zasady technologiczne.pdf

ZASADY TECHNOLOGICZNE.

Zasady technologiczne są pomocne przy rozwiązywaniu czterech podstawowych problemów

technologii, jakimi są zagadnienia najlepszego wykorzystania: surowców , energii , aparatury

produkcyjnej oraz zagadnienie umiaru technologicznego.

a. Zagadnienia najlepszego wykorzystania surowców

- Zasada zachowania materii.

Bilans materiałowy, w którym uwidocznione są wszystkie surowce wprowadzone do

procesu i wszystkie otrzymane produkty jest pierwszą czynnością przy projektowaniu

koncepcji

technologicznej. W odróżnieniu od bilansu sporządzonego przy

rozpatrywaniu

koncepcji

chemicznej

opartego

jedynie

rachunku

stechiometrycznym, bilans materiałowy jest zawsze bardziej bliski rzeczywistości.

Przygotowując taki bilans należy uwzględnić wszystkie współczynniki wydajności

wynikające z przyczyn termodynamicznych (reakcje odwracalne), kinetycznych (nie

osiąganie stanu końcowego z powodu małych szybkości reakcji) oraz mechanizmu

procesu (występowanie reakcji ubocznych, zmniejszających wydajności głównego

produktu).

Podstawa do wprowadzenia współczynników wydajności powinny być wyniki badań

przeprowadzonych w skali laboratoryjnej.

Tak sporządzony bilans nie jest jeszcze bilansem procesu przemysłowego. Ten ostatni

sporządza się dopiero po wykonaniu badań procesu w skali półtechnicznej i po

uwzględnieniu strat wynikających z niedoskonałości zastosowanej aparatury.

- Zasada przeciwprądu materiałowego wskazuje racjonalny sposób maksymalnego

wykorzystania surowców w czynnościach jednostkowych przebiegających w

układach, w których występuje granica rozdziału faz, gdy fazy nie są nadmiernie

rozdrobnione i różnią się znacznie gęstościami.

W tych warunkach można prowadzić w przeciwprądzie procesy lub operacje

jednostkowe, w których zachodzi wymiana mas między fazami (przez granicę

rozdziału faz).

Zasady technologiczne

Strona 1

Gdy w stykających się fazach jeden składnik występuje w różnych stężeniach, istnieje

dążność do wyrównywania się tych stężeń.

Ilość przeniesionej masy między fazami jest proporcjonalna do różnicy stężeń w obu

fazach substancji biorących udział w procesie przenikania mas.

Największe różnice stężeń uzyskuje się wtedy, gdy fazy wymieniające masy

przesuwają się w przeciwnych kierunkach ( w przeciwprądzie ). Zachodząca wówczas

wymiana mas zachodzi z największą możliwie szybkością przez wspólna granicę tych

i proces wymiany mas może być posunięty możliwie daleko (maksymalna możliwa

ilość wymienianego składnika może przejść z jednej fazy do drugiej).

- Zasada maksymalnego wykorzystania produktów ubocznych.

Należy przyjąć koncepcję technologiczną z tak dobranymi surowcami pomocniczymi,

aby nie otrzymać nieużytecznych produktów odpadowych, lecz produkty uboczne

przedstawiające pewną wartość użytkową.

- Zasada indywidualnego regulowania szybkości procesów głównych i ubocznych.

Jeżeli obok reakcji głównej przebiega jednocześnie jedna lub kilka reakcji, w których

surowce zużywają się na wytwarzanie produktów niepożądanych należy tak dobrać

warunki, aby osiągnąć możliwie największą szybkość procesu głównego, nie

zwiększając, w miarę możliwości, szybkości procesów ubocznych.

- Zasada regeneracji materiałów.

Przyjmując koncepcję chemiczną metody, w której stosuje się surowiec pomocniczy,

należy w miarę możliwości tak dobrać ciąg produkcyjny, aby w procesie następowała

regeneracja surowca pomocniczego. Zregenerowany surowiec pomocniczy zostaje

zawrócony do procesu i jego zużycie zostaje ograniczone do uzupełnienia strat obiegu.

b. Zagadnienie najlepszego wykorzystania energii.

Najlepsze wykorzystanie energii często na równi z należytym wykorzystaniem surowców

decyduje o opłacalności metody.

Stopień i racjonalność wykorzystania energii w procesie ocenia się na podstawie

sporządzonego bilansu energetycznego procesu.

Podstawą tego bilansu jest

Zasady technologiczne

Strona 2

- zasada zachowania energii.

Wstępny bilans energetyczny jest oparty na obliczeniach stechiometrycznych,

termochemicznych i termodyna-micznych z uwzględnieniem współczynników wydajności,

określających stopień przereagowania substratów, znanych z bilansu materiałowego. Poza

tym do bilansu wprowadza się współczynniki energetyczne, charakterystyczne dla

rozpatrywanych czynności jednostkowych, znane w przybliżeniu z praktyki analogicznych

procesów zrealizowanych e technice.

-zasada odzysku ciepła

Zgodnie z tą zasadą, gdy w jednym miejscu procesu otrzymuje się materiał o wysokiej

temperaturze, który trzeba ochłodzić, a w innym miejscu procesu trzeba inny materiał

podgrzać, wykorzystuje się ciepło materiału chłodzonego do ogrzania materiału o niższej

temperaturze.

-bezprzeponowa wymiana ciepła

-przeponowa wymiana ciepła

-regeneratory ciepła

-zasada przeciwprądu cieplnego

Stosowanie przeciwprądu cieplnego umożliwia ogrzanie do możliwie najwyższej temperatury

materiału ogrzewanego, oraz schłodzenie do możliwie najniższej temperatury materiału

chłodzonego.

-zasada wielokrotnego wykorzystania ciepła w procesie

Jest ona stosowana często procesach technologicznych, a typowym przykładem jest wyparka

wielodziałowa, w której opary z jednego działu (części) ogrzewają przeponowo dział

następny. Oczywiście czynnikiem o niższej temperaturze nie można ogrzać odbieralnika

ciepła, którego temperatura jest wyższa, dla tego tą zasadę można stosować tam gdzie można

stworzyć szereg odbieralników ciepła o coraz niższych temperaturach, albo podwyższając

temperaturę odpadkowego nośnika ciepła dodatkowym wkładem energii (np.

termokompresja).

-zasada prowadzenia czynności jednostkowych w temperaturach możliwie bliskich

temperaturze otoczenia

Stosując tą zasadę, utrzymuje się możliwie małe różnice temperatur pomiędzy aparatem, w

którym dana operacja jednostkowa jest wykonywana, a temperaturą otoczenia. Dzięki temu

ograniczone zostają do minimum straty cieplne aparatu i poprawia się bilans cieplny procesu.

Zasady technologiczne

Strona 3

-zasada stosowania dużych aparatów, gdy jest pożądane zmniejszenie do minimum wymiany

ciepła z otoczenie, a małych aparatów, gdy taka wymiana jest pożądana

Ilość ciepła wywiązywanego w reakcji egzotermicznej jest proporcjonalna do ilości substancji

reagujących, a więc do objętości aparatu, natomiast ilość ciepła oddanego do otoczenia jest

proporcjonalna do powierzchni aparatu. Ponieważ ze wzrostem rozmiaru aparatu objętość (a

co za tym idzie ilość ciepła wydzielanego) rośnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi liniowego

rozmiaru, a powierzchnia (ilość ciepła odprowadzanego do otoczenia) wzrasta

proporcjonalnie do kwadratu liniowego rozmiaru aparatu, więc im większy jest aparat tym

mniejszy procent wydzielonego ciepła będzie odprowadzony do otoczenia, przebieg procesu

będzie zbliżał się do przebiegu procesu adiabatycznego.

Gdy chcemy mieć przebieg procesu izotermiczny aparat powinien być mały.

C. Zasady najlepszego wykorzystania aparatury.

Koszt zastosowanej do produkcji aparatury musi być amortyzowany i obciąża koszty

wytwarzania produktu, zrozumiałe jest dążenie do obniżenia kosztów budowy aparatury .

Powinno dążyć się do zwiększenia do maksimum wielkości produkcji uzyskanej z jednostki

objętości aparatów chemicznych.

Zagadnienie powyższe jest w równej mierze problemem technologicznym (osiągnięcie

możliwie największych szybkości procesów w aparatach), jak też problemem organizacji

produkcji ( wyeliminowanie lub skrócenie postojów aparatów).

Zasady technologiczne, których stosowanie przyczynia się do możliwie najlepszego

wykorzystania aparatury, wynikają z fizykochemicznych praw kinetyki operacji

jednostkowych , albo z ogólnych rozważań nad organizacją i zharmonizowaniem tych

operacji.

- zasada maksymalnego oddalenia od stanu równowagi.

Jest zasadą ogólną, słuszną dla wszelkich procesów zarówno tych, których szybkość zależy

od szybkości reakcji chemicznej, jak też tych, procesów szybkości, których decydują procesy

dyfuzji.

Każdy proces chemiczny lub fizyczny przebiega tym szybciej, im stan układu jest bardziej

odległy od stanu równowagi, a więc wartość ujemna potencjału termodynamicznego układu

jest możliwie największa .

Jeżeli o sumarycznej szybkości procesu decyduje szybkość reakcji chemicznej, to dużej

szybkości procesu będą sprzyjać wysokie stężenia substratów.

Jeżeli o sumarycznej szybkości procesu decyduje dyfuzja, należy utrzymywać możliwie

wielkie różnice stężeń dyfundujących reagentów.

Zasady technologiczne

Strona 4

Jeżeli czynnikiem decydującym o szybkości procesu jest wymiana ciepła, należy utrzymywać

możliwie duże różnice temperatur .

- zasada obiegu kołowego

Jest to szczególny przypadek zasady poprzedniej.

Stosuje się ją w technice w przypadku, gdy położenie stanu równowagi jest niekorzystne, lecz

produkt można łatwo wydzielić z reagującej mieszaniny.

W miarę zbliżania się do stanu równowagi szybkość procesu bardzo maleje. Często opłaca się

przerwanie rekcji, gdy jej szybkość jest jeszcze duża, wyprowadzenie mieszaniny reagentów z

reaktora i wydzielenie produktu, po czym ponownie zawrócić mieszaninę substratów do

reaktora.

Taki obieg kołowy substratów daje możliwość utrzymania w reaktorze układu w dużym

oddaleniu od stanu równowagi.

Zasada ta stosowana jest w syntezach prowadzonych pod wysokimi ciśnieniami, gdzie koszt

budowy aparatury jest bardzo wysoki.

przykłady:

a. synteza amoniaku,

b. synteza metanolu,

c. synteza izobutanolu.

- zasada maksymalnej temperatury

Stosuje się ją wówczas, gdy szybkość całego procesu limitowana jest szybkością reakcji

chemicznej .

Szybkość reakcji chemicznej wykładniczo zależy od temperatury (Arrhenius), należy wobec

tego należy dążyć do prowadzenia procesu w możliwie najwyższej temperaturze.

ograniczenia:

a. przesunięcie równowagi w niepożądanym kierunku,

b. trudności z doborem tworzyw na aparaty chemiczne,

c. występowanie reakcji ubocznych.

W przypadku limitowania szybkości procesu dyfuzją , stosowanie zasady maksymalnej

temperatury jest niecelowe, gdyż szybkość dyfuzji zwiększa się nieznacznie z temperaturą.

Dwukrotny wzrost szybkości reakcji chemicznej następuje już przy wzroście temperatury o

około 10 o C, podwojenie szybkości dyfuzji następuje przy wzroście temperatury około 60 o C

lub więcej.

W celu zwiększenia szybkości procesu limitowanego dyfuzją lub wymianą ciepła stosuje się

dwie poniższe zasady.

- zasada największego rozwinięcia powierzchni zetknięcia się faz

Zasady technologiczne

Strona 5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: