WYKŁAD cz.III

WYKŁAD cz.III

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH – PODSTAWY

PROCESOWYCH – PODSTAWY



Jacek Jeżowski



Alina Jeżowska

Alina Jeżowska

PLAN WYKŁADU

1.

1.

Wstęp (zakres projektu

Wstęp (zakres projektu

wstępnego)

wstępnego)

2.

2.

O

O

rganizacja procesu

rganizacja procesu

projektowania

projektowania

3.

3.

Kryteria oceny systemu

Kryteria oceny systemu

technologicznego

technologicznego

4.

4.

Podstawowe strategie

Podstawowe strategie

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu
wstępnego)

2.

2.

O

O

rganizacja procesu

rganizacja procesu

projektowania

projektowania

3.

3.

Kryteria oceny systemu

Kryteria oceny systemu

technologicznego

technologicznego

4.

4.

Podstawowe strategie

Podstawowe strategie

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu
wstępnego)

2.

2.

O

O

rganizacja procesu

rganizacja procesu

projektowania

projektowania

3.

3.

Kryteria oceny systemu

Kryteria oceny systemu

technologicznego

technologicznego

4.

4.

Podstawowe strategie

Podstawowe strategie

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu
wstępnego)

2.

2.

O

O

rganizacja procesu

rganizacja procesu

projektowania

projektowania

3.

3.

Kryteria oceny systemu

Kryteria oceny systemu

technologicznego

technologicznego

4.

4.

Podstawowe strategie

Podstawowe strategie

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

1.

1.

Wstęp (zakres projektu

Wstęp (zakres projektu

wstępnego)

wstępnego)

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Faza „koncepcyjna” projektu

Faza „koncepcyjna” projektu

: „wizja”

instalacji w sensie jej struktury,
rodzajów aparatów i podstawowych
parametrów prowadzenia procesów.

Informacje dostępne

Informacje dostępne

: co i w jakich

ilościach ma być produkowane w
projektowanym systemie.

Wynik

końcowy

Wynik

końcowy

:

schemat

systemu

technologicznego taki, który zawiera:



surowce chemiczne i energetyczne,



kolejne operacje przetwarzające surowce
i produkty pośrednie w żądane produkty,



aparaty, w których te operacje są
realizowane,



powiązania pomiędzy aparatami, tj.
strumienie masy i energii + parametry
charakteryzujące

jednoznacznie

strumienie masy i energii, tj. m.in. ich
natężenie

przepływu,

temperaturę,

ciśnienie, skład, wartości energii cieplnej
i mechanicznej.

Wszystkie aparaty zastosowane w

Wszystkie aparaty zastosowane w

systemie muszą być jednoznacznie

systemie muszą być jednoznacznie

zdefiniowane co do typu, parametrów

zdefiniowane co do typu, parametrów

pracy i wymiarów (przynajmniej tych

pracy i wymiarów (przynajmniej tych

podstawowych).

podstawowych).

Przykłady:

Przykłady:



Instalacja

do

produkcji

alkoholu

Instalacja

do

produkcji

alkoholu

etylowego

etylowego

Koncern

chemiczny

dysponuje

Koncern

chemiczny

dysponuje

nadmiarową ilością

nadmiarową ilością

77

77





10

10

6

6

kg/rok etylenu

kg/rok etylenu

przemysłowego

produkowanego

w

przemysłowego

produkowanego

w

jednym z jego zakładów. Rozważana jest

jednym z jego zakładów. Rozważana jest

możliwość wykorzystania go do produkcji

możliwość wykorzystania go do produkcji

alkoholu etylowego. Według badań rynku

alkoholu etylowego. Według badań rynku

istnieje możliwość sprzedaży ok.

istnieje możliwość sprzedaży ok.

150

150





10

10

3

3

m

m

3

3

/rok alkoholu o stężeniu

/rok alkoholu o stężeniu

85,44 %

85,44 %

molowych.

molowych.

Konieczna jest ocena ekonomiczna

Konieczna jest ocena ekonomiczna

celowości budowy takiej instalacji.

celowości budowy takiej instalacji.

Powołano zespół projektowy, który

Powołano zespół projektowy, który

ma

zaprojektować

instalację

ma

zaprojektować

instalację

przyjmując:

przyjmując:

a)

a)

dostępność surowego etylenu

dostępność surowego etylenu

w ilości 77

w ilości 77





10

10

6

6

kg/rok i składzie

kg/rok i składzie

96% mol. etylenu, 3% mol.

96% mol. etylenu, 3% mol.

propylenu i 1% mol. metanu,

propylenu i 1% mol. metanu,

b)

b)

wymagania co do produktu:

wymagania co do produktu:

150

150





10

10

3

3

m

m

3

3

/rok

alkoholu

/rok

alkoholu

etylowego o stężeniu 85,44 %

etylowego o stężeniu 85,44 %

molowych.

molowych.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH



Instalacja do produkcji benzenu z

Instalacja do produkcji benzenu z

toluenu

toluenu

Należy

zaprojektować

instalację

do

Należy

zaprojektować

instalację

do

produkcji

benzenu

z

toluenu,

produkcji

benzenu

z

toluenu,

zakładając, że:

zakładając, że:

a)

a)

natężenie przepływu surowca wynosi

natężenie przepływu surowca wynosi

274,2 kmol/h,

274,2 kmol/h,

b)

b)

podstawową reakcją ma być:

podstawową reakcją ma być:

C

C

7

7

H

H

8

8

+ H

+ H

2

2





C

C

6

6

H

H

6

6

+ CH

+ CH

4

4

2.

2.

Organizacja Procesu Projektowania

Organizacja Procesu Projektowania

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Etap I

Etap I

. Synteza wariantów generalnej

struktury systemu

Etap II.

Etap II.

Analiza wariantów z etapu I

(obliczenia symulacyjne).

Etap III.

Etap III.

Optymalizacja jednego lub kilku

wybranych schematów technologicznych.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Uwagi:

Uwagi:


Podział taki nie jest ostry a wymienione

Podział taki nie jest ostry a wymienione

etapy projektowania realizowane są nie

etapy projektowania realizowane są nie

tylko sekwencyjnie – od etapu I do III –

tylko sekwencyjnie – od etapu I do III –

ale też w sposób iteracyjny, tj. na

ale też w sposób iteracyjny, tj. na

podstawie

analizy

wyników

etapu

podstawie

analizy

wyników

etapu

niższego koryguje się założenia i

niższego koryguje się założenia i

koncepcje przyjęte na etapie wyższym.

koncepcje przyjęte na etapie wyższym.



Istnieje

równoczesna

metoda

Istnieje

równoczesna

metoda

projektowania (niesekwencyjna).

projektowania (niesekwencyjna).

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap I - Synteza

Ad. Etap I - Synteza

Wynik:

Wynik:

(możliwie)

niewielki

zbiór

wariantów systemu technologicznego.
Punkt ciężkości przy tworzeniu tych
wariantów

kładziony

jest

przede

wszystkim na „strukturę” (topologię)
systemu, rodzaj i kolejność procesów
(aparatów), oraz powiązania pomiędzy
nimi.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap II – Analiza

Ad. Etap II – Analiza

Cel:

Cel:

dokonanie oceny utworzonych

dokonanie oceny utworzonych

wariantów ze względu na przyjęte

wariantów ze względu na przyjęte

kryteria jakości.

kryteria jakości.

Wyznaczyć

wartości

podstawowych

Wyznaczyć

wartości

podstawowych

parametrów

tych

aparatów

jak

i

parametrów

tych

aparatów

jak

i

wartości energii niezbędnej do realizacji

wartości energii niezbędnej do realizacji

procesów - obliczenia symulacyjne lub

procesów - obliczenia symulacyjne lub

projektowo-symulacyjne

(programy

projektowo-symulacyjne

(programy

symulacyjne lub flowsheetingowe).

symulacyjne lub flowsheetingowe).

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap III - Optymalizacja

Ad. Etap III - Optymalizacja

Zakres:

Zakres:

optymalizacja

parametrów

strumieni i aparatów- optymalizacją
parametryczna (struktura ustalona!).

[też do tego służy analiza wrażliwości]

[też do tego służy analiza wrażliwości]

Ostateczny wynik etapu III - jeden lub

najwyżej

kilka

„optymalnych”

wariantów projektu.

3.

3.

Kryteria oceny systemu

Kryteria oceny systemu

technologicznego

technologicznego

•

Kryteria ekonomiczne

Kryteria ekonomiczne

W praktyce stosuje się kilka różnych
kryteriów ekonomicznych w zależności od
stopnia zaawansowania projektu jak i
dostępności danych.

Popularnym kryterium jest

koszt całkowity w skali roku (suma nakładów
inwestycyjnych na aparaty + koszt eksploatacji – wada:
nie uwzględnia wartości pieniądza w czasie)



Kryteria ochrony środowiska

Kryteria ochrony środowiska



Kryteria bezpieczeństwa pracy

Kryteria bezpieczeństwa pracy



Kryteria elastyczności i sterowalności

Kryteria elastyczności i sterowalności

System technologii chemicznej ocenia się na
podstawie kilku wskaźników (kryteriów):

„

„

elastyczność”

elastyczność”

- zapewnienie właściwej

pracy przy zmianach długoterminowych i o
znacznych wartościach, tj. na tyle dużych,
że ich skutki nie są eliminowane przez
układ kontrolno-sterujący

(woda chłodząca,

zmiana parametrów rop lub innych surowców).

„

„

sterowalność”

sterowalność”

– zapewnienie właściwej pracy

przy

zakłóceniach

krótkookresowych,

o

stosunkowo

małych

wartościach.

Takie

zakłócenia powinny być eliminowane przez
układ sterujący. System musi być sterowalny w
tym sensie, że projekt procesów i aparatów
powinien

zapewniać

możliwość

łatwego

sterowania.

Komentarz

Komentarz

Zasadnicza różnica pomiędzy elastycznością
a sterowalnością polega na tym, że ta
pierwsza odnosi się do stanu ustalonego,
gdy druga do stanu nieustalonego (czyli
musi

uwzględniać

dynamikę

systemu).

Typowym przykładem stanów nieustalonych
systemu technologicznego pracującego w
sposób

ciągły

są

okresy

rozruchu

i

zatrzymywania instalacji.

W sumie:

W sumie:

optymalizacja wielokryterialna

(kompromisowa).

Kłopoty

z

optymalizacją

kompromisową

powodują, że:

Przyjmuje się kryterium ekonomiczne jako

Przyjmuje się kryterium ekonomiczne jako

podstawowe

i

traktuje

pozostałe

jako

podstawowe

i

traktuje

pozostałe

jako

ograniczenia.

ograniczenia.

4.

4.

Podstawowe strategie projektowania

Podstawowe strategie projektowania

systemów

systemów

Hierarchiczne

Hierarchiczne

polegają

na

podziale

(dekompozycji)

całego

problemu

na

prostsze,

łatwiejsze

do

rozwiązania

podproblemy, zależne od siebie w sposób
hierarchiczny:

•

równoczesne

•

hierarchiczne

najpierw należy rozwiązać podproblem na

najpierw należy rozwiązać podproblem na

wyższym stopniu hierarchii a dopiero potem

wyższym stopniu hierarchii a dopiero potem

podproblem z następnego stopnia hierarchii,

podproblem z następnego stopnia hierarchii,

wykorzystując przy tym wyniki rozwiązań z

wykorzystując przy tym wyniki rozwiązań z

poprzednich szczebli

poprzednich szczebli

czyli:

czyli:

1)

Dobór reakcji chemicznych i projekt

układu reaktorów, wraz z zawrotami
strumieni (recyklami).

2)

Projekt układu rozdziału mieszanin

wieloskładnikowych.

3)

Projekt układu wymiany ciepła.

4)

Projekt podsystemu energetycznego

sekwencyjne rozwiązywanie kolejnych

podproblemów (i to często w sposób
iteracyjny).

Wykres cebulowy (onion diagram)

Komentarz:

Komentarz:

Ponieważ dekompozycja jest hierarchiczna, to

podproblemy muszą być rozwiązywane
sekwencyjnie w kolejności ich pozycji w
hierarchii. Wobec tego projektant musi
wybrać reakcje chemiczne jako pierwsze,
nie mając pełnego obrazu wpływu tego
wyboru na procesy rozdziału i wymiany
ciepła.

Innymi

słowy,

system

technologiczny

projektowany

jest

w

metodzie hierarchicznej „częściami”, przy
ograniczonej możliwości uwzględniania
powiązań projektowanej „części” z innymi.

Można

Można

optymalizować projektowaną

aktualnie

„część”

np.

układ

reaktorów,

ale

będzie

to

optymalizacja

lokalna

optymalizacja

lokalna

,

gdyż

kryterium

optymalności

będzie

dotyczyło tylko układu reaktorów a
nie całego systemu.

Skutki

Skutki

takiej optymalizacji lokalnej nie

muszą wcale być dobre dla całego
systemu.

Skutek: metoda hierarchiczna nie

Skutek: metoda hierarchiczna nie

może zapewnić uzyskania

może zapewnić uzyskania

rozwiązania globalnie optymalnego,

rozwiązania globalnie optymalnego,

przy rozsądnym nakładzie obliczeń.

przy rozsądnym nakładzie obliczeń.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Metoda Równoczesna

Metoda Równoczesna

(simultaneous)

nie

wymaga

hierarchizacji

i

sekwencyjności

obliczeń,

umożliwia

(przynajmniej na poziomie koncepcji)
uwzględnienie wszystkich powiązań w
systemie.

Zasada:

Zasada:

Zbudować

Zbudować

nadstrukturę

nadstrukturę

zawierającą

zawierającą

wszystkie

możliwe

struktury

wszystkie

możliwe

struktury

projektowanego

systemu

projektowanego

systemu

technologicznego. Następnie

technologicznego. Następnie

wyodrębnić

wyodrębnić

z

z

niej

niej

strukturę optymalną

strukturę optymalną

ze względu na

ze względu na

przyjęte kryteria jakości.

przyjęte kryteria jakości.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Dwa kluczowe zagadnienia:

Dwa kluczowe zagadnienia:

1)

stworzenie nadstruktury,

2)

znalezienie rozwiązania optymalnego

Ad.1)

Ad.1)

:

:

Nadstruktura

systemu

Nadstruktura

systemu

technologicznego.

technologicznego.

Nadstruktura - graf planarny (płaski),

Nadstruktura - graf planarny (płaski),

skierowany,

zawierający

węzły

i

skierowany,

zawierający

węzły

i

krawędzie.

krawędzie.

Reaktor z reakcją:

Reaktor z reakcją:

A + B

A + B





C

C

.

.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Symboliczna reprezentacja reaktora dla

Symboliczna reprezentacja reaktora dla

reakcji

reakcji

A + B

A + B





C

C

Reaktor z reakcją: A + B

Reaktor z reakcją: A + B





C

C

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Reprezentacja reaktora dla reakcji A +

Reprezentacja reaktora dla reakcji A +

B

B





C przy pomocy grafu

C przy pomocy grafu

strumienie

strumienie

A, B, C

A, B, C

-

-

krawędzie

krawędzie

(cięciwy)

(cięciwy)

reaktor – węzeł (wierzchołek)

reaktor – węzeł (wierzchołek)

Graf skierowany

Graf skierowany

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

W grafie nadstruktury wygodnie jest

W grafie nadstruktury wygodnie jest

wyróżnić dwa rodzaje węzłów:

wyróżnić dwa rodzaje węzłów:



wejścia (wloty) i wyjścia (wyloty) - nie

wejścia (wloty) i wyjścia (wyloty) - nie

powodują

powodują

zmiany parametrów

zmiany parametrów

strumienia

strumienia



aparaty lub procesy – powodują

aparaty lub procesy – powodują

zmiany

zmiany

parametrów strumienia.

parametrów strumienia.

Cięciwami grafu

Cięciwami grafu

są połączenia między

są połączenia między

węzłami-reprezentują strumienie masy i

węzłami-reprezentują strumienie masy i

energii

energii

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Przykład grafu dla nadstruktury w metodzie

Przykład grafu dla nadstruktury w metodzie

równoczesnej

równoczesnej

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad.

Ad.

2

2

)

)

:

:

Znajdowanie optymalnego rozwiązania

Znajdowanie optymalnego rozwiązania

.

.

Optymalizacja matematyczna.

Optymalizacja matematyczna.

Kryterium

ekonomiczne

np.

koszt

Kryterium

ekonomiczne

np.

koszt

całkowity w skali rocznej

całkowity w skali rocznej

+

+

model

matematyczny

nadstruktury

model

matematyczny

nadstruktury

składający się z równań bilansowych,

składający się z równań bilansowych,

projektowych,

zależności

projektowych,

zależności

termodynamicznych

i

równań

termodynamicznych

i

równań

definiujących

połączenia

pomiędzy

definiujących

połączenia

pomiędzy

aparatami.

aparatami.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Uwaga:

Uwaga:

W

celu

wyodrębnienia

struktury

W

celu

wyodrębnienia

struktury

optymalnej z nadstruktury konieczne

optymalnej z nadstruktury konieczne

jest

zastosowanie

zmiennych

jest

zastosowanie

zmiennych

binarnych, takich że:

binarnych, takich że:

Celem

optymalizacji

jest

m.in.

Celem

optymalizacji

jest

m.in.

znalezienie wartości

znalezienie wartości

y

y

i

i

oraz wartości

oraz wartości

optymalnych parametrów aparatów i

optymalnych parametrów aparatów i

strumieni (zmienne binarnych + ciągłe).

strumieni (zmienne binarnych + ciągłe).









razie

przeciwnym

w

strukturze

w

jest

"

aparat

gdy

y

i

0

optymalnej

i"

1

(1)

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Problem optymalizacji matematycznej:

Problem optymalizacji matematycznej:

min F (X, Y)

min F (X, Y)

(

(

2

2

)

)

przy:

przy:

h

h

i

i

(X, Y) = 0;

(X, Y) = 0;

i

i





I

I

(

(

3

3

)

)

g

g

j

j

(X, Y)

(X, Y)





0;

0;

j

j





J

J

(

(

4

4

)

)

gdzie:

gdzie:

X

X

-

-

wektor zmiennych ciągłych takich jak:

wektor zmiennych ciągłych takich jak:

ciśnienie, temperatura, natężenie przepływu,

ciśnienie, temperatura, natężenie przepływu,

wymiary aparatów itp.

wymiary aparatów itp.

Y

Y

–

wektor

zmiennych

binarnych

y

–

wektor

zmiennych

binarnych

y

i

i

zdefiniowanych wzorem (1)

zdefiniowanych wzorem (1)

F

F

– kryterium optymalności (np. koszt całkowity

– kryterium optymalności (np. koszt całkowity

instalacji)

instalacji)

h

h

i

i

– równania bilansowe, termodynamiczne,

– równania bilansowe, termodynamiczne,

projektowe oraz powiązań między aparatami

projektowe oraz powiązań między aparatami

g

g

i

i

-

-

nierówności odpowiadające żądaniom i

nierówności odpowiadające żądaniom i

ograniczeniom technologicznym, projektowym

ograniczeniom technologicznym, projektowym

oraz warunki logiczne

oraz warunki logiczne

Kłopoty:

Kłopoty:

1)

1)

Trudności z utworzeniem nadstruktury

Trudności z utworzeniem nadstruktury



Musi zawierać wszystkie możliwe

Musi zawierać wszystkie możliwe

struktury

struktury





olbrzymia i bardzo złożona

olbrzymia i bardzo złożona

2)

2)

Trudności z rozwiązaniem problemu

Trudności z rozwiązaniem problemu

optymalizacji matematycznej.

optymalizacji matematycznej.



Są

to

najczęściej

problemy

Są

to

najczęściej

problemy

optymalizacji nieliniowej ze zmiennymi

optymalizacji nieliniowej ze zmiennymi

ciągłymi i binarnymi -

ciągłymi i binarnymi -

MINLP

MINLP

„

„

M

M

ixed-

ixed-

I

I

nteger

nteger

N

N

on

on

L

L

inear

inear

P

P

rogramming”.

rogramming”.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Dostępne metody równoczesne:

Dostępne metody równoczesne:



układy kolumn rektyfikacyjnych,

układy kolumn rektyfikacyjnych,



sieci wymienników ciepła,

sieci wymienników ciepła,



układy reaktorów chemicznych,

układy reaktorów chemicznych,



obiegi chłodnicze,

obiegi chłodnicze,



układy wymienników masy takich jak

układy wymienników masy takich jak

absorbery, ekstraktory i adsorbery

absorbery, ekstraktory i adsorbery

( w

( w

tym sieci wody procesowej)

tym sieci wody procesowej)

Zastosowanie metody hierarchicznej

Zastosowanie metody hierarchicznej

do projektu instalacji produkcji chlorku

do projektu instalacji produkcji chlorku

winylu

winylu

Sformułowanie problemu i wstępna analiza.

Sformułowanie problemu i wstępna analiza.

Należy zaprojektować instalację do produkcji
3,628810

5

t/rok ( 45360 kg/h) chlorku winylu.

Podstawowa baza danych

związek

masa

cząsteczkowa

koszt

jednostkowy

[j.pien./kg]

C

2

H

2

26,04

110,00

Cl

2

70,91

24,25

C

2

H

2

Cl

2

96,95

-

C

2

H

4

28,05

39,68

HCl

36,46

39,68

C

2

H

3

Cl

62,50

48,50

Wybór rodzaju procesu (proces okresowy czy

Wybór rodzaju procesu (proces okresowy czy

ciągły)

ciągły)

Etap I. Dobór reakcji chemicznych

Etap I. Dobór reakcji chemicznych

(operator:

(operator:

eliminacja różnic w budowie cząsteczek

eliminacja różnic w budowie cząsteczek

produktu i surowców)

produktu i surowców)

1.

1.

Bezpośrednie chlorowanie etylenu:

Bezpośrednie chlorowanie etylenu:

C

C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl

Cl + HCl

Uwagi:

Uwagi:

reakcja zachodzi w temperaturze

reakcja zachodzi w temperaturze

kilkuset stopni Celsjusza. W reakcji

kilkuset stopni Celsjusza. W reakcji

zużywana jest jedna cząsteczka drogiego

zużywana jest jedna cząsteczka drogiego

chloru na jeden mol etylenu. Powstaje

chloru na jeden mol etylenu. Powstaje

jeden mol produktu ubocznego (HCl), który

jeden mol produktu ubocznego (HCl), który

jest trudny do sprzedania. Przy wyższym

jest trudny do sprzedania. Przy wyższym

stopniu przereagowania zachodzą również

stopniu przereagowania zachodzą również

reakcje podstawiania dające wiele

reakcje podstawiania dające wiele

produktów ubocznych.

produktów ubocznych.

2. Chlorowodorowanie acetylenu

2. Chlorowodorowanie acetylenu

C

C

2

2

H

H

2

2

+ HCl

+ HCl





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl

Cl

Uwagi:

Uwagi:

jest to reakcja

jest to reakcja

egzotermiczna, zachodzi z

egzotermiczna, zachodzi z

dużym stopniem

dużym stopniem

przereagowania

przereagowania

przekraczającym 98% w

przekraczającym 98% w

temperaturze 150

temperaturze 150

0

0

C na

C na

katalizatorze HgCl

katalizatorze HgCl

2

2

(toksycznym). Surowcem jest

(toksycznym). Surowcem jest

silnie wybuchowy i drogi

silnie wybuchowy i drogi

acetylen.

acetylen.

3. reakcja 2-etapowa chlorowania

3. reakcja 2-etapowa chlorowania

etylenu

etylenu

3a) C

3a) C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

3b) C

3b) C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl

Cl + HCl

Uwagi:

Uwagi:

reakcja (3a) jest egzotermiczna,

reakcja (3a) jest egzotermiczna,

katalityczna, przebiega z dużym

katalityczna, przebiega z dużym

stopniem przereagowania

stopniem przereagowania

przekraczającym 98% w temperaturze

przekraczającym 98% w temperaturze

90

90

0

0

C (nie wyższej niż 120

C (nie wyższej niż 120

0

0

C) i pod

C) i pod

ciśnieniem atmosferycznym. Reakcja

ciśnieniem atmosferycznym. Reakcja

(3b) jest endotermiczna, przebiega

(3b) jest endotermiczna, przebiega

samorzutnie w temperaturze ok. 500

samorzutnie w temperaturze ok. 500

0

0

C, stopień przereagowania wynosi ok.

C, stopień przereagowania wynosi ok.

65%

65%

4. reakcja 2-etapowa

4. reakcja 2-etapowa

oksychlorowania etylenu

oksychlorowania etylenu

4a) C

4a) C

2

2

H

H

4

4

+ 2HCl + ½ O

+ 2HCl + ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+

+

H

H

2

2

O

O

4b) C

4b) C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl

Cl + HCl

sumarycznie: C

sumarycznie: C

2

2

H

H

4

4

+ HCl + ½ O

+ HCl + ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl

Cl

+ H

+ H

2

2

O

O

Uwagi:

Uwagi:

reakcja (4a) jest silnie

reakcja (4a) jest silnie

egzotermiczna, katalityczna (katalizator

egzotermiczna, katalityczna (katalizator

CuCl

CuCl

2

2

), przebiega z dużym stopniem

), przebiega z dużym stopniem

przereagowania rzędu 95% w

przereagowania rzędu 95% w

temperaturze 250

temperaturze 250

0

0

C. Reakcja (4b)

C. Reakcja (4b)

identycznie do reakcji 3b. (

identycznie do reakcji 3b. (

jest

jest

endotermiczna, przebiega samorzutnie w temperaturze

endotermiczna, przebiega samorzutnie w temperaturze

ok. 500 0C, stopień przereagowania wynosi ok. 65%)

ok. 500 0C, stopień przereagowania wynosi ok. 65%)

5. Reakcja 3-etapowa chlorowania i

5. Reakcja 3-etapowa chlorowania i

oksychlorowania etylenu

oksychlorowania etylenu

5a) C

5a) C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

5b) C

5b) C

2

2

H

H

4

4

+ HCl + ½ O

+ HCl + ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+

+

H

H

2

2

O

O

5c) 2 C

5c) 2 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





2 C

2 C

2

2

H

H

3

3

Cl + 2 HCl

Cl + 2 HCl

Jest to praktycznie połączenie reakcji 3 i

Jest to praktycznie połączenie reakcji 3 i

reakcji 4.

reakcji 4.

odrzucenie zdecydowanie „złych”

odrzucenie zdecydowanie „złych”

wariantów, do oceny należy stosować:

wariantów, do oceny należy stosować:



zysk brutto,

zysk brutto,



ilość i rodzaj produktów ubocznych

ilość i rodzaj produktów ubocznych

(selektywność reakcji): ich uciążliwość

(selektywność reakcji): ich uciążliwość

dla środowiska, wpływ na

dla środowiska, wpływ na

bezpieczeństwo pracy,

bezpieczeństwo pracy,



ilość nieprzereagowanych surowców

ilość nieprzereagowanych surowców

(ich uciążliwość dla środowiska, wpływ

(ich uciążliwość dla środowiska, wpływ

na bezpieczeństwo pracy) czyli stopień

na bezpieczeństwo pracy) czyli stopień

przereagowania,

przereagowania,



warunki w jakich przebiega reakcja i

warunki w jakich przebiega reakcja i

cenę katalizatora (koszt reaktora).

cenę katalizatora (koszt reaktora).

1.

1.

C

C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl +

Cl +

HCl

HCl

2.

3.

4.

5.

C

C

2

2

H

H

2

2

+

+

HCl

HCl





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl

Cl

3a) C

3a) C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

3b) C

3b) C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl +

Cl +

HCl

HCl

4a) C

4a) C

2

2

H

H

4

4

+ 2HCl + ½ O

+ 2HCl + ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

4b) C

4b) C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl +

Cl +

HCl

HCl

5a) C

5a) C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

5b) C

5b) C

2

2

H

H

4

4

+

+

HCl

HCl

+ ½ O

+ ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

5c) 2 C

5c) 2 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





2 C

2 C

2

2

H

H

3

3

Cl + 2

Cl + 2

HCl

HCl

Reakcja (1) - niska selektywność,

Reakcja (1) - niska selektywność,

wytwarza dużo produktów ubocznych

wytwarza dużo produktów ubocznych

W reakcji (2) reagentem jest silnie

W reakcji (2) reagentem jest silnie

wybuchowy acetylen

wybuchowy acetylen

Obliczymy zysk brutto (różnica pomiędzy

Obliczymy zysk brutto (różnica pomiędzy

kosztem zakupu surowców, a ceną zbytu

kosztem zakupu surowców, a ceną zbytu

produktów, przy czym przez produkty

produktów, przy czym przez produkty

rozumiemy wszystkie związki powstałe

rozumiemy wszystkie związki powstałe

w reakcji, które można sprzedać, tu

w reakcji, które można sprzedać, tu

chlorek winylu i chlorowodór)

chlorek winylu i chlorowodór)

Największą wartość zysku brutto ma

Największą wartość zysku brutto ma

reakcja (3)

reakcja (3)

(należy być ostrożnym z

(należy być ostrożnym z

definitywnym odrzuceniem reakcji (5).

definitywnym odrzuceniem reakcji (5).

Zysk

Zysk

brutto jest bardzo zgrubnym kryterium.)

brutto jest bardzo zgrubnym kryterium.)

Etap II. Dobór strumieni recykli

Etap II. Dobór strumieni recykli

(operator: redystrybucja przestrzenna

(operator: redystrybucja przestrzenna

substancji)

substancji)

Na tym etapie projektu dobiera się

Na tym etapie projektu dobiera się

zawroty strumieni (recykle) na

zawroty strumieni (recykle) na

podstawie analizy wybranych reakcji

podstawie analizy wybranych reakcji

chemicznych. Zawroty takie wynikają z

chemicznych. Zawroty takie wynikają z

potrzeby odzysku nieprzereagowanych

potrzeby odzysku nieprzereagowanych

surowców.

surowców.

W reakcji (3b) pirolizy dwuchloroetanu

W reakcji (3b) pirolizy dwuchloroetanu

przewidywany stopień przereagowania

przewidywany stopień przereagowania

wynosi ok.

wynosi ok.

65%.

65%.

W reakcji (3a) stopień przereagowania

W reakcji (3a) stopień przereagowania

wynosi 98%, stosuje się niewielki

wynosi 98%, stosuje się niewielki

nadmiar C

nadmiar C

2

2

H

H

4

4

w stosunku do Cl

w stosunku do Cl

2

2

.

.

Reagent ten trzeba oddzielić i zawrócić

Reagent ten trzeba oddzielić i zawrócić

do reaktora.

do reaktora.

Schemat recyklu w reakcji (3b)

Schemat recyklu w reakcji (3b)

3b) C

3b) C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl +

Cl +

HCl

HCl

Schemat prawdopodobnego recyklu w

Schemat prawdopodobnego recyklu w

reakcji 3a

reakcji 3a

3a) C

3a) C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

Biorac pod uwagę wielkośc produkcji,

Biorac pod uwagę wielkośc produkcji,

stechiometrię obu reakcji oraz zakładając

stechiometrię obu reakcji oraz zakładając

stopień przereagowania w 3a 100% i w 3b

stopień przereagowania w 3a 100% i w 3b

65%, możemy policzyć strumienie masowe w

65%, możemy policzyć strumienie masowe w

układzie reaktorów

układzie reaktorów

Kolejno należy przewidzieć orientacyjne

Kolejno należy przewidzieć orientacyjne

parametry pracy reaktorów (potem

parametry pracy reaktorów (potem

można je optymalizować) – pomoc

można je optymalizować) – pomoc

technologa.

technologa.

R 3a – t=90

R 3a – t=90

o

o

C, p=1 bar

C, p=1 bar

R 3b – t=500

R 3b – t=500

o

o

C, p=26 bar (

C, p=26 bar (

niezbyt

niezbyt

trudne do realizacji

trudne do realizacji

)

)

Teraz można policzyć efekt cieplny

Teraz można policzyć efekt cieplny

reakcji

reakcji

Określić sposób realizacji procesów rozdzielania



Czy można stosować rektyfikację? (sekwencja
kolumn)



Czy łatwo skroplić pary z reaktora i w
skraplaczu kolumny?



Jakie powinno być ciśnienie w kolumnach (czy
można stosować wodę chłodzącą?)?



Jaki stan cieplny surowca?

Etap III. Dobór procesów rozdziału

Etap III. Dobór procesów rozdziału

(operator: eliminacja różnic składów)

(operator: eliminacja różnic składów)

temperatura wrzenia [

0

C]

związek p=1,013 bar p=4,864 bar p=12,159ba

r

p=26,344 bar

t

k

[

0

C]

p

k

[bar]

HCl

-84,8

-51,7

-26,2

0,0

51,4

83,188

C

2

H

3

Cl

-13,8

33,1

70,5

110,9

169

56,742

C

2

H

4

Cl

2

83,7

146,0

193,0

242,0

250

50,662

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

HCl

(recykl)

C H Cl

2 3

C H Cl

2 4

2

po reaktorze

3b

Kol.1

Kol.2

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

Etap IV Dopasowanie stanów fazowych,

temperatury i ciśnienia strumieni

surowce

do/po reakcji (3a)

ciecz

t = 112

0

C

p = 1,5 at

do/po reakcji (3b)

faza gazowa

t = 500

0

C

p = 26 at

do kolumny 1

ciecz wrząca

t = 6

0

C

p = 12 at

Schemat części instalacji chlorku winylu po
uzgodnieniu parametrów strumieni

Etap V Dobór aparatów (w metodyce

środki-cele: integracja aparatów)

p = 2 6 a t

p a r a

g r z e w c z a

s p a l in y

c ie c z

r e a k c ja

( 3 a )

r e a k c ja

( 3 b )

o d p a r o w a n i e

s k r a p l a n i e

t = 5 0 0 C

p = 2 6 a t

p a r a

0

t = 9 0 C

p = 1 , 5 a t

0

t = 1 1 2 C

p = 1 , 5 a t

0

t = 2 4 2 C

p a r a

0

P = 1 2 a t

t = 6 C

c i e c z

0

t = - 2 6 C

0

t = 9 3 C

0

t = 1 4 6 , 1 C

0

t = 3 3 , 1 C

0

p a r a w p . r o s y

t = 1 7 0 C

p = 2 6 a t

0

p i e c

K o l . 1

p = 1 2 a t

K o l . 2

p = 4 , 8 a t

c h

c h

H C l

C H C l

2

4

2

C H C l

2

3

C H C l

2

4

2

C l

2

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH