KONCEPCJA CHEMICZNA 

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydział Chemiczny

LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Ludwik Synoradzki

Jerzy Wisialski

KONCEPCJA CHEMICZNA

PROCESU TECHNOLOGICZNEGO 

Wybranie  surowców  oraz  szeregu  reakcji  chemicznych  i 
przemian  fizycznych,  których  przeprowadzenie umożliwi 
otrzymanie żądanego produktu. 

Często dany produkt można otrzymać różnymi sposobami:
  z tych samych surowców,
  z różnych surowców, 

przeprowadzając różne reakcje chemiczne 

W  skali  przemysłowej  decyduje  kryterium  ekonomiczne 
lub inne ważne w danym zakładzie. 

WYBÓR REAKCJI CHEMICZNYCH 

I METOD ROZDZIAŁU 

Wybór  reakcji  chemicznych  i  metod  rozdziału  ma 
zasadnicze  znaczenie  dla  jakości  opracowywanej 
technologii,  dlatego  musi  być  dokonany  szczególnie 
starannie. 

Mówimy  często  o  badaniu  reakcji  chemicznej,  a  w 
rzeczywistości  badamy  proces  chemiczny,  którego  tylko 
częścią 

jest 

reakcja. 

Na  otrzymany  wynik  wpływa  np.  sposób  wydzielenia 
produktu (destylacja, krystalizacja, ekstrakcja). 

Wybór  koncepcji  chemicznej  jest  etapem  twórczym, 
musimy 

więc 

pamiętać 

o 

metodzie 

twórczego 

alternatywnego rozwiązywania problemów (TARP) 

Ten sam surowiec - różne reakcje - ten sam 

produkt: 

Otrzymywanie węglanu i wodorotlenku sodu z chlorku 
sodu 

–  elektroliza wodnego roztworu NaCl i karbonizacja powstałego 
NaOH: 

2NaCl + 2H

2

O

2NaOH + H

2

 + Cl

2

elektroliza 

2NaOH + CO

2

Na

2

CO

3

 + H

2

O

karbonizacja 

–  metoda Solvay’a i kaustyfikacja powstałego Na

2

CO

3

:

CaCO

3

 

CaO + CO

2 

rozkład termiczny

 

2NaHCO

3

Na

2

CO

3

 + H

2

O + CO

2

kalcynowanie 

2NH

4

Cl + Ca(OH)

2

2NH

3

 +2H

2

O + CaCl

2

regeneracja NH

3

 

CaCO

3

 + 2NaCl

Na

2

CO

3

 + CaCl

2

sumarycznie 
metoda Solvay’a 

Na

2

CO

3

 + Ca(OH)

2

CaCO

3

 + NaOH

(kaustyfikacja) 

2NaCl +2NH

3

 + 2CO

2

 + 2H

2

O 

2NaHCO

3

 + 2NH

4

Cl

karbonizacja 

Koncepcje chemiczne produkcji węglanu i 

wodorotlenku sodu z chlorku sodu 

NaCl

(solanka)

Elektroliza

NaO
H

Karbonizac

ja

NaO
H

Na

2

CO

3

CO

2

Chlor
Wodór

CaCO

3

CaCl

2

NaCl

(solanka)

Produkcja 

Na

2

CO

3

metodą 

Solvay'a

Na

2

CO

3

Kaustyfikacj

a

Na

2

CO

3

NaO
H

Ca(OH)

2

CaCO

3

NH

3

Otrzymywanie wodoru z metanu 

•  Półspalanie metanu: 

CH

4

 + 1/2 O

2

    CO + 2H

2

H = -35,7 

kJ 

•  Konwersja metanu z przegrzaną parą wodną: 

CH

4

 + H

2

O

     CO + 3H

2

H = +206 kJ 

Otrzymywanie fenolu z benzenu

•  przez chlorobenzen
•  przez kumen (izopropylobenzen)

 

 

 

Różne surowce - ten sam produkt końcowy 

Butadien

 przez odwodornienie butanu lub z 

acetylenu

Etylen

 przez pirolizę etanu lub benzyny

Akrylonitryl

 z propylenu, acetylenu lub tlenku 

etylenu   

Produkt odpadowy surowcem 

Przykład: 
W  procesie  syntezy  organicznej  powstaje 

solanka

  (NaCl-aq)  – 

jako  produkt  odpadowy  a 

potrzebny  jest  chlorowodór  gazowy

. 

Wydaje  się  możliwe  przeprowadzenie  elektrolizy  (NaCl-aq),  a 
następnie spalenie wodoru w chlorze do chlorowodoru. 

Idea prosta, ale należy pamiętać, że zanieczyszczenia solanki (w 
tym  także  organiczne)  niekorzystnie  wpływają  na  przebieg 
elektrolizy. 

WYBÓR METODY SYNTEZY A PROBLEM 

OCHRONY PATENTOWEJ 

Często  znajdujemy  się  w  sytuacji  kiedy  trzeba 

opracować metodę

 otrzymywania jakiegoś produktu tak 

aby 

nie naruszyć czyichś praw

. 

Musimy 

dokładnie 

znać 

istotę 

obowiązujących 

patentów  (stan  techniki)  oraz  zwracać  szczególną 
uwagę 

(doceniać!) 

na 

oryginalność 

naszych 

pomysłów. 
Przykład:

Opracowanie 

technologii 

estrocynowych 

stabilizatorów termicznych PCW w LPT

 

    do  typowych  stabilizatorów  termicznych  PCW  należą 
związki
        cynoorganiczne np.  butylo-  (

BuSn

)  czy oktylocynowe 

(

OkSn

)

 szczególnie dobre właściwości mają pochodne 

dialkilowe

 

      z niewielkim dodatkiem pochodnych 

monoalkilowych

 – 

ciekłe !

  

  dobre właściwości wykazują estrocyny !!!

2

H

17

C

8

O

C

H

2

C

S

O

R

2

Sn

2

H

17

C

8

O

C

H

C

C

H

O

C

O

O

R

2

Sn

Ustalono, że:

         R

2

SnIOTG

2

R

2

SnIOM

2

Estrochlorocyny 

  półprodukty do syntezy stabilizatorów 

estrocynowych 

+ Sn + 2HCl

RO

C

O

CH CH

2

c.st.

gaz

ciecz

2

RO

C

O

CH

2

CH

2

SnCl

2

ciecz lub c.st.

Zalety estrochlorocyn:

–  dostępność surowców
–    korzystniejsze  warunki  otrzymywania  niż  związków 
    alkilochlorocynowych   

 

Wada:

metoda  syntezy  z  akrylanu  alkilu,  cyny

 

metalicznej  i 

gazowego chlorowodoru była opatentowana 

Cel: 

Opracowanie 

oryginalnej 

metody syntezy 

Uwarunkowania:
  

dostępność surowców

 

  

właściwości produktów

  

Surowiec 

Źródło surowca 

Właściwości 

stabilizatora 

cyna 

import 

chlorowodór gazowy 

kraj 

akrylan butylu 

import 

ciecz 

akrylan metylu 

w planach kraj 

ciało stałe 

Transestryfikacja akrylanu metylu 

+

BuOH

MeO

C

CH CH

2

O

10 h

t

w

MeOH

+

BuO

C

CH CH

2

O

AkrMe 

BuOH 

AkrBu 

MeOH 

T

w

 [°C] 

81 

118 

146 

65 

Metoda technologicznie niedogodna: 

•   destyluje azeotrop akrylan metylu/metanol (1:1)  
     potrzebny dwukrotny nadmiar akrylanu metylu 
•   uciążliwy rozdział 
•   bardzo przykry zapach   

Pomysł: 

Synteza estrochlorocyn z akrylanu metylu wobec 
butanolu 

+

BuOH

+ MeOH

Sn + HCl +

2

MeO

C

O

CH CH

2

BuO

C

O

CH

2

CH

2

SnCl

2

Metoda  taka  miała  umożliwiać  obok  syntezy  estrocyn, 
jednoczesny  przebieg  transestryfikacji  zarówno  akrylanu 
metylu 

jak 

i powstających przejściowo „metylo-estrocyn”. 

Zalety:

 

–  synteza estrocyn szybka: 
    •  dozowanie HCl (40

o

C, 3h)

    •  krótkie wygrzewanie (70

o

C, 1,5h)

–  łatwość oddestylowania metanolu 
–  stopień transestryfikacji (Bu/Me w produkcie)  60% 
–  produkt ciekły, z którego otrzymano ciekły stabilizator   

RO

C

C

H

2

H

2

C

SnCl

3

O

monoalkiloestrocyny

gdzie R = Me lub Bu

2 pochodne

R

1

O

C

H

2

C

O

C

H

2

SnCl

2

C

H

2

H

2

C

C

O

OR

2

dialkiloestrochlorocyny

gdzie R

1

,R

2 

= Me lub Bu

3 pochodne

– 

ORYGINALNOŚĆ !

 

C

6

H

5

SO

3

H

5a-
e,g

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

2

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

3

Odbezpieczenie 
aminy 
lub wprowadzenie
grupy NH

2

Synteza 
benzenosulfonia
nu

6a-
g

O

N

H

O

O

O

R

N

O

Cl

O

O

NH

2

O

O

O

O

R

N

Cl

CHO

O

O

O

Cl

WARIANT I

WARIANT II

Utworzeni
e
wiązania
eteroweg
o

Cl

O

O

O

+

HO

R

N

O

O

O

Cl

CHO

+

4

3a-
e,g

9

8

Budowa 
pierścienia 
dihydropirydynow
ego

+

+

+      CH

3

COONH

4

7

8

11

10

+

Odbezpieczenie lub 
wprowadzenie grupy 
NH

2  

z jednoczesnym 

utworzeniem 
benzenosulfonianu

1

2

C

6

H

5

SO

3

H

-

R

N

 = a – N(CH

2

)C

6

H

5

)

2

; b – NCH(C

6

H

5

)

3

;

c - 

N

O

O

d – N

3

; e – Cl; f – 

I 

g -  zamiast –CH

2

R

N

  :  CH(OC

2

H

5

)

2

 

C

6

H

5

SO

3

H

Odbezpieczenie aminy 
lub wprowadzenie
grupy NH

2

Synteza 
benzenosulfonian
u

6a-
g

O

N

H

O

O

O

R

N

O

Cl

Odbezpieczenie aminy 
lub wprowadzenie grupy 
NH

2 

z jednoczesnym 

utworzeniem 
benzenosulfonianu

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

2

1

2

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

3

C

6

H

5

SO

3

H

-

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

2

*HR

O

O

O

O

N

H

Cl

O

NH

2

*PhSO

3

H

PhSO

3

Na 

+    NaR

HR = HCl, HBr, CH

3

COOH, ClCH

2

COOH, CH

3

SO

3

H 

Pfizer

Lek

Adame
d

WYBÓR RODZAJU PROCESU 

Tworząc  koncepcję  procesu  musimy  wiedzieć  jaka 
ma 

być 

zdolność 

produkcyjna

 

instalacji 

przemysłowej  gdyż  ma  to  istotne  znaczenie  dla 
wyboru 

pomiędzy

 

procesem 

ciągłym 

a periodycznym

. 

Małe  produkcje

  realizuje  się  zwykle  przy  pomocy 

procesów 

okresowych

,  im 

większa  skala

  procesu  tym 

mocniejsze  wskazanie  na  zrealizowanie  go 

metodą 

ciągłą

. 

Zdolność produkcyjna 

instalacji 

Rodzaj procesu 

do 100 Mg/rok 

periodyczny 

100 - 1.000 Mg/rok 

periodyczny lub ciągły 

ponad 1.000 Mg/rok 

ciągły 

WYBÓR LABORATORYJNYCH ROZWIĄZAŃ 

TECHNICZNYCH 

Zwykle 

w  laboratorium

  stosuje  się 

najprostsze  rozwiązania 

techniczne

 

(kolba z mieszadłem śmigłowym, łaźnia z mieszaniną 

oziębiającą), 

a  przecież

,  w  zależności  od  właściwości  fizykochemicznych 

układu, 

wynik  eksperymentu  może  w  zasadniczy  sposób  zależeć  od 



-    rodzaju  reaktora  badawczego  (destylacja  periodyczna  czy 

ciągła), 

-    rodzaju  mieszadła              (śmigłowe,  turbinowe,  ścinające  z 

regulacją obrotów), 

-  sposobu  wymiany  ciepła      (termostat  czy  kriostat  z 

programowaniem temp.). 

Wybór  rodzaju  procesu  i  laboratoryjnych  rozwiązań 
technicznych  powinien  być  poprzedzony  analizą 
właściwości 

fizykochemicznych 

układów 

reakcyjnych 

z 

uwzględnieniem 

wizji 

instalacji 

docelowej. 

Zły  wybór  już  na  wstępie

,  może  uniemożliwić 

osiągniecie  pozytywnego  wyniku  w  laboratorium  i 
doprowadzić do 

zaniechania badań

. 

Przykład: 

Przechładzający się roztwór mieszaniny poreakcyjnej w pewnym 
momencie  krzepł  w  całej  masie,  unieruchamiając  mieszadło  i 
uniemożliwiając przeprowadzenie procesu krystalizacji. 

Po zastosowaniu w krystalizatorze 

szybkoobrotowego mieszadła 

turbinowego

  i  podawaniu  gorącej,  krystalizowanej  cieczy 

małymi  porcjami,  proces  przebiegał  szybko  i  z  bardzo  dobrą 
wydajnością. 
W  katalogach  aparatury  laboratoryjnej  przedstawiane  są  różne 
rodzaje 

mieszadeł, 

o 

konkretnych 

wymiarach 

i 

charakterystykach. 

Do  danego  procesu  możemy  dopasować  odpowiednie 
rozwiązanie  techniczne,  np. 

mieszadło  ścinające

,  jeśli  trzeba 

zwiększać  lub  odnawiać  powierzchnię.  Zastosowanie  takiego 
mieszadła  już  w  badaniach  laboratoryjnych  bardzo  ułatwia 
powiększanie skali. 

Przykład: 

Badając  reakcję  z  destylacją  w  reaktorze  periodycznym  z 

kolumną (typowa sytuacja w laboratorium) otrzymano złe wyniki 

(przegrzewanie  się  i  rozkład  produktu),  podczas  gdy 

zastosowanie 

kolumny 

reakcyjnej 

do  destylacji  ciągłej  pozwalało  na  uzyskanie  produktu  z  bardzo 

dobrą wydajnością. 

Omówienie tego przykładu wykaże jak

 

ważny 

może być 

wpływ

 

rodzaju zastosowanej aparatury na wynik badań 

laboratoryjnych

.

 

Zadanie: 

Wybór  najlepszego  rozwiązania  aparaturowego  do 
przeprowadzenia  odwracalnej  reakcji  chemicznej  z 
destylacją 

A   +   B             C   +   D

Założenia: 
•  reakcja szybka 
•  o małej energii 

aktywacji 
•  o niskiej entalpii 

ALTERNATYWA

A, B

C

K R

D

K

OLUMNA

R

EAKCYJNA

C

A, B, 
D

R P K

R

EAKTOR

P

ERIODYCZY

z 

K

OLUMNĄ

ciągły

periodyczny

Znając:

•  stałe równowagi K
•  względne prężności pary

p (lub t

w

)

można 

przewidzieć, 

które 

rozwiązanie 

lepsze

 

(korzystniejsze energetycznie). 

Rozwiązanie  jest  lepsze,  jeżeli  taka  sama  dostarczona  moc 
pozwala 
na uzyskanie wyższego stopnia przereagowania. 

Ograniczenia:

1) reakcja wymaga nielotnego katalizatora 

 KR

      reakcja tylko w dolnej części kolumny

 RPK

    reakcja tylko w kubie  

2)  surowce A i B podawane są w stosunku 
stechiometrycznym
     1:1 na tę samą półkę 
3)    półkę  określono  tak,  żeby  zużycie  energii  było 
minimalne 

WARIANT  I: 

korzystny dla

 

K

OLUMNY

 

R

EAKCYJNEJ 

A   +   B             C   +   D

p

A

 = 1,0

p

B

 = 1,1

p

C

 = 4,0

p

D

 = 0,1 

p

C

=4,

0

p

D

=0,
1

p

A

=1,

0

p

B

=1,

1

substraty:

A i B 



   w kolumnie

produkty:

C          górą 
D          dołem  

Zalety  rozwiązania  zależą  od  wymaganego  stopnia 
przereagowania oraz wielkości stałej równowagi K: 

p

A

 = 1,0

p

B

 = 1,1

p

C

 = 

4,0

p

D

 = 0,1 

2

4

6

8

[kW
]

0

2
0

40

60

80

10

0

[%]

Z przebiegu krzywych wyraźnie widać, że 

kolumna reakcyjna

 

KR

 jest 

rozwiązaniem lepszym

 od 

reaktora periodycznego z 

kolumną

  (

RPK

)  (krzywe  dla 

KR

  leżą  powyżej  odpowiednich 

krzywych dla 

RPK

). 

K=10

K=1

K=0,01

KR

 

tym korzystniejsza:

•    im  wyższy  stopień  przereagowania  chcemy 
osiągnąć

•  im mniejsza stała równowagi K  

K  1  rozwiązanie optymalne:

KR

 

- sposób ciągły!

  

Zalety 

KR

 

maleją: 

•  im mniej półek teoretycznych – w 

RPK

 

lepsze

   wykorzystanie półek teoretycznych

•    gdy  różnica  p

A

  i  p

B

  rośnie  –  zmniejsza  się 

strefa reakcji  

p

A

 = 1,0

p

B

 = 1,1

p

C

 = 

4,0

p

D

 = 0,1 

2

4

6

8

[kW
]

0

2
0

40

60

80

10

0

[%]

Z przebiegu krzywych wyraźnie widać, że 

kolumna reakcyjna

 

KR

 jest 

rozwiązaniem lepszym

 od 

reaktora periodycznego z 

kolumną

  (

RPK

)  (krzywe  dla 

KR

  leżą  powyżej  odpowiednich 

krzywych dla 

RPK

). 

K=10

K=1

K=0,01

WARIANT  II 

korzystny dla 

R

EAKTORA 

P

ERIODYCZNEGO z 

K

OLUMNĄ 

A   +   B             C   +   D

K = 1

          p

A

 = 1,0

    p

B

 = 2,0

p

C

 = 4,0

A, B, D

C

substraty:

A i B  

 

   w kubie

produkty:

     C       górą 
     D       w kubie 

Zalety  rozwiązania  zależą  od  wymaganego  stopnia 
przereagowania  oraz  różnicy  prężności  pary 
produktów 
p

C

 i p

D

: 

K = 1

    p

A

 = 1,0 

      p

B

 = 2,0         p

C

 

= 4,0 

10

0

60

70

80

90

10

20

3
0

50

[kW]

[%

]

KR

KR

KR

RP
K

RP
K

RP
K

Gdy różnica p

C

 i p

D

 duża (p

D

= 0,1) 

KR

 

jest rozwiązaniem lepszym 

niż 

RPK 

Gdy różnica p

C

 i p

D

 zmniejsza się zalety 

KR

 gwałtownie 

maleją aż 

RPK 

staje się wręcz aparatem lepszym 

Dla  p

D

=  1,5  wyraźnie  widać  jak  zalety  rozwiązania  zależą  od 

wymaganego stopnia przereagowania: 
•  dla niższych stopni przereagowania

 KR

 

nieco 

lepsza 

•  dla wyższych stopni przereagowania 

lepsza RPK

 

p

D

 = 0,1

p

D

 = 1,5

p

D

 = 2,5

K 

względne prężności 

obszar optymalny 

A 

B 

C 

D 

KR

 

KR

≈

RP

K

 

RPK

 

0,01 

1,0 

1,1 

4,0 

0,1 

+++ 

1 

++ 

10 

+ 

1 

1,0 

3,0 

4,0 

0,1 

+

+

2,9 

++ 

1 

1,0 

2,0 

4,0 

0,1 

++ 

1,5 

+ 

+ 

2,5 

+++ 

1 

0,1 

2,0 

4,0 

0,1 

+ 

1,0 

+ 

K

  





  zalety 

KR

 

 

p

D

 

 

 



  zalety 

KR

 

   

 a  

RPK 

 

 (w KR produkt D musi 

być 

wydzielony  w  dolnej  części  co  nie  jest  potrzebne 

w RPK) 

p

A

 lub p

B

 



 

 

zalety

 RPK 



 (surowce łatwiej utrzymać w kubie) 

różnica p

B

 i p

C

 



 

wymagania czystości C 

 

 

 

różnica 

KR 

i 

RPK

 



różnica p

A

 i p

B

 



   

 

zalety KR 

 

(maleje strefa reakcji) 



dodatkowe działania:  

 



 

A i B na 

różne półki 

W  laboratorium  zwykle  zaczyna  się  od 

R

EAKTORA 

P

ERIODYCZNEGO

 

Jeżeli badany układ reakcyjny szczególnie dobrze nadaje się 

do  zastosowania 

K

OLUMNY

 

R

EAKCYJNEJ

 

to  istnieje 

obawa, 
że  reagenty  będą  przegrzewane  i  badania  zostaną 
przerwane 
ze względu na małą selektywność. 

ZWIĄZEK MIĘDZY KONCEPCJĄ CHEMICZNĄ 

A TECHNOLOGICZNĄ

Zaprezentowany  przykład  wskazuje  na  istnienie  związku 
między koncepcją chemiczną a technologiczną procesu. 

Zarówno 

wybór 

sposobu 

prowadzenia 

procesu 

(periodyczny  czy  ciągły)  jak  i  wynikającego  z  tego 
rozwiązania  aparaturowego  stanowią  już  elementy 
koncepcji technologicznej.