TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA

STOSOWANA

GENEZA NOWEGO PROCESU

TECHNOLOGIA CHEMICZNAwykład 1

GENEZA NOWEGO PROCESU

TECHNOLOGICZNEGO

CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU

Czym się zajmuje technologia

chemiczna i inżynieria chemiczna i inżynieria

procesowa?

Technologia chemiczna jest nauką stosowaną,

interdyscyplinarną, która ma zaproponować

warunki i schematy technologiczne otrzymywania

żądanych produktów chemicznych w optymalny,

przyjazny dla środowiska sposób,

Technologia chemiczna - definicja

przyjazny dla środowiska sposób,

z uwzględnieniem odpowiedniej skali

wytwarzania i po możliwych do zaakceptowania

kosztach.

Bortel E., Koneczny H, Zarys technologii chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992

nauki podstawowenauki podstawowe

są rozwijane przez ludzką ciekawość

świata

nauki stosowanenauki stosowane

stawiają sobie za cel rozwiązywanie

konkretnych problemów

Nauką podstawową

technologii chemicznej

jest chemia

ODKRYCIE NAUKOWE →→→→ WYNALAZEK →→→→ APLIKACJA

� odkrycie przez Benjamina Franklina elektrycznej natury piorunówpozwoliło mu na wynalezienie piorunochronu w 1752 r. Wynalazekten jest stosowany do dnia dzisiejszego, zabezpieczając budynkipodczas burz

� odkrycie fal elektromagnetycznych umożliwiło GuglielmoMarconiemu/ Nikoli Tesla wynalezienie radia, a następniezaowocowało lawiną wynalazków usprawniających budowę

Odkrycia i wynalazki

zaowocowało lawiną wynalazków usprawniających budowęradioodbiorników i łączność radiową

Chemia nowoczesna

XVIII/XIX w

Chemia stosowana

(chemia techniczna) ???

wytop miedzi(2200-700 p.n.e.)

metalurgia

garncarstwogarncarstwo

wyrób farb i perfum

Tutankhamun's

gold sarcophagus

110 kg Au

�Produkcja amoniaku (metoda Habera i

Boscha)

�Produkcja nawozów azotowych

�Produkcja metanolu

Gorgius Agricola 1494-1555 NaCl, MgCl2, KCl, K2SO4, LiCO3, Na2SO4

Great Salt Lake, UT

Zatężanie witriolu wykorzystując energię słoneczną

przedstawione w De Re Metallica libri XII8

Destylacja słoneczna

� zatężanie alkoholu

� ekstrakcja ziół

� otrzymywanie olejków

zapachowychGiovanni Della Porta (1535-1615) Magiae NaturalisKsięga X O destylacji, rozdział IV Jak destylować używając ciepła Słońca?

9

Carlos Wilson, 1872Pierwsza na świecie stacja destylacji

słonecznej, Las Salinas, Chile

Oczyszczano odcieki z kopalni saletry sodowej (zasolenie 140 g/kg); 64 wnęki o łącznej

pow. 4450m2, produkowano 22,7m3 wody /dziennie

Delyannis E., Historic background of desalination and renewable energies, Solar Energy 75 (2003) 357-366. 10

Destylacja słoneczna (odsalanie wody)

500 litrów wody pitnej dziennie

William Perkin: MOWEINA(1838-1907)

toluidyna anilina

1 2

rozkolce (9,000 →→→→ 1 g purpury tyryjskiej)

chinina

1856 – 18-letni W. Perkin próbuje zsyntezować chininę – przypadkowo otrzymuje substancję barwną – MOWEINĘ (purpurę anilinową)

+ C, HK2Cr2O7

Historia technologii polskiej

Józef Zawadzki (1886-1951)Uniwersytet Jagielloński (1910)

Politechnika w Karlsruhe (1912-13); asystent F. Habera i H. Buntego

„Technologia chemiczna nieorganiczna”

Politechnika Warszawska (od 1915), Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Warszawska (od 1915), Katedra Technologii Chemicznej

Janusz Ciborowski (1918-1986)Politechnika Warszawska (1945)

Massachusetts Institute of Technology, USA (1946—1947)

„Inżynieria chemiczna”, „Podstawy inżynierii chemicznej”

technologia chemiczna

a

inżynieria procesowa

Wzajemnie dopełniające się dyscypliny naukowe,

dotyczące problemów projektowania, budowy i

eksploatowania urządzeń i instalacji, eksploatowania urządzeń i instalacji,

umożliwiających prowadzenie procesów

technologicznych (przekształcenie surowców w

użyteczne produkty)

Chemical Engineering

Przejście od skali laboratoryjnej do wielkiej produkcji

SUROWCE

pomysł →→→→ skala laboratoryjna →→→→ skala przemysłowa

URZĄDZENIA

Skala przemysłowa

Silosy do mąki Zbiornik fermentacji drożdży Automat do formowania ciasta Silosy do mąki Zbiornik fermentacji drożdży Automat do formowania ciasta

Komora fermentacji Automat załadowczy Piec komorowy

Cechy charakterystyczne

• duża skala

• strona ekonomiczna zagadnienia• strona ekonomiczna zagadnienia

• aspekt środowiskowy

Podstawy technologii chemicznej

obejmują:•opis procesów technologicznych

•projekt procesowy

•procesy pomocnicze w technologii chemicznejprocesy pomocnicze w technologii chemicznej

Do procesów pomocniczych technologii

chemicznej zaliczamy:•gospodarkę ciepłem;

•wytwarzanie próżni i ciśnienia

•produkcję gazów technicznychprodukcję gazów technicznych

•zagospodarowanie odpadów

•uzdatnianie i dezynfekcję wody

•oczyszczanie ścieków

Fazy i etapy opracowywania technologii

[Synoradzki, Wisialski, 2006]

Współczesne uwarunkowania projektowania

procesowego

Nowe materiały aparaturowe i konstrukcyjne

Wykorzystanie komputerówWykorzystanie komputerów

Wzrastające wymogi ochrony środowiska

Rosnące koszty energii

Proces technologiczny a środowisko

Final product

• toxic /non-toxic• biodegradable / non-

biodegradable• recyclable / non-

recyclable

• renewable energy• renewable raw

materialProduction process

• renewable raw material•water/ wastewater/

solid waste• emission to

atmosphere

Clean technologies

•harness renewable materials and energy sources• reduce the use of

natural resources•cut or eliminate

emissions and wastes

Technology

Elementy

projektowania

chemicznych

zakładów

przemysłowych

SPIS TREŚCI PROJEKTU PROCESOWEGO

I. Koncepcja chemicznaI.1. Ogólna charakterystyka i zapotrzebowanie wyrobu

I.2. Światowe kierunki sposobów wytwarzania i rozwiązań technicznych

I.3. Charakterystyka proponowanej metody

I.4. Charakterystyka surowców

I.5. Charakterystyka produktu głównego i ubocznych

I.6. Charakterystyka odpadów i ścieków z omówieniem możliwości ich utylizacji, magazynowania lub

neutralizacji

II. Koncepcja technologicznaII.1. Schemat ideowy

II.2. Indywidualne parametry poszczególnych procesów i operacji jednostkowych

II.3. Bilans materiałowyII.3. Bilans materiałowy

II.4. Bilans energetyczny

II.5. Opis procesu technologicznego

II.6. Schemat technologiczny

II.7. Materiały konstrukcyjne i ochrona przed korozjąII.8. Zestawienie aparatów i urządzeńII.9. Harmonogram pracy aparatów

II.10. Kontrola produkcji

II.11. Zapotrzebowanie siły roboczej

II.12. Zagadnienia higieny i bezpieczeństwa pracy

II.13. Ocena oddziaływania na środowisko

III. Opracowanie wstępnego uzasadnienia ekonomicznego

IV. Literatura

Koncepcja chemiczna procesu

Dokonanie wyboru surowców i ustalenie szeregu

przemian chemicznych i fizycznych

zapewniających otrzymanie produktu.

Koncepcja technologiczna procesu

Jest to określenie liczby, kolejności i rodzajów

procesów podstawowych niezbędnych do

prowadzenia produkcji.

Pełna koncepcja chemiczna metody obejmuje:� Ustalenie równań stechiometrycznych proponowanych reakcji chemicznych

� Wykonanie obliczeń stechiometrycznych, podanie bilansu stechiometrycznego i

teoretycznych wskaźników zużycia surowców

� Wykonanie obliczeń termodynamicznych obejmujących:

� Stałe równowagi chemicznej i fazowej proponowanych przemian

� Skład równowagowy układu

� Wpływ temperatury, ciśnienia i składu początkowego na stan równowagi układu

reakcyjnego

� Efekty cieplne przemian chemicznych i fazowych� Efekty cieplne przemian chemicznych i fazowych

� Dokonanie wstępnej kalkulacji kosztów produkcji

� Dokonanie wstępnej weryfikacji koncepcji chemicznej, dobranie optymalnego wariantu

z szeregu teoretycznie możliwych

� Obliczenie lub wyznaczenie doświadczalne właściwości fizykochemicznych czystych

reagentów i ich mieszanin

� Doświadczalne przebadanie kinetyki wybranych przemian chemicznych i fazowych,

wyznaczenie szybkości oraz równań kinetycznych dla wszystkich reakcji chemicznych,

dobór katalizatorów

Dodatkowo należy brać pod uwagę

następujące uwarunkowania:

� Ochronę środowiska

� Gospodarkę odpadami

� Dostępność energii, wody technologicznej i chłodzącej

� Gwarancję dostaw surowców

Powiązanie nowej instalacji z innymi istniejącymi w � Powiązanie nowej instalacji z innymi istniejącymi w

kombinacie chemicznym

� Tendencje cen krajowych i zagranicznych

� Czystość patentową metody

� Sposób prowadzenia procesu (okresowy/ ciągły)

� Rachunek ekonomiczny

Jak opracować/ wybrać

koncepcję chemiczną procesu?koncepcję chemiczną procesu?

Jak możemy otrzymać azotan amonu

(NH4NO3)?

Przykład wariantów koncepcji

Wytwarzanie azotanu amonu (NH4NO3)

Przykład wariantów koncepcji

metoda laboratoryjna wytwarzania azotanu amonu z amoniaku i kwasu azotowego jest podstawą rozwiązań przemysłowych – zagadnienie sprowadza się do znalezienia ekonomicznych metod przemysłowych wytwarzania półproduktów

Wytwarzanie azotanu amonu

Przykład wariantów koncepcji

otrzymywanie amoniaku jako produktu ubocznego w gazowniach, a kwasu azotowego z saletry chilijskiej nie mogło rozwiązać zagadnienia wytwarzania związków azotowych w dużej skali i ma jedynie historyczne znaczenie

Przykład wariantów koncepcji

zagadnienia przemysłowej produkcji azotanu amonu

polegały na :

1. wyeliminowaniu surowców możliwych do uzyskania w

sposób bardzo ograniczony (amoniak z gazowni, saletra

chilijska) i zastąpieniu ich surowcami głównymi, których chilijska) i zastąpieniu ich surowcami głównymi, których

zapasy są praktycznie nieograniczone (XXXXXXXXXXXXX)

2. znalezieniu takiego rozwiązania , w którym wykorzystuje się

ciepło reakcji egzotermicznej amoniaku z kwasem azotowym

dla odparowania roztworu azotanu amonu ( z

wyeliminowaniem niebezpieczeństwa wybuchowego azotanu

amonu)

Przykład wariantów koncepcji

Jakie surowce były najtańsze i najbardziej dostępne?

NH4NO3NH4NO3

tlen

azotazot

woda

Przykład wariantów koncepcji

tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej � tworzenie tlenku azotu z tlenu i azotu przebiega w bardzo wysokiej temperaturze;

� obliczenia termodynamiczne wartości stałej równowagi reakcji (a) wykazują, ze wydajność reakcji będzie niewielka , a zużycie energii na ogrzanie reagentów bardzo duże

� sposób wytwarzania NO w łuku elektrycznym (temperatura ok. 3000oC) od dawna nie jest stosowany w przemyśle – reakcję tworzenia tlenku azotu należy prowadzić w możliwie wysokiej temperaturze, po czym gazy opuszczające przestrzeń reakcyjną trzeba szybko schłodzić do temperatury poniżej 1200-1300oC (zamrażanie układu w stanie równowagi – przemiany prowadzone z udziałem plazmy)

Przykład wariantów koncepcji

obliczenia termodynamiczne wykazują, że odwrócenie reakcji rozpadu azotynu amonu mogłoby nastąpić dopiero w warunkach, których nie można zrealizować w praktyce

– koncepcja jest nierealna !!!

Przykład wariantów koncepcji

metoda ta stosowana jest w przypadku, gdy dysponujemy tanią energią elektryczną, która zużywana jest w dużych ilościach w procesie elektrolizy

Pierwsza fabryka amoniaku rozpoczęła produkcję

30t NH3/dobę w 1913 roku

„Chleb z powietrza”

30t NH3/dobę w 1913 roku

Za syntezę amoniaku z pierwiastków składowych

Fritz Haber otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii

w 1918 roku

F.Haber od 1904 rozpoczął prace nad równowagą reakcji powstawania amoniaku z atomów azotu i

wodoru w wysokich temperaturach i wysokim ciśnieniu. Badania związane były z prognozowanym na

lata 30. XX wieku głodem w Europie (gdzie w ciągu dwóch stuleci liczba mieszkańców zwiększyła się

czterokrotnie).

Przykład wariantów koncepcji

koncepcja otrzymywania azotanu amonu z amoniaku wytwarzanego przez syntezę z azotu i wodoru jest obecnie jedyną metodą stosowaną w skali przemysłowej

w koncepcji tej otrzymuje się tlenek azotu nie przez

Przykład wariantów koncepcji

PODSUMOWANIE

w koncepcji tej otrzymuje się tlenek azotu nie przez bezpośrednie łączenie tlenu z azotem, lecz drogą pośrednią przez kolejne wytwarzanie i utlenianie amoniaku

wprowadzenie surowca pomocniczego (wodoru) umożliwia przeprowadzenie z dużą wydajnością reakcji (N2 + O2),

której bezpośrednie przeprowadzenie jest utrudnione

niemal wyłącznie stosowane są metody oparte

na koncepcji wytwarzania wodoru

przez reakcję paliwa

Przykład wariantów koncepcji

PODSUMOWANIE

przez reakcję paliwa

(gazu ziemnego, innych gazowych i ciekłych

węglowodorów, koksu itp.)

z parą wodną

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające � Proces technologiczny – zespół odpowiednio uszeregowanych procesów

jednostkowych w których z surowców i półproduktów uzyskuje się w instalacji określone produkty

� Proces technologiczny ciągły – proces technologiczny, którego wszystkie etapy przebiegają jednocześnie i określonym porządku, parametry technologiczne nie zmieniają się w czasie, zaś doprowadzanie surowców i półproduktów oraz odbiór produktów odbywa się równocześnie i w sposób nieprzerwany nieprzerwany

� Proces technologiczny okresowy – proces technologiczny, którego etapy następują kolejno po sobie w czasie, powtarzają się cyklicznie; doprowadzanie surowców i półproduktów i odbiór produktów odbywa się w odstępach czasu wynikających z koncepcji technologicznej procesu, zaś parametry procesu zmieniają się cyklicznie w czasie

� Tok technologiczny – warunki prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji, charakteryzowane wartościami wszystkich parametrów technologicznych procesu

� Proces produkcyjny – całokształt czynności technologicznych i organizacyjnych wymaganych dla praktycznej realizacji procesu technologicznego w instalacji

� Cykl produkcyjny – zespół procesów jednostkowych zawartych między dwoma najbliższymi, takimi samymi etapami okresowego procesu technologicznego

� Faza produkcyjna – stan przerobionego materiału po kolejnym etapie

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające

� Faza produkcyjna – stan przerobionego materiału po kolejnym etapie procesu technologicznego, charakteryzowany przez jego właściwości fizyczne i chemiczne

� Instalacja produkcyjna – zespół urządzeń przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznego według określonej koncepcji technologicznej

� Etap produkcyjny – proces jednostkowy lub wyodrębniająca się grupa procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny

� Technologiczna koncepcja procesu – wybór i uszeregowanie operacji i procesów jednostkowych składających się na proces technologiczny oraz określenie sposobu ich realizacji

� Produkt główny – produkt, którego otrzymanie stanowi zasadniczy cel prowadzenia danego procesu technologicznego

� Produkt przejściowy – produkt każdego z etapów procesu

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające

� Produkt przejściowy – produkt każdego z etapów procesu technologicznego przerabiany dalej w tym samym procesie produkcyjnym

� Produkt uboczny – produkt, którego wytwarzanie wynika z przyjętej koncepcji technologicznej procesu, nie stanowiącego jednak zasadniczego celu prowadzenia procesu

� Półprodukt – produkt otrzymany w wyniku zakończonego etapu procesu produkcyjnego lub całego etapu produkcyjnego i przeznaczony do dalszej przeróbki w innym procesie produkcyjnym

� Surowiec podstawowy – surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) wchodzi w skład produktu głównego

� Surowiec pomocniczy – surowiec naturalny lub półprodukt, którego składnik (składniki) nie wchodzi w skład produktu głównego

� Projekt procesowy – opracowanie umożliwiające sporządzenie prawidłowych założeń techniczno-ekonomicznych zawierające zestawienie danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające

danych o procesie technologicznym niezbędnych do odtworzenia toku technologicznego procesu w skali przemysłowej, sporządzenia bilansu materiałowego i energetycznego każdego z urządzeń instalacji z podaniem typu, gabarytów i harmonogramu pracy urządzeń

� Projekt techniczny – zestaw informacji obejmujący podstawową dokumentację realizacyjną rozwiązań projektowych zawartych w założeniach techniczno-ekonomicznych, składający się z części technologicznej, kontrolno-pomiarowej i innych związanych ze specyfiką inwestycji oraz projektu organizacji produkcji, zarządzania i uruchomienia instalacji

� Założenia techniczno-ekonomiczne – opracowanie obejmujące minimalny

zakres dokumentacji inwestycji niezbędny do określenia kosztów inwestycji,

opracowania projektu technicznego, zamówienia podstawowych urządzeń oraz

zaplanowania dostaw materiałów

� Pełna dokumentacja projektowa inwestycji – dane zawarte w projekcie

procesowym, założeniach techniczno-ekonomicznych i projekcie technicznym

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające

� Schemat ideowy procesu technologicznego – uproszczony rysunek, na którym

w prostokątnych obramowaniach wymienione są oddzielnie, z zachowaniem

kolejności, wszystkie procesy jednostkowe, główne parametry ich

prowadzenia, surowce, półprodukty i produkty, a także zaznaczony jest

kierunek przepływu reagentów

� Schemat technologiczny procesu – uproszczony rysunek schematyczny ciągu

urządzeń wchodzących w skład instalacji z naniesionymi danymi z projektu

procesowego

� Zdolność produkcyjna

- w procesie okresowym – stosunek ilości produktu otrzymanego w jednym

cyklu produkcyjnym instalacji przy maksymalnym jej wykorzystaniu i

normalnym toku technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu

produkcyjnego

- w procesie ciągłym – ilość produktu otrzymana w jednostce czasu przy

maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym

Podstawowe pojęcia – materiały uzupełniające

maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku technologicznym

� Zdolność przerobowa

- w procesie okresowym – stosunek ilości surowców i półproduktów

wprowadzanych w jednym cyklu produkcyjnym instalacji i normalnym toku

technologicznym, do czasu trwania jednego cyklu produkcyjnego

- w procesie ciągłym – ilość surowca (surowców) przetworzona w jednostce

czasu przy maksymalnym wykorzystaniu instalacji i normalnym toku

technologicznym