16. BS68

Chemické inženýrství I letní semestr ak. rok 2015/16

[email protected] BS68

Studijní materiály

www.vscht.cz/uchi

• 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)

Z historie chemického inženýrství

Kde je počátek?

Archimedes ze Syrákús (287 – 212 př.n.l) • řecký matematik a fyzik

Archimédovo šnekové čerpadlo se užívá k dopravě vody, kalů nebo pevných zrnitých materiálů.

3


Kde je počátek?

•

německý učenec

De re metallica libri XII (Dvanáct knih o hornictví a hutnictví)

292 dřevorytů s vysvětlivkami

4


 1900

George Edward Davis (1850-1906) • 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)

5


6

 1915 - 1925 • koncepce „jednotkových operací“ Arthur Dehon Little (r. 1916) Základní skupiny jednotkových operací 1. Hydrodynamické procesy, včetně přepravy kapalin, filtrace, míchání, ... 2. Procesy přenosu tepla, včetně odpařování, kondenzace, výměníky tepla, ... 3. Procesy přenosu hmoty, včetně absorpce plynu, destilace, extrakce, adsorpce, sušení, ... 4. (Bio)chemické procesy, včetně chemické kinetiky, bioreaktory, ... 5. Mechanické procesy, včetně dopravy těles, drcení a rozdrcení, třídění a prosévání, ...

 1925 - 1935

• rozvoj materiálových a energetických bilancí • rozvoj (design) aparátů z pohledu strojních inženýrů

Příklad řazení jednotkových operací

7

Cukrovar

řízky voda

řepa

voda

příjem a ukládka řepy vápenec

čistění, praní a řezání řepy

extrakce

řízkolisová voda

surová šťáva

koks

vápenka

vápenné mléko předčeření, dočeření

CO2 2. saturace

lisování řízků

voda

ohřev

1. saturace kal

filtrace

lehká šťáva

odparka

surový cukr

těžká šťáva

odstředivka melasa

varna

krystalizátor

Z historie chemického inženýrství  1935 - 1945 • rozvoj měření a řízení aparátů • chemicko-inženýrská termodynamika  1945 - 1955 • aplikovaná reakční kinetika • rozvoj (design) chemických reaktorů • bezpečnost procesů • bio inženýrství

BASF 1921, výbuch amonného ledku, kráter o průměru přes 100 m.

8


9

 1955 - 1965 • dynamika procesů • užití počítačů pro měření a řízení • matematické modelování  1965 - 1985 • procesní inženýrství • zvětšování měřítka (scale-up)

 1985 - 2005 • materiálové inženýrství • energetické optimalizace, výtěžnost  2005 • 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.

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

 Materiálové inženýrství  Bioinženýrství

praktické aplikace

Současnost a budoucnost chemického inženýrství

Klasické chemické inženýrství - pro všechny průmyslové oblasti, kde se objevují chemicko-inženýrské jednotkové operace

 Analýza a návrh procesů

 Optimalizace procesů  Bezpečnost výroby  ... -

převedení výroby z laboratorního do průmyslového měřítka úspora materiálů a energií úspora místa ochrana majetku a osob ochrana životního prostředí zlepšení kvality produktů

11

Pomocné nástroje (chemického) inženýra 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.

12

Pomocné nástroje (chemického) inženýra

Simulace a optimalizace procesů např. Aspen Plus, Aspen HYSYS,

http://www.youtube.com/watch?v=lJJnmIyuwdY

13



14



15


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 Minimalizace účinků - protipožární a protivýbuchová zabezpečení

16


17

Bezpečnostní inženýrství Zařízení na zabránění přenosu výbuchu

záběry ze zkoušek http://www.youtube.com/watch?v=Uhw9aHq9jKg

http://www.rsbp.cz

Bezpečnostní inženýrství

Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality

Bezpečnostní inženýrství

Čínské požární výcvikové středisko, Chongqing Municipality


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


Aplikace v mikro a nanotechnologiích - řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka • • • • • • • •

mikroreaktorové inženýrství samočisticí povrchy výroba nano-částic katalyzátory miko a nano-pěny (tepelné izolanty) fotovoltaika úložiště energie ...

 energetika  životní prostředí  nové technologie

21


22

Aplikace v mikro a nanotechnologiích - řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka • • • • • • • •

mikroreaktorové inženýrství samočisticí povrchy výroba nano-částic katalyzátory miko a nano-pěny (tepelné izolanty) fotovoltaika úložiště energie ...

 energetika  životní prostředí

Voštinový reaktor - monolit Vyčištěný plyn CO2, N2 H2 O

škodliviny ve výfukovém plynu CO, HC (uhlovodíky) NOx, saze kanálky průměr 1 mm, délka 10 cm

 nové technologie

http://www.youtube.com/watch?v=W6dIsC_eGBI

porézní katalytická vrstva (tloušťka 50 mm)


Materiály

Počítače

Fyzika

Chemie

Biologie

23

Elektro Chemické inženýrství

Matematika

Stavební inženýrství

Strojní inženýrství

Chemické inženýrství je víceoborová disciplína .

Zpět na počátek ...

Dodržovat jednotky veličin!

25

Základní jednotky (SI) Veličina

Název jednotky

Značka

metr

m

hmotnost

kilogram

kg

čas

sekunda

s

elektrický proud

ampér

A

termodynamická teplota

kelvin

K

kandela

cd

mol

mol

délka

svítivost látkové množství

Metr je délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy. Kilogram se rovná hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu. Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 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


Název jednotky

Značka

metr

m

hmotnost

kilogram

kg

čas

sekunda

s

elektrický proud

ampér

A


kelvin

K

kandela

cd

mol

mol

délka


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 540×1012 hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián.


27


Název jednotky

Značka

metr

m

hmotnost

kilogram

kg

čas

sekunda

s

elektrický proud

ampér

A


kelvin

K

kandela

cd

mol

mol

délka


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

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 m2 s-2

tok energie

watt

W = J s-1 = kg m2 s-3

...

I. Newton

B. Pascal

J. P. Joule J. Watt


29

Jiné (starší) jednotky Veličina

Název jednotky

Značka

síla

kilopond

1 kp = 9,806 65 N

tlak

bar

1 bar = 105 Pa

torr

1 torr = 133,322 Pa

technická atmosféra

1 at = 9,80665·104 Pa 1 at = 1 kp cm-2

fyzikální atmosféra

1 atm = 101 325 Pa 1 atm = 760 torr

dynamická viskozita

poise

1 poise = 0,1 Pa s

kinematická viskozita

stokes

1 St = 10-4 m2s-1

kůň

1 kůň = 735,499 watt

kalorie

1 cal = 4,187 J

žejdlík

1 žejdlík = 0,358 litrů

vědro (české)

1 vědro = 61,133 litrů 1 vědro = 4 škopek

výkon energie ... objem


30

Jiné (UK, US) jednotky Veličina délka

objem

síla tlak ...

Název jednotky

Značka

palec

1 in. = 0,0254 m

stopa

1 ft. = 0,305 m

yard

1 yard = 0,914 m

míle

1 mi. = 1 609 m

námořní míle

1 n.m. = 1 852 m

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

pound-force (US)

1lbf = 4,4482 N

poundal (UK)

1 pdl = 0,138 N

pound-force per sq. inch

1 psi = 6 894,76 Pa

pound-force per sq. foot

1 psf = 47, 88 Pa

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

31

Myslet a spojovat souvislosti

32

Cíle klasického chemického inženýra (technologa)

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

33

Rozdělení systému - podle výměny hmoty a energie Otevřený systém

34

Uzavřený systém

• může se svým okolím

vyměňovat hmotu a energii v průběhu časového období bilancování

• 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

Rozdělení systému - z hlediska časového průběhu

35

VSTUP VÝSTUP

spojitý

neustálený

ustálený

nespojitý

obecně nespojitý

vsádkový

Spojitý (kontinuální) - stálý přísun, např. potrubím, dopravníkový pás Nespojitý - přísun po dávkách, např. vagóny, cisterny, ...

periodický

Struktura systému - bilanční schéma

36

TECHNOLOGICKÉ SCHÉMA X PROUDOVÉ SCHÉMA Technologické schéma

Proudové schéma

Struktura systému - bilanční schéma Proudové schéma

uzly

Úprava fyzikálních vlastností

Reaktor

proudy Směšovací aparatura

Separační aparatura / prostý dělič

37


38

Souproud

Protiproud

odparka absorpční kolona

výměník tepla

výměník tepla


39

Recykl

Obtok

Schéma složitějšího systému 8 3 1 2

I

4

II

5

7

III 6

I II III IV

reaktor směšovač krystalizátor odparka

IV

10

9

PROUDY 1, 2 přichází z okolí 3, 6, 9, 10 - odchází do okolí 4, 5, 7, 8 - vnitřní proudy

hranice pro bilanci

Bilance - základní pojmy

40

= vztah založený na aplikaci zákonů o zachování

množství bilancované veličiny v systému na počátku bilančního období

množství bilancované veličiny v systému na konci bilančního období

+

množství bilancované veličiny vstupující do systému během bilančního období +

=

+ množství bilancované veličiny vystupující ze systému během bilančního období

zdroj bilancované veličiny v systému během bilančního období

množství bilancované veličiny v systému na konci bilančního období

-

množství bilancované veličiny v systému na počátku bilančního období

=

akumulace

Materiálová bilance - základní pojmy

41

VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE V

nAi  

0

d nA rA d V  nAe  dt

vstup

zdroj

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]

výstup

16. BS68

Recommend Documents