1 / 46

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

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. 0-22-234-64-15 E-mail: a.moskal@ichip.wp.edu.pl www.ichip.pw.edu.pl/moskal/chemia.

lydia
Download Presentation

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  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. 0-22-234-64-15 E-mail: a.moskal@ichip.wp.edu.pl www.ichip.pw.edu.pl/moskal/chemia

  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 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 http://pl.wikipwedia.org: 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. Termodynamika Procesowa • Metody obliczeń własności płynów • Równowagi fazowe procesów Aparaturoznawstwo Procesowe -umiejętność wyboru odpowiedniej apartaury do danego procesu Procesy Podstawowe: -wyjaśnia mechanizmy znanych procesów na tle praw fizyki -klasyfikacja procesów 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 Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 WielkościEKSTENSYWNE 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 BILANSMASY: 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. Akumulacja Wlot Wylot Inżynieria Chemiczna i Procesowa Dla procesów NIE USTALONYCH w czasie: 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. Akumulacja Wlot Wylot Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 C Strumień A 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 BILANSENERGII: 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

More Related