Chemické inženýrství I letní semestr ak. rok 2015/16. BS68

Transkript

1 Chemické inženýrství I letní semestr ak. rok 2015/16 Milan.Jahoda@vscht.cz BS68

2 Studijní materiály program cvičení e-tabulky hodnocení předmětu Cvičení - Maple St od 8:00 BS5 (Schreiberová) - PIM Út od 8:00 BS9 (Haidl) Čt od 8:00 BS2 (Kohout)

3 Z historie chemického inženýrství 3 Kde je počátek? Archimedes ze Syrákús ( př.n.l) řecký matematik a fyzik Archimédovo šnekové čerpadlo se užívá k dopravě vody, kalů nebo pevných zrnitých materiálů.

4 Z historie chemického inženýrství 4 Kde je počátek? německý učenec De re metallica libri XII (Dvanáct knih o hornictví a hutnictví) 292 dřevorytů s vysvětlivkami

5 Z historie chemického inženýrství George Edward Davis ( ) první přednáškový chemicko-inženýrský the University of Manchester (r. 1887) definoval Chemické Inženýrství jako samostatnou disciplínu (r. 1888) kniha: A Handbook Of Chemical Engineering (r. 1904) Profesní asociace American Institute of Chemical Engineers (r. 1908) Institution of Chemical Engineers (r. 1922)

6 Z historie chemického inženýrství koncepce jednotkových operací Arthur Dehon Little (r. 1916) Základní skupiny jednotkových operací 1. Hydrodynamické procesy, včetně přepravy kapalin, filtrace, míchání, Procesy přenosu tepla, včetně odpařování, kondenzace, výměníky tepla, Procesy přenosu hmoty, včetně absorpce plynu, destilace, extrakce, adsorpce, sušení, (Bio)chemické procesy, včetně chemické kinetiky, bioreaktory, Mechanické procesy, včetně dopravy těles, drcení a rozdrcení, třídění a prosévání, rozvoj materiálových a energetických bilancí rozvoj (design) aparátů z pohledu strojních inženýrů

7 Příklad řazení jednotkových operací 7 Cukrovar řízky voda voda lisování řízků řepa příjem a ukládka řepy čistění, praní a řezání řepy extrakce řízkolisová voda voda vápenec koks surová šťáva vápenka vápenné mléko CO 2 předčeření, dočeření 2. saturace ohřev 1. saturace kal filtrace lehká šťáva odparka těžká šťáva varna surový cukr odstředivka krystalizátor melasa

8 Z historie chemického inženýrství rozvoj měření a řízení aparátů chemicko-inženýrská termodynamika aplikovaná reakční kinetika rozvoj (design) chemických reaktorů bezpečnost procesů bio inženýrství BASF 1921, výbuch amonného ledku, kráter o průměru přes 100 m.

9 Z historie chemického inženýrství dynamika procesů užití počítačů pro měření a řízení matematické modelování procesní inženýrství zvětšování měřítka (scale-up) materiálové inženýrství energetické optimalizace, výtěžnost mikro-nano měřítko molekulární inženýrství produktové inženýrství ekonomicko-provozní optimalizace měření, řízení bezpečnost procesů V současné době je většina inženýrských problémů spojených s petrochemií nebo tradičních potravinářských či farmaceutických technologií v podstatě vyřešena.

10 Chemické inženýrství - vzdělání 10 Základní vědomostní kameny, aneb co by měl chemický inženýr vědět (nebo alespoň tušit ) Aplikovaná matematika Mechanika tekutin Sdílení tepla Sdílení hmoty teoretické znalosti (+ příklady) Reakční kinetika Důležité nadstavby Procesní inženýrství Bezpečnostní inženýrství Produktové inženýrství praktické aplikace Materiálové inženýrství Bioinženýrství

11 Současnost a budoucnost chemického inženýrství 11 Klasické chemické inženýrství Analýza a návrh procesů Optimalizace procesů Bezpečnost výroby... - pro všechny průmyslové oblasti, kde se objevují chemicko-inženýrské jednotkové operace - převedení výroby z laboratorního do průmyslového měřítka - úspora materiálů a energií - úspora místa - ochrana majetku a osob - ochrana životního prostředí - zlepšení kvality produktů

12 Pomocné nástroje (chemického) inženýra 12 Počítačová dynamika tekutin Počítačová dynamika tekutin (Computational Fluid Dynamics, CFD) je moderní metoda jak získat představu o proudění tekutin, přenosu tepla a hmoty, průběhu chemických reakcích a dalších souvisejících jevů v definovaném prostředí. Pro použití CFD je třeba nejprve vytvořit model (virtuální prototyp zkoumaného systému), na který jsou následně aplikovány matematické postupy tak, aby byly ze zadaných okrajových a počátečních podmínek získány vybrané údaje o dějích probíhajících v celé zkoumané oblasti při respektování fyzikálních zákonů.

13 Pomocné nástroje (chemického) inženýra 13 Simulace a optimalizace procesů např. Aspen Plus, Aspen HYSYS,

14 Pomocné nástroje (chemického) inženýra 14 Simulace a optimalizace procesů např. Aspen Plus, Aspen HYSYS,

15 Pomocné nástroje (chemického) inženýra 15 Simulace a optimalizace procesů např. Aspen Plus, Aspen HYSYS,

16 Současnost a budoucnost chemického inženýrství Bezpečnostní inženýrství - (velké) havárie mají významný vliv (negativní) na vztah veřejnosti k chemii Identifikace nebezpečí - odhalení míst, jevů a stavů, které mohou způsobit ztrátu Posouzení rizika - stanovení velikosti ztrát a odhad pravděpodobnosti ztrát 16 Minimalizace účinků - protipožární a protivýbuchová zabezpečení

17 Současnost a budoucnost chemického inženýrství Bezpečnostní inženýrství Zařízení na zabránění přenosu výbuchu 17 záběry ze zkoušek

18 Bezpečnostní inženýrství Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

19 Bezpečnostní inženýrství Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

20 Současnost a budoucnost chemického inženýrství 20 Aplikace v biologii - přenos znalostí z problematiky dynamiky a molekulárních interakcí pro poznání a popis přeměn v biologických systémech rozvoj biotechnologií separace na základě membránových technologií bioseparace biokatalýza dynamika biosignálů lab-on chip chemičtí roboti palivové články 50 mm

21 Současnost a budoucnost chemického inženýrství Aplikace v mikro a nanotechnologiích - řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka 21 mikroreaktorové inženýrství samočisticí povrchy výroba nano-částic katalyzátory miko a nano-pěny (tepelné izolanty) fotovoltaika úložiště energie... energetika životní prostředí nové technologie

22 Současnost a budoucnost chemického inženýrství Aplikace v mikro a nanotechnologiích - řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka 22 mikroreaktorové inženýrství samočisticí povrchy výroba nano-částic katalyzátory miko a nano-pěny (tepelné izolanty) fotovoltaika úložiště energie... energetika škodliviny ve výfukovém plynu CO, HC (uhlovodíky) NO x, saze Voštinový reaktor - monolit Vyčištěný plyn CO 2, N 2 H 2 O životní prostředí nové technologie kanálky průměr 1 mm, délka 10 cm porézní katalytická vrstva (tloušťka 50 mm)

23 Současnost a budoucnost chemického inženýrství 23 Materiály Počítače Fyzika Elektro Chemie Chemické inženýrství Stavební inženýrství Biologie Matematika Strojní inženýrství Chemické inženýrství je víceoborová disciplína.

24 Zpět na počátek...

25 Dodržovat jednotky veličin! 25 Základní jednotky (SI) Veličina Název jednotky Značka délka metr m hmotnost kilogram kg čas sekunda s elektrický proud ampér A termodynamická teplota kelvin K svítivost kandela cd látkové množství mol mol Metr je délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za dobu 1/ sekundy. Kilogram se rovná hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu. Sekunda je doba trvání period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133. Mol je látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních jedinců (entit), kolik je atomů v 0,012 kilogramu uhlíku 12C. Při udávání látkového množství je třeba elementární jedince (entity) specifikovat; mohou to být atomy, molekuly, ionty, elektrony, jiné částice nebo blíže určená seskupení částic.

26 Dodržovat jednotky veličin! 26 Základní jednotky (SI) Veličina Název jednotky Značka délka metr m hmotnost kilogram kg čas sekunda s elektrický proud ampér A termodynamická teplota kelvin K svítivost kandela cd látkové množství mol mol Ampér je stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti 1 metru od sebe vyvolá mezi nimi sílu 2x10-7 newtonu na 1 metr délky. Kelvin je 1/273,16 díl termodynamické teploty trojného bodu vody. Kandela je svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření s kmitočtem hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián.

27 Dodržovat jednotky veličin! 27 Základní jednotky (SI) Veličina Název jednotky Značka délka metr m hmotnost kilogram kg čas sekunda s elektrický proud ampér A termodynamická teplota kelvin K svítivost kandela cd látkové množství mol mol Číselná hodnota fyzikální veličiny nemá sama o sobě žádný smysl, neboť hodnotu fyzikální veličiny můžeme vyjádřit v různých jednotkách. Vždy uvádějte číselnou hodnotu fyzikální veličiny s její jednotkou!

28 Dodržovat jednotky veličin! 28 Odvozené jednotky (SI) Veličina Název jednotky Značka síla newton N = kg m s -2 tlak pascal Pa = N m -2 = kg m -1 s -2 práce, energie joule J = N m = kg m 2 s -2 tok energie watt W = J s -1 = kg m 2 s I. Newton B. Pascal J. P. Joule J. Watt

29 Dodržovat jednotky veličin! 29 Jiné (starší) jednotky Veličina Název jednotky Značka síla kilopond 1 kp = 9, N tlak bar 1 bar = 10 5 Pa torr technická atmosféra fyzikální atmosféra 1 torr = 133,322 Pa 1 at = 9, Pa 1 at = 1 kp cm -2 1 atm = Pa 1 atm = 760 torr dynamická viskozita poise 1 poise = 0,1 Pa s kinematická viskozita stokes 1 St = 10-4 m 2 s -1 výkon kůň 1 kůň = 735,499 watt energie kalorie 1 cal = 4,187 J... objem žejdlík 1 žejdlík = 0,358 litrů vědro (české) 1 vědro = 61,133 litrů 1 vědro = 4 škopek

30 Dodržovat jednotky veličin! 30 Jiné (UK, US) jednotky Veličina Název jednotky Značka délka palec 1 in. = 0,0254 m stopa 1 ft. = 0,305 m yard 1 yard = 0,914 m míle 1 mi. = m námořní míle 1 n.m. = m objem gallon UK 1 gal. UK = 4,546 litrů galon US 1 gal. US = 3,785 litrů pint UK 1 pt. = 0,568 litrů barel US 1 bl. = 158,987 litrů síla pound-force (US) 1lbf = 4,4482 N poundal (UK) 1 pdl = 0,138 N tlak pound-force per sq. inch 1 psi = 6 894,76 Pa pound-force per sq. foot 1 psf = 47, 88 Pa...

31 Dodržovat jednotky veličin! 31 U každé fyzikální rovnice platí, že rozměr (jednotka) levé strany musí být roven rozměru (jednotce) pravé strany.

32 Myslet a spojovat souvislosti 32

33 Cíle klasického chemického inženýra (technologa) 33 Maximální výkon x Minimální náklady množství a složení proudů suroviny, produkty, odpadní produkty a meziprodukty materiálová bilance spotřeba energií elektrická energie, pára, chladicí voda, chladící vzduch entalpická bilance aparáty jednotkových operací typ, rozměry, výkon konstrukční a kontrolní výpočet náklady suroviny, energie, investice, mzdy ekonomická bilance

34 Rozdělení systému - podle výměny hmoty a energie 34 Otevřený systém může se svým okolím vyměňovat hmotu a energii v průběhu časového období bilancování Uzavřený systém nemůže se svým okolím vyměňovat hmotu v průběhu časového období bilancování, ale energii vyměňovat může hranice systému Izolovaný systém nemůže se svým okolím vyměňovat hmotu ani energii v průběhu časového období bilancování

35 Rozdělení systému - z hlediska časového průběhu 35 VSTUP VÝSTUP spojitý nespojitý neustálený ustálený obecně nespojitý vsádkový periodický Spojitý (kontinuální) - stálý přísun, např. potrubím, dopravníkový pás Nespojitý - přísun po dávkách, např. vagóny, cisterny,...

36 Struktura systému - bilanční schéma 36 TECHNOLOGICKÉ SCHÉMA X PROUDOVÉ SCHÉMA Technologické schéma Proudové schéma

37 Struktura systému - bilanční schéma 37 Proudové schéma uzly proudy Úprava fyzikálních vlastností Směšovací aparatura Reaktor Separační aparatura / prostý dělič

38 Struktura systému - bilanční schéma 38 Souproud Protiproud odparka absorpční kolona výměník tepla výměník tepla

39 Struktura systému - bilanční schéma 39 Recykl Obtok Schéma složitějšího systému I II III IV I reaktor II směšovač III krystalizátor IV odparka PROUDY 1, 2 přichází z okolí 3, 6, 9, 10 - odchází do okolí 4, 5, 7, 8 - vnitřní proudy hranice pro bilanci

40 Bilance - základní pojmy 40 = vztah založený na aplikaci zákonů o zachování množství bilancované veličiny v systému na počátku bilančního období + množství bilancované veličiny vstupující do systému během bilančního období + zdroj bilancované veličiny v systému během bilančního období = množství bilancované veličiny v systému na konci bilančního období + množství bilancované veličiny vystupující ze systému během bilančního období množství bilancované veličiny v systému na konci bilančního období množství bilancované veličiny v systému na počátku bilančního období - = akumulace

41 Materiálová bilance - základní pojmy 41 VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE n Ai V 0 r A dv n Ae d n dt A vstup zdroj výstup neprobíhá chemická reakce zdroj = 0 ustálený stav akumulace = 0 akumulace VSTUP = VÝSTUP bilance látkového množství materiálová bilance bilance hmotnosti hmotnost [kg] = látkové množství [mol] molární hmotnost [kg mol -1 ]