TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Siarka, azot, fosfor, przemysł solny oparty na NaCl

Technologia jest nauką o przetwarzaniu surowców i postaci energii znajdujących się w przyrodzie na produkty lub postaci energii bardziej dla człowieka użyteczne.

Technologia chemiczna zajmuje się metodami wytwarzania dóbr użytecznych na drodze procesów chemicznych.

Technologia chemiczna zajmuje się metodami wytwarzania dóbr użytecznych na drodze procesów chemicznych.

Technologia chemiczna jest nauką o efektywnych ekonomicznie i bezpiecznych dla środowiska naturalnego sposobach (metodach) i procesach przemysłowego przerobu łatwo dostępnych surowców naturalnych, półproduktów i surowców wtórnych w produkty użytkowe, półfabrykaty, czyli środki produkcji, w których dominują przemiany chemiczne.

Technologia chemiczna jest nauką interdyscyplinarną, której zadaniem jest doprowadzenie do wytwarzania określonych produktów w warunkach możliwie najkorzystniejszych.

Technologia chemiczna powinna:

• tłumaczyć podstawowe prawa operacji jednostkowych i procesów jednostkowych

• umożliwiać od parametrów urządzeń niezbędnych do realizacji procesów

• uzasadniać wybór najkorzystniejszego schematu łączącego poszczególne operacje i procesy jednostkowe w jeden ciąg technologiczny.

Procesy technologii chemicznej realizuje się w przemyśle chemicznym budowlanym, spożywczym, włókienniczym, paliw, metalurgii.

Technologia musi uwzględniać czynniki ekonomiczne, wartość produktów musi być wyższa od poniesionych strat tzn. kosztów. Nakłady inwestycyjne (koszty opracowania technologii, zakup licencji, opłat tytułem praw patentowych projektowania, itp.) muszą dać określone korzyści gospodarcze. Procesy te mogą polegać na:

• wyodrębnieniu substancji

• oczyszczaniu substancji

• syntezie chemicznej (szeregiem syntez)

• wydzieleniu produktu (-ów) z mieszanin otrzymanych w wyniku syntezy

Historia chemii: kwas siarkowy XVIII w, cement portlandzki XIX w, synteza amoniaku 1913 r.

Podstawy fizykochemiczne procesów technologicznych.

Kierunek reakcji chemicznych.

Wpływ różnych czynników (t, p, c) na położenie równowagi opierają się na prawie działania mas oraz regule przekory Le Chateliera- Brauna.

Zmiany położenia równowagi układu znajdującego się w stanie równowagi następuje w takim kierunku, który spowoduje zmniejszenie się wpływu dokonanej zmiany.

Ocena jakościowa:

Doprowadzenie do układu ciepła→ przesunięcie położenia równowagi w kierunku odpowiadającym reakcjom endotermicznym.

Podwyższenie ciśnienia dla reakcji:

N₂ + 3H₂ = 2 NH₃

Spowoduje przebieg reakcji w kierunku związanym ze zmniejszeniem objętości.

Ocena ilościowa- chemia fizyczna:

ΔG- zmiana entalpii swobodnej

ΔH- zmiana entalpii reakcji

ΔS- zmiana entropii reakcji

lnK_p >> 0 - reakcja samorzutna, praktycznie nieodwracalna

lnK_p << 0- reakcja niesamorzutna, praktycznie nie zachodzi

Klasyfikacja reakcji:

ΔH < 0 oraz ΔS > 0 - reakcja egzotermiczna, ze wzrostem temperatury rośnie wartość stałej równowagi, a więc i stopień przemiany, reakcja samorzutna, uprzywilejowana, praktycznie nieodwracalna.

ΔH < 0 oraz ΔS < 0 - reakcja egzotermiczna, ze wzrostem temperatury maleje wartość stałej równowagi a więc i stopień przemiany, reakcja odwracalna, samorzutna w niskich temperaturach.

a) ΔH < 0 , ΔS > 0

ΔG lnK_p

lnK_p

T

ΔG

b) ΔH > 0 , ΔS > 0

ΔG lnK_p

ΔG

T

lnK_p

c) ΔH < 0 , ΔS < 0

ΔG lnK_p

lnK_p

T

ΔG

d) ΔH > 0 , ΔS < 0

ΔG lnK_p

ΔG

T

lnK_p

Stany termodynamiczne układów reagujących:

+ pV

U H

- TS - TS

+ pV

F G

ΔH > 0 oraz ΔS > 0 - reakcja endotermiczna, ze wzrostem temperatury rośnie wartość stałej równowagi, a więc i stopnia przemiany, reakcja odwracalna samorzutna w wysokich temperaturach.

ΔH > 0 oraz ΔS < 0 - reakcja endotermiczna, ze wzrostem temperatury maleje wartość stałej równowagi, a więc i stopnia przemiany, reakcja niesamorzutna w całym zakresie temperatur.

Szybkość reakcji:

A → B

Sposoby zwiększenia szybkości reakcji:

• podwyższenie temperatury

• katalizatory

• rozwinięcie powierzchni reagentów

• podwyższenie stężenia reagentów

• usuwanie produktów reakcji

Zasady technologiczne:

Ogólne zasady technologiczne przy projektowaniu procesów technologicznych:

1. Zasada najlepszego użytkowania surowców.

2. Zasada najlepszego użytkowania energii.

3. Zasada najlepszego użytkowania aparatury.

4. Zasada umiaru technologicznego- realizacja procesu zgodna z zasadami ochrony środowiska, minimalizacja ilości odpadów, warunkami lokalizacji, zdolności produkcyjnej instalacji itp.

Operacje i procesy jednostkowe.

Elementy wspólne, powtarzające się w wielu procesach technologii chemicznej.

Procesy o charakterze fizycznym i fizykochemicznym określa się jako operacje jednostkowe- unit operation.

1. Przepływ płynów.

2. Sedymentacja

3. Filtracja

4. Rozdrabnianie ciał stałych

5. Mieszanie

6. Przewodzenie ciepła

7. Promieniowanie cieplne

8. Ogrzewanie i chłodzenie

9. Wrzenie i kondensacja

10. Przenikanie masy

11. Destylacja

12. Rektyfikacja

13. Absorpcja

14. Ekstrakcja

15. Suszenie

Procesy o charakterze ściśle chemicznym a więc z udziałem reakcji chemicznych to procesy jednostkowe chemiczne:

• spalanie i utlenianie w wysokich temperaturach

• zgazowanie

• reakcje gazowe bez udziału kontaktu

• reakcje gazowe kontaktowe

• reakcje między gazami i cieczami

• zobojętnianie

• podwójna wymiana w roztworach

• podwójna wymiana między fazą stałą i ciekłą

• wymiana jonowa

• prażenie i wypalanie

• redukcja w wysokich temperaturach

• elektroliza

• procesy elektrotermiczne

Chemiczne procesy technologiczne przedstawia się w postaci schematów technologicznych.

schemat ideowy- przedstawia proces technologiczny jako szereg powiązanych ze sobą operacji i procesów jednostkowych.

schemat aparaturowy- podaje nie tylko kolejność operacji i procesów jednostkowych, lecz również aparaturę oznaczaną za pomocą umownych symboli.

Bilanse materiałowe i cieplne: rzeczywiste ilości materiału i energii i ich składowe występujące w całym procesie technologicznym, obliczane przy uwzględnieniu przebiegających reakcji, operacji jednostkowych, a w braku takich możliwości bezpośrednim pomiarze, analizy chemicznej, czy też wyników przeprowadzonego eksperymentu.

Są podstawowe do obliczania objętości aparatów, powierzchni wymiany ciepła, doboru aparatów.

Bilanse przedstawia się w postaci wykresów Sonkey'a- w formie graficznej po przeliczeniu na jednostkę produktu lub ilość produktu wytwarzaną w jednostce czasu.

Opracowanie nowej technologii chemicznej:

1. Założenie techniczno- ekonomiczne inwestycji: ustalenia określające cel, program, podstawowe dane i parametry charakteryzujące wymagania, koszty w zakresie wystarczającym do opracowania projektu technicznego.

2. Projekt techniczny: dokumentacja w formie graficznej modelowej, zestawienie liczbowych opisów, dotyczących wykonania wszystkich prac, dostaw, czynności urządzeń- umożliwiające realizację.

Powinien on obejmować następujące zagadnienia:

1. Charakterystykę i zapotrzebowanie wyrobu

2. Stosowane w świecie metody produkcji i kierunki rozwoju technologii.

3. Charakterystykę proponowanej metody

4. Warunki lokalizacji

5. Charakterystykę surowców

6. Charakterystykę produktu głównego i ubocznego

7. Charakterystykę odpadów i ścieków, możliwości ich utylizacji, neutralizacji, składowania.

8. Schemat ideowy

9. Indywidualne parametry poszczególnych procesów i operacji jednostkowych.

10. Opis procesu technologicznego

11. Schemat technologiczny

12. Bilans materiałowy

13. Bilans cieplny

14. Materiały konstrukcyjne i zagadnienie związane z ochroną przed korozją.

15. Zestawienie aparatów i urządzeń

16. Harmonogram pracy aparatów

17. Wskaźniki zużycia surowców i energii

18. Zapotrzebowania siły roboczej

19. Koncepcję przestrzennego rozmieszczenia urządzeń i aparatów.

21. Zagadnienia higieny i bezpieczeństwa pracy.

Prace badawcze i rozwojowe:

Brak dostatecznych danych w literaturze naukowej, patentach itp. Stwarza konieczność przeprowadzenia badań umożliwiających uzupełnienie, rozszerzenie wiedzy o badanym problemie.

Skala laboratoryjna- gramowe ilości substancji, aparatura szklana.

Skala ćwierćtechniczna- kilogramowe ilości substancji, właściwe dla procesu materiały konstrukcyjne aparatów i urządzeń.

Skala półtechniczna- setki, tysiące kilogramów ilości substancji, aparaty o konstrukcji zbliżonej do przewidywanych dla skali przemysłowej i wykonane z odpowiednich materiałów.

Instalacja pilotowa- zakład doświadczalny, zminiaturyzowany model zakładu przemysłowego, zawierający wszystkie istotne elementy instalacji przemysłowej w odpowiednio pomniejszonej skali.

Instalacja prototypowa (referencyjna)- badanie pewności długotrwałej pracy, właściwego doboru materiałów efektywności ekonomicznej, rozwiązań dotyczących ochrony środowiska.

7

Wykład 1

---