letní semestr ak. rok 2018/19uchi.vscht.cz/uploads/pedagogika/chi1/01.chi.i.uvod.2019.pdf20...

Chemické inženýrství I

letní semestr ak. rok 2018/19

[email protected]

Studijní materiály

uchi.vscht.cz

• program cvičení• e-tabulky• hodnocení předmětu

3 písemné (výpočtové) testy ústní zkouška

http://www.vscht.cz/uchi

Cvičení – Maple (matematický řešič)Út od 8:00 BS5 (Haidl) - otevřenéSt od 8:00 A40 (Haidl) - PIMČt od 8:00 BS2 (Basařová) – otevřenéČt od 11:00 BS5 (Nevoral) - otevřené

Z historie chemického inženýrství 4

Kde je počátek?

Archimédovo šnekové čerpadlo se užívá k dopravě vody, kalů nebo pevných zrnitých materiálů.

Archimedes ze Syrákús (287 – 212 př.n.l)

• řecký matematik a fyzik

5

• německý učenec

De re metallica libri XII(Dvanáct knih o hornictví a hutnictví)

292 dřevorytů s vysvětlivkami

Z historie chemického inženýrství

Kde je počátek?

6

1900

George Edward Davis (1850-1906)

• první přednáškový chemicko-inženýrský the University of Manchester (r. 1887)• definoval Chemické Inženýrství jako samostatnou disciplínu (r. 1888)• kniha: A Handbook Of Chemical Engineering (r. 1904)

Profesní asociace

• American Institute of Chemical Engineers (r. 1908)• Institution of Chemical Engineers (r. 1922)


7

1915 - 1925

• koncepce „jednotkových operací“ Arthur Dehon Little (r. 1916)

1. Hydrodynamické procesy, včetně přepravy kapalin, filtrace, míchání, ...

2. Procesy přenosu tepla, včetně odpařování, kondenzace, výměníky tepla, ...

3. Procesy přenosu hmoty, včetně absorpce plynu, destilace, extrakce, adsorpce, sušení, ...

4. (Bio)chemické procesy, včetně chemické kinetiky, bioreaktory, ...

5. Mechanické procesy, včetně dopravy těles, drcení a rozdrcení, třídění a prosévání, ...

Základní skupiny jednotkových operací

1925 - 1935

• rozvoj materiálových a energetických bilancí• rozvoj (design) aparátů z pohledu strojních inženýrů


Příklad řazení jednotkových operací 8

Cukrovar

příjem

a ukládka řepy

čistění, praní

a řezání řepyextrakce

lisování

řízků

řepa

voda

řízkolisová voda

voda

řízky

surová

šťáva

vápenka

vápenec koks

předčeření,

dočeření

vápenné mléko, Ca(OH)2

1. saturace2. saturace

CO2 + H2O

ohřev

kal

filtrace odparka těžká šťávalehká šťáva varna

melasa

krystalizátorodstředivkasurový cukr

voda

odstranění CaCO3

Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 + 2 H2O

9

1935 - 1945

• rozvoj měření a řízení aparátů• chemicko-inženýrská termodynamika

1945 - 1955• aplikovaná reakční kinetika• rozvoj (design) chemických reaktorů• bezpečnost procesů• bioinženýrství

BASF 1921,

výbuch dusičnanu amonného,

kráter o průměru přes 100 m


10

1955 - 1965

• dynamika procesů• užití počítačů pro měření a řízení• matematické modelování

1965 - 1985

• procesní inženýrství• zvětšování měřítka (scale-up)

2005 -• mikro-nano měřítko• molekulární inženýrství• produktové inženýrství• ekonomicko-provozní optimalizace• měření, řízení• bezpečnost procesů

1985 - 2005

• materiálové inženýrství• energetické optimalizace, výtěžnost


Chemické inženýrství - vzdělání 11

Základní vědomostní kameny,aneb co by měl chemický inženýr vědět (nebo alespoň tušit)

Aplikovaná matematika

Mechanika tekutin

Sdílení tepla

Sdílení hmoty

Reakční kinetika

Důležité nadstavby

Procesní inženýrství

Bezpečnostní inženýrství

Produktové inženýrství

Materiálové inženýrství

Bioinženýrství

teoretické znalosti(+ příklady)

praktické aplikace

12

Klasické chemické inženýrství

Analýza a návrh procesů

- převedení výroby z laboratorního do průmyslového měřítka

- úspora materiálů a energií

- úspora místa

- ochrana majetku a osob

- ochrana životního prostředí

- zlepšení kvality produktů

Bezpečnost výroby

Optimalizace procesů

- pro všechny průmyslové oblasti, kde se objevují chemicko-inženýrské

jednotkové operace

...

Současnost a budoucnost chemického inženýrství

13

Bezpečnostní inženýrství

- (velké) havárie mají významný vliv (negativní) na vztah veřejnosti k chemii

Identifikace nebezpečí- odhalení míst, jevů a stavů, které mohou způsobit ztrátu

Posouzení rizika- stanovení velikosti ztrát a odhad pravděpodobnosti ztrát


Minimalizace účinků- protipožární a protivýbuchová zabezpečení

Současnost a budoucnost chemického inženýrství 14

Aplikace v biologii (bioinženýrství)- přenos znalostí z problematiky dynamiky a molekulárních interakcí pro poznání a popis přeměn v biologických systémech

• rozvoj biotechnologií• separace na základě membránových technologií• bioseparace• biokatalýza• dynamika biosignálů• „lab-on chip“• chemičtí roboti• palivové články• cílené doručování léčiv

50 mm

15

Aplikace v mikro a nanotechnologiích

- řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka

• mikroreaktorové inženýrství• samočisticí povrchy• výroba nano-částic• katalyzátory• miko a nano-pěny (tepelné izolanty)• fotovoltaika• mikrofluidika• úložiště energie • ...

energetika

životní prostředí

nové technologie


materiálové inženýrství

Lf

LsLp

16

- řešení transportních jevů na úrovni mikro a nanoměřítka

http://www.youtube.com/watch?v=W6dIsC_eGBI

škodliviny vevýfukovém plynuCO, HC (uhlovodíky)NOx, saze

VyčištěnýplynCO2, N2

H2O

Voštinový reaktor - monolit

kanálkyprůměr 1 mm, délka 10 cm porézní katalytická vrstva

(tloušťka 50 mm)

Aplikace v mikro a nanotechnologiích


energetika

životní prostředí

nové technologie

materiálové inženýrství

• mikroreaktorové inženýrství• samočisticí povrchy• výroba nano-částic• katalyzátory• miko a nano-pěny (tepelné izolanty)• fotovoltaika• mikrofluidika• úložiště energie • ...

http://www.youtube.com/watch?v=W6dIsC_eGBI

Pomocné nástroje (chemického) inženýra 17

Simulace a optimalizace procesů

http://www.youtube.com/watch?v=lJJnmIyuwdY

např. Aspen Plus, Aspen HYSYS,

http://www.youtube.com/watch?v=lJJnmIyuwdY

18


Pomocné nástroje (chemického) inženýra


19




20

Počítačová dynamika tekutin (Computational Fluid Dynamics, CFD) jemoderní metoda jak získat představu o proudění tekutin, přenosu tepla ahmoty, průběhu chemických reakcích a dalších souvisejících jevů vdefinovaném prostředí.

Pro použití CFD je třeba nejprve vytvořit model (virtuální prototypzkoumaného systému), na který jsou následně aplikovány matematicképostupy tak, aby byly ze zadaných okrajových a počátečních podmínekzískány vybrané údaje o dějích probíhajících v celé zkoumané oblasti přirespektování fyzikálních zákonů.


Počítačová dynamika tekutin

Elektro

BiologieMatematika

Strojníinženýrství

Stavebníinženýrství

PočítačeMateriály

Chemie

Fyzika

Chemickéinženýrství

Chemické inženýrství je víceoborová disciplína .

21Současnost a budoucnost chemického inženýrství

Zpět na počátek ...

23

Veličina Název jednotky Značka

délka metr m

hmotnost kilogram kg

čas sekunda s

elektrický proud ampér A

termodynamická teplota kelvin K

svítivost kandela cd

látkové množství mol mol

Číselná hodnota fyzikální veličiny nemá sama o sobě žádný smysl, neboť hodnotu fyzikální veličiny můžeme vyjádřit v různých jednotkách.

Vždy uvádějte číselnou hodnotu fyzikální veličiny s její jednotkou!

Dodržovat jednotky veličin!

Základní jednotky (SI)

Dodržovat jednotky veličin! 24

Odvozené jednotky (SI)


síla newton N = kg m s-2

tlak pascal Pa = N m-2 = kg m-1 s-2

práce, energie joule J = N m = kg m2 s-2

tok energie watt W = J s-1 = kg m2 s-3

...

I. NewtonB. Pascal J. P. Joule

J. Watt

Dodržovat jednotky veličin! 25

Jiné (starší) jednotky


síla kilopond 1 kp = 9,806 65 N

tlak bar 1 bar = 105 Pa

torr 1 torr = 133,322 Pa

technická atmosféra 1 at = 9,80665·104 Pa1 at = 1 kp cm-2

fyzikální atmosféra 1 atm = 101 325 Pa1 atm = 760 torr

dynamická viskozita poise 1 poise = 0,1 Pa s

kinematická viskozita stokes 1 St = 10-4 m2s-1

výkon kůň 1 kůň = 735,499 watt

energie kalorie 1 cal = 4,187 J

...

objem žejdlík 1 žejdlík = 0,358 litrů

vědro (české) 1 vědro = 61,133 litrů1 vědro = 4 škopek

26

Jiné (UK, US) jednotky


délka palec 1 in. = 0,0254 m

stopa 1 ft. = 0,305 m

yard 1 yard = 0,914 m

míle 1 mi. = 1 609 m

námořní míle 1 n.m. = 1 852 m

objem gallon UK 1 gal. UK = 4,546 litrů

galon US 1 gal. US = 3,785 litrů

pint UK 1 pt. = 0,568 litrů

barel US 1 bl. = 158,987 litrů

síla pound-force (US) 1lbf = 4,4482 N

poundal (UK) 1 pdl = 0,138 N

tlak pound-force per sq. inch 1 psi = 6 894,76 Pa

pound-force per sq. foot 1 psf = 47, 88 Pa

...


27

U každé fyzikální rovnice platí, že rozměr (jednotka) levé strany musí být roven rozměru (jednotce) pravé strany.


Myslet a spojovat souvislosti 28

• množství a složení proudů

suroviny, produkty, odpadní produkty a meziprodukty

materiálová bilance

• spotřeba energií

elektrická energie, pára, chladicí voda, chladící vzduch

entalpická bilance

• aparáty jednotkových operací

typ, rozměry, výkon

konstrukční a kontrolní výpočet

• náklady

suroviny, energie, investice, mzdy

ekonomická bilance

Maximální výkon x Minimální náklady

Cíle klasického chemického inženýra (technologa) 29

Otevřený systém

• může se svým okolím

vyměňovat hmotu a energii

v průběhu časového období

bilancování

hranice systému

Uzavřený systém

• nemůže se svým okolím

vyměňovat hmotu v průběhu

časového období bilancování,

ale energii vyměňovat může

Izolovaný systém

• nemůže se svým

okolím vyměňovat hmotu

ani energii v průběhu

časového období

bilancování

Rozdělení systému - podle výměny hmoty a energie 30

VSTUP

VÝSTUP

spojitý nespojitý

neustálený ustálený obecně

nespojitývsádkový periodický

Spojitý (kontinuální) - stálý přísun, např. potrubím, dopravníkový pás

Nespojitý - přísun po dávkách, např. vagóny, cisterny, ...

Rozdělení systému - z hlediska časového průběhu 31

TECHNOLOGICKÉ SCHÉMA X PROUDOVÉ SCHÉMA

Proudové schémaTechnologické schéma

Struktura systému - bilanční schéma 32

Proudové schéma uzly proudy

Úprava fyzikálních vlastností

Reaktor

Směšovací aparatura

Separační aparatura / prostý dělič

33Struktura systému - bilanční schéma

Souproud Protiproud

výměník tepla

absorpčníkolona

výměník tepla

odparka


Recykl Obtok

Schéma složitějšího systému

I II III IV

1

2

3

4

8

5

6

7

9

10

PROUDY

1, 2 přichází z okolí

3, 6, 9, 10 - odchází do okolí

4, 5, 7, 8 - vnitřní proudy

I reaktor

II směšovač

III krystalizátor

IV odparka

hranice pro bilanci


= vztah založený na aplikaci zákonů o zachování

množství bilancované veličiny

v systému na počátku

bilančního období


vstupující do systému během


zdroj bilancované veličiny

v systému během bilančního

období


vystupující ze systému

během bilančního období


v systému na konci

bilančního období+

+

+

=


v systému na konci


VSTUP


v systému na počátku


VÝSTUP= + AKUMULACE

Bilance - základní pojmy 36

ZDROJ+

letní semestr ak. rok 2018/19uchi.vscht.cz/uploads/pedagogika/chi1/01.chi.i.uvod.2019.pdf20...

Documents