INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIOPROCESOWA- Inżynieria Procesowa i Bioprocesowa

podstawy inżynierii procesowej bioprocesowej z elementami inżynierii chemicznej – procesowej

Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej,

Wydział Chemiczny Politechniki Gdaoskiej

prof. Marian Kamioski

Gdaosk, 2017

WPROWADZENIE II-gi semestr – operacje wymiany masy oraz masy i ciepła

Klasyfikacja operacji jednostkowych – IChiBp – I-szy / II-gi sem/ TRM1. Operacje dynamiczne – zachodzące na skutek działania sił mechanicznych / ciśnienia, przenoszenie pędu

• - przepływ płynów doskonałych / rzeczywistych przez przewody / warstwy porowate -oporyprzepływu

• - opadanie cząstek ciał stałych w płynach, sedymentacja, fluidyzacja, elutriacja• - cyklony, hydro-cyklony• - filtracja• - mieszanie• - wirowanie2. Operacje cieplne – związane z ruchem / wymianą ciepła

• - ruch ciepła przez przewodzenie, wnikanie i promieniowanie• - przenikanie ciepła / powierzchnia wymiany ciepła / geometria wymienników ciepła• - zatężanie roztworów w aparatach wyparnych / wyparkach próżniowych3. Operacje dyfuzyjne – dyfuzyjny ruch masy

• - prawa dyfuzyjnego / konwekcyjnego ruchu masy• - destylacja i rektyfikacja – okresowa / ciągła

• - absorpcja / desorpcja• - nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów / liofilizacja• - krystalizacja / rekrystalizacja

- dyspersja w warstwach porowatych / prawa dyspersyjnego ruchu masy- adsorpcja / desorpcja (NP, RP, HILIC, HIC, AC, …)

• - wykluczanie steryczne (GPC-SEC – w warunkach lipofilowych / hydrofilowych)• - wymiana jonowa - IExch/ wykluczanie jonowe - IExcl,• - ekstrakcja / ługowanie - Soxleta oraz elucyjna ekstrakcja przeciwprądowa - CCC• - operacje membranowe membran stałych (D, MF, UF, NF, RO) + ciekłe membrany• - elucyjne rozdzielanie w polu sił (FFF)• - elektroforeza, elektrochromatografia

• Pojęcia: „technologia” /„proces” / „inżynieria procesowa” –„chemiczna” / „bio-procesowa”; „Operacje jednostkowe”, jako składowe każdego procesu, w tym, bio-procesu (bez / z wymianą ciepła / masy / masy i ciepła / reakcją chemiczną / enzymatyczną, …)

• „Narzędzia” inżynierii procesowej (bio-procesowej) - matematyczny opis operacji / procesu z wykorzystaniem zasad fizyki, fizykochemii, chemii, biochemii teoretycznej / technicznej, modelowania molekularnego, modelowania operacji / procesów, analizy wymiarowej – tworzenia i wykorzystania bezwymiarowych liczb kryterialnych dla opisu operacji i procesów j.w., np. Eu, Re, Nu, Pr, Pe, Sc, Sh, …

• Zakres przedmiotu i związek z pojęciami i regułami j/w- Opis operacji jednostkowych stosowanych w „biotechnologii” -

-- wykład : -- dwiczenia rachunkowe / projektowe :-- laboratorium :• Zasady realizacji przedmiotu, wymagania do zaliczenia -

pozytywnej oceny koocowej : ZROZUMIENIE !!!

WPROWADZENIE

Produkty „biotechnologii przemysłowej” :

- z fermentacji (jasnej, ciemnej, drożdżowej, bakteryjnej, …..)

- z „nadprodukcji” (najczęściej z wykorzystaniem bakterii modyfikowanych

genetycznie, np. ludzka insulina, )

- biopaliwa (ciekłe – bioetanol, bio-butanol; gazowe : biometan, biowodór)

- produkty „bio-rafinacji”

- enzymy,

- …

„BIOTECHOLOGIA” , niezależnie od skali stosowania

- procesowej, ½ / ¼ - technicznej, wielkolaboratoryjnej, laboratoryjnej

- wykorzystuje procesy, składające się z operacji jednostkowych

Prezentowany poniżej schemat technologiczny procesu otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją ciekłej frakcji brzeczki pofermentacyjnej oraz z wykorzystaniem młóta („muta” ) – stałej pozostałości po odwirowaniu ciekłej frakcji brzeczki po-fermentacyjnej, jako paliwa stałego do kogeneracji energii elektrycznej.

Schemat ilustruje wzajemne powiązanie wielu różnych operacji jednostkowych (z których wiele będzie przedmiotem )

Inżynierii Chemicznej i Bio-procesowej

Proces otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją brzeczki oraz wykorzystaniem młóta („muta”), jako paliwa - schemat ideowy - cz. I-sza

Operacje transportu magazynowania, przetwarzania materiałów stałych, płynów, ruchu i wymiany ciepła / masy / ciepła i masy, a także, rozdzielania - są istotnymi składowymi procesu – przepływy, wymiana ciepła w warunkach konwekcji, kondensacji pary wodnej , rektyfikacja ciągła, wirowanie, filtracja, ultrafiltracja, suszenie, …

Proces otrzymywania bioetanolu z ziarna kukurydzy, z metanizacją brzeczki pofermentacyjnej, wykorzystaniem młóta („muta”), jako paliwa - schemat ideowy - cz. II-ga

SCHEMAT IDEOWY INSTALACJI BIO-PROCESOWEJ, składający się z operacji jednostkowychSchemat technologiczny instalacji w układzie: przygotowania wsadu i wytwarzania bioetanolu, metanizacjiciekłej części brzeczki po fermentacji alkoholowej, z „recyrkulacją” wody procesowej po metanizacji oraz poczęściowej de-mineralizacji i „do-mineralizowaniu”, a także - przygotowania i spalania biomasy, odsiarczaniabio-metanu, a także - oczyszczania i kontroli składu oraz złowonności gazów odlotowych i spalin1 – CO2 gazowy2 – N2, gazowy; 4 – N2 ciekły i transport N2 Liq (ew.), albo dostawa autocysterną 3 – Dostawy ziarna, ew innych składników wsadu do fermentacji alkoholowej5 – Bioetanol - rektyfikat6 – Brzeczka po fermentacji alkoholowej7 – Woda chłodząca skraplacz (ew. enwetualnie strumieo 13)8 – Woda ciepła; 12 – Woda gorąca; 13 – Woda chłodząca9 – Spaliny10 – Wylot z ozonatora do BF11 – Biometan14 – Biomasa dodatkowa15 – Osad Nadmiarowy po metanizacji16 – Do atmosfery17 – Woda recyrkulowana18 – Woda wodociągowa (źródlana)19 – Drożdże, enzymyWR – Woda recyrkulowana; WW – Woda wodociągowa (żródlana) ; PT – Para technologicznaA – dostawy, suszenie, magazynowanie, mielenie ziarna, B – przygotowanie wsadu do fermentacji alkoholowejC – fermentacja alkoholowa i produkcja bio-etanoluD – przygotowanie wsadu do fermentacji beztlenowejE – wytwarzanie bio-metanu (opcja z osadem granulowanym, opcja z osadem kłaczkowatym)F – odzysk i ko-generacja energiiG– odzysk biomasy i przygotowanie do spalania, albo/i innego sposobu zagospodarowaniaH – wytwarzanie pary technologicznejI – strumienie wyjściowe do zagospodarowania / utylizacji

Przedmiot zainteresowania inżynierii procesowej

Inżynieria procesowa / bioprocesowa, to dziedzina wiedzy teoretycznej i praktycznej, a także określony obszar umiejętności praktycznych, dotyczący opisu projektowania, a także optymalnego stosowania różnego rodzaju operacji jednostkowych w procesach technologicznych / biotechnologicznych

- w technologii chemicznej i pokrewnych, w tym, w biotechnologii Inżynieria posługuje się :- opisem matematycznym, w tym, teoretyczną optymalizacją- „modelowaniem” (teoretycznym, a także doświadczalnym) operacji

jednostkowych i procesów,- „powiększaniem skali” operacji jednostkowych / procesów ze skali

laboratoryjnej, poprzez wielkolaboratoryjną, ¼ techniczną, półtechniczną, zwanymi skalą „pilotową”, do skali technicznej (procesowej)

- wieloma innymi „narzędziami”

Poszukuje się zawsze minimum funkcji Ef = f(Kł),

tzn., Efektywnośd operacji / procesu - vs. koszty łączne (koszty inwestycyjne + operacyjne + inne).

Wymagania do zaliczenia

• Zaliczenie dwiczeo projektowych wg wymagao NA prowadzącego

• Zaliczenie egzaminu – pisemnego- Minimum 60%, z tym, że widoczny (oczywisty) brak

zrozumienia określonej ważnej problematyki przedmiotu uniemożliwia otrzymanie oceny pozytywnej !Bardzo proszę o zwrócenie szczególnej uwagi na wykazanie zrozumienia zasad podstawowych, a także, ich prezentację w pierwszej kolejności podczas kolokwium / egzaminu!

-- „Uszczegółowianie” – w miarę czasu i wiedzy --

LABORATORIUM-- w semestrze letnim --

X Dwiczeo laboratoryjnych - w kilkoosobowych podgrupach, poprzedzonych krótką „wejściówką” pisemną, sprawdzającą przygotowanie Studenta –indywidualnie;

Dwiczenia zaliczane na podstawie wyników „kartkówek” oraz poprawności przygotowanego przez podgrupę sprawozdania :

cel i zasady, częśd doświadczalna, wyniki i wnioski

Warunek przystąpienia do egzaminu : obecnośd na wykładach, zaliczenie dwiczeo, laboratorium.

Inżynieria chemiczna i bioprocesowa - operacje jednostkowe -- LITERATURA --

Literatura podstawowa

1. M. Serwiński: Zasady inżynierii chemicznej. Operacje jednostkowe, WNT 1982, lub inne wydanie

2. J. Ciborowski: Podstawy inżynierii chemicznej. WNT 1965, lub inne wydanie

3. A. Selecki, L. Gradoń: Podstawowe procesy przemysłu chemicznego. WNT 1985.

4. P. Lewicki: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego. WNT 2005

5. R. Zarzycki: Wymiana ciepła i ruch masy w inżynierii środowiska. WNT 2010

Literatura uzupełniająca

1. Z. Orzechowski, J. Prywer, R. Zarzycki: Mechanika płynów w inżynierii i ochronie środowiska.

WNT 2009.

2. Z. Orzechowski: Przepływy dwufazowe. PWN 1990.

3. R. Koch, A. Noworyta: Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. WNT 1992.

4. T. Hobler: Ruch ciepła i wymienniki. WNT 1986.

PROCESY a OPERACJE JEDNOSTKOWE

Procesy ( w tym, procesy technologiczne / biotechnologiczne), to wzajemnie powiązane i pozostające pod kontrolą, operacje jednostkowe, gdy ma miejsce przekształcenie określonych parametrów, lub właściwości - wejściowych, w inne, pożądane parametry, lub właściwości - wyjściowe.

Poszczególne, wzajemnie w sposób prosty lub złożony, powiązane operacje jednostkowe – tworzą proces

Przy czym, w przypadku szczegółowego badania (opisu), każdą operację jednostkową można rozpatrywad jako proces.

Operacja jednostkowa – zjawisko, działanie, oddziaływanie / wzajemne

powiązanie zjawisk o charakterze fizycznym / fizykochemicznym, gdy mamiejsce transport (ruch, przepływ), wymiana – masy / energii / masy i energii;Będziemy zajmowad się opisem operacji, gdy nie ma miejsca reakcja chemiczna;

Operacje jednostkowe z reakcją chemiczną / biochemiczną / katalityczną /enzymatyczną są także przedmiotem zainteresowania inżynierii, jednak niemamy dosyd czasu by nimi się zająd

Proces – sekwencja operacji jednostkowych i procesów chemicznych.

Operacje jednostkoweSchemat ideowy procesu, to powiązane w określony sposób operacje jednostkowe

opisujące technologię, proces wytwórczy, a także, różnorodne procedury postępowania, w tym także, dla procesów sterowania, kontroli, usług, …

Na schematach technologicznych poszczególne operacje jednostkowe, albo określona seria operacji jednostkowych jest przedstawiana w postaci określonych symboli („ikon), albo w postaci figur geometrycznych i nazw operacji.Można m.in. wyróżnid następujące grupy oraz przykłady operacji jednostkowych w Biochemii Technicznej, Biotechnologii, Technologii Chemicznej i pokrewnych :

-- mechaniczne, np. rozdrabnianie, np., za pomocą „łamaczy”, mielenie, przesiewanie, transport materiałów granulowanych, plastycznych, past, …

-- hydrodynamiczne, np. pompowanie, przepływ płynów, zawiesin przez przewody rurowe, kanały, warstwy porowate, transport pneumatyczny, hydrauliczny, filtracja klasyczna, mikrofiltracja ultrafiltracja, mieszanie, wirowanie, …

-- transportu i wymiany ciepła - w celu ogrzewania, chłodzenia w wymiennikach ciepła, a także odbioru lub dostarczenia ciepła reakcji biochemicznej / chemicznej, odbioru ciepła od kondensującej pary wodnej, dostarczenia ciepła dla wrzenia, … - na drodze: przewodzenia, konwekcji swobodnej, lub wymuszonej, kondensacji pary wodnej, emisji / absorpcji promieniowania podczerwonego, ….

-- transportu i wymiany masy - bez , a często - z jednoczesną wymianą ciepła, w tym, ciepła reakcji biochemiczne, chemicznej - gdy taka ma miejsce, np., adsorpcja – desorpcja, wymiana jonowa, absorpcja – desorpcja, odparowywanie, destylacja, rektyfikacja, ekstrakcja, nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów, krystalizacja, odwrócona osmoza, ultra-filtracja, dializa, …

Operacja jednostkowa – zjawisko o charakterze fizycznym lub

fizykochemicznym, w którym nie występuje reakcja chemiczna.

Proces produkcyjny w przemyśle chemicznym – sekwencja operacji jednostkowych i

procesów chemicznych.

Klasyfikacja operacji jednostkowych

1. Operacje dynamiczne – zachodzące na skutek działania sił mechanicznych

- przepływ płynów

- opadanie cząstek ciał stałych w płynach

- filtracja

- mieszanie

2. Operacje cieplne – związane z ruchem ciepła

- ruch ciepła przez przewodzenie, wnikanie i promieniowanie

- przenikanie ciepła

- zatężanie roztworów w aparatach wyparnych

3. Operacje dyfuzyjne – dyfuzyjny ruch masy

- destylacja i rektyfikacja

- absorpcja

- ekstrakcja i ługowanie

- nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów stałych

- krystalizacja

Opis operacji jednostkowych

1. Zasada zachowania masy – w rozważanym układzie zamkniętym suma mas

poszczególnych składników przed procesem i po jego zakończeniu jest wielkością

stałą sporządzanie bilansów masowych

2. Zasada zachowania energii – w rozważanym układzie zamkniętym suma

wszystkich rodzajów energii jest stałą sporządzanie bilansów energrtycznych

Zamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całego

układu.

3. Równowaga układu mechaniczna, termiczna, fizykochemiczna – w stanie

równowagi właściwości całego układu są niezmienne w czasie

4. Kinetyka przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość, z jaką układ dąży

do stanu równowagi.

Szybkość przebiegu operacji zależy od wartości siły napędowej (np. różnica

ciśnień, temperatur, stężeń) oraz od wartości siły oporu, wystepującej w przebiegu

operacji (np. siła tarcia, opór termiczny, opór dyfuzyjny).

Pojęcia podstawowe

•Płyn - substancja, która może płynąć, a zatem zmieniać swoje rozmiary i

kształt: ciecze, gazy, płyny nadkrytyczne / podkrytyczne, zawiesiny, emulsje,

pasty,

•Płyn doskonały – nielepki – pozbawiony tarcia wewnętrznego, nieściśliwy -

nie zmieniający swojej objętości pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury

•Ciśnienie P [Pa] – siła działająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do

siły powierzchniowej. Dla płynów w stanie statycznym ciśnienie jest

wielkością skalarną, zawsze prostopadłą do powierzchni płynu

•Przepływ ustalony – ruch płynu jest ustalony, kiedy prędkość płynu w

danym punkcie jest stała i niezmienna w czasie. Prędkość jest funkcją

położenia. Przepływ nieustalony – prędkość płynu w danym punkcie jest

funkcją położenia i czasu

Ogólnie – Stan ustalony : podstawowe wielkości - wartością stałą w funkcji położenia i

czasu

- Stan nieustalony : podstawowe wielkości ulegają zmianie w funkcji położenia i

czasu

Opis operacji jednostkowych uwzględnia :

1. Zasadę zachowania masy – w rozważanym układzie zamkniętym suma mas / strumienimasy poszczególnych składników przed procesem i po jego zakooczeniu jest wielkościąstałą sporządzanie bilansów masowych

2. Zasada zachowania energii – w rozważanym układzie zamkniętym suma wszystkichrodzajów energii jest wartością stałą sporządzanie bilansów energetycznych

• Zamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całego układu.

3. Równowaga układu mechaniczna, termodynamiczna, fizykochemiczna – w stanierównowagi właściwości / parametry układu są niezmienne w czasie; Jednocześnie mamiejsce stan ustalony; Okres dochodzenia do stanu ustalonego, to okres stanunieustalonego

4. Kinetyka przebiegu operacji w określonym układzie określa szybkośd, z jaką układ dąży dostanu równowagi.

• Szybkośd przebiegu operacji zależy od wartości siły napędowej (np. różnica ciśnieo,temperatur, stężeo) oraz od wartości siły oporu, występującej podczas przebiegu operacji(np. siły tarcia, opór termiczny, opór dyfuzyjny).

OPTYMALIZACJA-- tak, na etapie projektowania, jak i użytkowania --

Praktyczna realizacja każdego procesu wytwórczego wymaga najpierw opracowania (m.in., zaprojektowania), kolejno, zastosowania (wdrożenia), a następnie – użytkowania, optymalnej - nowoczesnej (korzystnie –innowacyjnej), efektywnej i możliwie mało kosztownej technologii, która składa się z wzajemnie powiązanych operacji jednostkowych, zaprojektowanych w sposób optymalny, pod względem minimalizacji łącznych kosztów procesu, na które składają się koszty inwestycyjne, eksploatacyjne poszczególnych operacji jednostkowych, łącznie i „inne koszty”, w tym, okresowych remontów, usuwania ewentualnych awarii, dodatkowych opłat środowiskowych itp.

Prawie zawsze można wybrad mniej lub bardziej efektywną, tzn., optymalną, lub mniej korzystną „opcję” (najbardziej korzystne, albo mniej korzystne operacje jednostkowe) oraz optymalne, albo mniej korzystne warunki realizacji wybranych operacji jednostkowych.

Problem polega na tym, by wybrad najbardziej korzystne (optymalne) rozwiązanie

Np., dla wzbogacania („zatężania”), zamiast wyparki (nawet wielodziałowej), wymagającej dużych nakładów energii cieplnej, można często zastosowad jedną z nowoczesnych technik membranowych. Jednak będzie to korzystne tylko wtedy, gdy w rezultacie poprawnie przeprowadzonego procesu projektowego, zostanie stwierdzona celowośd takiej decyzji, a w praktyce nie okaże się, że korzyści z oszczędności energii nie zostają „skonsumowane” przez koszty inne, np. awarii, postojów i wymiany membran.

POWIĘKSZANIE / PRZENOSZENIE SKALIProcesy technologiczne są w praktyce realizowane w tzw. skali technicznej

(procesowej). Najczęściej - im większa skala ich realizacji oraz im wyższy poziom automatyzacji (w przyszłości – „robotyzacji” ), tym niższe „jednostkowe koszty produkcji”.

Jednakże, badania optymalnych warunków realizacji operacji jednostkowych / procesów ze względów oczywistych nie mogą byd wykonywane w skali procesowej (za bardzo kosztowne (!!!)). Wykonuje się je w mniejszej skali, najkorzystniej, w skali laboratoryjnej, czy wielkolaboratoryjnej.

Należy mied świadomośd, że w wielu konkretnych przypadkach powiększanie skali operacji jednostkowych oraz procesów może się wiązad z poważnym ryzykiem niepowodzenia (?!) Dotyczy to szczególnie wszystkich tych operacji jednostkowych, gdzie ma miejsce wymiana dużych strumieni cieplnych, gdy profile przepływów w skali procesowej mogą byd różne od tych, jakie miały miejsce w mniejszej skali realizacji operacji / procesu, tzn., w skali laboratoryjnej / modelowej, operacji i procesów gdy ma miejsce jednoczesna wymiana masy i ciepła, szczególnie, operacji i procesów z jednoczesną reakcją chemiczną a także – operacji mieszania.

W tych przypadkach „bezpiecznie” jest zastosowanie etapowego przenoszenia skali, kolejno – laboratoryjna (modelowa) wielkolaboratoryjna, ¼ lub/i ½ - techniczna (procesowa)

W przypadku już istniejącej instalacji – przygotowanie i wykonanie tzw. ruchu testowego.

Dokładna analiza potencjalnego zapotrzebowania pod tym względem studentów i absolwentów BT, prowadzi do wniosku, że „zakres informacyjny” przedmiotu powinien byd w części zbieżny z zakresem jak dla innych dziadzin Technologii Chemicznej. Jednak, w istotnej części - inny

Operacje jednostkowe i procesy w biotechnologii w skali przemysłowej wymagają „obowiązkowo”, a jest to też niezwykle korzystne w przypadku każdej skali stosowania - poznania, a przede wszystkim, zrozumieniazasad „inżynierii procesowej chemicznej i bio-procesowej” , korzystnie, w całym zakresie. Konieczne jest, więc, poznanie oraz zrozumienie istoty, oraz zasad optymalizacji warunków realizacji wszystkich operacji jednostkowych stosowanych w BT, w różnej skali.

POTENCJALNY OBSZAR ZAINTERESOWANIA INŻYNIERIĄ PROCESOWĄ / BIOPROCESOWĄ STUDENTA / ABSOLWENTA

„BIOTECHNOLOGII” WCh PG

Pojęcia podstawowe i prawa Fizyki

• Prawo ciążenia – Newtona Q=mg [N]

• Prawo Pascala P=const [N/m2] = [Pa]

• Prawo Torricellego P=hρg [Pa]

• masa, objętośd, gęstośd, objętośd właściwa

ρ = m/V ; m = ρV ; ρ = 1/v ; v = 1/ρ [kg/m3]

• energia potencjalna E = mgH = ρVgH, kinetyczna E=mv2/2, wewnętrzna U - [J], praca L – [J]

• moc N=L/τ - [J/s] = [W]

Pojęcia i wielkości podstawowe - ich pod-wielokrotności (decy 1/10,

centy 1/100, mili 1/1000, mikro 1/106, nano 1/109, piko 1/1012, femto 1/1014) oraz wielokrotności (deka - 10, hekto - 100, kilo - 1000, mega - 106, giga - 109)

- masa (m) [kg], masa molowa (M)[kg/kmol], [g/mol],

- objętośd (V) [m3],

- ciśnienie (P) [Pa=N/m2], [bar] 1bar = 105 Pa = 0.1 MPa , (ciśnienie absolutne, nadciśnienie, podciśnienie)

- gęstośd (ρ) [kg/m3+ / objętośd właściwa (v = 1/ρ) [m3/kg],

- stężenie wagowe (masowe) *% m/m+, objętościowe *% v/v], molowe [% mol/mol], (masowo-objętościowe) *kg/m3 ]

- ułamek masowy (wagowy) , objętościowy, molowy,

- lepkośd dynamiczna (η)[Pa sek] ([N sek / m2+, lepkośd kinematyczna (ν) [m2/sek] (Stokes [cm2/sek]) ν = η/ρ

- współczynnik dyfuzji (D) [m2/sek]

- porowatośd (ε) [1] (międzyziarnowa, wewnątrzziarnowa, całkowita)

s

m

d

dVVVw

3

s

m

sm

m

Sd

dvu

2

3

s

kg

d

dmWWM mm

sm

kg

Ad

dwwm m

mm 2

s

molW

d

dNN A

sm

molW

Ad

dNn A 2

Natężenie przepływu / strumieo / liniowa prędkośd przepływu –średnia / chwilowa

Znaczenie pozostałych symboli : S, A – powierzchnia przekroju strumienia (wyznaczona prostopadle do wektora średniej prędkości przepływu), N –liczba moli, W – masa, τ - czas

Zalecam samodzielne uzupełniające studia z Paostwa strony. Celowe jest też korzystanie z konsultacji,

niekoniecznie tylko w czasie do tego przewidzianym, jednak na inny termin konsultacji, niż zaplanowany, należy się wcześniej umówid (można telefonicznie)

Operacje jednostkowe - zakres merytoryczny „przedmiotu” -

• mechaniczne : rozdrabnianie, mielenie, przesiewanie, pompowanie past i zawiesin, materiałów plastycznych, ale także, techniki granulometrii, jako metodyk kontroli efektywności operacji rozdrabniania, separacji pod względem uziarnienia;

• hydrodynamiczne : pompowanie płynów, tzn., cieczy, gazów, cieczy nadkrytycznych, płynnych zawiesin, przepływ płynów, w tym, zawiesin - przez przewody rurowe, kanały, przepływ płynów przez warstwy porowate, odpylanie w cyklonach, hydrocyklonach, elektrofiltrach, komorach osadczych, fluidyzacja, transport pneumatyczny, hydrauliczny materiałów stałych granulowanych, filtracja klasyczna, mikrofiltracja ultrafiltracja, mieszanie, wirowanie, ultrawirowanie, …

• transportu i wymiany ciepła w wymiennikach ciepła, reaktorach chemicznych, w operacjach destylacji, rektyfikacji, … -w celu ogrzewania, chłodzenia, a także odbioru lub dostarczenia ciepła od/do medium ogrzewającego / ogrzewanego, ciepła reakcji chemicznej, dostarczenia ciepła dla wrzenia, odbioru ciepła od kondensującej pary wodnej … Wymiana ciepła na drodze - przewodzenia, konwekcji swobodnej, lub wymuszonej, kondensacji pary wodnej, emisji/absorpcji promieniowania podczerwonego, ….

• transportu i wymiany masy / masy i ciepła w kolumnach destylacji, rektyfikacji, wyparkach, skraplaczach (kondenserach), bio-reaktorach -praktycznie bez , a często - z jednoczesną wymianą ciepła, w tym, ciepła reakcji chemicznej, gdy taka ma miejsce, np., adsorpcja – desorpcja, absorpcja – desorpcja, odparowywanie, destylacja, rektyfikacja, ekstrakcja, nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów, krystalizacja, odwrócona osmoza, dializa, …

ZASADY OPISU OPERACJI / PROCESÓW

• Bilans masy

• Bilans ciepła

• Opis kinetyki wymiany ciepła / masy

• Opis dynamiki wymiany ciepła / masy

• Opis oporów wnikania / przenikania ciepła / masy

• Opis dyspersji / czasu przebywania w kolumnie / reaktorze

• Opis podobieostwa geometrycznego / „fizycznego” operacji, za pomocą, odpowiednio: „wskaźników podobieostwa” , tzn., wskaźników podobieostwa geometrycznego oraz „fizycznego”

- „liczb podobieostwa” , np. Eu, Re, Sh, Pr, …

APARATURA i URZĄDZENIA

Każda operacja jednostkowa jest realizowana w skali procesowej, a także niższej, w określonym aparacie, urządzeniu, instalacji, często o skomplikowanej budowie;

Opisy spotykane w podręcznikach dotyczą najczęściej bardzo prostej wersji realizacji określonej operacji / procesu z zastosowaniem względnie prostej aparatury / urządzeo.

W praktyce nowoczesna aparatura procesowa jest często dośd skomplikowana. Wówczas opis teoretyczny też jest względnie skomplikowany.

Opisując procesy / operacje jednostkowe często należy uwzględnid charakterystykę wykorzystywanej aparatury / urządzeo.

INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIOPROCESOWA-- operacje jednostkowe w biotechnologii –

przedmiot wykładu / dwiczeo / laboratorium

- OPERACJE DYNAMICZNE Strumienie; Prawo ciągłości strugi; Prawa hydrostatyki i hydrodynamiki; Prawo Bernouliego; Lepkośd; Ciecze newtonowskie / nienewtonowskie; Profile przepływu; Liczby kryterialne –zasady oraz opisu oporów przepływu; Opory przepływu przez przewody rurowe / opory miejscowe; Pompowanie; Wypływ cieczy ze zbiorników; Spływ cieczy po ściance; Opory przepływu przez warstwy porowate; Ciąg naturalny; Pomiar prędkości przepływu;

- Opadanie cząstek w płynach – niezakłócone / zakłócone; separacja / klasyfikacja hydrauliczna; Odpylanie; Sedymentacja zawiesin; Fluidyzacja;

- Filtracja; Wirowanie; Cyklony; Hydrocyklony; Mieszanie; Homogenizacja; Emulgowanie;

- OPERACJE CIEPLNE Pojęcia i prawa Przewodzenie; Konwekcja; Wrzenie; Kondensacja Pary wodnej; Promieniowanie cieplne w wymianie ciepła, Wnikanie / Przenikanie ciepła ; Użyteczne różnice temperatury; Wymienniki Ciepła

- OPERACJE DYFYZYJNE Wnikanie / Przenikanie – Masy / Masy i ciepła – pojęcia i prawa

• Ekstrakcja ciecz – ciecz, okresowa / ciągła

• Destylacja / rektyfikacja – okresowa / ciągła

• Absorpcja / desorpcja

• Adsorpcja – desorpcja / chromatografia / wymiana jonowa – okresowa / pół-ciągła / ciągła

• Techniki membranowe - membrany stałe / ciekłe

• Suszenie materiałów / powietrza / liofilizacja / prażenie

• Krystalizacja / rekrystalizacja

Realizacja operacji jednostkowych i procesów w skali od laboratoryjnej do procesowej w tym, zasady powiększania (przenoszenia) skali realizacji operacji jednostkowych.

Przykłady wybranych procesów, operacji jednostkowych, aparatura do ich realizacji, zjawiska opisujące

zasadę działania

HOMOGENIZACJA fazy stałej / emulsjiHOMOGENIZATOR pracujew warunkach silnego ścinania, korzystnie, z regulacją temperatury

PROCES SUSZENIA – operacje jednostkowe z jednoczesną wymianą masy i ciepła / „fizykochemia” suszenia po stronie materiału suszonego

G. Boczkaj, K. Rogawski, B.Zabiegała, M.Kamioski