Prosessitekniikka Taseet

Oppimistavoite, osa 1 Prosessitekniikka Taseet Ville lopaeus Kemian laitetekniikan tutkimusryhmä Saada peruskäsitys tyypillisestä kemiallisesta prosessista ja sen osista Tunnistaa yksikköprosessit ja yksikköoperaatiot sekä tuntea niissä vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä Tuntea prosessitekniikan perusmääritelmät 1 2 Kumeenin valmistus Fenolin ja asetonin valmistus + CH 2 H C C H H C H CH C H C H CH C + O 2 C H OH CH CO Katalyyttinä lcl 4

Kumeenin ja fenolin tuotantoyksikkö Porvoossa Kumeenin valmistuksen virtauskaavio Jako yksikköoperaatioihin ja -prosesseihin Kuivaus Liuotus Reaktio Pesu Tislaus Lämmitys, jäähdytys Lauhdutus Kiehutus Pumppaus https://www.google.fi/maps/dir/@60.287127,25.901447,65m/data=!m1!1e 5 6 Fysikaaliset yksikköoperaatiot Pumppaus, sekoitus Lämmönsiirto Erotusprosessit (tislaus, uutto...) Kemialliset yksikköprosessit Kemialliset reaktorit, joissa termokemiallisia reaktioita (tyypillisesti katalyyttisiä) Bioreaktorit 7 Prosessien suunnittelu Mietitään mitä reaktioita tapahtuu ja missä Mietitään, mitä yksiköitä tarvitaan (reaktorit, puhdistukset, lämmitykset/jäähdytykset, pumppaukset, säiliöt, kierrätykset...) Piirretään prosessin virtauskaavio Lasketaan taseet lähtien syöttövirrasta yksikkö kerrallaan Mitoitetaan laitteet Lasketaan hinnat Tarkastellaan turvallisuutta jne... 8

Yksikköoperaatioiden ja -prosessien kuvaamiseksi on tiedettävä 1) Mihin suuntaan ollaan menossa Faasitasapaino Kemiallinen tasapaino 2) Millä nopeudella ineensiirtonopeus Lämmönsiirtonopeus Reaktionopeus Ideaalitilanne, joka voidaan teoriassa saavuttaa. Tasapaino johtaa siihen, että yksikköoperaatiot ovat useampivaiheisia ja reaktoreiden jälkeen tarvitaan erotuksia, puhdistuksia ja kierrätyksiä Nämä kertovat, kuinka vaativa tehtävä on. Hidas ilmiö johtaa pitkään viipymäaikaan ja isoon laitteeseen 9 Määritelmiä Systeemi on tarkasteltavana oleva rajoitettu avaruuden osa. Sen ulkopuolella oleva osa on ympäristö. voin systeemi Systeemin ja ympäristön välillä tapahtuu aineen- ja energiansiirtoa Suljettu systeemi inetta ei siirry systeemin ja ympäristön välillä diabaattinen (eristetty) systeemi Suljettu systeemi, jossa myöskään lämpöä ei siirry systeemin ja ympäristön välillä Ekstensiivisuureet ovat verrannollisia systeemin kokoon tai ainemäärään: tilavuus, massa, energia jne. Intensiivisuureet ovat koosta ja ainemäärästä riippumattomia: paine, lämpötila, pitoisuus, tiheys... 10 Määritelmiä Prosessi on jatkuvuus- eli stationääritilassa, jos systeemin tila ei muutu ajan suhteen. Käytetään myös termiä Steady state. Muussa tapauksessa prosessi on epäjatkuvuustilassa eli epästationääritilassa. Myös termejä transientti tai dynaaminen systeemi käytetään. Tasapaino. Prosessi pyrkii kohti tasapainotilaa, jossa eroja ei enää ole. Tasapaino esittää sitä ääritilaa, jonka prosessi voi korkeintaan saavuttaa. Huom! tasapaino rajoittaa vain paikallisia olosuhteita, vastavirtaratkaisulla päästään pidemmälle! Prosessi voi olla jatkuvuustilassa vaikkei se ole tasapainossa. 11 Määritelmiä Konversio: osuus syötöstä, joka on reagoinut ( on lähtöaine) Selektiivisyys: se osa reagoineesta aineesta, joka muodostaa tarkasteltavaa (yleensä haluttua) komponenttia esim. B Saanto: konversio kertaa selektiivisyys, eli tarkasteltavan tuotteen suhde syötettyyn määrään Virtausreaktoreissa nämä voidaan laskea virtausmääristä (mol/s) n X = S = n Y = X, alku - n n, alku n, alku B, loppu - n n S = n, loppu, loppu B, loppu, alku 12

Esimerkki Laboratoriossa tehtiin koe, jossa ainetta syötettiin reaktoriin 100 mol. Reaktion asetuttua tasapainoon tuote analysoitiin, ja havaittiin, että syöttöainetta oli jäljellä 60 mol, haluttua tuotetta B oli 0 mol ja arvotonta sivutuotetta S oli 10 mol. Mikä on aineen konversio? Mikä on reaktion «B selektiivisyys? Mikä on reaktion «S selektiivisyys? Mitkä ovat B:n ja S:n saannot? 1 Esimerkki Mikä on reaktion konversio? nalku - nloppu 100-60 X = = = 0,4 = 40% n 100 alku Mikä on reaktion «B selektiivisyys? n B 0 SB = = = 0,75 = 75% n - n 100-60 alku loppu Mikä on reaktion «S selektiivisyys? S S = 0,25 = 25% 14 Esimerkki Esimerkki Mikä on B:n saanto? YB = X SB = 0,4 0,75 = 0, = 0% Mikä on S:n saanto? Reaktori, B, S YS = X SS = 0,4 0,25 = 0,1 = 10% Tehtävä jatkuu prosessisuunnittelulla... setu kyvykkään insinöörin asemaan ja suunnittele mahdollisimman halvan tehtaan virtauskaavio, josta tulee pelkkää B:tä tuotteena? 15 Mikä määrää reaktorin koon? Mitä tuotteille voi / pitää tehdä? 16

Luonnontieteet ja tekniikka Luonnontieteet kertovat, mikä on mahdollista Tekniikka ja insinööritieteet Insinööritieteiden ongelmat ovat usein avoimia, eli niihin voi olla useita ratkaisuja joista valitaan jossain mielessä paras tai järkevin Tekniikka kertoo, mikä on järkevää Luonnontieteiden ongelmiin on usein oikea ratkaisu : Esim. kuinka pitkälle pallo lentää jos se heitetään nopeudella v ja kulmassa a Insinööritieteissä pitää myös ratkaista näitä kysymyksiä 17 18 Kemisti ja insinööri Pohjimmiltaan puhtaat (yliopisto)kemistit ja kemiaa soveltavat insinöörit käsittelevät samoja asioita, usein vähän eri painotuksilla Usein kuitenkin näkökulma jolla asiaa ajatellaan on erilainen. Ideaalisia reaktorityyppejä Tulppavirtausreaktori eli putkireaktori Jatkuvatoiminen sekoitussäiliö Virtausreaktoreja Kemisti: - halutun tuotteen pitoisuus - halutun tuotteen saanto - ph, T - muita tunnuslukuja, kuten kappa Insinööri: - mitä sille lopulle pitäisi tehdä - minkälaisia laitteita kannattaa käyttää - miten prosessi saadaan käytännössä toimimaan - miten prosessi saadaan 19 toteutettua kannattavasti Panosreaktori eli panostoiminen sekoitussäiliö fi CHEM-1110, Virtaukset ja reaktorit Opetellaan laskemaan miten reaktorit toimii 20

Pumput, putkistot, lämmönsiirtimet Erotusprosessit Prosessissa aineita pitää pumpata paikasta toiseen laitteiden välillä ja prosessista tuotesäiliöihin. Pumpulla nostetaan painetta, nostetaan korkeusasemaa ja taistellaan kitkahäviöitä vastaan. Lämmönsiirtimillä virtoja lämmitetään tai jäähdytetään (tai siirretään lämpöä virtojen välillä) rvokkaan materiaalin talteenotto fi CHEM-1110, Virtaukset ja reaktorit Opetellaan laskemaan miten nämä toimivat 21 22 Erotusprosessit Erotusprosessit Erotusprosesseilla tai operaatioilla tarkoitetaan teknisiä menetelmiä, joilla aineet saadaan erilleen Ne perustuvat usein aineiden jakautumisen eroihin eri faasien välillä, esimerkiksi haihtuvuuksien eroihin Epäpuhtauksien poisto 2 24

Erotusprosessit Komponenteilla jokin toisista poikkeava ominaisuus, tyypillisimmin: kiehumispiste tislaus, haihdutus liukoisuus (kiinteä-neste tai neste-neste) jäähdytys- tai haihdutuskiteytys, absorptio, uutto... sulamispiste sulakiteytys diffuusionopeus tai läpäisevyys kalvoerotukset, suodatus Esimerkki jatkuu Reaktori, B, S Erotusoperaatio B, S fi CHEM-2100, Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit 25 26 Esimerkki Esimerkki Reaktori, B, S Erotusoperaatio Reaktori, B, S B B, S B, S S 27 28

Reaktori Esimerkki, B, S Koko prosessin konversio 100 % ja B:n saanto myös 100 %! B Esimerkki Voisiko S:n sittenkin käyttää jossain muualla raaka-aineena, ts. keksittäisiinkö sille jotain hyötykäyttöä? B, S S 29 Mitä muuta pitää tietää? Millä tavoin aineet, B, ja S voidaan erottaa Mitä fysikaalista tasapainoa erotuksessa lähestytään (aineet harvoin saadaan täysin puhtaina erilleen, tai se maksaa liikaa) Kuinka nopeasti tasapainoa lähestytään Tapahtuuko jotain muuta kuin laboratoriossa havaitut reaktiot 0 Mikä on B:n puhtausvaatimus? Kertaus, osa 1 Kertaus, osa 1 Yksinkertaisen kemiallisen reaktion toteuttaminen järkevästi teollisessa mittakaavassa voi vaatia useita prosessiyksiköitä Prosessit jaetaan fysikaalisiin yksikköoperaatioihin ja kemiallisiin yksikköprosesseihin Erotusprosesseilla (fysikaalisia yksikköoperaatioita) erotetaan aineita toisistaan. Niillä voidaan mm. erottaa sivutuotteita tai reagoimatonta syöttöä kierrätystä varten, tai poistaa haitallisia aineita 1 Erotusprossessien tai reaktoreiden suunnittelemiseksi pitää tietää 1. Tasapaino 2. Nopeus Peruskäsitteitä: voin systeemi, suljettu systeemi, adiabaattinen systeemi, intensiivi- ja ekstensiivisuureet, tasapainotila, ajasta riippumaton (stationääri tai steady state) tila, konversio, selektiivisyys, saanto 2

Oppimistavoite, osa 2 Taseet Taseen käsitteen ja merkityksen ymmärtäminen Taseiden muodostamisen periaatteet Esimerkkejä termeistä joita taseyhtälö tyypillisesti sisältää 4 inetaseet Prosessien suunnittelun perusta Energiataseet Tasapaino (fysikaalinen ja kemiallinen) Prosessin nopeus (aineen- ja lämmönsiirto, reaktionopeus) ineominaisuudet (tiheys, viskositeetti jne.) Teollisen laitoksen muu suunnittelu (EHS, mittaukset, tietotekniikka ja prosessien ohjaus, paineastiat, perustukset, sähköjärjestelmät, tuotannonsuunnittelu...) Taloudelliset laskelmat 5 Taseet Taselaskenta on ehkä tärkein insinöörien perustaidoista Taseajattelu perustuu aineen- ja energian säilymisen lakiin Sovelletaan myös muihin säilyviin ominaisuuksiin (ekstensiivisuureisiin) Taseiden avulla voidaan ratkaista tuntemattomia suureita systemaattisesti 6

Tase Kertyminen = Sisään menevä Ulos tuleva + Syntyminen Kertyminen = Sisään Ulos + Syntyminen Tase on aina totta. Yhtälöä katsottaessa on helppo todeta, että noinhan tuo menee. Pitää kuitenkin muistaa, että aina totta tarkoittaa myös sitä, että tasetta voidaan aina ja pitääkin soveltaa määrällisille (ekstensiivi) muuttujille. 7 8 Kertyminen = Sisään Ulos + Syntyminen ineen, energian ja liikemäärän säilyminen Kokonaismassa, kemiallisten komponenttien massa tai ainemäärä, lämpöenergia, mekaaninen energia... Taseita kirjoitetaan jotta saadaan tuntemattomia muuttujia ratkaistua Sisään Tasealue Ulos Tasealueen raja Matemaattinen mallitus perustuu taseiden ratkaisemiseen Ympäristö 9 40

Laite Laitteen osa Prosessiyksikkö Tasealue Tehdas Differentiaalinen elementti Tili () Mieti kaverin kanssa tai pienessä ryhmässä, voidaanko seuraaville suureille muodostaa tase (ja miksi) 1. happiatomien määrä polttoprosessissa 2. lämpötila polttoprosessissa. reaktorissa oleva aineiden kokonaismassa 4. ph happohydrolyysissä 5. voimat (Newton) raketin kiihdytyksessä 6. luennolla olevien opiskelijoiden määrä 41 Palautellaan mieleen käsitteet intensiivi- ja ekstensiivisuure 42 1. Piirrä kuva 2. Listaa oletukset Taseiden käyttö ja suunnittelu. Piirrä kuvaan tasealue(et) 4. Steady state / ajasta riippuva? 5. Kirjoita tase(et), tarkasta että ovat riippumattomia 6. Ratkaise tuntemattomat, yhtälöitä ja tuntemattomia yhtä paljon 7. Tarkista tilanne (ja palaa kohtiin 1-6 jos tarpeen) Reaktoriesimerkki Ideaalisesti sekoitettuun säiliöreaktoriin (CSTR) syötetään nestettä 1 m /s. Reagoivan aineen konsentraatio syötössä on 1 mol/m (loput reaktioon osallistumatonta ainetta). Säiliön nestetilavuus on 9 m ja reaktionopeus (mol/m s) reaktiolle B on muotoa r=k c, missä c on aineen konsentraatio reaktion tapahtumapaikassa ja reaktionopeusvakio k = 1 1/s. Laske tuotteen konsentraatio tuotevirrassa ja konversio reaktorissa kun reaktori toimii stationääritilassa. Seoksen tiheys ei muutu reaktion edetessä. Paljonko konversio olisi m reaktorissa? 4 44

Reaktoriesimerkki Reaktoriesimerkki 1. Piirrä kuva 2. Listaa oletukset. Piirrä kuvaan tasealue(et) 4. Steady state / ajasta riippuva? 5. Kirjoita tase(et) 6. Ratkaise tuntemattomat 7. Tarkista tilanne (ja palaa kohtiin 1-6 jos tarpeen) : 1 mol/s KERTYMINEN = 0 SISÄÄN = 1mol/ s ULOS = c V=9 m c = c c, 1 m /s 1m SYNTYMINEN / s Kertyminen = Sisään Ulos + Syntyminen 0 = 1mol / s - c 1m / s - k c m 1 s Ratkaistaan c mol s = -k c V 45 46 1 c = = = 0,1mol / m m 1 + k V 1 s 1 mol s + 1 s 9m V Reaktoriesimerkki Reaktoriesimerkki konversio virtausreaktorissa n&,sisään - n& X = n& 1mol/ s - 0,1mol/ s X = = 90% 1mol/ s,sisään,ulos 47 Pitoisuudet ja konversio pienemmässä reaktorissa mol 1 c = s = 0,25mol / m m 1 1 + 1 m s s 1mol/ s - 0,25mol/s X =» 75% 1mol/s Prosessi-insinöörin tehtävä on miettiä, kannattaako satsata enemmän reaktorin kokoon vai tuotteen erotukseen 48

Taseiden ratkaiseminen Energiataseet 1. Käsin laskemalla 2. Taulukkolaskentaohjelmalla (Excel ja sen solver - toiminto). Erilaisilla matematiikkaohjelmistoilla (Matlab, Octave ym.) 4. Simulaattorit (spen, ProII, ChemCad, Flowbat ) 1. Lämpöenergian tase Ominaislämpökapasiteetit, höyrystymislämpö, lämmönsiirto... 2. Mekaanisen energian tase Pumput, putkistojen ja niiden osien kitka, hydrostaattinen paine... Bernoullin yhtälö on yksi mekaanisen energian taseen erikoistapaus. 49 50 m& in Energiatase-esimerkki Ilmanpaineessa toimivaan säiliöön syötetään kymmenasteista vettä 1 t/h. Lämmitysteho on 100 kw. Systeemi on stationääritilassa. Laske ulostulevan veden määrä ja lämpötila & c ( T T ) m& c ( T - T ) m - in p in ref q& m& out out p out ref 51 Energiatase-esimerkki inetase Systeemi on stationääritilassa (eikä säiliö vuoda). m out = m in =1,0 t/h. ineominaisuuksia: Veden ominaislämpökapasiteetti 4,18 kj/kgk T ref voidaan tässä valita mielivaltaisesti. Valitaan T ref = 0 C. de { dt säiliöön ker tyvä energia = 0 ( T - T ) + q { & - m c ( T - T ) = m 1 & 1 & incp in ref out p out ref 42 4 44 44244 sisään lämmitys ulos Energiatase (lämpöenergian tase kirjoitettuna entalpian avulla; ominaisentalpia kertaa massavirta) 52

Energiatase-esimerkki Ratkaistaan ulostulolämpötila ja sijoitetaan lukuarvot. Nyt voidaan käyttää Celsius-asteita (samasta syystä kuin miksi T ref voidaan valita mielivaltaisesti, eli entalpia on ns. tilan funktio) Huomioita: Energiatase-esimerkki - Jos lämpöteho olisi vähän suurempi, osa vedestä höyrystyisi. Höyrystymislämpö olisi tällöin otettava huomioon energiataseessa. kj 100 q& T s out = Tin + = 10 C + = 96,1 c m& kg p 1000 kj 4,18 h kg C s 600 h C 5 - Ominaislämpökapasiteetti oletettiin vakioksi. Tarkemmassa laskennassa käytetään korkeampiasteista polynomisovitetta, mutta tällöin lämpötila joudutaan ratkaisemaan korkeampiasteisesta yhtälöstä. Käytännössä karkeisiin arvioihin riittää, kun käytetään keskimääräistä ominaislämpökapasiteettia prosessin lämpötila-alueella. - Entalpiataseissa voidaan usein käyttää Celsius -asteita, mutta yleisesti kannattaa olla tarkkana etenkin kaasujen käsittelyyn liittyvissä laskuissa 54 Jäätelön syöminen Voiko kylmää jäätelöä syömällä välttää energian saamisen (hypoteesi: jäätelön lämmittäminen ruumiinlämpöön kuluttaa sen sisältämän energian)? Kermajäätelö: 180 kcal/100g Ominaislämpökapasiteetti» jää, 0,5 kcal/kg o C fi Jäätelön sisältämä energia nostaisi sen lämpötilaa 500 o C:lla (jos pysyisi jäänä). Todellisuudessa jää lämpenee, sulaa, neste lämpenee, neste kiehuu, ja syntyvä höyrykin vielä kuumenisi yli 2000 o C lämpötilaan. 55 jasta riippuva tase lussa tyhjään säiliöön pumpataan vettä 1 kg/s. Säiliön pohjassa on reikä, josta poistuvan veden virtausnopeus riippuu veden pinnankorkeudesta, eli siitä, kuinka paljon säiliössä kullakin hetkellä on vettä. Riippuvuus on muotoa m out = a m, missä a on reiän koosta riippuva parametri ja m hetkellinen veden määrä. Säiliössä oleva reikä on sellainen, että parametri a saa arvon 0.1 kg 0.5 /s. Laske säiliössä oleva vesimäärä ajan funktiona. 56

jasta riippuva tase jasta riippuva tase dm = min - mout = 1kg / s - a dt m 1 kg/s 1 kg/s 1 kg/s Lasketaan muutosnopeus ja edetään pieni ajanhetki eteenpäin Tämän riippuvuuden muotoa perustellaan lisää virtaukset ja reaktorit -kurssilla... m t m t1 m out = a m 1 mout a m = t 57 m out = a m t m t nalyyttinen ratkaisu myös olemassa: 1kg / s a a m + ln 1- m = - t a Ł 1kg / s ł 2 58 jasta riippuva tase jasta riippuva tase 120 veden massa (kg) 100 80 60 40 20 0 Transientti Steady-state 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 aika (s) 59 Usein laitemitoitukset ja niihin liittyvä ainetase lasketaan ajasta riippumattomassa (steady state) tilassa, jotta saadaan yhtenäinen suunnitteluperuste koko prosessille Tässä tapauksessa Jolloin saadaan dm = min - mout = m in - a m = 0 dt m m = a Ł 2 2 in = ł 1kg / s = 0,5 Ł 0.1kg / s ł 100kg 60

Kertaus, osa 2 Taselaskenta on kaiken insinööriosaamisen perusta Kertyminen = Sisään Ulos + Syntyminen Prosesseja ymmärtämällä tiedetään, mitä termejä oikealle puolelle yhtälöä tulee Tyypillisimmät taseet ovat aine- ja energiatase 61