Inżynieria chem. i proces. 67str.PDF

INŻ YNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

YNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

Prof. dr hab. Leszek CZEPIRSKI

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA

WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW

WYKŁAD (15 godz.)

Piątek, 9.45 – 11.15, B-3, s. 320

8.10.2010

15.10.2010

22.10.2010

29.10.2010

5.11.2010

19.11.2010

26.11.2010

3.12.2010

INŻ YNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

YNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

Prof. dr hab. Leszek CZEPIRSKI

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA

WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW

III r. PiE

INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (Procesy przenoszenia pędu)

Przepływ płynów.

Podstawowe pojęcia dotyczące przepływu płynów (ilościowe określanie przepływu, przepływ

ustalony i nieustalony). Bilans masowy przepływu płynów doskonałych i rzeczywistych (równanie

ciągłości strumienia). Bilans energetyczny strumienia (równanie Bernoulli’ego dla płynów

doskonałych i rzeczywistych). Graficzna interpretacja równania Bernoulli’ego. Zastosowania

równania Bernoulli’ego (ustalony i nieustalony wypływ cieczy ze zbiorników, czas opróżniania

zbiorników o różnym kształcie, uogólnione równanie Bernoulli’ego).

Rodzaje przepływów (ruch laminarny i burzliwy, liczba Reynoldsa jako kryterium ruchu płynu,

rozkłady prędkości płynu w rurociągu). Opory przepływu płynu. Równanie Darcy-Weisbacha.

Współczynnik oporu dla ruchu uwarstwionego i burzliwego. Przepływ w gładkich przewodach

cylindrycznych. Promień hydrauliczny i zastępcza średnica rurociągu. Opory lokalne w czasie

ruchu płynów w przewodach. Przepływ przez rury szorstkie, przewężenia, kolana i zawory.

Przepływ przez wężownice. Długość zastępcza rurociągu. Całkowity opór przetłaczania. Obliczanie

przepustowości rurociągu (wzór Pohlego). Obliczanie rurociągu dla płynów ściśliwych - przepływ

izotermiczny i adiabatyczny. Optymalna średnica rurociągu. Wpływ efektów cieplnych na opory

przepływu.

Procesy dwufazowe ciało stałe - płyn.

Ruch cząstek stałych w polu sił masowych i odśrodkowych. Opór ośrodka. Opadanie grawitacyjne.

Wzory Stokesa, Allena i Newtona na prędkość opadania. Graniczne średnice opadających cząstek

dla trzech zakresów opadania. Uproszczona metoda obliczania prędkości opadania i średnicy

opadającej cząstki. Opadanie zakłócone. Zastosowanie praw opadania w procesach rozdziału

układów ciało stałe – płyn (klasyfikacja hydrauliczna, odpylanie gazów, sedymentacja naturalna i

wymuszona).

Przepływ płynu przez warstwę usypanego materiału stałego. Powierzchnia właściwa ziarna,

porowatość złoża, średnica zastępcza i kształt ziarna. Opory przepływu płynu przez złoże

ziarnistego materiału. Fluidyzacja. Minimalna i maksymalna prędkość fluidyzacji, ekspansja złoża,

transport pneumatyczny i hydrauliczny.

Filtracja (opór filtracji, równanie Rutha, filtracja przy stałej i zmiennej grubości warstwy osadu).

Przepływ dwufazowy gaz - ciecz przez nieruchome wypełnienie. Charakterystyka wypełnień.

Zastępcze liczby Reynoldsa. Dozwolona prędkość przepływu fazy gazowej. Spadek ciśnienia fazy

gazowej na wypełnieniu zraszanym cieczą.

Przepływ gazu przez warstwę cieczy (barbotaż). Ruch pęcherzyków gazu w cieczy. Barbotaż

swobodny i łańcuchowy. Wyznaczanie prędkości i średnicy pęcherzyka w barbotażu łańcuchowym.

Powierzchnia kontaktu faz i straty ciśnienia przy barbotażu. Pienienie i zachłystywanie przy

barbotażu.

LITERATURA

1. Z.Kembłowski, S.Michałowski, C.Strumiłło, R.Zarzycki, Podstawy teoretyczne inżynierii

chemicznej i procesowej, WNT W-wa 1985.

2. Zbiór zadań z podstaw teoretycznych inżynierii chemicznej i procesowej, (praca zbiorowa pod

redakcją T.Kudry), WNT W-wa 1985.

3. S.Wroński, R.Pohorecki, Termodynamika i kinetyka procesów inżynierii chemicznej, WNT W-

wa 1979.

4. S.Wroński, R.Pohorecki, J.Siwiński, Przykłady obliczeń z termodynamiki i kinetyki procesów

inżynierii chemicznej, WNT, W-wa 1979.

5. K.F.Pawłow, P.G.Romankow, A.A.Noskow. Przykłady i zadania z zakresu aparatury i inżynierii

chemicznej, WNT W-wa 1988.

6. W.Ciesielczyk. K.Kupiec, A. Wiechowski, Przykłady i zadania z zakresu inżynierii chemicznej i

procesowej, cz. I, II, skrypt Politechniki Krakowskiej. 1989.

7. Zadania rachunkowe z inżynierii chemicznej, (pr. zbiorowa pod red. R.Zarzyckiego), PWN W-

wa 1980.

8. M.Serwiński, Zasady inżynierii chemicznej i procesowej, WNT W-wa 1982.

9. Podstawowe procesy inżynierii chemicznej. Przenoszenie pędu, ciepła i masy, (pr. zbiorowa pod

red. Z.Ziółkowskiego), PWN W-wa 1982.

10. J.Ciborowski, Inżynieria chemiczna. Inżynieria procesowa, WNT W-wa 1973.

11. J.Ciborowski, Podstawy inżynierii chemicznej, WNT W-wa 1965.

12. C.O.Bennet, J.E.Myers, Przenoszenie pędu, ciepła i masy, WNT W-wa 1967.

13. R.Koch, A,Noworyta, Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT W-wa, 1995.

14. A.Selecki, M.Gradoń, Podstawowe procesy przemysłu chemicznego, WNT W-wa 1985.

15. A.Kozioł, Kinetyka procesów, mechanicznych, cieplnych i dyfuzyjnych, (skrypt Politechniki

Wrocławskiej), 1979.

16. J.Pikoń, Aparatura chemiczna, PWN W-wa 1983.

Co to jest Inżynieria Chemiczna?

Zwykle uważa się, że początki ludzkiej twórczości giną w pomrokach dziejów. Z historią

inżynierii chemicznej jest inaczej. Można dość dokładnie określić miejsce, czas i okoliczności jej

narodzin.

Chociaż przemysł chemiczny jest znacznie starszy niż wiele innych, inżynieria chemiczna nie

istniała, jako oddzielna dyscyplina, aż do dwudziestego wieku. Aby to wyjaśnić, musimy się

przenieść do wieku dziewiętnastego. W Niemczech sporą tradycję miał już przemysł związków

organicznych. Od połowy osiemnastego wieku intensywnie rozwijano tam m.in. produkcję

barwników. Dodajmy - metodą okresową.

W 1811 roku Flesnel otrzymał NaHCO 3 wg reakcji leżącej u podstaw amoniakalnej metody

produkcji sody. Okazało się jednak, że znajomość samej reakcji chemicznej nie wystarczyła do

opracowania procesu technologicznego, który składa się z szeregu operacji termodynamicznych,

kinetycznych, hydrodynamicznych, cieplnych itp.

Droga od laboratorium Flesnela do skali przemysłowej była wielką szkołą pokory dla

chemików. Dopiero w 1865 roku Solvayowi udało się uruchomić w Belgii fabrykę do produkcji

sody według chemicznej koncepcji Flesnela. Instalacja, którą stworzył była świetnym przykładem

zastosowania zaawansowanych idei inżynierii chemicznej. Przeważyły względy procesowe nad

czystym chemizmem; mówi się bowiem o metodzie Solvaya, a nie Flesnela.

Wydawać by się mogło, że to właśnie Europa, powinna być kolebką nowej dyscypliny nauk

technicznych. Tak jednak się nie stało. Dlaczego?

Ludzie kształtujący ówczesny niemiecki przemysł chemiczny byli głównie praktykami, nie

zainteresowanymi w ilościowej analizie istoty procesów leżących u podstaw stosowanych

technologii. Niemiecka tradycja przemysłowa stawiająca na produkcję drobnych chemikaliów

organicznych, praktycznie aż do I wojny światowej, też nie stworzyła bodźca do rozwoju inżynierii

chemicznej.

Trend masowej produkcji przemysłowej zaczął zapowiadać nadejście nowego spojrzenia na

procesy technologiczne. Inicjatywę przejęły Stany Zjednoczone. To tam, a nie w Europie,

postawiono na przemysłowe zastosowanie idei, które potem na długo stały się obowiązującymi

kanonami inżynierii chemicznej. Koncepcja trafiła na podatny grunt. Metody i pojęcia rodzącej się

nowej dyscypliny, zaczęły rozwijać się razem z amerykańskim przemysłem. Uruchomiono potężne

rządowe programy badań eksperymentalnych m.in. w: Columbia University, Massachusetts

Institute of Technology, University of Michigan.

W roku 1908 powstał American Institute of Chemical Engineers (AIChE). Pierwsi studenci

inżynierii chemicznej słuchali niezwykle "spersonalizowanych" i zróżnicowanych wykładów

Chandlera, Nortona, Thorpa, Wittakera, Walkera. i Whita. W dużym stopniu były one oparte na

studium technologii chemicznej. Z upływem czasu rosła jednak potrzeba unifikacji pojęć i

programów.

Na zjeździe AIChE w 1922 roku zaaprobowano pojęcie operacji jednostkowej . Idea nasuwała

się sama. Każdy, dowolnie skomplikowany proces technologiczny, przebiegający w dowolnej skali,

da się rozłożyć na pewne składowe, takie jak: przepływy płynów przez rurociągi, filtracja,

sedymentacja, odparowanie, destylacja, rektyfikacja, absorpcja, ekstrakcja, adsorpcja, suszenie,

krystalizacja, sublimacja oraz liczne procesy chemiczne z towarzyszącymi im zjawiskami ruchu

masy i ciepła. Każdy ciąg technologiczny jest zatem zbudowany z pewnej sekwencji operacji

jednostkowych, jak z klocków Lego. Idea ta była potem rozwijana przez dziesięciolecia, z

pożytkiem dla inżynierii chemicznej i jej użytkowników.

Pojęcie operacji jednostkowej było pierwszym owocem unifikacji metod badawczych

inżynierii chemicznej. Było też jej pierwszym poziomem.

Z chwilą lepszego poznania operacji jednostkowych okazało się, że nie stanowią one

wyodrębnionych jednostek. Innymi słowy, nie są „klockami elementarnymi”. Operacje jednostkowe

zaczęto traktować jako specjalne przypadki lub kombinacje przenoszenia pędu , przenoszenia

ciepła lub dyfuzyjno-kinetycznego ruchu masy . Przykładowo: destylacja jest połączeniem

wspomnianego ruchu masy i ciepła, a filtracja - specjalnym przypadkiem przepływu. Z kolei proces

w reaktorze chemicznym łączy w sobie elementy przepływu płynu, dyfuzyjnego ruchu masy oraz

transportu ciepła.

Było to myślenie twórcze i brzemienne w skutkach. Mniej więcej od roku 1950 (wtedy

powstało światowe czasopismo Chemical Engineering Science ) obserwuje się stopniowe

odchodzenie od koncepcji operacji jednostkowych na korzyść idei zjawisk przenoszenia. W miejsce

ujęć empirycznych - dominujących w „epoce operacji jednostkowych” zaczęto wprowadzać opisy

ilościowe oparte na prawach zachowania i na znajomości mechanizmów rządzących procesami.

„Klockami elementarnymi” okazały się zjawiska leżące u podstaw wszelkich procesów fizycznych i

chemicznych.

Takie podstawowe podejście do zjawisk przenoszenia i procesów chemicznych oznacza, iż

wagi nabrała ich analiza matematyczna. To z kolei stworzyło ogromne możliwości przewidywania

właściwości technologicznych i ekonomicznych dowolnie zaprojektowanych procesów lub ich

ciągów poprzez symulacje komputerowe.

Konsekwencje tej unifikacji są dziś wyraźnie widoczne w intensywnie poszerzającym się obszarze

zainteresowań inżynierii chemicznej. Dziś nikt nie kwestionuje jej obecności w biotechnologii,

zagadnieniach ochrony środowiska, produkcji leków, żywności, paliw, dopalaczy samochodowych,

elektronicznych układów scalonych i sztucznej nerki.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: