatoru.

2929

OMJER RECIRKULACIJE:5

4

M

MOR ⋅

⋅

=

Baza = 2 kmol h-1 SO2 u svježem pojenju

BILANCA SPOJA:412 MMM

⋅⋅⋅+=

Bilanca za SO2: )(MX)(MX)(MX4SO1SO2SO 222

+== molni protoci struja

XSO2= množinski udjel

42SO M0,6672)(MX2

⋅+=

Komponenta 1 2 3 4 5

SO2 2 2 + 0,667 · M4 0,5(2 + 0,667 · M4) 0,667 · M4 0O2 1 1 + 0,333 · M4 0,5(1 + 0,667 · M4) 0,333 · M4 0

SO3 0 0 2 0 2

Σ 3 3 + M4 3,5 + 0,5 · M4 M4 2

⋅M

3030

BILANCA REAKTORA: 32 MM =

bilanca za SO2: )M0,667(20,5)(MX 43SO2⋅+⋅=

BILANCA RAZDJELNIKA: 543 MMM⋅

+=

bilanca za SO2: 0M0,667)M0,667(20,5 44 +⋅=⋅+⋅

1-4 h kmol3M =

.1,52

3OR ==

Smanjivanjem konverzije po prolazu povećava se recirkulacijski omjer pa se mora raditi s većim kapacitetom. Time se povećavaju investicijski troškovi, a i energijski zbog povećanja utroška energije na vraćanje recirkulata.

3131

Na primjeru dobivanje sumporova trioksida katalitičkom oksidacijom, treba izračunati recirkulacijski omjer uz uvjete ukupne konverzije od 75 % i konverzije po prolazu kroz reaktor od 50 %, ako nema separacije, te se dio proizvoda vraća natrag u reaktor. Pretpostavlja se da su reaktanti prisutni u stehiometrijskom omjeru.

REAKTOR 1 2 3

4

5

Struje 4, 5 su istog sastava

Baza = 2 kmol h-1 SO2 u svježem pojenju

Komponenta 1 2 3 4 5SO2 2 2 + 0,222 · M4 0,222 · M3 0,222 · M4 0,5O2 1 1 + 0,111 · M4 0,111· M3 0,111 · M4 0,25

SO3 0 0,667 ·M4 0,667 · M3 0,667 · M4 1,5

Σ 3 3 + M4 M3 M4 2,25

Primjer: Izračunavanje recirkulacijskog omjera uz ukupnu konverziju od 75 % i konverziju po prolazu kroz reaktor od 50%

3232

BILANCA REAKTORA:32 MM =

bilanca za SO2: 34 M0,222)M0,222(20,5 ⋅=⋅+⋅

BILANCA RAZDJELNIKA:543 MMM

⋅+=

bilanca za SO2: 0,5M0,222M0,222 43 +⋅=⋅

1-4 h kmol4,5M =

1-3 h kmol6,75M =

.22,25

4,5OR ==

Dakle, separacija je vrlo bitna čak i uz prihvaćanje manjeg iskorištenja.

ukupnakonverzija OR

0,75 20,90 80,99 980,999 999

1 ∞