Rozwój inżynierii chemicznej

(procesowej)

•

o

d ok. 1900 r.  działania związane z operacjami

jednostkowymi (tzw. I paradygmat)

•

o

d 1960 r.  procesy przenoszenia pędu, ciepła i masy

(inżynieria procesowa) (tzw. II paradygmat)

•

o

d ok. 2000 r.  inżynieria produktu (tzw. III paradygmat ściśle

związany z modelowaniem wieloskładnikowym, wspomaganie
nowoczesnymi technikami komputerowymi np. CFD
(computational fluid dynamics) [numeryczna dynamika
płynów]

Inżynieria procesowa

[chemiczna] (technika

przemiany substancji)

obejmuje 4 podstawowe

rodzaje procesów:

•

m

echaniczne

•

c

ieplne

•

d

yfuzyjno – cieplne

•

z

reakcją chemiczną

Procesy takie przedstawia się za
pomocą modeli matematyczno-
fizycznych, które wykorzystuje
się w obliczeniach projektowych
aparatury.
Często wymagana jest
weryfikacja eksperymentalna.

Podstawą opisu wielkości
omawianych procesów są
zagadnienia dotyczące:

•

bilans

ów masowych i energetycznych

•

stanó

w równowag fazowych (statyka procesu)

•

przepł

ywów jedno- i wielofazowych

•

kinety

ka procesu (transport ciepła i masy oraz kinetyka reakcji

chemicznych)

Bilansowanie procesu

•

Teoretyczny opis procesu chemicznego jest oparty na

prawach wymiany masy, energii i pędu.

•

W ogólnej postaci zasady zachowania w układzie z

reakcją chemiczną maja postać:

•

(

DOPŁYW) = (ODPŁYW) + (AKUMULACJA) +

(zmiana w wyniku reakcji chemicznej)

•

Będziemy rozpatrywać procesy bez reakcji chemicznej.

•

Akumulacja jest w stanie ustalonym zawsze
równa zero.

•

Dopływ i odpływ masy i energii są ściśle
związane z procesami wymiany wewnątrz układu
oraz z warunkami na wlocie i wylocie (warunki
brzegowe)

•

Pełne równanie bilansu oddaje zachowanie się
układu w czasie; mówimy, że opisuje dynamikę
układu.

ENERGIA  skalarna

wielkość fizyczna (będąca

funkcją stanu), służąca do

ilościowego opisu różnych

procesów i rodzajów

oddziaływania i spełniająca

ściśle prawo zachowania.

Stwierdzono, że wszystkie

postacie ruchu przekształcają się w
siebie nawzajem w ściśle
określonych stosunkach ilościowych
– i właśnie ta okoliczność umożliwia
wprowadzenie pojęcia ENERGII,
czyli pozwala mierzyć różne
postacie ruchu i oddziaływania
jedna miarą.

•

PRACA

I CIEPŁO nie są postaciami energii lecz formami
jej przekazywania.

•

Praca i

ciepło ujawniają się w procesach wykonywania pracy lub
przepływu ciepła i tracą swój sens w chwili zakłócenia procesu.

•

Jednostka energii, pracy i ciepła jest jednakowa i w układzie SI
jednostką główną jest:

•

1 N·m

= 1 J = 1 W·s

Kierunki rozwojowe w inżynierii i

technologii chemicznej

Współczesna inżynieria procesowa dąży

do:

•

Og

raniczenia zakresu badań laboratoryjnych z reguły
czasochłonnych i drogich;

•

Wi

elostopniowej kontroli procesów, służącej zwiększeniu ich
selektywności, produktywności i jakości;

•

Wp

rowadzenia wieloskalowego opisu i współdziałania wielu
dyscyplin;

•

Ko

mpleksowej analizy procesu z wykorzystaniem innych
dziedzin nauki.

Aktualne trendy w inżynierii
chemicznej

•

Multi

dyscyplinarność, czyli współdziałanie różnych dziedzin nauki

•

Stero

wanie końcowymi własnościami materiałów przeznaczonych

dla odbiorcy, tak by otrzymać produkt o jak najlepszej jakości:

proces

y cząstkowe  produkt  proces

•

Proje

ktowanie nowego sprzętu i nowych metod produkcji –

intensyfikacja procesu

•

Tworz

enie i rozwijanie narzędzi obliczeniowych, modeli

matematycznych oraz naukowego oprzyrządowania jako źródeł

podstawowych danych termodynamicznych, kinetycznych,

transportowych itd.

•

Ekolo

giczne, bezpieczne dla środowiska projektowanie procesów i

instalacji na drodze metod analizy cyklu życia produktu i

analizy energetycznej pod kątem osiągnięcia zrównoważonego

rozwoju i maksymalnej energooszczędności

Rys. 3. Rola inżynierii wśród innych

dyscyplin

INŻYNIERIA CHEMICZNA NIE
WYPIERA POZOSTAŁYCH DZIEDZIN
LECZ WSPÓŁDZIAŁA Z NIMI W
SZEROKICH OBSZARACH

Rys. 4. Zróżnicowane możliwości

zatrudnienia inżynierów chemików

Rys. 5. S-kształtny przebieg krzywej

rozwoju technologii

Rys. 6. Wykres wzrostu inżynierii i

powiązanych dziedzin

Problemy związane z procesami

suszenia bioproduktów

PROCESY
SUSZENIA

Problemy w

matematycznym

opisie zjawisk

równoczesnego

transportu

ciepła, masy i

pędu

Problemy

energetycz

ne

Problemy z

utratą

jakości

produktów

spożywczych

Utrata jakości produktów

spożywczych

Należy rozwijać takie procesy w suszarnictwie,

które minimalizowałyby niepożądane zmiany

produktów

Statyk
a

Kinetyka

Należy określić nową kinetykę suszenia

Kinetyka suszenia

Kinetyka zmian

parametru

jakościowego

Kinetyka zmian podczas

suszenia

Rys. 8. Inżynieria bioprocesowa – partnerzy

naukowi, zastosowania przemysłowe

INŻYNIERIA
BIORPROCESOWA

PARTNERZY NAUKOWI I GAŁĘZIE
PRZEMYSŁU Z NIĄ ZWIĄZANE

Rys. 9. Schemat podziału inżynierii

bioprocesowej

i jej związki z dziedzinami pokrewnymi

Rys. 10.

Rys. 11. Według rodzaju wymienianej

wielkości

Rys. 12. Schemat ideowy: a) jednoczesnego

wymiennika ciepła i masy,
b) wymiennika ciepła,
c) wymiennika masy przy dwóch

wymienianych składnikach

a)

b)

c)

Rys. 13. Według sposobu

realizacji w czasie.

Wymienniki, w których zwrot,

i wartość strumienia wymienianej wielkości

są zmienne w czasie.

Wymienniki ciepła (regeneratory):

a) wypełnienie z cegieł szamotowych,

b) wypełnienie z taśmy metalowej,

c) wymiennik z wypełnieniem obrotowym z

blach (lub kul ceramicznych),

d), e) wypełnienie ruchome z kul

ceramicznych.

Wymienniki masy:

f) adsorber ze złożem nieruchomym,

g) adsorber ze złożem ruchomym

i z kolumną regeneracyjną

Rys. 14. Wymiennik ciepła:
a) z kombinowanym przepływem
przeciwprądowo-krzyżowym
b) z prądem krzyzowym

a)

b)

Rys. 15. Wymienniki,
w których zwrot
strumienia
wymienianej wielkości
jest w czasie stały, a
wartość zmienna:
a), b) wymienniki
ciepła,
c) kolumna
rektyfikacyjna

Rys. 16. Wymienniki, w których

zwrot

i wartość strumienia wymienianej

wielkości są stałe w czasie:

a), b), c) wymienniki ciepła

płaszczowo rurowe,

d) wymiennik spiralny,

e) wymiennik płytowy,

f) chłodnica powietrzna,

g) ekstraktor,

c.d.n.

Rys. 16 c.d.. Wymienniki,
w których zwrot i wartość
strumienia wymienianej
wielkości są stałe w
czasie:
h) kolumna z
wypełnieniem (absorber
lub kolumna
reltryfikacyjna),
i) kolumna półkowa,
j) chłodnica kominowa,
k) chłodnica
wentylatorowa,
l) suszarnia.

Rys. 18. Wymiennik o wielokrotnej
drodze przepływu. Czynnik płynie z
komory 1 do 2, stąd do 3 itd.

Rys. 17. Wymiennik o długiej drodze
przepływu, budowa rura w rurze

Rys. 19. Rozwiązania konstrukcyjne

wymienników ciepła:
a) wymiennik ciepła typu rura w

rurze,
b) wymiennik z krzyżowym

przepływem płynów,
c) wymiennik ciepła wielorurkowy -

dwudrożny