Inżynieria chemiczna i procesowa – wybrane zagadnienia

Opis

Inżynieria chemiczna i procesowa – wybrane zagadnienia

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej

Autorzy: Konopacka-Łyskawa Donata, Makoś-Chełstowska Patrycja, Rybarczyk Piotr, Szulczyński Bartosz, Andrzejewski Tomasz, Konopacka-Łyskawa Donata, Gębicki Jacek, Hołowacz Iwona

 

Skrypt Inżynieria chemiczna i procesowa – wybrane zagadnienia został przygotowany dla studentów Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej, realizujących kursy inżynierii chemicznej, inżynierii chemicznej i bioprocesowej, inżynierii procesowej oraz technik rozdzielania. W ramach tych kursów studenci poznają podstawowe operacje jednostkowe wykorzystywane w przemyśle chemicznym, biotechnologicznym, ochronie środowiska oraz w przemyśle rafineryjnym, farmaceutycznym, spożywczym, materiałów budowlanych i wielu innych – pokrewnych. Niniejsza książka zawiera podstawy teoretyczne wybranych operacji jednostkowych i jest uaktualnioną i rozszerzoną wersją skryptu Podstawy inżynierii chemicznej i procesowej z 2012 roku, przygotowanego przez pracowników Katedry Inżynierii Chemicznej i Procesowej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej.

Zagadnienia poruszane w tym skrypcie obejmują wybrane procesy mechaniczne: przepływy płynów, mieszanie, opadanie cząstek w płynach, fluidyzację i filtrację, procesy przenoszenia ciepła oraz procesy przenoszenia masy: destylację, kondensację, rektyfikację, absorpcję, suszenie, adsorpcję i procesy membranowe. Biorąc pod uwagę fakt, że Czytelnikami skryptu będą przede wszystkim studenci kierunków Wydziału Chemicznego, zdecydowaliśmy się na przedstawienie opisu omawianych operacji jednostkowych z wykorzystaniem prostego ujęcia matematycznego, aby prezentowane treści były dostosowane do aparatu matematycznego, którym dysponują nasi studenci. Na końcu każdego rozdziału umieściliśmy literaturę przedmiotu, a w rozdziałach 2–14 także pytania kontrolne i problemy, które pozwolą studentom ocenić stopień zrozumienia omawianego zagadnienia.

Mamy nadzieję, że treść niniejszego skryptu zachęci przyszłych inżynierów do pogłębiania wiedzy i zdobywania praktycznych umiejętności niezbędnych do prawidłowego projektowania operacji jednostkowych i procesów realizowanych w przemyśle chemicznym, biotechnologicznym i ochronie środowiska.

 

Spis Treści:

Przedmowa … 7

1. Wstęp – obliczenia podstawowe ….. 9

1.1. Jednostki ciśnienia .. 9

1.2. Nadciśnienie i podciśnienie .. 10

1.3. Gęstość płynów … 10

1.4. Lepkość płynów …. 11

2. Przepływy płynów ….. 15

2.1. Strumień objętości i strumień masy … 16

2.2. Ciągłość strumienia ….. 16

2.3. Równanie Bernoulliego … 17

2.4. Wypływ cieczy ze zbiorników …. 17

2.5. Liczba Reynoldsa ….. 19

2.6. Opory przepływu w przewodach … 20

2.7. Opory lokalne … 20

2.8. Opory przepływu płynu przez warstwę wypełnienia …. 22

2.9. Moc silnika pompy odśrodkowej . 24

2.10. Pomiary przepływu płynów – metody i urządzenia … 24

2.11. Pytania kontrolne i problemy . 35

3. Mieszanie …. 38

3.1. Moc mieszania .39

3.2. Moc mieszania układu dwufazowego gaz–ciecz ….. 41

3.3. Kryteria służące ocenie efektu procesu mieszania .. 42

3.4. Modelowanie mocy mieszania … 44

3.5. Pomiar mocy mieszania ….. 45

3.6. Pomiar czasu mieszania …. 46

3.7. Pytania kontrolne i problemy .. 47

4. Opadanie cząstek stałych w płynach .. 49

4.1. Podstawowe zależności teoretyczne ….. 49

4.2. Klasyfikacja hydrauliczna …. 54

4.3. Odpylanie gazów … 55

4.4. Pytania kontrolne i problemy … 58

5. Fluidyzacja ….. 59

5.1. Wprowadzenie .. 59

5.2. Rodzaje warstw fluidalnych … 60

5.3. Przebieg procesu fluidyzacji …. 61

5.4. Prędkość początku fluidyzacji ….. 62

5.5. Przykłady zastosowań złóż fluidalnych …. 64

5.6. Pytania kontrolne i problemy …. 65

6. Filtracja ….. 66

6.1. Wprowadzenie ….. 66

6.2. Filtracja pod stałym ciśnieniem .. 67

6.3. Filtracja przy stałym objętościowym natężeniu przepływu filtratu .. 70

6.4. Filtracja dwustopniowa … 71

6.5. Wydajność cyklu filtracji . 72

6.6. Pytania kontrolne i problemy…..73

7. Wymiana ciepła … 75

7.1. Wprowadzenie ..76

7.2. Przewodzenie ciepła …. 77

7.3. Wnikanie ciepła …. 79

7.4. Przenikanie ciepła .. 84

7.5. Wymienniki ciepła … 85

7.6. Promieniowanie .. 88

7.7. Pytania kontrolne i problemy… 90

8. Destylacja i kondensacja …. 93

8.1. Równowaga ciecz–para w mieszaninach dwuskładnikowych … 94

8.2. Destylacja różniczkowa (prosta, frakcyjna) …. 97

8.3. Destylacja równowagowa (rzutowa) .. 100

8.4. Kondensacja równowagowa (współprądowa) … 101

8.5. Kondensacja różniczkowa (przeciwprądowa) … 102

8.6. Pytania kontrolne i problemy … 103

9. Rektyfikacja … 106

9.1. Kolumna rektyfikacyjna … 107

9.2. Bilans materiałowy kolumny o działaniu ciągłym .. 108

9.3. Bilans materiałowy półki zasilanej, stan cieplny surówki . 109

9.4. Powrót … 110

9.5. Skraplacz (deflegmator) …. 111

9.6. Bilans cieplny ….. 112

9.7. Wyznaczanie liczby półek teoretycznych metodą Mc Cabe’a–Thielego … 112

9.8. Wykres entalpowy …. 114

9.9. Wyznaczanie liczby półek teoretycznych metodą Savarita–Ponchona … 115

9.10. Sprawność półek rzeczywistych . … 123

9.11. Wysokość kolumn wypełnionych .. 125

9.12. Rektyfikacja okresowa .. 128

9.13. Pytania kontrolne i problemy …. 133

10. Absorpcja …. 135

10.1. Wprowadzenie …. 136

10.2. Podstawowe zależności teoretyczne …. 137

10.3. Modele wnikania masy, przenikanie masy .. 139

10.4. Przeliczanie stężeń w fazach gazowej i ciekłej na stężenia względne … 143

10.5. Bilans materiałowy absorbera przeciwprądowego …. 143

10.6. Bilans materiałowy absorbera współprądowego … 145

10.7. Absorpcja z recyrkulacją … 146

10.8. Baterie absorpcyjne … 148

10.9. Półka teoretyczna, wyznaczanie liczby półek teoretycznych .. 149

10.10. Wysokość warstwy wypełnienia …. 150

10.11. Pytania kontrolne i problemy …. 153

11. Ekstrakcja … 155

11.1. Równowaga ekstrakcyjna .. 156

11.2. Ekstrakcja jednostopniowa ….. 159

11.3. Ekstrakcja wielostopniowa współprądowa … 163

11.4. Ekstrakcja przeciwprądowa .. 167

11.5. Stopień wyekstrahowania ….. 171

11.6. Pytania kontrolne i problemy …. 172

12. Suszenie … 175

12.1. Parametry materiału wilgotnego i powietrza wilgotnego … 176

12.2. Równowagi suszarnicze … 179

12.3. Bilans suszarki … 181

12.4. Kinetyka suszenia, czas suszenia ….. 183

12.5. Pytania kontrolne i problemy ..186

13. Adsorpcja … 188

13.1. Adsorbenty .. 189

13.2. Równowaga adsorpcyjna … 191

13.3. Szybkość adsorpcji .. 196

13.4. Dynamika adsorpcji w adsorberze z nieruchomym złożem adsorbentu .. 197

13.5. Sposoby realizacji procesu adsorpcji … 202

13.6. Pytania kontrolne i problemy …. 205

14. Procesy membranowe …. 207

14.1. Klasyfikacja procesów membranowych … 208

14.2. Membrana, moduł membranowy, instalacja membranowa ….. 211

14.3. Transport masy w membranach, opory transportu … 216

14.4. Polaryzacja stężeniowa …. 218

14.5. Odwrócona osmoza (RO) …… 219

14.6. Mikrofitlracja (MF), ultrafitlracja (UF) oraz nanofiltracja (NF) … 222

14.7. Permeacja gazów (GP) .. 224

14.8. Perwaporacja (PV) ….. 226

14.9. Destylacja membranowa (MD) …. 228

14.10. Pytania kontrolne i problemy …. 232