BazeleBazele Ingineriei Ingineriei ChimiceChimice

Conf. Dr. Ing. Conf. Dr. Ing. Paula Paula POSTELNICESCUPOSTELNICESCU

p_postelnicescu@chim.upb.rop_postelnicescu@chim.upb.ro

Departamentul de Inginerie Chimică şi Departamentul de Inginerie Chimică şi BiochimicăBiochimică

2

“Scientists discover the world that exists; engineers create the world that never was.” Theodore Von Karman

1881 - 1963

3

Ştiinţa vs. IngineriaŞtiinţa Ingineria

Analiza: pune întrebări; Sinteza: integrează Dezvoltă cunoştinţe. cunoştinţele pentru a crea ceva nou.Elaborează:cunoştinţe. Elaborează: procese

tehnologice şi produse.

Activitate caracteristică:Cercetare. Design creativ.Studiază ceea ce există.Studiază ceea ce va

exista.

4www.tomorrowsengineers.org.uk

Ce presupune ingineria?

5

Cuprins

• Introducere • Elemente de analiză dimensională şi

teoria similitudinii • Bilanţuri de materiale• Bilanţul energiilor• Transportul de proprietate

6

Bibliografie• Tiberiu Dinu DANCIU, Paula POSTELNICESCU,

Anca Mădălina DUMITRESCU, Răzvan Sorin ONOFREI, Bazele Ingineriei Chimice, vol. I, Fair Partners, Bucureşti, 2004.

• Tiberiu Dinu DANCIU, Paula POSTELNICESCU, Anca Mădălina DUMITRESCU, Bazele Ingineriei Chimice, vol. II, Fair Partners, Bucureşti, 2007.

• Emil DANCIU, Grigore BOZGA, Bazele Ingineriei Chimice cu Aplicaţii, Litografia UPB, 1985.

7

• Emilian A. BRATU, Operaţii Unitare în Ingineria Chimică, vol. I – III, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984.

•David HIMMELBLAU, James RIGGS, Basic Principles and Calculation in Chemical Engineering, 8th ed., Prentice Hall, 2012.•Richard FELDER, Ronald ROUSSEAU, Elementary Principles of Chemical Processes, 3th ed., John Wiley & Sons, 2000.

8

Introducere• Istoricul dezvoltării ingineriei chimice• Rolul ingineriei chimice ca profesiune• Metoda operaţiilor unitare în studiul

proceselor tehnologice• Obiectivele ingineriei chimice

9

”Ingineria chimică este ştiinţa care studiază, prin metode generale, operaţiile, reacţiile şi sistemele industriei chimice, în scopul final de a realiza procedee, aparate şi instalaţii industriale cu funcţionare în condiţii optime; ingineria chimică este, totodată, profesiunea inginerească a cărei sarcină este să servească industria chimică în ceretare, proiectare, exploatare şi învăţământ”. Acad. Emilian Bratu

10

Acad. Emilian Bratu 1904-1991

11

Etapele dezvoltării ingineriei chimice

1. Etapa empirică2. Etapa raţională Etapa operaţiilor unitare Etapa modelării pe baza

fenomenelor de transport Etapa integrării proceselor

12

Primele monografii de referinţă:

W.H. WALKER, W.K. LEWIS, W.H. McADAMS, Principles of Chemical Engineering, 1923.

R.B. BIRD, W.E. STEWART, E. N. LIGHTFOOT, Transport Phenomena, 1960.

13

“Ingineria chimica este o ştiinţă tehnică multidisciplinară care, pe baza unor cunoştinţe aprofundate de matematică, fizică, chimie fizică, chimie, biochimie, tehnologie chimică, ştiinţa materialelor, informatică, automatică, economie de ramură, conducerea întreprinderilor şi protecţia mediului, studiază procesele fundamentale de transfer, operaţiile unitare, utilajele şi instalaţiile industriei chimice, în vederea acumulării cunoştinţelor necesare realizării la scară industrială a unor noi procese, procedee, produse şi materiale, utilaje şi instalaţii, folosind analiza la microscală şi mezoscală şi tehnica de calcul pentru integrarea proceselor la macroscală, în condiţiile asigurării unui optim economic impus de fiecare etapă de dezvoltare a societăţii”.

Prof. Em. Dr. Ing. Emil DANCIU

14

Domeniile prioritare de cercetare, strict legate de aplicaţii practice, sunt:

• Ingineria biochimică şi biomedicală;Ingineria biochimică şi biomedicală;

Bioreactors like the one pictured here are used in the production of drugs

by purifying them using microscopic spheres that serve as sophisticated filters.

15

16The hip prosthesis is a widely used and successful example of a

permanent medical implant.

17

• Materiale şi dispozitive electronice, Materiale şi dispozitive electronice, fotonice fotonice şi de înregistrare;şi de înregistrare;

A photonic crystal waveguide manufactured on a silicon wafer using thermal oxidation, UV lithography and Chemical Vapor Deposition at MIT's Microsystems Technology Laboratories

18

• Materiale noi: polimeri, ceramică şi Materiale noi: polimeri, ceramică şi compozite;compozite;

• Energia şi procesarea resurselor naturale;Energia şi procesarea resurselor naturale;

• Protecţia mediului, siguranţa operării şi Protecţia mediului, siguranţa operării şi materiale periculoase;materiale periculoase;

• Ingineria suprafeţelor şi interfeţelor Ingineria suprafeţelor şi interfeţelor (catalizatori, procese de membrană, etc.).(catalizatori, procese de membrană, etc.).

19

• Ingineria asistării cu calculatoare a Ingineria asistării cu calculatoare a proceselor şi a controlului acestora;proceselor şi a controlului acestora;

20

Etape de dezvoltare ale unui proces tehnologic (chimic):– invenţia sau inovaţia (pregătire

multidisciplinară, brevet)– documentarea (Chemical Abstracts,

computer, internet)– analiza economică (marketing, oportunitate)– cercetare de laborator (instalaţie de sticlă,

micropilot) – obţinerea de date fizice (condiţii, constante de material, geometrii)

21

– proiectare, construcţie şi operare pilot:• producţie (testare produs)• testare procedeu (date de proiectare şi

scale-up)• testare materiale de construcţie• machete pentru amplasare utilaje şi

conducte- proiectare, construcţie şi operare instalaţie

semi-industrială - proiectare (tehnologie, utilaje şi montaj),

construcţie şi operare instalaţie industrială (şi ulterior perfecţionare şi optimizare)

22

•Schema generală a unei fabricaţii chimice

MP

S

P

R

I II III

Cunostinte de: chimie

chimie fizica

altele

.

23

I – operaţii fizice de pregătire (ale materiilor prime);

II - prelucrare chimică (uneori o singură reacţie);

III - prelucrare fizică (separarea produşilor utili din amestec).

24

Terminologie• Fabricaţie sau proces tehnologic (operating operating

processprocess)): succesiune ordonată logic de faze fizice şi chimice denumite în ingineria chimică operaţii unitare, respectiv procese chimice (tip)

• Operaţie unitară (unit operation)(unit operation):: fază nechimică a procesului tehnologic, comună unui număr mare de fabricaţii chimice, în care procesul determinant constă din unul sau câteva procese fizice fundamentale (baza teoretică fiind comună, se ajunge la relaţii de proiectare identice şi utilaje cu geometrie şi componenţă asemănătoare)

25

• Fenomen (proces) fizic fundamental (elementar): proces fizic dominant într-o operaţie unitară, reprezentat printr-un fenomen de transport sau transfer de proprietate (impuls sau moment, energie sau căldură şi masă de substanţă) – baza modelării matematice a operaţiilor unitare, care permite dimensionarea tehnologică a utilajului în care se desfăşoară operaţia

26

•Transport de proprietate: deplasarea unei proprietăţi într-o singură fază•Transfer de proprietate: deplasarea unei proprietăţi între două faze•Proces: totalitatea evenimentelor (transformărilor) simultane şi consecutive care se desfăşoară într-un spaţiu delimitat pe o durată dată•Proces chimic: întrepătrunderea dintre fenomenele fizice de transport de proprietate şi cel puţin o reacţie chimică

27

• Utilaj (equipment, device, tool)(equipment, device, tool): element (incintă) al unei instalaţii în care se realizează o etapă a unui proces tehnologic

• Instalaţie (plant)(plant): ansamblu funcţional de două sau mai multe utilaje

• Procedeu (method, proceeding)(method, proceeding): mod alternativ de realizare fie a unei operaţii, fie a unui proces tehnologic (de exemplu: separarea unei suspensii poate fi efectuată prin decantare, filtrare sau presare)

• Tehnică de lucru (technique, art)(technique, art): procedeu aplicabil pentru realizarea mai multor operaţii (de exemplu: centrifugarea se aplică în operaţiile bazate pe sedimentare – decantare, desprăfuire – , în filtrare).

28

Clasificarea operaţiilor unitare

şi proceselor chimice

29

I.Operaţii pregătitoare ale materiilor prime :

- mecanice: concasare (mărunţire), clasare (sortare), amestecare, transport pneumatic solide, transport lichide (pompare), transport (şi comprimare) gaze şi vapori.

- termice: încălzire, răcire.

30

II. Procese chimice

Criterii de clasificare ale reactoarelor

chimice:- desfăşurarea în timp a procesului: reactoare

continue, discontinue, semicontinue;- natura circulaţiei fluidelor: reactor cu

recirculare (R), cu deplasare (D) etc.;- numărul fazelor fizice prezente: reactor

(proces) omogen, eterogen;

31

- semnul căldurii de reacţie: proces exoterm, endoterm;

- regimul termic: reactor (proces) izoterm, adiabat, politrop, programat, autoterm;

- cinetica reacţiei chimice: ordinul reacţiei, multiplicitatea, eventual gradul de reversibilitate, etc.;

- forma constructivă a reactorului: reactor cu amestecare, tubular (serpentină sau multitubular), tip coloană, rotativ etc.

32

III. Operaţii de prelucrare ale amestecurilor de reacţie :

- mecanice: sedimentare (decantare, desprăfuire), filtrare;

- termice: încălzire, răcire, fierbere, condensare, evaporare;

- de difuziune: difuziune în fază gazoasă, absorbţie, distilare şi rectificare, adsorbţie, extracţie, uscare, cristalizare, sublimare etc.

33