Vegyipari művelettan I oktató: Nagy Miklós, adjunktus E 516/A, e-mail Vegyipari művelettan I oktató: Nagy Miklós, adjunktus E 516/A, e-mail.:miklos.nagy@science.unideb.hu Kötelező és ajánlott szakirodalom : Fonyó Zsolt, Fábry György: Vegyipari művelettani alapismeretek. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest (1998) Benedek P., László A.: A vegyészmérnöki tudomány alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest (1964) Szűcs Ervin: Dialógusok a műszaki tudományokról, Műszaki Könyvkiadó (Budapest) , 1976 Neten is elérhető: http://web.axelero.hu/eszucs7/DIALOGUSOK/Tartalom.htm A tárgy sikeres teljesítésének feltétele: az előadások és a hozzá kapcsolódó szemináriumok ajánlott látogatása, valamint az írásbeli vizsgadolgozaton legalább 50% teljesítése

A vegyészmérnöki tudomány kialakulása, szakaszos és folyamatos műveletek

A vegyipari termelés története Az ember a történelem kezdete óta foglalkozik a vegyészethez kapcsolódó eljárásokkal, habár az elméleti alapokkal nem mindig volt tisztában: Fazekasság Kohászat Fermentációs eljárások (sörfőzés, bor, sajtkészítés) A fejlődésnek az Ipari Forradalom ezen belül is a textilgyártás adott nagy lökést. A textilt korábban állott vizelettel és napsugárzásnak kitéve kezelték, ami akadályozta a termelés bővítését. Charles Tennant az 1700-as évek végén feltalálta a klórmeszet, melye t Ca(OH)2 és Cl2 reakciójával állított elő. A folyamatra felépítette az első vegyiüzemet, mely 1799-ben 52 tonna, míg öt évvel később már 10.000 tonna klórmeszet termelt. Charles Tennant's St. Rollox Chemical Works in 1831, then the biggest chemical enterprise in the world. https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_industry

A vegyészmérnöki tudomány kialakulása A tudományok fejlődése tapasztalatok gyűjtése, rendszerezése, újraellenőrzése tudatosan végrehajtott kísérletek  általánosan érvényes természeti törvények absztrakció által A vegyipari termelés tudományának forrásai: a termelési gyakorlat az alaptudományok (egyre nagyobb szereppel) A termelés során soha nem szeghetők meg: a természeti törvények (akár ismertek, akár nem) társadalmi-gazdasági törvények

A tapasztalat fontossága

Mérnöki tudományok: építészmérnök, gépészmérnöki, villamosmérnöki, Mérnök: A szó magyar értelmezése szerint a mérnök a mérnöki tudományokban dolgozó olyan egyén, aki megfelelő szakirányú egyetemi vagy főiskolai képzettséggel (diplomával) rendelkezik és egy megfelelő szakmai szervezet elismerten magas képzettségű tagjai által felállított vizsga letételével (a diploma megvédése) vagy egy megfelelő színvonalú tartalmas munkával gyakorlati tudását bebizonyítva a szakmai szervezet elismerését elnyerte, tehát aki ezt a hivatást, pályát, illetve szakmát választotta munkájára. A mérnök feladata gazdaságos és biztonságos módszerek kifejlesztése technikai követelményeket figyelemben tartva a tudományból ismert törvények matematikai alkalmazásával műszaki problémák megoldására, ami lehet új anyagok, szerkezetek, gépek, készülékek, vagy folyamatok tervezése, létrehozása, tovább fejlesztése, vagy azok előállításának (gyártási folyamatok) ellenőrzése, üzemeltetése és tovább fejlesztése. Mérnöki tudományok: építészmérnök, gépészmérnöki, villamosmérnöki, vegyészmérnöki, magtechnikai. és sok más egyéb pl.: anyagmérnök, biomérnök, elektromérnök, élelmiszermérnök, formatervező mérnök, földmérő mérnök, gazdálkodási mérnök, gázmérnök, hadmérnök, ipari mérnök, mérnök informatikus, kertészmérnök, kohómérnök… stb. Idő

A mérnök szakértő! ?

A vegyészmérnöki tudomány kialakulása A vegyészmérnöki tudomány a negyedik primer mérnöki tudomány. Olyan berendezések elgondolása, tervezése és megvalósítása, amelyekkel az anyag kémiai összetételének megváltoztatásával nagyipari termelés valósítható meg. A vegyészmérnöki tudomány az 1930-as években, Németországban Damköhler munkásságával kezdődött és a kialakulása II. világháború végére az USA-ban fejeződött be. Hazánkban a vegyészmérnöki tudományt Benedek Pál és László Antal alapozták meg.

A mérnöki szemlélet Alaptudomány Mérnökség

Műszaki kémia, Vegyipari termelés mestersége (chemical engineering) Kémiai technológia – vegyipari eljárástan (chemical process technology) Vegyipari műveletek és kémiai folyamatok összessége, melyek segítségével tudatos, rendszeres átalakítás útján nyers- és alapanyagokból ipari termékeket állítunk elő.(horizontális). Vegyipari művelettan (unit operations) Gépek, készülékek, berendezések gyártási technológiától független elmélete (vertikális). Kitüntetett szempont a gyártási eljárásokban fellelhető azonos célú berendezések, készülékek, gépek működésének elemzése. Egy-egy műveletet jellemző paraméter meghatározása. Készülékek, berendezések általános elmélete. Vegyipari gazdaságtan (chemical industry management) az előző kettőre merőleges. Költségkímélő termék előállítás. Biztonság, megbízhatóság, energiafelhasználás, környezetvédelem stb.

Kapcsolódó egyéb főbb tudományterületek: • Biztonságtechnika (pl. 10% túlméretezés) • Folyamattervezés és irányítástechnika • Energetika stb.

A tervezést korlátozó feltételek Erőforrások Fizikai tulajdonságok Ipari szabványok Törvényi korlátozások Gazdasági szempontok Biztonsági előírások Alapanyagok Személyzet Idő Módszerek Folyamatokszabta feltételek Választható folyamatok Megvalósítható tervek Lehetséges tervek

A tervezés egy ismétlődő folyamat. Terv specifikáció A tervezés egy ismétlődő folyamat. Minél előrébb tartunk benne, annál több lehetőséget és korlátozó feltételt ismerünk meg. Újabb adatokat és ötleteket keresünk és újabb lehetséges terveket elemzünk ki. Adatgyűjtés Fizikai tulajdonságok módszerek A lehetséges tervek generálása Kiválasztás és kiértékelés (Optimálás) Végső terv A tervezés folyamata

egy új technológia egészének kidolgozása meglévő (működő) technológia ill. üzem kiegészítése

Az anyagi termelés során közvetlen fogyasztásra alkalmas terméket vagy nyersanyagot állítunk elő más iparágak számára. Minden átalakítás 3 tényező együttes jelenlétét és kölcsönhatását tételezi fel: a munka tárgya a munka eszköze az emberi tevékenység A vegyiparban az alapanyag és a termék közötti különbség a kémiai összetételben nyilvánul meg. Legalább egy műveleti egység megváltoztatja a kémiai összetételt vagy reakcióval, vagy keveréssel – szétválasztással. Nem minden egység változtatja meg az összetételt, csak a többi reakcióra alkalmas állapotba hozza a nyersanyagot. Műveleti egységsor: munkaeszközök egymás melletti sorozata amelyen végighalad a munka tárgya. műveleti egység (műveleti egységsor)

Melléktermékek Hulladék Nyersanyag tároló Feed előkészítés Termék elválasztás Termék elválasztás Termék tárolás Reakció Eladás Egy vegyipari eljárás általános felépítése Az ábra egy általános vegyipari gyártási folyamat főbb alkotórészeit szemlélteti. Nem minden folyamat tartalmazza az összes lépést. Minden lépés bonyolultsága a folyamat jellegétől függ A vegyipari tervezés az egyes állomások kiválasztásával és elhelyezésével foglalkozik. Ezen kívül az állomások működéséhez szükséges berendezések kiválasztásával, specifikációjával és tervezésével.

A műveleti egység A művelettan alapvető fogalma a műveleti egység (unit operation), melynek alapján a vegyipari eljárások széles köre jól definiált, viszonylag kevés számú alapműveletből összeállítható. Az elvi folyamatábrákon található egyszerű készülékszimbólumok általában egy-egy műveletet képviselnek (kolonna: desztilláció, reaktor: reagáltatás, szűrő: szűrés, kondenzátor: gőz-folyadék fázisátalakulás, stb.). A készülékek a legtöbb esetben műveleti egységeknek tekinthetőek

Alapműveletek osztályozása 1.Végrehajtási mód szerint: Szakaszos: Időben periódikusan ismétlődő részműveletekből áll Pl: töltési – végrehajtási – ürítési – tisztítási lépések, azaz ugyanazon térben, de időben eltolódva mennek végbe az egyes lépések. Folyamatos: a készüléken az anyag átfolyik, tehát egy időben zajlik a teljes folyamat. (Stacionárius esetben az intenzív paraméterek eloszlása időtől független) Vegyes: folyamatos művelet – egyes része szakaszos (vagy fordítva), pl. folyamatos desztilláció, szakaszos ürítés

2. A folyamatokat leíró törvények szerint: Hidrodinamikai műveletek: folyadékok, gázok mozgása a hidrosztatika és a hidrodinamika írja le – Bernoulli, Euler, Pascal folyadékok szállítása, gázok szállítása, ülepítés, szűrés, keverés centrifugálás, ciklonozás, fluidizáció. Mechanikai műveletek: aprítás, osztályozás, drazsírozás, préselés, extrudálás. Kalorikus műveletek: hőterjedés, hőátadás. Melegítés, hűtés, hőcsere, bepárlás, szárítás, kondenzálás. Drazsírozás: a granulálás (a tömörítést nem külső mechanikai erők okozzák) egyik fajtája, a finomszemcsés anyag görgetése során rögökké, golyókká tapad össze (koromfesték, műtrágya, „drazsé”: pörkölt magvak bevonása) Extrudálás: hőre lágyuló műanyagok sajtolása csigaorsóval, amelynek során a képlékeny anyag felveszi a formázó nyílás alakját Ciklonzás: centrifugális elven gázok és folyadékok pormentesítése Fluidizáció: egy csőbe betöltött részecskék a folyadékáram hatására felazulnak

Anyagátbocsájtási műveletek (diffúziós): desztillálás: részleges elpárologtatás, és részleges kondenzáció; extrakció: folyadék → folyadék, szilárd → folyadék; adszorpció: gáz, folyadék → szilárd; abszorpció: gáz → folyadék; kristályosítás: kristályos komponensek kinyerése folyadékokból. Kémiai műveletek: kémiai reakciók: kémiai reakciókinetika – sebesség, kémiai termodinamika – reakcióhő, anyagmennyiségek.

Műveleti egység A műveleti egység lehet egy-két vagy többfázisú. Egy fázis az anyag azon része, amelyben a kémiai összetételt és a fizikai állapotot leíró függvényeknek nincs szakadási pontjuk. Ha a belépő áramok csak egyszer keverednek (ill. érintkeznek) akkor egyszerű, ha többször, akkor összetett műveleti egységről beszélünk -egyszerű műveleti egységekből építhetők fel párhuzamos, soros, megkerülő vagy recirkulációs kapcsolásokkal. Egyensúlyinak nevezzük a műveleti egységet, ha a kilépő fázisok egymással termodinamikai egyensúlyban vannak. A műveleti egység az időbeni viselkedés szempontjából szakaszos vagy folyamatos. Szakaszos működésről beszélünk, ha a fázisokat jellemző intenzív paraméterek (p,T, c stb. értéke) egy rögzített helyen időben változó. Ha a szakaszos egységben az intenzív paraméterek eloszlása bármely időpontban egyenletes, akkor a műveleti egység tökéletesen kevert. Folyamatos műveleti egységnél a kiindulási anyagokat egyenletes sebességgel tápláljuk be, és a termékek elvezetése is egyenletes. Ha az időegység alatt betáplált áramok tömegének összegével, ún. stacionárius állapot alakul ki.

Műveleti egység A1,A2 és A3: a betáplált anyagok (áramok); B1 és B2: a termékeket vagy kilépő áramok - munka tárgya a művelet előtt és után. A négyszög a munka eszköze.

Tendenciatörvények A műszaki fejlődés tendenciatörvényeit megalapozó, általánosabb érvényű törvények. Minden kielégített igény újabb, magasabb rendű igényt szül az emberben/ társadalomban. Minden igény kielégítésére az ember az aktuálisan lehetséges minimális munkát szánja.

Az emberi technológia korszakai kőkorszak rézkor bronzkor vaskor műanyagok kora Intelligens anyagok kora? Elsődleges cél a jó mechanikai tulajdonság. Könnyen hozzáférhető nyersanyagok, könnyű előállíthatóság. Nem reagálnak a környezet változásaira!

A technológia fejlődése Az általános elméletek szerint a technológia paradigmaváltások sorozatán keresztül, exponenciálisan fejlődik. „Az 1880-as években New Yorkban olyan 1,2 millió ember élt, akik a közlekedéshez 170 ezer lovat használtak. Ha azzal számolunk, hogy egy ló nagyjából napi 10-15 kiló ürüléket termel, akkor a városi közlekedés egyetlen nap alatt akár 2500 tonnát zúdított a városra. Egy korabeli újság becslése szerint ilyen tempó mellett a lószarszint 1930-ra a manhattani felhőkarcolók szintjét ostromolta volna. Már ha nem mállik szét a napi 150 ezer liter lóhúgytól.” http://index.hu/tudomany/til/2016/05/11/az_auto_mentette_meg_new_yorkot_a_kornyezeti_katasztrofatol/

Paradigmaváltások a vegyiparban Szakaszos -> Folyamatos termelés Energiavisszanyerő rendszerek kiépítése Szénbázisról kőolajra, földgázra átállás Anyagátadási folyamatoknál a membrántechnológia egyre inkább előtérbe kerül (energiatakarékosabb) pl.: pasztörizálás

https://sg.hu/cikkek/92650/megdolni-latszik-a-muszaki-fejlodes-mitosza

A szingularitás https://sg.hu/cikkek/92650/megdolni-latszik-a-muszaki-fejlodes-mitosza

A termelés növelésének módjai: párhuzamos egységsorok építése, a készülékek méretnövelése, az azonos rendeltetésű munkaeszközök sorba kapcsolása. A vegyipari termelés volumene folyamatosan nő.

Szakaszos (batch) gyártás tökéletesen kevert üstreaktor I.: töltés II.: átalakulás (reakció) III.: ürítés : valamely intenzív mennyiség, t: idő

Folyamatos betáp, folyamatos elvétel Folyamatos gyártás Csőreaktor Folyamatos betáp, folyamatos elvétel : valamely intenzív mennyiség, x: hosszúság stacionárius állapot

 tulajdonság nem feltétlenül folytonos függvény, pl. tányéros kolonnák. p: egyensúlyi fokozatok sorszáma, : valamely intenzív mennyiség Többfokozatú extraktor

Folyamatos és szakaszos eljárások A szakaszos termelés fő jellemzője, hogy a terméket meghatározott véges adagokban, idegen eredetű, de a magyar iparban meghonosodott szóval sarzs-okban (pl.angol: "charge") gyártjuk le. A sarzs mérete, vagyis az un. sarzsméret az egy adagban gyártott termék mennyisége. Ha például a sarzsméret 50 kg, akkor 1000 kg terméket 20 sarzsban lehet legyártani. Szakaszos eljárás során a paraméterek (hőmérséklet, koncentráció, nyomás… stb.) időben változnak. A gyakorlatban a legtöbb szakaszos eljárás szakaszos és félfolyamatos lépésekből áll.

A gyártási idő optimálása

A szakaszos eljárások: Kis volumenek esetében gazdaságosak Flexibilisek ha változtatunk a termék formulálásán. Könnyen alkalmazkodnak a változó gyártási sebességhez az egyidejű folyamatok számának változása által. Ugyanabban az üzemben lehetővé teszik egy egész sor különböző termék előállítását szabványos többcélú készülékben. A legalkalmasabbak ha gyakori tisztításra vagy sterilizálásra van szükség. Alkalmasak közvetlen léptéknövelésre Lehetővé teszik a termék későbbi beazonosítását. Ez nagyon fontos az élelmiszer és a gyógyszeriparban. Egyik legfőbb probléma a Batch-to-Batch egyezés!

Miért használunk zárófóliát?

Folyamatos üzem 24h/7 , évi 8400 munkaóra éves karbantartási időszak vagy véletlenszerű meghibásodások miatti leállások jellemzik megfelelő mennyiségű alapanyagot és segédanyagot folyamatosan táplálni, a melléktermékeket folyamatosan elvezetni kell folyamatos szabályozásra van szükség, s a szabályozórendszer kiépítése és működtetése komoly költségekkel jár a hosszantartó működés megbízhatóbban működő szerelvények használatát követeli meg a folyamatos szabályozásnak köszönhetően alkalmasabb a termékminőség adott szinten tartásához.

A (kémiai) technológia alaptörvényei (Korach Mór műegyetemi professzor szerint) • a költségparaméter-elv: a technológia nem létezik (nem működőképes), ha a termék önköltsége magasabb, mint a termék piaci ára. • a paraméterek nagy számának elve: a kémiai technológiában az összes paraméter szétválasztása lehetetlen, és így kénytelenek vagyunk a döntő befolyású, ún. „vezérlő” paraméterek tekintetbe vételével beérni • a léptékhatás elve: minden technológiai folyamat, illetve berendezés növelése bizonyos mértékhatáron túl minőségi változásokkal jár laboratóriumi méret (max. 5 dm3) kísérleti üzemi (25-100 dm3) üzemesítés (néhány m3) nagyüzemi gyártás • az automatizáció szükségessége: a paraméterszórás csak automatizálás útján szorítható az előírt határok közé

Vegyipari termékek csoportosítása Tömeg (bulk) anyagok: Ezek a nagy mennyiségben előállított és kémiai összetétel, tisztaság és ár alapján vásárolt termékek. Ilyenek például a kénsav, nitrogén, oxigén, etilén és klór. Finom vegyszerek: Ezek a kis mennyiségben termelt, elsősorban kémiai összetétel, tisztaság és ár alapján vásárolt anyagok. Ilyenek például a dimetil-formamid (gyógyszergyártásnál alkalmazott oldószer, reakcióközeg vagy köztitermék), n-vajsav (italok, aromák, illatanyagok, és egyéb termékek előállításánál használják) Speciális vagy funkcionális vegyi anyagok: Ezeket a hatásuk (vagy funkciójuk) miatt vásárolják, a kémiai összetétel másodlagos. Ilyenek például a gyógyszerek, növényvédő szerek, színezékek, illatszerek és aromák.

A vegyipari termékek tipikus életciklusai Termék eladás D termék C termék B termék Termék újraformulálás Szabadalom lejárat A termék Idő

Folyamatábrák: Az alapanyagoktól a végtermékig tartó gyártás folyamatát szemléltetik. A technológiai kapcsolatok jellegét és sajátosságait, az elemek kapcsolódási módját folyamatábrákkal szemléltetik. A technológiai folyamatot egyezményes jelképpel, jelölésekkel írják le gyártás folyamata alapanyagtól a termékig egyezményes, szabványosított jelölésekkel ellátva. technológiai leírások és utasítások rajzos formája: folyamatábra. tekintet nélkül a készülékek, gépek típusára, alakjára, nagyságára, számára. vegyi képlet, összetétel, főbb mennyiségi adatok. - elvi folyamatábra technológiai folyamatábra

Elvi folyamatábra (Nitrobenzol szakaszos gyártása)  Útmutatást ad: alapanyagok, közbenső termékek és végtermékek kémiai összetételére, az egyes műveletek sorrendjére, a készülékek, gépek jellegére   balról  jobbra haladva, vastag vonallal összekötve folytonos láncot alkossanak , a folyamat megértéséhez szükséges minimális közlést tartalmazzon Kétféle módon készülhet: meglévő üzem gyártási folyamatát akarjuk rögzíteni, megépítendő üzemre rögzíti a tervező az első elképzeléseit. Elvi folyamatábra (Nitrobenzol szakaszos gyártása)

Technológiai folyamatábra: gépeket, készülékeket lépték- és szinthelyesen, ezek bekapcsolását, be- és kilépő áramok szükséges kémiai és fizikai adatait és mennyiségeit, főfolyamat + mellékfolyamatok csővezeték kapcsolását, teljes csőkapcsolást.   A folyamatábra útmutatást ad: kvantitatívan alapanyagok, közbenső termékek, végtermékek, segédanyagok kémiai összetételére és mennyiségére (anyagforgalom), termodinamikai állapotára (energiaforgalom) az egyes műveletek sorrendjére a főfolyamat és a mellékfolyamatok kapcsolatára az egyes műveletek során, az alkalmazott gépek és készülékek típusára, számára és ha lehet az alakjára, nagyságára. A folyamatábra akkor teljes, ha fel vannak tüntetve a következő adatok ( két adat be- és kilépő pontokon): komponens áramok, hőáram, impulzus áram.

Folyamatábrák szerkesztése Műveleti egységek piktogramjai

A folyamatábra összeállításának 2 legfőbb problémája: I. Be tudjuk e azonosítani az összes lehetséges szerkezetet? Az, hogy már meglévő üzemeket is fejlesztenek azt mutatja, hogy ez nem lehetséges. II. Tudunk e minden szerkezetet optimálni valós összehasonlítás céljából? Optimalizáció során észrevesszük, hogy egy adott feladatot nagyon sokféle módon lehet végrehajtani. Továbbá a feladatok kapcsolódási sorrendje is igen változatos lehet. Ez óriási számítási kapacitást igényel! A hierarchikus folyamattervezés „hagyma” diagramja Mindig belülről kifelé haladunk tervezésnél!