Maszyny i urządzenia

produkcyjne

Wprowadzenie

• Inżynieria procesowa zwana dotychczas chemiczną , jest

nauką o zjawiskach natury fizycznej i chemicznej
zachodzących w aparaturze : o różnej wielkości – od
laboratoryjnej do przemysłowej.

• Zjawiska te, przebiegające niezależnie od siebie tworzą

procesy. Są one najczęściej charakterystyczne dla różnych
przemysłów : chemicznego, przemysłów pokrewnych np.
spożywczego, węglowego, drzewnego, ochrony środowiska i
innych

• W wyniku procesów, surowce wprowadzone do aparatury

ulegają przetworzeniu na produkty końcowe.

• Celem inżynierii procesowej jest formułowanie uogólnionych

praw, którym podlegają procesy niezależnie od branży.

Wyróżniamy trzy grupy procesów:
Procesy podstawowe – naczelne w stosunku do
innych dotyczą przenoszenia pędu, ciepła i masy.
Procesy jednostkowe - mające na celu :
Transport ciał na odległość
Zmiana temperatury i stanu skupienia
Zmiana kształtu ciała stałego
Rozdzielanie mieszanin i roztworów ciał
stałych, cieczy i gazów
Mieszanie ciał stałych i płynów
Procesy jednostkowe z reakcją chemiczną

Zadaniem inżynierii reakcji chemicznych jest badanie tzw
makrokinetyki reakcji czyli kinetyki reakcji chemicznej będącej
wynikiem działania temperatury, ciśnienia i stężenia w
przestrzeni reakcyjnej.
Inżynieria procesowa zajmuje się między innymi :
wydajnością i sprawnością procesów, budową optymalnej
aparatury i tzw inżynierią systemów , której tematyką jest
badanie i optymalizacja kilku procesów przebiegających
równocześnie szeregowo i równolegle a składających się na
cały proces technologiczny.
Aparatura procesowa – to jedna z dziedzin inżynierii
chemicznej, zajmuje się zasadami budowy, metodami
obliczania aparatów , ich konstrukcją, jak również określeniem
ich rodzaj, miejsca i zadań w różnych technologiach przemysłu
chemicznego.

Znajomość zasad, budowy i pracy aparatury pozwala zatem na
osiągnięcie optymalnych warunków produkcyjnych,
zwiększanie wydajności, polepszanie jakości oraz umożliwia
projektowanie nowych technologii.

Przeprowadzenie określonego procesu technologicznego
umożliwia zespół urządzeń , aparatów i przyrządów, które
zestawione w ściśle określonej kolejności pozwalają na
przetworzenie surowca lub grupy surowców w produkt lub
półprodukt końcowy.
Zespół taki nosi nazwę instalacji

W Przemyśle chemicznym zdarza się często, że dany produkt
końcowy możemy uzyskać w dwojaki sposób:
1 Ten sam surowiec i produkt końcowy, ale procesy chemiczne i
fizyczne różne
2. Różne surowce, ale ten sam produkt końcowy.
Przykładem pierwszego sposobu może być :
metoda siarczanowa i siarczynowa wytwarzania masy
celulozowej
wytwarzanie węgli aktywnych metodą fizyko-chemiczną lub
chemiczną
Przykładem drugiego sposobu może być :
wytwarzanie mas celulozowych z drewna, makulatury, szmat,
słomy czy trzciny.
wytwarzanie węgli aktywnych z drewna, łusek orzechów,
pestek, torfu, węgla brunatnego, kamiennego i z tworzyw
sztucznych.

Każdy aparat i urządzenie powinno posiadać
określony bilans materiałowy, bilans energetyczny,
warunki równowagi procesu, oraz jego szybkość.
Główną cechą aparatu lub maszyny jest
wydajność, czyli ilość przerabianego surowca lub
otrzymanego produktu w jednostce czasu.
Zdolnością przerobową w przypadku urządzeń o
działaniu okresowym nazywa się stosunek ilości
przerobionego surowca w okresie jednego pełnego
cyklu produkcyjnego, do czasu trwania tego cyklu.
Zdolnością produkcyjną tych urządzeń nazywa
się stosunek ilości produktu otrzymanego w jednym
cyklu do czasu trwania tego cyklu.
Zdolnością przerobową urządzenia pracującego w
sposób ciągły jest ilość przerobionego surowca w
jednostce czasu, a zdolność produkcyjna – ilość
otrzymanego produktu w jednostce czasu. [ kg/h,
szt./s, m3/s ].

Wydajność odniesioną do jednostki powierzchni grzejnej, do
jednostki powierzchni przepływu nazywamy intensywnością
lub natężeniem procesu np. intensywność suszenia w
suszarce wyraża się ilością wody wydzielonej z suszonego
materiału w ciągu jednej godziny odniesioną do 1 m3 objętości
suszarki [ kg/m3 h ].
Dąży się do uzyskania dużej wydajności przy małych
gabarytach, czyli do uzyskania dużej intensywności.
Następnym elementem charakterystyki jest zużycie
energii. Dąży się do możliwie najmniejszego zużycia energii w
odniesieniu do jednostki przerabianego surowca lub
wytwarzanego produktu.
Materiał użyty do budowy ze względu na agresywne
działanie przetwarzanych surowców, lub szkodliwe działanie
materiału aparatu na przetwarzany surowiec i uzyskany
produkt.
Kompatybilność konstrukcji z innymi fragmentami
instalacji.
Względy ergonomiczne – bezpieczeństwo i higiena pracy,
dogodność obsługi, względy sanitarno higieniczne dotyczące
produktu [ przemysł spożywczy].

Wydajność odniesioną do jednostki powierzchni grzejnej, do
jednostki powierzchni przepływu nazywamy intensywnością
lub natężeniem procesu np. intensywność suszenia w
suszarce wyraża się ilością wody wydzielonej z suszonego
materiału w ciągu jednej godziny odniesioną do 1 m3 objętości
suszarki [ kg/m3 h ].
Dąży się do uzyskania dużej wydajności przy małych
gabarytach, czyli do uzyskania dużej intensywności.
Następnym elementem charakterystyki jest zużycie
energii. Dąży się do możliwie najmniejszego zużycia energii w
odniesieniu do jednostki przerabianego surowca lub
wytwarzanego produktu.
Materiał użyty do budowy ze względu na agresywne
działanie przetwarzanych surowców, lub szkodliwe działanie
materiału aparatu na przetwarzany surowiec i uzyskany
produkt.
Kompatybilność konstrukcji z innymi fragmentami
instalacji.
Względy ergonomiczne – bezpieczeństwo i higiena pracy,
dogodność obsługi, względy sanitarno higieniczne dotyczące
produktu [ przemysł spożywczy].

Istnieje duży stopień swobody w wyborze aparatury
procesowej, ponieważ każda operacja technologiczna
może być wykonana różnymi sposobami opartymi na
różnych zasadach np.:

rozdrabnianie jedno i wielostopniowe,
sedymentacja grawitacyjna i bezwładnościowa,
wirowanie filtracyjne i sedymentacyjne,
destylacja próżniowa, azeotropowa, normalna i inne

Istnieją pewne zasady technologiczne w oparciu o które
buduje się i eksploatuje się instalacje i aparaty .
Wynikają one z fundamentalnych praw chemii, inżynierii oraz
ekonomi i obejmują zagadnienia:

-maksymalnego wykorzystania surowców,
-minimalnego zużycia energii
-najlepszego doboru aparatów i urządzeń.

Obniżenie wskaźnika zużycia surowców

możemy osiągnąć

poprzez:

-prowadzenie procesu przy optymalnych parametrach
zabezpieczających maksymalna wydajność surowcową
(staranne opracowanie koncepcji procesu).

-Np. Podobną pojemność sorpcyjną produkowanych węgli
aktywnych można uzyskać aktywując np. w niższej
temperaturze, przez co unika się tzw. powierzchniowego
zgazowanie ziaren surowca bez wytworzenia porów co może
dać wzrost wydajności nawet o ok.. 20 %.

-zmniejszenie do minimum wszelkiego rodzaju strat
produkcyjnych

-Np dokładne odmywanie błota pofiltracyjnego
-ograniczenie zrzutu ługu pokrystalizacyjnego zawierającego
surówkę -nieszczelności aparaturowe
-wytworzenie partii produktu o właściwościach poniżej
standardu jakościowego itp.
-zła gospodarka magazynowa polegająca no na
nieprawidłowym

-przechowywaniu surowców i produktów : zbrylanie się
zawilgoconych substancji mineralnych,

-zagrzybianie zrębków celulozowniach, tzw. zaparzanie
drewna, sinizna drewna itp. zmieniające jakość i np.
zwiększające zużycie chemikaliów w roztwarzaniu drewna.

wykorzystanie odpadów przez przerób na sprzedażne
produkty uboczne

Np. wykorzystanie fosfogipsów do produkcji kwasu
siarkowego, podobnie wykorzystanie do tego celu
wychwyconych ze spalin tlenków siarki lub siarki
pierwiastkowej,
produkcja kredy nawozowej z przemysłu sodowego,
absorpcja związków fluoru z wytwórni nawozów
fosforowych,
wydzielanie związków srebra z rud miedzi (wartość którego
jest niejednokrotnie decydująca o opłacalności produkcji
miedzi – zagłębie legnickie),
masa łapana w celulozowniach i papierniach,
lepsze odpylanie siarczanu sodu w procesie regeneracji
alkaliów w metodzie siarczanowej powodujące zmniejszenie
strat ługów warzelnych

stosowanie przeciwprądu strumieni materiałowych w
procesach wymiany masy

Np.absorpcja, adsorpcja, rozpuszczanie prażenie
pozwalająca na maksymalne obniżenie stężenia surowców
na wyjściu z procesu

Zagadnienie maksymalnego wykorzystania energii

może być

realizowana poprzez:
- stosowanie maksymalnego gradientu temperaturowego
między układami wymieniającymi ciepło np. przeciwprąd w
wymiennikach ciepła
- wyprowadzenie reagentów z procesu przy temperaturze
możliwie bliskiej temperaturze otoczenia
- obniżanie temperatury reakcji lub ciśnienia poprzez
wprowadzanie katalizatorów
-odzysk ciepła odpadowego np. w regenaratorach,
rekuperatorach ciepła , kotłach utylizacyjnych – retorty Lambiotta i
spalenie produktów oraz odzysk ciepła reakcji egzotermicznej i
gazów odlotowych, odzysk ciepła w piecach do spalania ługów
pocelulozowych przy regeneracji alkaliów
-racjonalna gospodarka energia mechaniczną i elektryczną
np. dokładne obliczanie oporów hydraulicznych rurociągów i
wysokości tłoczenia pomp, precyzyjne dobieranie silników do
napędu mieszadeł i urządzeń, stosowanie spływów grawitacyjnych

Zagadnienie najlepszego rozwiązania aparaturowego

uwzględniać powinno założenie : maksimum produktu z jednostki
objętości aparatu przy minimalnych nakładach energetycznych i
roboczych. Osiąga się to przez :
- największą szybkość procesów i operacji jednostkowych
zachodzących w aparacie (wpływ czynników kinetycznych)
- ciągłość pracy urządzenia np. rezygnacja z urządzeń o
działaniu okresowym, niezawodność pracy urządzenia, dobre
oprzyrządowanie, organizacja produkcji np. terminowy transport do
i od aparatu surowców i produktu
- stosowanie nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych
niezawodnych w działaniu i zapewniających doskonałe warunki
prowadzenia procesu Np. intensywne mieszanie, wymiana ciepła.
- stosowanie wytrzymałych i odpornych tworzyw
konstrukcyjnych gwarantujących lekkość konstrukcji i długą
żywotność. Np. włókniste materiały izolacji cieplnej w piecach i
reaktorach, stale o podwyższonych temperaturach pracy, mniejszej
korozyjności, większej wytrzymałości pozwalające na wzrost
parametrów technologicznych, kamienie

Niejednokrotnie występują sprzeczności pomiędzy
poszczególnymi zasadami tzn. ten sam czynnik wpływający
korzystnie w jednym przypadku, działa hamująco w drugim
Np. stosowanie maksymalnej temperatury zwiększa szybkość
reakcji lecz równocześnie obniża wydajność reakcji
egzotermicznych lub może spowodować niewspółmierne do
efektów zużycie ciepła i masy i trudności w rozwiązaniu
konstrukcyjnym. Podobnie stosowanie przeciwprądu w
procesie suszenia poprawia wymianę ciepła i masy, lecz w
przypadku produktu wrażliwego na wysoką temperaturę może
spowodować jego zniszczenie.
Zatem omówione zasady zamyka zasada umiaru
technologicznego, mająca na celu łagodzenie
występujących sprzeczności. Postuluje on a wszechstronne
analizowanie rozpatrywanego procesu dla znalezienia
optymalnych parametrów jego realizacji.

Urządzenia stosowane w przemyśle chemicznym można podzielić
na :

Zbiorniki magazynowe
Maszyny
Aparaty
Przyrządy

Zbiorniki są to naczynia o różnym kształcie, odpowiednio
wyposażone do przechowywania i transportu materiałów płynnych
i stałych sypkich.
Maszyny to urządzenia stanowiące układy dynamiczne o ściśle
określonym działaniu, stosowane do następujących celów:

przetwarzanie energii
zmiany cech użytkowych materiałów
zmiany położenia materiałów
dostarczenia informacji

Charakterystyczna cechą każdej maszyny jest ruch jej części
wskutek działania sił lub momentów sił.

Aparaty to urządzenia, w których przebiegają procesy fizyczne,
fizykochemiczne lub chemiczne mające na celu zmianę właściwości
substancji biorącej udział w tym procesie.
Przyrządy są to urządzenia dostarczające informacji
charakteryzujących proces przebiegający w maszynie lub aparacie.

Maszyny dzielimy na :

-energetyczne, służące do przetwarzania jednego
rodzaju
energii w drugi ( np. turbina parowa, silnik
elektryczny),- technologiczne, służące do zmiany
kształtu, wielkości i innych

parametrów fizycznych materiałów podlegających
działaniu maszyny ( np. rozdrabniarka, tabletkarka,
glanulator itp.),

-transportowe, służące do zmiany położenia
materiałów
(np.pompa, przenośnik, dźwignica),
- informacyjne, służące do przetwarzania informacji

Aparaty w zależności od przebiegających w nich procesów
możemy podzielić na cztery grupy:
- do przenoszenia pędu, należą tu aparaty służące do

przygotowywania mieszanin – mieszalniki, aparaty
stosowane do rozdzielania materiałów niejednorodnych np.
komory pyłowe, cyklony, odstojniki, filtry, wirówki,
hydrocyklony .

-do wymiany ciepła – wymienniki ciepła i aparaty wyparne,
do wymiany masy – krystalizatory, destylatory, adsorbery,
absorbery, ekstraktory i suszarki,
do prowadzenia reakcji chemicznych i
elektrochemicznych –
reaktory i elektrolizery.

Nazwy aparatów pochodzą najczęściej od operacji
jednostkowych, które są przeprowadzane w urządzeniu.