PROJEKTOWANIE PROCESÓW...
Transcript of PROJEKTOWANIE PROCESÓW...
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Wydział Chemiczny
LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
Jerzy Wisialski
ELEMENTY PROJEKTU PROCESOWEGO
PODSTAWY, SCHEMAT IDEOWY
PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
Ludwik Synoradzki, Jerzy Wisialski
Wykład: październik 2016
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
PROJEKT PROCESOWY
Projekt procesowy (ang. Process Design, niem. Verfahrensprojekt) stanowi
z jednej strony swego rodzaju podsumowanie w skondensowanej
formie badań nad procesem technologicznym,
z drugiej zaś jest to pierwsza wizja (koncepcja) instalacji przemysłowej,
w której ten proces ma być realizowany
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
DEFINICJE
PROCES CIĄGŁY – określenie dotyczące sposobu prowadzenia procesu
technologicznego tak, że wszystkie etapy przebiegają równocześnie i w
określonym porządku oraz jest zachowana stałość parametrów procesowych w
czasie
RUCH CIĄGŁY ZAKŁADU - jest to sposób zorganizowania produkcji
polegający na tym, że praca odbywa się na III zmiany produkcyjne (24
godziny na dobę) przez cały rok bez przerw na dni wolne i świąteczne (za
wyjątkiem postojów zaplanowanych).
Liczbę dni pracy produkcyjnej instalacji w roku ustala się uwzględniając
oprócz przerw świątecznych, również czas przewidywany na czyszczenie,
remonty bieżące i okresowe oraz przerwy awaryjne. Dla instalacji pracujących
w ruchu ciągłym przyjmuje się na ogół 300 – 330 dni pracy / rok.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
ZAŁOŻENIA PRZEMYSŁOWE, PROGRAM PRODUKCJI
PROGRAM PRODUKCJI - informacje na temat:
- liczby dni pracy zakładu w roku;
- liczby zmian produkcyjnych;
- przewidywanej ilości produktu (produktów) do wytworzenia
w ciągu doby, roku ….
- periodycznego lub ciągłego sposobu prowadzenia procesu
(związek z założeniami badawczymi).
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
ZDOLNOŚĆ PRODUKCYJNA
Ilość produktu możliwą do wytworzenia w jednostce czasu, np:
[kg / h], [kg/dobę], [t/rok] - dla instalacji ciągłych,
[kg / dobę], [kg/szarżę], [t/rok] - dla instalacji periodycznych.
Proces ciągły – godzinowa zdolność produkcyjna [kg/h]
Proces periodyczny - zdolność produkcyjna odniesiona do doby, roku
oraz projektowanej szarży produkcyjnej.
Wielkość szarży – zgodnie z:
- optymalnymi możliwościami aparaturowymi;
- min. ryzyka powiększania skali, max. pewność ruchowa
Na ogół program produkcji pokrywa się z projektowaną zdolnością
produkcyjną. Inwestor może założyć posiadanie pewnych rezerw zdolności
produkcyjnej, czy to dla całej instalacji, czy też niektórych jej części. W
takim przypadku powinno to być w założeniach jednoznacznie określone.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
ZAŁOŻENIA BADAWCZE, ŹRÓDŁA TECHNOLOGII
MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE
Literatura, sprawozdania z badań: literaturowych, laboratoryjnych,
półtechnicznych itp. stanowią odrębne opracowania – należy się na nie
powołać
Czystość patentowa
Wykaz patentów i know-how dotyczących rozpatrywanych metod.
Czystość patentowa metody proponowanej do wdrożenia.
Sprawozdanie z badania czystości patentowej może stanowić odrębne
opracowanie (załącznik).
Instrukcje technologiczne, pomiary ruchowe
- nieocenione materiały źródłowe technologii. !!!
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Uzasadnienie wyboru metody technologicznej
Skondensowany przegląd dostępnych metod
Uzasadnienie wyboru drogi przeprowadzenia procesu w skali przemysłowej
(synteza - technologia). Kryteria:
- Dostępność i ceny surowców, wydajność procesu,
- Zagadnienia patentowe,
- Pewność (niezawodność) rozwiązań technologicznych,
- Aspekty ekonomiczne
Wybór metody technologicznej powinien wynikać ze sprawozdań z prac
badawczych. Nie ma potrzeby zamieszczania obszernych analiz
ekonomicznych i uzasadnień, wystarczy powołanie się na wcześniej
wykonane prace studialne.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
ISTOTA PROCESU (dla wybranej metody technologicznej)
• Sumaryczne równania podstawowych reakcji chemicznych (zarówno
głównych jak i ubocznych) w sposób czytelny różni odbiorcy
w dalszej części bilanse masowe.
• Efekty cieplne poszczególnych reakcji (egzo- lub endotermiczne)
• Wyjaśnić funkcję katalizatora, podać podstawowe parametry
(temperatura, ciśnienie, czas), stosowane nadmiary w stosunku do
stechiometrii.
• Procesy podstawowe kolejne procesy i operacje jednostkowe
i ich zasadnicze parametry
• Sposób prowadzenia procesu (periodyczny, ciągły)
Bardzo pomocny dla prezentacji metody technologicznej jest:
SCHEMAT IDEOWY
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
SCHEMAT IDEOWY
Schemat ideowy, zwany też schematem blokowym (ang. block diagram), jest
to graficzne przedstawienie procesu technologicznego, polegające na
zestawieniu poszczególnych procesów i operacji jednostkowych w kolejności
ich realizacji oraz wszystkich występujących strumieni masowych.
Jest on szczególnie przydatny w przypadku skomplikowanych technologii,
składających się z wielu procesów i operacji oraz licznych, cyrkulujących
strumieni masowych. Ułatwia analizę całego procesu oraz opracowywanie
bilansu masowego.
Definicje procesu jednostkowego i operacji jednostkowej, zgodnie z
terminologią stosowaną w inżynierii chemicznej.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
PROCES JEDNOSTKOWY
Proces jednostkowy (ang. unit process) jest to wyodrębniony zespół
przemian fizycznych i chemicznych materii, charakterystyczny ze
względu na zachodzącą reakcję chemiczną.
Wyodrębniając poszczególne procesy jednostkowe nadaje się im nazwy,
pozwalające na szybką i łatwą identyfikację w trakcie kolejnych prac w
ramach cyklu badawczo – projektowo – wdrożeniowego.
Oprócz ogólnych określeń jak np. „reakcja syntezy związku X”, czy
„biosynteza”, stosuje się nazwy oddające charakter reakcji i specyficzne
dla danej branży. W syntezie organicznej będą to na przykład procesy:
sulfonowania, nitrowania, chlorowania, estryfikacji, diazowania itp. Inne
przykłady określeń to: neutralizacja, hydroliza czy elektroliza.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
OPERACJA JEDNOSTKOWA
Operacja jednostkowa (ang. unit operation) jest to wyodrębniony
zespół, fizycznych przemian materii (bez reakcji chemicznej),
charakterystyczny ze względu na ich skutek.
Będą to znane z inżynierii chemicznej: destylacja i rektyfikacja,
absorpcja i desorpcja, mieszanie i homogenizacja, filtracja,
suszenie itp. W wyniku tych operacji następuje rozdział lub
łączenie strumieni oraz zmiana ich składu, nie pojawiają się
natomiast nowe związki chemiczne (i nie znikają istniejące).
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Rys. Elementy schematu ideowego
STRUMIENIE WYCHODZĄCE
PROCES lub OPERACJA JEDNOSTKOWA
Podstawowe parametry (T = … P = …)
STRUMIENIE WCHODZĄCE
Zawrót (recykl)
Surowiec A
(ciecz)
Surowiec B (c. stałe)
Gaz
Strumień X
ciecz lub zawiesina
ciało stałe, osad
gaz, opary
OZNACZENIA:
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
SCHEMAT IDEOWY
• Schemat ideowy powinien zawierać zestawienie procesów i operacji
jednostkowych w kolejności zgodnej z rzeczywistym biegiem całego
procesu produkcyjnego.
• Symbole umieszcza się więc w kolejności głównego ciągu technologicznego,
w pionowym układzie poczynając od góry arkusza. Ciągi procesów
pomocniczych powinno się rozmieścić obok ciągu głównego lub na
odrębnych arkuszach.
• Zwykle, strumienie masowe wchodzące rysuje się „od góry”, natomiast
wychodzące „od dołu” prostokątów oznaczających poszczególne procesy
i operacje. Ułatwia to późniejsze opracowanie bilansów masowych
i wykresu Sankey’a.
• Można również graficznie wyróżnić stan skupienia dla poszczególnych
strumieni (ciekłe, gazowe, ciała stałe).
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
SCHEMAT IDEOWY c.d.
• Istotne jest rozbicie całego procesu technologicznego „na czynniki pierwsze”,
to jest procesy i operacje jednostkowe oraz sprecyzowanie ich parametrów.
• Wiele wariantów doboru aparatury dla skali produkcyjnej.
• To, że w jednej kolbie laboratoryjnej było wykonywane wiele kolejnych
przemian, nie oznacza wcale, że w instalacji przemysłowej będzie tak samo.
• Czas wykonywania poszczególnych przemian w laboratorium nie zawsze
może być traktowany jako istotny parametr procesowy, gdyż w instalacji
przemysłowej będzie on wynikał z innych parametrów, jak np. szybkości
odbioru ciepła.
• W niektórych specyficznych przypadkach, czas może wystąpić jako istotny
parametr procesowy. Będzie to na przykład wymagany czas przebywania
mieszaniny reakcyjnej w reaktorze, czas doreagowania itp.
• Niektóre procesy lub operacje jednostkowe mogą być zaprojektowane jako
ciągłe, co zmieni podejście do czasu jako parametru.
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
syntezy stabilizatora
estrocynowego
Estrochlorocyny
Benzyna ekstrakcyjna (świeża) Izooktylotioglikolan
SYNTEZA STABILIZATORA
t = 30C Pnorm.
NEUTRALIZACJA,
t = 50C pH = 7
PRZEMYWANIE WODĄ,
t = 25C
ODDESTYLOWANIE BENZYNY
t = 80 – 100C p = 55 – 10 kPa
FILTRACJA (klarowanie)
t = 25C p = 0,3 MPa
12% NaOH aq.
Woda demi (2 )
Faza wodna (przedgon)
STABILIZATOR
Benzyna regenerowana
Osad (odpad)
Faza wodna (ca 10% NaOH)
(ścieki)
Przemywki wodne
(ścieki)
ROZDZIAŁ FAZ t = 25ºC
ROZDZIAŁ FAZ t = 25ºC
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
otrzymywania BDAW
Toluen
Chlorek p-anizoilu
SUSZENIE BDAW
T = 60ºC
Opary toluenu
FILTRACJA, przemycie, rozdział faz
T = 20ºC vacuum
Filtrat i przemywki
Toluen (2x)
KRYSTALIZACJA BDAW
T = 70–20oC 0,5ºC /min
Toluen
Zaszczepka
HCl + SO2 (do absorpcji)
REAKCJA SYNTEZY
II –gi stopień
T = 78–125ºC
Chlorek tionylu
REAKCJA SYNTEZY
I –szy stopień
T = 90–120ºC
Kwas D-winowy
Katalizator
Toluen
Rozpuszczenie CA
T = 20ºC
HCl gaz. (do absorpcji)
Filtracja klarująca
BDAW produkt
Osad
ciecz lub zawiesina
ciało stałe, osad
gaz, opary
OZNACZENIA:
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
otrzymywania KDBW
metodą hydrolizy
bezpośredniej
Opary
S Y N T E Z A
T = … P = …
HYDROLIZA
T = … P = …
KRYSTALIZACJA KDBW
T = … P = …
FILTRACJA KDBW, T = … P = …
przemywanie, rozdział faz
SUSZENIE KDBW
T = … P = …
MIELENIE KDBW
Kwas winowy
Katalizator
HCl gazowy do absorpcji
Filtrat organiczny (do neutraliz.)
Przemywki organiczne (do neutraliz.) Przemywki wodne (do neutraliz.)
Woda
Rozpuszczalnik
Rozpuszczalnik
Woda
Rozpuszczalnik
Rozpuszczalnik
Chlorek benzoilu
KDBW produkt
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
regeneracji
rozpuszczalnika
z syntezy KDBW
Przemywki wodne
ROZDZIAŁ FAZ
NEUTRALIZACJA I-szy stopień
t = 85C
NEUTRALIZACJA II-gi stopień
t = 85C
DESTYLACJA ROZPUSZCZALNIKA
t = 84 112C; Pnorm.
ROZDZIAŁ FAZ t = 25C
ROZDZIAŁ FAZ t = 25C
Przygotowanie 12%
roztworu NaOH Faza wodna
Filtrat organiczny
Przemywki org.
NaOH st.
Woda
Faza
organiczna
Odciek wodny (I)
Odciek wodny (II)
Pozostałość podest.
Faza organiczna (reflux)
Przedgon
(faza wodna)
Rozpuszczalnik regenerowany
Woda (2x)
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
absorpcji HCl
z syntezy KDBW
ABSORPCJA WODNA
I-szy stopień t = 25C, pnorm
ABSORPCJA WODNA
II-gi stopień t = 25C, pnorm
ABSORPCJA ALKALICZNA
t = 25C, pnorm
HCl gazowy
30% kwas solny
Gazy resztkowe
Odciek alkaliczny
12% NaOHaq.
Woda
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
elektrolitycznego
otrzymywania SnO (wersja III)
+ -
ELEKTROLIZA
Anolit Bufor Katolit
STRĄCANIE SnO
ROZDZIAŁ FAZ
Szlamy
NaOH aq. sol.
Natant mętny
Woda
PRZEMYWANIE 1-sze
ROZDZIAŁ FAZ
PRZEMYWANIE 2 i 3
ROZDZIAŁ FAZ
SUSZENIE
Strącanie Sn rozp.
Ścieki
Szlamy
Blacha Zn
SnO produkt
SnO mokry
Przemywki 1 klarowne
Przemywki 2 i 3
Woda (para)
Szlamy do komory
katodowej
Woda
Przemywki 1 mętne
Natant klarowny
SnO mokry
Szlamy
Natant mętny Cyna gąbczasta
Wodór
Korekta
składu
? ?
KOREKTA SKŁADU
30% HCl
NaCl
Sn metaliczna
w sztabach
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.
Schemat ideowy
elektrolitycznego
otrzymywania SnO (wersja V)
FILTRACJA
PRZEMYWANIE
(proces periodyczny)
STRĄCANIE SnO
(proces period.) t = 20 – 50C
ROZDZIAŁ FAZ
NaOH 40% aq. sol.
Natant
Woda demi
SUSZENIE
MIESZANIE
SnO produkt
SnO mokry
Woda (para)
gęstwa SnO
Natant (ciągle)
Cyna gąbczasta
Wodór
Woda
KOREKTA SKŁADU
30% HCl
Sn metaliczna
w sztabach
(periodycznie)
(odbiory ciągłe)
Przemywki
Filtrat
+ -
ELEKTROLIZA
Anolit Bufor Katolit
Odpad
11 12
13
6
7
9
5
1
4
2
3
16
19
9
20
17
14
15
3
10 8 7
© Materiały wykładowe stanowią własność intelektualną
i podlegają ochronie zgodnie z prawem autorskim.