Bazele Ingineriei ChimiceSemestrul 4, examen, 5 credite 3 ore curs sptmnal: Conf. dr. ing. Tiberiu Dinu DANCIU F 211 / S 007, tiberiu_danciu@yahoo.com Conf. dr. ing. Paula POSTELNICESCU

2 ore aplicaii sptmnal: Conf. dr. ing. Gheorghe SOARE ef lucrri dr. ing. Anca Mdlina DUMITRESCU As. ing. Rzvan Sorin ONOFREI

1

Prezentare general Cursul prezentare ppt (a nu se nota!) + diverse comentarii (prezena!) + bibliografie Capitole: Preliminarii Elemente de analiz dimensional i teoria similitudinii Bilanuri de materiale Bilanul termic Ecuaiile ingineriei chimice

2

Prezentare general Bibliografie: Tiberiu Dinu DANCIU, Paula POSTELNICESCU, Anca Mdlina DUMITRESCU, Rzvan Sorin ONOFREI, Bazele Ingineriei Chimice, vol. I + II, Fair Partners, Bucureti, 2004 i 2007 (Lib.B + S 007) Emil DANCIU, Grigore BOZGA, Bazele Ingineriei Chimice cu Aplicaii, Litografia UPB, 1985 (Bibl. L) Emilian A. BRATU, Operaii Unitare n Ingineria Chimic, vol. I III, Editura Tehnic, Bucureti, 1984 (Bibl. L)3

Prezentare general Notare 50% notare pe parcursul semestrului: 15% laborator referate personale 35% lucrri scrise (probleme!) + teme de cas

50% - examen scris i oral: 25% probleme personalizate eliminatoriu! 10% test gril teorie 15% argumentare (susinere defending) oral

din oficiu nimic! (dar exist bonus-uri) fiecare jumtate promovat!

4

Prezentare general pre-rechizite (condiionri): chimie, fizic, matematic (liceu!) chimie fizic, elemente de mecanic utilizarea calculatoarelor i grafica asistat cont activ n reeaua facultii englez (english) pn prin 1960, german

competene (ctiguri, sperm!): utilizarea limbajului specific i deinerea elementelor pentru nelegerea disciplinelor de inginerie (secii) calcule de bilanuri (de materiale i energetice) pentru instalaii de complexitate medie (licen!) 5 capacitatea de integrare n echipe multidisciplinare

Avertisment cursuri uoare = cunotine noi relativ puine, numai la nivel informativ, efort profesor mic, efort student foarte mic, utilitate extrem de redus (att imediat, ct i pe termen lung), pierdere de timp! cursuri medii = multe reluri, informaie diluat, cunotine noi puine, efort profesor mediu, efort student relativ mic, utilitate redus (cimentarea unor noiuni), pierdere de timp! cursuri grele = cunotine noi din abunden, explicate temeinic, efort profesor mare, efort student foarte mare, utilitate ridicat (att imediat, ct i pe termen lung), dac ai plti cursul respectiv, ar merita 6 oare? Dar celelalte?

BS Bachelor of Science

7

BS Bachelor of Science

8

BS Bachelor of Science

9

Preliminarii definiii istoricul dezvoltrii ingineriei chimice proces tehnologic chimic rolul ingineriei chimice ca profesiune terminologie metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologice obiectivele ingineriei chimice modele10

inginerie: tiina de transformare a cunotinelor omenirii n mijloace de mbuntire ale vieii (teorie practic industrial) ingineria chimic doar un sector dar cel mai cuprinztor! Jules Verne, 1875 Htte, 1949 inflaie a denumirii

Definiii

Jules Verne, 1828-1905

Abordare raional, sistemic i sintetic a industriei chimice i nu numai

11

DefiniiiIngineria chimic este o tiin tehnic multidisciplinar care, pe baza unor cunotine aprofundate de matematic, fizic, chimie fizic, chimie, biochimie, tehnologie chimic, tiina materialelor, informatic, automatic, economie de ramur, conducerea ntreprinderilor i protecia mediului, studiaz procesele fundamentale de transfer, operaiile unitare, utilajele i instalaiile industriei chimice, n vederea acumulrii cunotinelor necesare realizrii la scar industrial a unor noi procese, procedee, produse i materiale, utilaje i instalaii, folosind analiza la microscal i mezoscal i tehnica de calcul pentru integrarea proceselor la macroscal, n condiiile asigurrii unui optim economic impus de fiecare etap de dezvoltare a societii. Prof. dr. ing. Emil DANCIU 12

Istoric Etape de dezvoltare ale industriei chimice: empiric (meteuguri, bresle) raional (Solvay, 1860, 1896)

Etape de dezvoltare ale ingineriei chimice:

Acad. Emilian Bratu 1904-1991

apariia disciplinei sf. sec. XIX, UK i US (I.E.C.) operaii unitare pn la mijlocul sec. XX (Bratu) fenomene de transport pn la sf. sec. XX integrarea proceselor (unificarea modelelor, computerizare) 13

Proces tehnologic chimic1. invenia sau inovaia (pregtire multidisciplinar, brevet) 2. documentarea (Chemical Abstracts, internet) 3. analiza economic (marketing, oportunitate) produse i procedee extrem de diverse, uzur moral rapid, condiii extreme, impact... 4. cercetare de laborator (instalaie de sticl, micropilot) obinerea de date fizice 14 (condiii, constante de material, geometrii)

Proces tehnologic chimic5. proiectare, construcie i operare pilot: producie (testare produs) testare procedeu (date de proiectare i scale-up) testare materiale de construcie machete pentru amplasare utilaje i conducte

6. proiectare, construcie i operare instalaie semi-industrial faza cheie 7. proiectare (tehnologie, utilaje i montaj), construcie i operare instalaie industrial (i ulterior perfecionare i optimizare) 15

Proces tehnologic chimicHOW???

16

Proces tehnologic chimic cantiti foarte mari rentabilitate economic pericole uzur moral i fizic diversitate uria de: produse procedee, condiii

multe scale intermediare cresctoare! personalul implicat tot mai numeros!17

Proces tehnologic chimicExemplu: sinteza NH3 din elemente

HOW???

18

Proces tehnologic chimicSe pot imagina pn la 9 (!) etape (procese fizico chimice): circulaia moleculelor de reactani gazoi (azot, hidrogen) la distan de granula catalitic (1 convecia), respectiv n vecintatea acesteia (2 difuzia prin stratul limit) i prin porii catalizatorului (3), adsorbia (4 ataarea moleculelor de suprafaa catalizatorului, pe un centru activ sau mai muli), reacia superficial (5), urmat de parcurgerea unui drum invers al produsului de reacie, amoniacul (6 desorbie, 7 difuzie prin pori, 8 difuzie extern prin stratul limit, 9 convecie) pn n curentul gazos.

Un por (pore) dintr-o granul de catalizator (primul salt la alt scal)19

Proces tehnologic chimic

Urmtoarele dou scale: particul (pellet) de catalizator, respectiv strat (bed) de particule 20

Proces tehnologic chimic

Scala reactor chimic

21

Proces tehnologic chimic

Scalele instalaie (uzin, fabric) i industrie 22

Proces tehnologic chimicCea mai important invenie a sec. XX (Nature, 1999)

Carl Bosch, 1874-1940 Nobel chimie 1931 Fritz Haber, 1868-1934 Nobel chimie 1918

23

Rolul ingineriei chimice (profesie) Piramida responsabilitii (i importanei competenei) civile: biochimie, mass media, politic inginer chimist, energetic nuclear arhitect, constructor medic (!)

Argumente pentru inginerul chimist: DDT, freoni, dioxina (agentul orange) etc. Minamata, Cevesso, Bhopal, Teleajen, Borzeti etc.24

Rolul ingineriei chimice (profesie)

25

Rolul ingineriei chimice (profesie) Schema general a unei fabricaii chimice (oricare!):Cunotine de: chimie chimie-fizic altele!

S MP

I

II

III

P

R

MP materii prime (raw materials) P produi (principali) de reacie (main products) S produi secundari sau deeuri (by-products or wastes) R - reciclul (recircularea) de materii prime nereacionate, diverse recondiionri (recycle) I operaii fizice de pregtire (ale materiilor prime) II - prelucrare chimic (uneori o singur reacie!) 26 III - prelucrare fizic (separarea produilor utili din amestec)

TerminologieOrice tiin limbaj i metode proprii; ingineria nu face excepie (exemplu: ce nseamn noxe? rspunsul se afl n formula NOx) Fabricaie (proces tehnologic operating process): succesiune ordonat logic de faze fizice i chimice denumite n ingineria chimic operaii unitare, respectiv procese chimice (tip) Operaie unitar (unit operation): faz nechimic a procesului tehnologic, comun unui numr mare de fabricaii chimice, n care procesul determinant const din unul sau cteva procese fizice fundamentale (baza teoretic fiind comun, se ajunge la relaii de proiectare identice i utilaje cu geometrie i componen asemntoare) 27

Terminologie Fenomen (proces) fizic fundamental (elementar): proces fizic dominant ntr-o operaie unitar, reprezentat printr-un fenomen de transport sau transfer de proprietate (impuls sau moment, energie sau cldur i mas de substan) baza modelrii matematice a operaiilor unitare, care permite dimensionarea tehnologic a utilajului n care se desfoar operaia Transport de proprietate: deplasarea unei proprieti ntr-o singur faz Transfer de proprietate: deplasarea unei proprieti ntre dou faze Proces: totalitatea evenimentelor (transformrilor) simultane i consecutive care se desfoar ntr-un spaiu delimitat pe o durat dat 28

Terminologie Proces chimic tip: ntreptrunderea dintre fenomenele fizice de transport de proprietate i cel puin o reacie chimic Regim de funcionare: mod de operare a unui utilaj sau a unei instalaii, caracterizat de procese ce menin constante majoritatea parametrilor ce descriu aceste procese; poate fi staionar (toi parametrii sunt constani n timp, steady-state) sau nestaionar (dynamic) Stare (echilibru, equilibrium state): situaie aproximativ stabil n care se ajunge fie datorit absenei (opririi) proceselor, fie desfurrii lor la o scal neglijabil (ca vitez sau efecte), fie echilibrrii unor procese (tendine) contrare; starea se poate menine sau nu la apariia fluctuaiilor (interne) sau perturbaiilor (externe) 29

Terminologie Utilaj (equipment, device, tool): element (incint) dintr-o instalaie n care se realizeaz o etap a unui proces tehnologic Reactor chimic: utilaj care servete la realizarea unui proces chimic tip n vederea obinerii unui produs util Instalaie (plant): ansamblu funcional de dou sau mai multe utilaje (conexiuni, restricii) Procedeu (method, proceeding): mod alternativ de realizare fie a unei operaii, fie a unui proces tehnologic (de exemplu: separarea unei suspensii poate fi efectuat prin decantare, filtrare sau presare) Tehnic de lucru (technique, art): procedeu aplicabil pentru realizarea mai multor operaii (de exemplu: centrifugarea se aplic n operaiile bazate pe sedimentare decantare, 30 desprfuire , n filtrare, n desecare)

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologiceI.

Operaii pregtitoare ale materiilor prime:mecanice:concasare (mrunire crushing, breaking) clasare (sortare classing, sorting) amestecare (mixing) transport pneumatic solide (pneumatic transport) transport lichide (pompare - pumping) transport (i comprimare) gaze i vapori (compression)

termice:nclzire (heating) rcire (cooling) 31

II. Procese chimice n ingineria reaciilor chimice, acestea sunt definite conform urmtoarelor criterii de clasificare ale reactoarelor chimice:a)

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologice

desfurarea n timp a procesului reactoare:continue (continuous) discontinue (batch) semicontinue

b)

natura circulaiei fluidelor reactor cu:recirculare (R stirred tank reactor) cu deplasare (D plug flow reactor) 32

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologicec) numrul fazelor fizice prezente reactor (proces):

omogen (homogeneous) eterogen (heterogeneous)exoterm (exothermic) endoterm (endothermic) izoterm (isothermal) adiabat (adiabatic) politrop (polytropic) programat (programmed) autoterm (self-sustained heat)

d) semnul cldurii de reacie proces:

e) regimul termic reactor (proces):

33

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologicef) cinetica reaciei chimice: multiplicitatea (consecutive, parallel, chain, system) ordinul reaciei gradul de reversibilitate tipul de cataliz (dac exist)

g) forma constructiv a reactorului: cu amestecare rotativ (tambur rotary drum) tip coloan (tower) tubular (serpentin sau multitubular) 34

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologiceh) tipul reaciei cel mai puin important! halogenare (halogenation) hidroliz (hydrolysis) polimerizare (polymerization) reducere (reduction, hydrogenation) oxidare (oxidation) esterificare (esterification) alchilare (alkylation) etc. 35

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologiceIII. Operaii de prelucrare ale amestecurilor de reacie (mai ales separri):a)

mecanice:sedimentare (decantare settling, deposition) sedimentare (desprfuire dust removal) filtrare (filtration, leaching)

b)

termice:nclzire (heating) rcire (cooling) fierbere, evaporare (boiling, evaporation) condensare (condensation) 36

Metoda operaiilor unitare n studiul proceselor tehnologicec) de difuzie: difuzie n faz gazoas (diffusion) absorbie (absorption) distilare i rectificare (distillation) adsorbie (adsorption) extracie (extraction) uscare (drying) cristalizare (crystallization) sublimare (sublimation) etc.

37

Separri (sau)

G faz de vapori sau gaz L faz lichid S faz solid omogen eterogen 38

W

RPI W C PJ

MP APJ CT API S R + CO SPI

Q

RPJ

SPJ

D

P

Schema bloc de obinere a amoniacului prin procedeul Haber MP materii prime (N2, H2 i alte gaze, inerte n raport cu sinteza); APJ amestecare la presiune joas; CT comprimare n (3) trepte; API amestecare la presiune nalt; S (reactorul chimic de) sintez; R+CO rcire + condensare; SPI separare la presiune nalt; PJ purj (eliminare inert); C comprimare simpl; RPI reciclu de presiune nalt; D detent; SPJ separare la presiune joas; P produs (NH3); RPJ reciclu de presiune joas; W energie mecanic; Q cldur recuperat. Obs. un singur utilaj chimic, restul 39

RPI C VP

PJ

Sintez (reactor catalitic) Ap cald (Q)

CT API Ap rece

S C (R + CO) SPI

RPJ APJ VL SPJ

Alimentare N2 + H2 + inert

NH3 lichid

Schema tehnologic simplificat a procedeului Haber Aceleai notaii plus: SC schimbtor de cldur (heat exchanger); VL ventil de laminare (throttling valve); VP ventil de purjare (purging valve). Simboluri consacrate utilaje: cicloane (cyclones) ca separatoare, pomp centrifug (compresor, centrifugal pump); teuri (T-uri, tee) ca amestectoare 40 de gaze.

o fabricaie este constituit dintr-o serie de operaii unitare (dintre care unele se repet n cadrul aceluiai proces, aa cum este cazul amestecrii i separrii n procesul de fa) i unul sau mai multe procese chimice numrul operaiilor unitare este sensibil mai mare dect cel al proceselor chimice (aici unul singur!) att operaiile unitare, ct i procesele chimice pot fi comune mai multor scheme de fabricaie procesul chimic i unitile care l deservesc prezint un nalt nivel de complexitate: n reactorul autoterm se produc simultan mai multe procese i anume o curgere de gaze, o reacie chimic eterogen (care presupune transport i transfer de impuls, cldur i substan pe lng reacia chimic intrinsec) i un transfer de cldur ntre gazele alimentate i cele reacionate schemele bloc sau tehnologice grafuri orientate, cu nodurile = utilaje i arcele = cureni (stream) materiali i/sau energetici (exist i de automatizri, montaj, amplasare) oricare este mult mai complicat 41 dect schemele electronice, informaionale etc. (VISIO!)

Concluzii

Obiectivele ingineriei chimice Modelarea i simularea proceselor chimice (pachete de aplicaii software pentru simularea utilajelor i instalaiilor din industriile de proces: HYSYS, Aspen, ChemCAD, Super Pro Designer, UniSim etc.) Dimensionarea de proces (tehnologic) a utilajelor Transpunerea la scar ( scale-up) Operarea performant a instalaiilor: Utiliznd calculatorul off-line Utiliznd calculatorul on-line42

Modele simulare = reproducerea comportrii unui sistem sau a unei componente a acestuia cu ajutorul unui model (fizic sau matematic) modelul fizic al unui proces tehnologic poate fi o instalaie la scar redus n care acesta are loc (n condiii de laborator sau pilot), sau un sistem de alt natur (electric, hidraulic etc.), ale crui principii de funcionare prezint un grad suficient de asemnare cu procesul considerat43

Modele modelul matematic al unui proces se definete ca fiind un set de relaii matematice (de obicei ecuaii, uneori i inecuaii) care descriu, cu o precizie suficient scopului vizat, dependena cantitativ ntre variabilele acestuia: parametrii constructivi ai utilajelor (geometria) n care se desfoar procesul parametrii economici (performane, cum ar fi conversia, selectivitatea sau randamentul, consumurile de utiliti etc.)44

Modele o variabil a procesului desemneaz valoarea unei mrimi funcionale (temperatur, presiune, concentraie, debit, vitez de curgere etc.) parametrii funcionali se mai numesc i condiii constantele fizice ale substanelor implicate n proces (densiti, viscoziti, clduri specifice, clduri latente etc.) de subliniat faptul c aa-numitele constante de material sunt tot variabile n esen, deoarece depind de condiiile de lucru (chiar dac uneori variaz destul de puin)45

Modele modelul, orict ar fi de performant, nu poate reprezenta dect o aproximare a realitii: anumite influene sunt fie ignorate, fie neglijate din neputina cuantificrii lor, fie eliminate din raiuni simplificatoare (un model bun nu este neaprat foarte complicat, ci reprezint un compromis ntre realitate i operabilitate posibilitatea de a fi rezolvat precis i rapid, eventual n timp real) categorii aparte de simplificri ale modelelor matematice sunt idealizrile (gaz ideal, amestec ideal, amestecare perfect) i aproximrile cerute de factorii de scal ori de lipsa de constante 46

Modele modelele matematice pot fi clasificate: dup modul de obinere analitice, empirice sau probabiliste (aleatory) dup cum includ sau nu timpul ca parametru dinamice, respectiv statice dup tipul parametrilor continue sau discrete, locale sau globale (overall) dup tipul procesului modelat determinist sau stocastic (aleator)

soluionarea (rezolvarea) se face din ce n ce mai mult numeric (computere, metode etc.)47

Exemplu de model fizic (virtual) sinteza NH3:1 i 9 convecie (convection) 2 i 8 difuzie n stratul limit 3 i 7 difuzie n pori 4 adsorbie 6 desorbie 5 reacie superficial

Modele

Observaii: se impune constatarea c, din cele nou etape descrise, una singur este pur chimic (!) nici ea (!) nu aparine chimiei clasice deoarece are loc ntre specii adsorbite (superficiale) ntocmirea modelului va reclama i anumite cunotine (reduse!) de chimie, ns totalitatea proceselor se studiaz numai de ctre chimia-fizic i ingineria chimic

48

Modele n raport cu chimia-fizic, ingineria chimic utilizeaz mai puine simplificri; n plus, pune i problema realizrii practice, la scar industrial i rentabil economic la o alt scal, reactorul chimic de sintez al amoniacului pune alte probleme de regul aceste reactoare au catalizatorul dispus n mai multe straturi (fixe sau fluidizate), ntre care se face rcire i/sau amestecare, redistribuire etc. Prin urmare, modelul acestei scale va ine cont de cu totul ali parametri modelele tind s substituie (aproape) complet instalaiile pilot i semi-industriale n: stabilirea mecanismelor cinetice, determinarea constantelor fizico-chimice, programarea experienelor, dimensionarea i amplasarea optim a utilajelor, evaluarea i proiectarea sistemelor de reglare, ntocmirea bilanurilor de materiale i energetice, determinarea unor politici de conducere optimal, studii preliminare de introducere a calculatoarelor de proces etc. 49

Criteriul versatilitii

Modele

Condiii si C cercetare i dezvoltare (aflarea condiiilor): "constante" stabilirea mecanismelor cinetice determinarea constantelor fizico-chimice P programarea experienelor P proiectare tehnologic i ridicare la scar Model studii de dimensionare utilaje matematic amplasarea optim a utilajelor evaluarea i proiectarea Performane sistemelor de reglare (conversie, S simularea operrii (performane) debit) bilanuri de materiale i energetice S determinarea unor politici de conducere optimal studii preliminare de introducere a calculatoarelor de procesTestele pe instalaia industrial nu dispar, ns devin mai sigure Modelele permit specialistului s fie mereu aproape de meserie!

C

Geometrie (form, mrime)

50