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, [email protected]

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

Osnova přednášky 

Úvod

 Úloha procesního inženýrství při zvyšování bezpečnosti chemických procesů 

Aktuální výzvy pro chemické inženýrství



Variabilita měřítka procesních aparátů



Shrnutí a závěr

Statistická data (ČSÚ, SCHP ČR) Počet úmrtí v ČR při haváriích 2000

2002

2003

1447 1431 1486 1334

silnice

železnice

letectví

požáry

141 226 3 109 8 110 4 99 2 4 69 2 3 100 74 0

chemie

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

2001

2002 2000

Statistická data (ČSÚ) Počet zásahů jednotek hasičů 2000

2001

2002

2003

28156 30000 20000

21503 20450 18295 20088 16421 18536

15000

15388

25000

5883 5693

10000

3596 3141

dopr. nehody

požáry

0

2002 2000

chemikalie

5000

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 Analýza stavu

současnost Modelování stavu

budoucnost

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

Nová strategie

Systém kontrol

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

Chemické speciality

51

Plasty a pryž

50 40

40

Organické chemikálie Metalurgie

30 20

23

20

Farmaka

13 13 13 10

Barviva

5 5 5

0 1

průmyslové odvětví

Agrochemikálie Potravinářství Nátěrové hmoty Ostatní

J.A. Barton, P.F. Nolan, 1989 (Health and Safety Executive, UK)

„Problémové“ chemické reakce Počet průmyslových incidentů 70

Polymerace

64

60

Nitrace

50

Sulfonace Hydrolýza

40

Srážení solí

30 20 10

Halogenace 15 13

Alkylace 10 8 8

5

0 1

typ reakce

4 4

2

Aminace 1

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

Osnova přednášky 

Úvod

 Úloha procesního inženýrství při zvyšování bezpečnosti chemických procesů 

Aktuální výzvy pro chemické inženýrství



Variabilita měřítka procesních aparátů



Shrnutí a závěr

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)

Zvýšení teploty, při kterém se zvojnásobí reakční rychlost Referenční teplota 100°C

Změna teploty (C)

18 16 14

Zajištění izotermních podmínek a přesná znalost teploty, při které byla změřena kinetická data je pro bezpečný přenos dat do provozu klíčové!

12 10 8 6 4 50

60

70

80

90

100

Aktivační energie (kJ/mol)

110

120

130

Pr ost or ový pl ošný 1

140

150

Kinetické modely reakcí Mocninová funkce:

n

r  k  pA  pB

m

a

 EA  k  A0  exp  R  T K  

EA … 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, …

Osnova přednášky 

Úvod

 Úloha procesního inženýrství při zvyšování bezpečnosti chemických procesů 

Aktuální výzvy pro chemické inženýrství



Variabilita měřítka procesních aparátů



Shrnutí a závěr

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

HP 16x CPMM 0.6mm

© IMM

© IMM

31

Katalytický konvertor 20-ti násobné snížení objemu 220 m3  10 m3 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

Osnova přednášky 

Úvod

 Úloha procesního inženýrství při zvyšování bezpečnosti chemických procesů 

Aktuální výzvy pro chemické inženýrství



Variabilita měřítka procesních aparátů



Shrnutí a závěr

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, …)

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“) 5. Inženýrství katalytických procesů (reaktorů a katalyzátorů)

Budoucí flexibilní F3 „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.