Procesní inženýrství účinný nástroj pro nové technologie

Ústav chemických procesů AV ČR Procesní inženýrství účinný nástroj pro nové technologie Jiří Hanika ÚCHP AV ČR, 165 02 Praha 6, hanika@icpf.cas.cz

Osnova přednášky Úvod Úloha procesního inženýrství při zvyšování bezpečnosti chemických procesů Aktuální výzvy pro chemické inženýrství Variabilita měřítka procesních aparátů Shrnutí a závěr

Česká technologická platforma SusChem Práce na dokumentu Vize rozvoje chemie v ČR zachování konkurenceschopnosti chemického průmyslu zvýšení ekologické efektivnosti chemického průmyslu odpovědnost a bezpečnost podnikání v chemii využívání znalostí pro inovace v chemii náměty pro výzkum v oboru materiálů náměty pro výzkum v oblasti reakčního a procesního inženýrství

ČTP SusChem: Výzkumné programy Reaction & Process Design Využití obnovitelných zdrojů surovin Snižování energetické náročnosti Optimalizace technologií Zvyšování bezpečnosti technologií Změna měřítka procesu scale up/down Netradiční přístupy - membránové operace, integrace reakce a separace, - přenosové jevy ve vícefázových reakčních soustavách, - multifunkční reaktory,

Poslání chemického průmyslu Vyrábět chemické výrobky pro ostatní resorty hospodářství Zpracovávat odpady jako druhotné suroviny výroby základních chemikálií - kyseliny sírová, dusičná, chlorovodíková, fosforečná, hydroxidy sodný, draselný, amoniak, výrobky chlorové chemie, průmyslová hnojiva, anorganické pigmenty, silikátové výrobky (sklo, keramika, pojiva a stavební hmoty, žáruvzdorné materiály). zpracování ropy v rafineriích na motorová paliva (benzin, nafta, letecký petrolej), oleje a navazující petrochemické výroby základních organických produktů, např. monomerů pro polyolefiny (ethylen, propylen, butadien, styren), aromatických uhlovodíků, základních rozpouštědel. přepracování černouhelného dehtu na benzen, naftalen, antracen, dusíkatých látek, silniční dehty, střešní izolace, impregnační oleje a saze. výroby syntetických materiálů na bázi polymerů a navazující zpracování pryže, plastů a vláken (polyamidy, polyestery, polyolefiny, polyakryláty, PVC, polyuretany a kopolymery). syntéza chemických specialit s vysokou přidanou hodnotou farmaceutika, organická barviva, nátěrové hmoty, lepidla, chuťové a vonné látky, katalyzátory, průmyslové pomocné přípravky (stabilizátory, iniciátory aj.), energetické materiály (výbušniny), čisté chemikálie (vzácné prvky). biotechnologické procesy pro zpracování průmyslových a komunálních odpadních vod, fermentační procesy pro syntézu specialit (antibiotika, organické kyseliny aj.). zpracování dřeva, zemědělských plodin a přírodních materiálů výroby papíru, celulosy, střiže, izolace vitaminů, alkaloidů a přírodních léčiv.

Základní předpoklady úspěšného podnikání Akceptovatelnost veřejností Bezpečnost procesů Cena výrobků Ukazatele chemického procesu: Výrobní kapacita Spolehlivost bezpečnost Ekonomika - konkurence schopnost Lidský potenciál - odbornost, odpovědnost

Statistická data (ČSÚ, SCHP ČR) Počet úmrtí v ČR při haváriích 2000 2001 2002 2003 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 141 226 3 4 109 8 2 110 4 99 3 100 2 69 0 74 chemie požáry letectví železnice silnice 1447 1431 1486 1334 2002 2000

Statistická data (ČSÚ) Počet zásahů jednotek hasičů 2000 2001 2002 2003 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 28156 21503 18295 20450 20088 16421 18536 15388 5883 5693 požáry dopr. nehody chemikalie 3596 3141 2002 2000

Vymezení pojmu průmyslové havarie Neočekávaná událost vedoucí k - poškození, zničení výrobního zařízení - přerušení výrobního procesu - znečištění životního prostředí - újmě na zdraví - úmrtí - ztrátě dobré pověsti firmy Příčiny havarií - technická závada, únava materiálu - nedbalost, porušení předpisů - lidský faktor - nezkušenost obsluhy

Důležité poznatky Vážné havárie v chemickém průmyslu jsou minoritní ve srovnání s jinými sektory hospodářství Dopravní nehody při transportu chemických látek jsou dominantní příčinou ekologických havárií Sdělovací prostředky informují o haváriích s výronem chemikálií do životního prostředí častěji než v jiných případech

Metodika zvyšování bezpečnosti procesu Časové etapy procesního přístupu minulost současnost budoucnost Analýza stavu Modelování stavu Cílový stav Zlepšování procesu Analýzy potřeb a očekávání Navržení systému řízení procesu Změny v IT Optimalizace procesu Konsolidování strategie Navržení cílových funkcí Motivace pracovníků Monitoring procesu Zmapování procesu Organizační zajištění procesu Organizační změny Revitalizace procesu Kritická místa požadavky na změny IT Dokumentace pracovních postupů Management znalostí Optimalizace zdrojů procesu Systém kontrol Nová strategie

Analýza nebezpečí chemické technologie Statistická data o průmyslových incidentech - problémové exotermní reakce - odvětví chemického průmyslu Chemické procesy ve vícefázových soustavách - interakce přenosových jevů a chemické přeměny - reakční kalorimetrie, DTA,

Problémová průmyslová odvětví Počet průmyslových nehod 60 50 40 51 40 Chemické speciality Plasty a pryž Organické chemikálie 30 20 10 0 20 13 13 13 1 5 5 5 23 Metalurgie Barviva Farmaka Agrochemikálie Potravinářství Nátěrové hmoty průmyslové odvětví Ostatní J.A. Barton, P.F. Nolan, 1989 (Health and Safety Executive, UK)

Problémové chemické reakce Počet průmyslových incidentů 70 60 64 Polymerace Nitrace 50 40 30 20 15 13 10 8 8 Sulfonace Hydrolýza Srážení solí Halogenace Alkylace 10 0 1 typ reakce 5 4 4 2 1 Aminace Diazotace Oxidace Esterifikace J.A. Barton, P.F. Nolan, 1989 (Health and Safety Executive, UK)

Analýza nebezpečí chemického procesu Polymerace, nitrace a sulfonace představují významné riziko z hlediska run-away procesu Syntézy chemických specialit, plastů/kaučuku a velkotonážních organických produktů jsou nejčastěji náchylné k tepelným havariím Užitečná data jsou k dispozici, např.: - http://www.hse.gov.uk - časopis Plant/Operation Progress, J.Wiley

Důležité otázky: Co ovlivňuje rychlost procesu? Je přenos hmoty dostatečný pro provoz reaktoru? Je teplosměnná plocha dostatečná k odvodu reakčního tepla? Jsou koncentrace reaktantů mimo oblast výbušnosti? Je možné bezpečně zvětšit měřítko reakčního systému?

Významné aktivity Odpovědné podnikání v chemii (Responsible care) SCHP ČR, CEFIC Bezpečný transport chemických látek (SQAS pravidla,trins) Legislativní normy (REACH, ochrana zdraví, bezpečnost IPPC) Výchova odborníků (studijní programy Bezpečnostní inženýrství a Předcházení ztrátám ) úkol pro fakulty VŠ Osvětová činnost, komunikace s nechemickou veřejností Výměna zkušeností (Odborné konference, semináře,workshopy Iniciativy EU: Safety for Sustainable European Industry Growth Evropská technologická platforma, viz www.industrialsafety-tp.org

Trvalé úkoly Předcházení ztrátám při chemických procesech: - aplikace současných poznatků o procesu a zařízení - dokonalá kontrola procesu, zařízení - zvyšování kvalifikace pracovníků - legislativní pravidla Péče o dobrou pověst firmy, Public Relations: - školní vzdělávání - dny otevřených dveří, exkurze - otevřenost technických dat, seriozni argumentace Osvěta pro bezpečné zacházení s chemickými výrobky

Důvody vysoké parametrické citlivosti reakční rychlosti (produkce tepla) Vysoká koncentrace reaktantů - malá tepelná kapacita soustavy - vysoký adiabatický ohřev Vysoká aktivační energie - vliv povahy katalyzátoru Změna selektivity procesu s teplotou - průběh rozkladných reakcí (metanizace při hydrogenacích na Ni katalyzátoru) Snížení odporu přenosu hmoty - vícefázové reakční soustavy (změna poměru reagujících fází v reakčním prostoru) - vymizení fázového rozhraní (vypaření kapaliny, překročení kritického bodu)

Prostorový plošný 1 Zvýšení teploty, při kterém se zvojnásobí reakční rychlost Změna teploty (C) 18 16 14 12 10 8 6 4 50 60 70 80 Referenční teplota 100 C Zajištění izotermních podmínek a přesná znalost teploty, při které byla změřena kinetická data je pro bezpečný přenos dat do provozu klíčové! Aktivační energie (kj/mol) 90 100 110 120 130 140 150

Kinetické modely reakcí Mocninová funkce: r k n p A p m B a k E A A 0 exp R T K E A aktivační energie reakce - Indikuje citlivost reakční rychlosti k teplotě - Typická hodnota 50 150 kj/mol

Problémy kinetických modelů Různý typ laboratorního reaktoru a procesní jednotky Kvalita přiléhavosti dat není nejlepším kriteriem pro výběr modelu Best predictive model can be far from best in terms of fit Neadekvátnost kinetického modelu může vést k chybnému pochopení chování reaktoru Předpověď run-away Každý model musí být pečlivě testován před konečným návrhem reaktoru Požadavek nezávislých údajů

Hlavní důvody havarií chemických procesů Příčiny hazardu při chemických reakcích: - ztráta kontroly nad exotermní chemickou přeměnou ( run-away vsádkového reaktoru, deaktivace katalyzátoru v průtočných reaktorech, ) - podmínky pro nežádoucí vedlejší reakce (rozklady i v dalších aparátech: zásobníky,vsádkové destilace, sušení, ) Tepelný výbuch je možný: - produkce tepla > odvod tepla do okolí - produkce tepla závisí na teplotě a složení směsi - tlak v systému je funkcí teploty, může způsobit destrukci aparátu, zařízení,

Nové trendy omezování rizika chemických procesů Miniaturizace systémů s chemickým nebezpečím Integrace jednotek různého měřítka Lokálně strukturované elementy v chemické technologii Příklad: Integrovaný proces 6. RP EU: IMPULSE : 2005-2009 20 partnerů včetně ÚCHP AV a VŠCHT

Integrovaný projekt IMPULSE výzkum nových chemických procesů (6. RP EU) Mikrotechnologie: nástroj pro příští inovace v chemickém průmyslu (scale-down) čistší procesy vyšší bezpečnost a spolehlivost Nové generace chemických výrobních jednotek sektory s vysokou přidanou hodnotou produktů farmaceutika, chemické speciality, spotřební chemie

Hlavní myšlenky IMPULSE Mikrostrukturovaná zařízení získání lokální kontroly procesu Multiscale lokální velikost dle požadavků procesu Úprava zařízení podle procesu

IMPULSE demo projekty Zavedení laboratorních výsledků do poloprovozu Nová zařízení a přístup Důkaz principů: Lokální kontrola Výrazné zlepšení přenosových jevů Zvětšování měřítka paralelizací Úprava zařízení dle chemického procesu 30

Demonstrační reaktory Paralelizace 10 kanálů 1 kanál IMM IMM HP 16x CPMM 0.6mm 31

Katalytický konvertor 20-ti násobné snížení objemu 220 m 3 10 m 3 Snížení nabíhacího času Snížení nákladů FZK FZK 32

Mikrostrukturovaný FFR FZK 33

TE3.2: Mikromísič SIMM ETSEQ IMM IMM 34

Multilamination V-type micromixer, FZK FZK

Split and recombine Caterpillar micromixers, IMM Cascade micromixers, Ehrfeld Ehrfeld IMM

Možnosti akademických pracovišť Výchova odborníků - pregraduální a postgraduální studium Vývoj metodik a laboratorní výzkum procesů - výzkum, vývoj a optimalizace procesů - měření kinetických dat, reakčních a specifických tepel Návrh kinetických modelů pro optimální řízení procesů - Interakce chemických a transportních procesů - Studium reakčních mechanismů - Fyzikálně chemické principy Dobré korelační koeficienty automaticky negarantují dobrý model! Modely musí být založeny na správném porozumnění procesu a na vědeckém přístupu

Úkoly pro procesní inženýry - Soustavný dohled na chemický proces sběr dat, modelování, optimalizace - Hledání způsobů bezpečnějšího provozu měření, regulace, IT -Sdílení zkušeností, normy, legislativa semináře, konference, odborná literatura

Některé výzvy pro procesní inženýrství multifunkční aparáty (kombinace reaktor/separátor) netradičně řešené reakční stupně pro syntézy léčiv (syntézy v mikroměřítku) manipulace s tuhými (sypkými) látkami reakce v emulzích (nátěrové hmoty, PAL, čistící prostředky) formulace reologicky složitých výrobků kombinace chemických a biotechnologických procesů energeticky iniciované syntézy (elektrosyntézy, mikrovlny, laser, plasma, )

5. Inženýrství katalytických procesů (reaktorů a katalyzátorů) Budoucnost procesního inženýrství 1. Návrhy procesů z hlediska řízení vlastností konečných produktů 2. Vývoj procesů pro transformaci biomasy na jiné než energetické aplikace 3. Hybridní syntézy : biochemie kombinovaná s chemií / petrochemií 4. Využití procesních energií (a analýzy product life cycle )

Budoucí flexibilní F 3 Fabriky Technologický rozvoj zahrnující Fast, Future, Flexible Environmentalně přívětivé procesy Modularní produkce Integrovaná logistika Vysoký význam pro budoucí výrobu v Evropě Stav: Hledání koncepce projekt 7.RP EU, účast ÚCHP

Konec ÚCHP AV ČR, v.v.i.