Podstawy Technologii Chemicznej prof. dr hab.inż. Józef Hoffmann

Technologia chemiczna:
1) Technologia chemiczna to nauka o przetwarzaniu surowców i postaci energii znajdującej się w przyrodzie na produkty lub postaci energii bardziej dla człowieka użyteczne.

2) Technologia chemiczna zajmuje się metodami wytwarzania dóbr użytecznych na drodze procesów chemicznych.

3) Technologia chemiczna jest nauką o efektywnych, ekonomicznych i bezpiecznych dla środowiska naturalnego sposobach i procesach przemysłowego przerobu łatwo dostępnych surowców naturalnych, półproduktów, surowców wtórnych w produkty użytkowe, pófabrykaty czy środki produkcji, w których dominują przemiany chemiczne.

4) Technologia chemiczna to nauka interdyscyplinarna której zadaniem jest doprowadzenie do wytwarzania określonych produktów w warunkach możliwie najkorzystniejszych.

Powinna:

- tłumaczyć podstawowe prawa operacji jednostkowych i procesów jednostkowych;

- umożliwiać obliczenie parametrów urządzeń niezbędnych do realizacji operacji i procesów;

- uzasadniać wybór najkorzystniejszego schematu łączącego poszczególne operacje i procesy jednostkowe w jeden ciąg technologiczny;

Procesy technologii chemicznej realizuje się w przemyśle chemicznym (przemysł materiałów budowlanych, spożywczy, papierowy, paliw…).

Technologia musi uwzględniać czynniki ekonomiczne - wartość produktu musi być wyższa od poniesionych kosztów. Nakłady inwestycyjne i koszty opracowania technologii, zakupu licencji, opłat tytułem praw patentowych, know how, projektowania, budowania zakładu wytwórczego muszą dać określone korzyści gospodarcze.

Technologia chemiczna zajmuje się organizacją procesów produkcyjnych, poczynając od pojedynczego aparatu przez układ technologiczny (szeregowy, równoległy) wielu aparatów, a kończąc na całym przedsiębiorstwie.

Procesy te mogą polegać na:
- wyodrębnieniu substancji;
- oczyszczaniu substancji;

- syntezie chemicznej (szereg syntez);

- wydzieleniu produktu (produktów) z mieszanin otrzymanych w wyniku syntezy;

Technologia jest jedną z dyscyplin chemii, ale i jednocześnie techniki (operowania, wykorzystania zjawisk występujących w przyrodzie w celu poprawy warunków życia człowieka).

Historia technologii chemicznej:

- kwas siarkowy XVIII w.

- cement portlandzki XIX w.

- synteza amoniaku 1913r.

Technologia chemiczna dzieli się na organiczną i nieorganiczną.

Kierunek reakcji chemicznych:
Reakcje chemiczne są odwracalne - konieczne jest więc dla technologa określenie kierunku przebiegu reakcji i położenie równowagi.

Wpływ różnych czynników (temperatura, ciśnienie, stężenie reagentów) na położenie równowagi opierają się na prawie działania mas (regule le Chateliera).

Reakcje chemiczne zdążają do stanu równowagi między substratami, a produktami - dopóki stosunek iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów nie osiągnie stałej wartości charakterystycznej dla danej reakcji i dla danej temperatury, zwanej stałą równowagi chemicznej.

Zmiany położenia równowagi układu znajdującego się w stanie równowagi następujące w takim kierunku, który spowoduje zmniejszenie się wpływu dokonanej zmiany.

Ocena jakościowa:

- doprowadzenie do układu ciepła przesunięcie się położenia równowagi w kierunku odpowiadającemu reakcjom endotermicznym;

- podwyższenie ciśnienia dla reakcji N₂ + 2H₂ 2NH₂ spowoduje przebieg reakcji w kierunku związanym ze zmniejszaniem objętości;

Dobór reakcji chemicznej:

U - energia wewnętrzna

H - entalpia

S - entropia

F - energia swobodna

G - entalpia swobodna

ΔG - zmiana entalpii swobodnej

ΔH - zmiana entalpii

ΔS - zmiana entropii

ΔG = -RT ln K_p

ΔG = ΔH - TΔS

ln K_p >> 0 - reakcja samorzutna, praktycznie nieodwracalna

ln K_p << 0 - reakcja niesamorzutna, praktycznie nie zachodzi

Klasyfikacja reakcji:

• ΔH < 0 i ΔS > 0 - reakcja egzotermiczna, ze wzrostem temperatury rośnie wartość stałej równowagi, a więc i stopień przemiany, reakcja samorzutna, uprzywilejowana, praktycznie nieodwracalna

• ΔH < 0 i ΔS < 0 - reakcja egzotermiczna, ze wzrostem temperatury maleje wartość stałej równowagi, a więc i stopień przemiany, reakcja odwracalna, samorzutna w niskich temperaturach

• ΔH > 0 i ΔS > 0 - reakcja endotermiczna, ze wzrostem temperatury rośnie wartość stałej równowagi, a więc i stopień przemiany, reakcja odwracalna, samorzutna w wysokich temperaturach

• ΔH > 0 i ΔS < 0 - reakcja endotermiczna, ze wzrostem temperatury maleje wartość stałej równowagi, a więc i stopień przemiany, reakcja niesamorzutna w całym zakresie temperatur

Szybkość reakcji:

AB

Zasady technologiczne

Ogólne zasady technologiczne przy projektowaniu procesów technologicznych:

- zasada najlepszego wykorzystywania surowców;

- zasada najlepszego wykorzystywania energii;

- zasada najlepszego wykorzystywania aparatury;

- zasada umiaru technologicznego - realizacja procesu zgodna z zasadami ochrony środowisk, minimalizacja ilości odpadów, warunkami lokalizacji, zdolności produkcyjnej, instalacji itp.

Operacje i procesy jednostkowe

Operacje i procesy jednostkowe - elementy wspólne, powtarzające się w wielu procesach technologii chemicznej.

Procesy o charakterze fizycznym i fizykochemicznym określa się jako operacje jednostkowe - unit-operation:

- przepływ płynów

- sedymentacja

- filtracja

- rozdrabnianie ciał stałych

- mieszanie

- przewodzenie ciepła

- promieniowanie cieplne

- ogrzewanie i chłodzenie

- wrzenie i kondensacja

- przenikanie masy

- destylacja

- rektyfikacja

- absorpcja

- ekstrakcja

- suszenie

Procesy o charakterze ściśle chemicznym, a więc z udziałem przemiany i reakcji chemicznej to procesy jednostkowe i procesy jednostkowe chemiczne - unit-processes:

- spalanie i utlenianie w wysokich temperaturach

- zgazowanie

- reakcje gazowe bez udziału kontaktu

- reakcje gazowe kontaktowe

- reakcje między gazami i cieczami

- zobojętnianie

- podwójna wymiana …….

Opracowanie nowej technologii chemicznej:

- przygotowanie nowej koncepcji procesu, rozwój technologiczny, bezpieczeństwo technologiczne, modernizacja

- założenia techniczno - ekonomiczne inwestycji: ustalenia określające cel, program, podstawowe dane i parametry, charakteryzujące wymagania, koszt w zakresie wystarczającym do opracowania projektu technicznego

- projekt techniczny -dokumentacja w formie graficznej, modelowej, zestawień liczbowych i opisów dotyczących wykonania wszystkich procesów, dostaw, czynności, uzgodnień, umożliwiających realizację inwestycji

- opracowanie tej dokumentacji wymaga realizacji wielu prac studialnych dotyczących wyboru technologii, skali produkcji, lokalizacji, gospodarki energetycznej, wodnej, transportowej, dostępności i jakości surowców, aparatury; zazwyczaj realizuje się ten etap przez opracowanie projektu procesowego

Projekt procesowy:

1. Charakterystyka i zapotrzebowanie wyrobu

2. Stosowane w świecie metody produkcyjne i kierunki rozwoju technologii

3. Charakterystyka proponowanej metody

4. Warunki lokalizacji

5. Charakterystyka surowców

6. Charakterystyka produktu głównego i ubocznych

7. Charakterystyka odpadów i ścieków oraz ich utylizacja, neutralizacja, składowanie

8. Schemat ideowy

9. Indywidualne parametry poszczególnych procesów i operacji jednostkowych

10. Opis procesu technologicznego

11. Schemat technologiczny

12. Bilans materiałowy

13. Bilans cieplny

14. Materiały konstrukcyjne i zagadnienia związane z ochroną przed korozją

15. Zestawienie aparatów i urządzeń

16. Harmonogram pracy aparatów

17. Wskaźniki zużycia surowców i energii

18. Zapotrzebowanie siły roboczej

19. Koncepcja przestrzennego rozmieszczenia aparatów i urządzeń

20. Zagadnienia higieny i bezpieczeństwa pracy

Projekt procesowy - niedomagania

- ekonomika technologii

- projektowanie

- budowa instalacji

- prowadzenie procesów przemysłowych

- sterowanie

- zarządzanie fabrykami

- badania i edukacja

---