POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydział Chemiczny

LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Jerzy Wisialski

ELEMENTY PROJEKTU PROCESOWEGO

PODSTAWY, SCHEMAT IDEOWY

PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Ludwik Synoradzki, Jerzy Wisialski

Wykład: październik 2016

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

PROJEKT PROCESOWY

Projekt procesowy (ang. Process Design, niem. Verfahrensprojekt) stanowi

z jednej strony swego rodzaju podsumowanie w skondensowanej

formie badań nad procesem technologicznym,

z drugiej zaś jest to pierwsza wizja (koncepcja) instalacji przemysłowej,

w której ten proces ma być realizowany

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

DEFINICJE

PROCES CIĄGŁY – określenie dotyczące sposobu prowadzenia procesu

technologicznego tak, że wszystkie etapy przebiegają równocześnie i w

określonym porządku oraz jest zachowana stałość parametrów procesowych w

czasie

RUCH CIĄGŁY ZAKŁADU - jest to sposób zorganizowania produkcji

polegający na tym, że praca odbywa się na III zmiany produkcyjne (24

godziny na dobę) przez cały rok bez przerw na dni wolne i świąteczne (za

wyjątkiem postojów zaplanowanych).

Liczbę dni pracy produkcyjnej instalacji w roku ustala się uwzględniając

oprócz przerw świątecznych, również czas przewidywany na czyszczenie,

remonty bieżące i okresowe oraz przerwy awaryjne. Dla instalacji pracujących

w ruchu ciągłym przyjmuje się na ogół 300 – 330 dni pracy / rok.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

ZAŁOŻENIA PRZEMYSŁOWE, PROGRAM PRODUKCJI

PROGRAM PRODUKCJI - informacje na temat:

- liczby dni pracy zakładu w roku;

- liczby zmian produkcyjnych;

- przewidywanej ilości produktu (produktów) do wytworzenia

w ciągu doby, roku ….

- periodycznego lub ciągłego sposobu prowadzenia procesu

(związek z założeniami badawczymi).

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

ZDOLNOŚĆ PRODUKCYJNA

Ilość produktu możliwą do wytworzenia w jednostce czasu, np:

[kg / h], [kg/dobę], [t/rok] - dla instalacji ciągłych,

[kg / dobę], [kg/szarżę], [t/rok] - dla instalacji periodycznych.

Proces ciągły – godzinowa zdolność produkcyjna [kg/h]

Proces periodyczny - zdolność produkcyjna odniesiona do doby, roku

oraz projektowanej szarży produkcyjnej.

Wielkość szarży – zgodnie z:

- optymalnymi możliwościami aparaturowymi;

- min. ryzyka powiększania skali, max. pewność ruchowa

Na ogół program produkcji pokrywa się z projektowaną zdolnością

produkcyjną. Inwestor może założyć posiadanie pewnych rezerw zdolności

produkcyjnej, czy to dla całej instalacji, czy też niektórych jej części. W

takim przypadku powinno to być w założeniach jednoznacznie określone.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

ZAŁOŻENIA BADAWCZE, ŹRÓDŁA TECHNOLOGII

MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE

Literatura, sprawozdania z badań: literaturowych, laboratoryjnych,

półtechnicznych itp. stanowią odrębne opracowania – należy się na nie

powołać

Czystość patentowa

Wykaz patentów i know-how dotyczących rozpatrywanych metod.

Czystość patentowa metody proponowanej do wdrożenia.

Sprawozdanie z badania czystości patentowej może stanowić odrębne

opracowanie (załącznik).

Instrukcje technologiczne, pomiary ruchowe

- nieocenione materiały źródłowe technologii. !!!

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Uzasadnienie wyboru metody technologicznej

Skondensowany przegląd dostępnych metod

Uzasadnienie wyboru drogi przeprowadzenia procesu w skali przemysłowej

(synteza - technologia). Kryteria:

- Dostępność i ceny surowców, wydajność procesu,

- Zagadnienia patentowe,

- Pewność (niezawodność) rozwiązań technologicznych,

- Aspekty ekonomiczne

Wybór metody technologicznej powinien wynikać ze sprawozdań z prac

badawczych. Nie ma potrzeby zamieszczania obszernych analiz

ekonomicznych i uzasadnień, wystarczy powołanie się na wcześniej

wykonane prace studialne.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

ISTOTA PROCESU (dla wybranej metody technologicznej)

• Sumaryczne równania podstawowych reakcji chemicznych (zarówno

głównych jak i ubocznych) w sposób czytelny różni odbiorcy

w dalszej części bilanse masowe.

• Efekty cieplne poszczególnych reakcji (egzo- lub endotermiczne)

• Wyjaśnić funkcję katalizatora, podać podstawowe parametry

(temperatura, ciśnienie, czas), stosowane nadmiary w stosunku do

stechiometrii.

• Procesy podstawowe kolejne procesy i operacje jednostkowe

i ich zasadnicze parametry

• Sposób prowadzenia procesu (periodyczny, ciągły)

Bardzo pomocny dla prezentacji metody technologicznej jest:

SCHEMAT IDEOWY

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

SCHEMAT IDEOWY

Schemat ideowy, zwany też schematem blokowym (ang. block diagram), jest

to graficzne przedstawienie procesu technologicznego, polegające na

zestawieniu poszczególnych procesów i operacji jednostkowych w kolejności

ich realizacji oraz wszystkich występujących strumieni masowych.

Jest on szczególnie przydatny w przypadku skomplikowanych technologii,

składających się z wielu procesów i operacji oraz licznych, cyrkulujących

strumieni masowych. Ułatwia analizę całego procesu oraz opracowywanie

bilansu masowego.

Definicje procesu jednostkowego i operacji jednostkowej, zgodnie z

terminologią stosowaną w inżynierii chemicznej.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

PROCES JEDNOSTKOWY

Proces jednostkowy (ang. unit process) jest to wyodrębniony zespół

przemian fizycznych i chemicznych materii, charakterystyczny ze

względu na zachodzącą reakcję chemiczną.

Wyodrębniając poszczególne procesy jednostkowe nadaje się im nazwy,

pozwalające na szybką i łatwą identyfikację w trakcie kolejnych prac w

ramach cyklu badawczo – projektowo – wdrożeniowego.

Oprócz ogólnych określeń jak np. „reakcja syntezy związku X”, czy

„biosynteza”, stosuje się nazwy oddające charakter reakcji i specyficzne

dla danej branży. W syntezie organicznej będą to na przykład procesy:

sulfonowania, nitrowania, chlorowania, estryfikacji, diazowania itp. Inne

przykłady określeń to: neutralizacja, hydroliza czy elektroliza.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

OPERACJA JEDNOSTKOWA

Operacja jednostkowa (ang. unit operation) jest to wyodrębniony

zespół, fizycznych przemian materii (bez reakcji chemicznej),

charakterystyczny ze względu na ich skutek.

Będą to znane z inżynierii chemicznej: destylacja i rektyfikacja,

absorpcja i desorpcja, mieszanie i homogenizacja, filtracja,

suszenie itp. W wyniku tych operacji następuje rozdział lub

łączenie strumieni oraz zmiana ich składu, nie pojawiają się

natomiast nowe związki chemiczne (i nie znikają istniejące).

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Rys. Elementy schematu ideowego

STRUMIENIE WYCHODZĄCE

PROCES lub OPERACJA JEDNOSTKOWA

Podstawowe parametry (T = … P = …)

STRUMIENIE WCHODZĄCE

Zawrót (recykl)

Surowiec A

(ciecz)

Surowiec B (c. stałe)

Gaz

Strumień X

ciecz lub zawiesina

ciało stałe, osad

gaz, opary

OZNACZENIA:

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

SCHEMAT IDEOWY

• Schemat ideowy powinien zawierać zestawienie procesów i operacji

jednostkowych w kolejności zgodnej z rzeczywistym biegiem całego

procesu produkcyjnego.

• Symbole umieszcza się więc w kolejności głównego ciągu technologicznego,

w pionowym układzie poczynając od góry arkusza. Ciągi procesów

pomocniczych powinno się rozmieścić obok ciągu głównego lub na

odrębnych arkuszach.

• Zwykle, strumienie masowe wchodzące rysuje się „od góry”, natomiast

wychodzące „od dołu” prostokątów oznaczających poszczególne procesy

i operacje. Ułatwia to późniejsze opracowanie bilansów masowych

i wykresu Sankey’a.

• Można również graficznie wyróżnić stan skupienia dla poszczególnych

strumieni (ciekłe, gazowe, ciała stałe).

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

SCHEMAT IDEOWY c.d.

• Istotne jest rozbicie całego procesu technologicznego „na czynniki pierwsze”,

to jest procesy i operacje jednostkowe oraz sprecyzowanie ich parametrów.

• Wiele wariantów doboru aparatury dla skali produkcyjnej.

• To, że w jednej kolbie laboratoryjnej było wykonywane wiele kolejnych

przemian, nie oznacza wcale, że w instalacji przemysłowej będzie tak samo.

• Czas wykonywania poszczególnych przemian w laboratorium nie zawsze

może być traktowany jako istotny parametr procesowy, gdyż w instalacji

przemysłowej będzie on wynikał z innych parametrów, jak np. szybkości

odbioru ciepła.

• W niektórych specyficznych przypadkach, czas może wystąpić jako istotny

parametr procesowy. Będzie to na przykład wymagany czas przebywania

mieszaniny reakcyjnej w reaktorze, czas doreagowania itp.

• Niektóre procesy lub operacje jednostkowe mogą być zaprojektowane jako

ciągłe, co zmieni podejście do czasu jako parametru.

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

syntezy stabilizatora

estrocynowego

Estrochlorocyny

Benzyna ekstrakcyjna (świeża) Izooktylotioglikolan

SYNTEZA STABILIZATORA

t = 30C Pnorm.

NEUTRALIZACJA,

t = 50C pH = 7

PRZEMYWANIE WODĄ,

t = 25C

ODDESTYLOWANIE BENZYNY

t = 80 – 100C p = 55 – 10 kPa

FILTRACJA (klarowanie)

t = 25C p = 0,3 MPa

12% NaOH aq.

Woda demi (2 )

Faza wodna (przedgon)

STABILIZATOR

Benzyna regenerowana

Osad (odpad)

Faza wodna (ca 10% NaOH)

(ścieki)

Przemywki wodne

(ścieki)

ROZDZIAŁ FAZ t = 25ºC

ROZDZIAŁ FAZ t = 25ºC

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

otrzymywania BDAW

Toluen

Chlorek p-anizoilu

SUSZENIE BDAW

T = 60ºC

Opary toluenu

FILTRACJA, przemycie, rozdział faz

T = 20ºC vacuum

Filtrat i przemywki

Toluen (2x)

KRYSTALIZACJA BDAW

T = 70–20oC 0,5ºC /min

Toluen

Zaszczepka

HCl + SO2 (do absorpcji)

REAKCJA SYNTEZY

II –gi stopień

T = 78–125ºC

Chlorek tionylu

REAKCJA SYNTEZY

I –szy stopień

T = 90–120ºC

Kwas D-winowy

Katalizator

Toluen

Rozpuszczenie CA

T = 20ºC

HCl gaz. (do absorpcji)

Filtracja klarująca

BDAW produkt

Osad

ciecz lub zawiesina

ciało stałe, osad

gaz, opary

OZNACZENIA:

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

otrzymywania KDBW

metodą hydrolizy

bezpośredniej

Opary

S Y N T E Z A

T = … P = …

HYDROLIZA

T = … P = …

KRYSTALIZACJA KDBW

T = … P = …

FILTRACJA KDBW, T = … P = …

przemywanie, rozdział faz

SUSZENIE KDBW

T = … P = …

MIELENIE KDBW

Kwas winowy

Katalizator

HCl gazowy do absorpcji

Filtrat organiczny (do neutraliz.)

Przemywki organiczne (do neutraliz.) Przemywki wodne (do neutraliz.)

Woda

Rozpuszczalnik

Rozpuszczalnik

Woda

Rozpuszczalnik

Rozpuszczalnik

Chlorek benzoilu

KDBW produkt

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

regeneracji

rozpuszczalnika

z syntezy KDBW

Przemywki wodne

ROZDZIAŁ FAZ

NEUTRALIZACJA I-szy stopień

t = 85C

NEUTRALIZACJA II-gi stopień

t = 85C

DESTYLACJA ROZPUSZCZALNIKA

t = 84 112C; Pnorm.

ROZDZIAŁ FAZ t = 25C

ROZDZIAŁ FAZ t = 25C

Przygotowanie 12%

roztworu NaOH Faza wodna

Filtrat organiczny

Przemywki org.

NaOH st.

Woda

Faza

organiczna

Odciek wodny (I)

Odciek wodny (II)

Pozostałość podest.

Faza organiczna (reflux)

Przedgon

(faza wodna)

Rozpuszczalnik regenerowany

Woda (2x)

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

absorpcji HCl

z syntezy KDBW

ABSORPCJA WODNA

I-szy stopień t = 25C, pnorm

ABSORPCJA WODNA

II-gi stopień t = 25C, pnorm

ABSORPCJA ALKALICZNA

t = 25C, pnorm

HCl gazowy

30% kwas solny

Gazy resztkowe

Odciek alkaliczny

12% NaOHaq.

Woda

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

elektrolitycznego

otrzymywania SnO (wersja III)

+ -

ELEKTROLIZA

Anolit Bufor Katolit

STRĄCANIE SnO

ROZDZIAŁ FAZ

Szlamy

NaOH aq. sol.

Natant mętny

Woda

PRZEMYWANIE 1-sze

ROZDZIAŁ FAZ

PRZEMYWANIE 2 i 3

ROZDZIAŁ FAZ

SUSZENIE

Strącanie Sn rozp.

Ścieki

Szlamy

Blacha Zn

SnO produkt

SnO mokry

Przemywki 1 klarowne

Przemywki 2 i 3

Woda (para)

Szlamy do komory

katodowej

Woda

Przemywki 1 mętne

Natant klarowny

SnO mokry

Szlamy

Natant mętny Cyna gąbczasta

Wodór

Korekta

składu

? ?

KOREKTA SKŁADU

30% HCl

NaCl

Sn metaliczna

w sztabach

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

Schemat ideowy

elektrolitycznego

otrzymywania SnO (wersja V)

FILTRACJA

PRZEMYWANIE

(proces periodyczny)

STRĄCANIE SnO

(proces period.) t = 20 – 50C

ROZDZIAŁ FAZ

NaOH 40% aq. sol.

Natant

Woda demi

SUSZENIE

MIESZANIE

SnO produkt

SnO mokry

Woda (para)

gęstwa SnO

Natant (ciągle)

Cyna gąbczasta

Wodór

Woda

KOREKTA SKŁADU

30% HCl

Sn metaliczna

w sztabach

(periodycznie)

(odbiory ciągłe)

Przemywki

Filtrat

+ -

ELEKTROLIZA

Anolit Bufor Katolit

Odpad

11 12

13

6

7

9

5

1

4

2

3

16

19

9

20

17

14

15

3

10 8 7

© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną

i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.

LITERATURA

Projektowanie procesów technologicznych –

Od laboratorium do instalacji przemysłowej,

red. L. Synoradzki, J. Wisialski,

Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2006,

rozdz. 8: Elementy projektu procesowego