ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ο ΕΞΑΜΗΝΟ Σ. ΤΣΙΒΙΛΗΣ Ε. ΠΑΥΛΑΤΟΥ ΚΑΘ. ΕΜΠ

2 ΣΚΟΠΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 2 Σκοπός του μαθήματος είναι η εμπέδωση θεμελιακών εννοιών που σχετίζονται με τις διεργασίες και τα συστήματα που συναντώνται στη Χημική Βιομηχανία. Συνοπτικά, στο τέλος του μαθήματος ο φοιτητής θα πρέπει να είναι σε θέση: να κατανοεί ένα διάγραμμα ροής απλών και σύνθετων διεργασιών/συστημάτων να καταστρώνει το φυσικό και μαθηματικό πρότυπο για μια διεργασία σε μόνιμη και μη μόνιμη (μεταβατική) κατάσταση να χρησιμοποιεί θεμελιακές εξισώσεις και να καταστρώνει ισοζύγια μάζας και ενέργειας για απλά και πολλαπλά συστήματα να καταστρώνει ισοζύγια μάζας και ενέργειας συστατικών σε απλές φυσικές διεργασίες και σε απλούς χημικούς αντιδραστήρες καθώς και σε συστήματα πολλαπλών διεργασιών να επεξεργάζεται και να συσχετίζει πειραματικά δεδομένα να εξοικειωθεί με βασικές μεθόδους αριθμητικής ανάλυσης για την επίλυση σχετικών προβλημάτων με χρήση Η/Υ

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ- Ορισμός Επιστήμης και Περιγραφή Επαγγελματικής Απασχόλησης Χημικού Μηχανικού. 2. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 3. ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΜΑΖΑΣ. Εξισώσεις Διατήρησης Μάζας. Καταστατικές Συσχετίσεις, Όγκοι Ελέγχου. 4. ΜΕΡΙΚΑ ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ 5. ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ 6. ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 7. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ-Αέρια, Ατμοί, Υγρά και Στερεά. 8. ΚΟΡΕΣΜΟΣ. 9. ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΑ ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ 10. ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. 11. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ. 12. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΑΛΓΕΒΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ.

4 4 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ Ε. ΠΑΥΛΑΤΟΥ, ΚΑΘ. ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗΣ, Β1.116 Σ. ΤΣΙΒΙΛΗΣ, ΚΑΘ., Α.219 ΕΔΙΠ Δρ. Φ. ΔΟΓΑΝΗΣ, Δρ. Δ. ΞΕΝΙΔΟΥ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ-ΘΕΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: Προγραμματισμός απλών μαθηματικών μεθόδων στον υπολογιστή και εφαρμογή σε θέματα χημικής μηχανικής

5 ΤΡΟΠΟΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 5 Ενδιάμεση πρόοδος Τελικό διαγώνισμα Θέματα - 4 σειρές υπολογιστικών θεμάτων με βάση τις φροντιστηριακές ασκήσεις Τα θέματα είναι προαιρετικά και μετρούν 50% θετικά επί του τελικού βαθμού (μόνο θετικά) ΠΡΟΟΔΟΣ ΤΕΛ. ΕΞ. ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΛΙΚΟΣ ΒΑΘΜΟΣ *6+ 0.5*8= Ε. Παυλάτου, *3+ 0.5*8= 6

6 ΑΛΛΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 6 Ιστοσελίδα μαθήματος (Υλικό μαθήματος) Ιστοσελίδα για υπολογιστικές ασκήσεις Υποβολή ασκήσεων Σύγγραμμα Βασικές αρχές και Υπολογισμοί στη Χημική Μηχανική, Himmelblau D., Riggs J., Έκδοση: 8η/2016, Εκδόσεις Τζιόλα. (Εύδοξος) Τυπικό Διεθνές σύγγραμμα R.M. Felder and R.W. Roussaeu, Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd Edition, John Wiley, NY, 2005

7 H XHMIKH MHXANIKH 7

8 8 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ( _science) Ο Χημικός Μηχανικός αποκτά με τις σπουδές του την μόρφωση και την ικανότητα να εφαρμόσει τις αρχές των χημικών, φυσικών, μαθηματικών, οικονομικων και τεχνικών επιστημών, ως και της κοινωνικής οικονομικής και των ανθρωπιστικών επιστημών σε πεδία, που ανάγονται σε διεργασίες μετασχηματισμού της ύλης και χημικές εγκαταστάσεις διεξαγωγής διεργασιών όπου η ύλη υποβάλλεται σε κατεργασία ή επεξεργασία κατά τον ωφελιμότερο (βέλτιστο) τρόπο από πάσης απόψεως (τεχνικής, οικονομικής, κοινωνικής).

9 9 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Έργο του Χημικού Μηχανικού στην πράξη είναι η έρευνα - ανάπτυξη - βελτίωση προϊόντων, μεθόδων και εγκαταστάσεων, η μελέτη - κατασκευή - λειτουργία - τεχνική εξυπηρέτηση χημικών εγκαταστάσεων, και ο σχεδιασμός - παραγωγή - έλεγχος - διάθεση - εφαρμογές των παραγόμενων προϊόντων και υλικών. Δύο μεγάλες υποκατηγορίες Σχεδιασμός & λειτουργία διεργασιών ("chemical process engineers ) Ανάπτυξη νέων ή τροποποιημένων ουσιών για προϊόντα (π.χ. τρόφιμα, φάρμακα κλπ) ("chemical product engineers").

10 10 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ και.. Η επιστήμη των διεργασιών στηρίζεται σε φυσικές και χημικές μετατροπές της ύλης. Ο όρος «χημικός» είναι στην πραγματικότητα περιοριστικός??? Με τις διεργασίες επιδιώκεται η αύξηση της αξίας ενός προϊόντος. Όχι απαραίτητα εμπορεύσιμα προϊόντα (π.χ. βελτίωση ποιότητας αέρα, νερού). «A chemical engineer is someone who knows enough physics/mechanics to confuse a chemist, enough chemistry to confuse a physicist/mechanical engineer and enough mathematics to confuse himself.» Professor M.S. Ananth

11 11 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2018 Chemical engineering is the profession in which knowledge of mathematics, chemistry, physics, biology, and other natural sciences gained by study, experience, and practice is applied with judgment to develop economic ways of using materials and energy for the benefit of humankind. The profession encompasses a broad spectrum of products and the processes used to make them, using chemical, biological, or physical transformations in a safe, sustainable, and economical manner.

12 12

13 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, : A dose of penicillin cost $ : A dose of penicillin cost 55 cents. * Submerged fermentation process (ζύμωση με βύθιση) is still the dominant production technique for penicillin. Sir Alexander Fleming holding a petri dish with Penicillium notatum culture, in 1928 (Top) and inspecting a 15,000 gallon deep tank used in penicillin production at a Squibb plant in New Brunswick, NJ, June 1945 (Right).

14 14

15 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2018 ortho-xylene C 6 H 4 (CH 3 ) O 2 C 6 H 4 (CO) 2 O + 3 H 2 O ΔΗ= 1110 kj/mol C 6 H 4 (CH 3 ) O 2 C 4 H 2 O 3 +4 H 2 O + 4 CO 2 maleic anhydride

16 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2018

17 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2018 Ο ΧΜ είναι ο συνδετικός γνωσιακός κρίκος μεταξύ της διάστασης των ατόμων/μορίων και της διάστασης των υλικών της καθημερινότητας της διάστασης των διεργασιών (φυσικών, χημικών, βιολογικών) (εργαστηρίου και της Βιομηχανίας) της διάστασης της οικονομικής ευημερίας και των επιπτώσεων στο περιβάλλον, στην υγεία και ασφάλεια και στην αειφόρο ανάπτυξη (αριστοποιημένη χρήση πόρων μη υποθήκευση του μέλλοντος των επόμενων γενεών)

18 18 ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ-ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Απασχόληση σε βιομηχανικές παραγωγικές διαδικασίες (χημικά, πετρελαιοειδή, αέριο, χαρτί, φαρμακευτικά, τρόφιμα, κεραμικά, υφάσματα, πλαστικά κ.α.) (45%) Τεχνικές συμβουλές και προώθηση πωλήσεων προϊόντων, επιχειρησιακή έρευνα (11%) Δημόσια Διοίκηση - Δημόσιοι Οργανισμοί (13%) Μελέτες, σχεδιασμοί, κατασκευές. (3%) Έρευνα, εξέλιξη και προσχεδιασμένες ιδιότητες νέων προϊόντων. (6%) Εκπαίδευση, ιδιαίτερα στην Ανώτατη και Ανώτερη βαθμίδα. (9%) Ελεύθεροι επαγγελματίες.(8%)

19 Διυλιστήρια Προιόντα καθημερινής χρήσης Παραγωγή χημικών προιόντων

20 20 ΕΠΙΤΕΥΓΜΑΤΑ -ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ -engineers-who-changed-the-world.aspx

21 21

22 Ε. Παυλάτου,

23 Ε. Παυλάτου,

24 24

25 25

26 26

27 Ε. Παυλάτου, 2018 ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ 27 Σκοπός κοινή ορολογία στη μέτρηση των διαστάσεων SI CGS American Engineering System - UK

28 Ε. Παυλάτου, 2018 ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ 28

29 Ε. Παυλάτου, 2018 ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ 29

30 ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ 30 Ε. Παυλάτου, 2018 Επιφάνεια = [μήκος] 2 Όγκος = [μήκος] 3 Πυκνότητα = [μάζα] / [όγκος] = [μάζα] / [μήκος] 3 Ταχύτητα = [μήκος] / [χρόνος] Επιτάχυνση = [ταχύτητα] / [χρόνος] = [μήκος] / [χρόνος] 2 Δύναμη = [μάζα]χ[επιτάχυνση] = [μαζα]χ[μήκος]/[χρόνος] 2 Ενέργεια = [δύναμη] Χ[μήκος] Ισχύς = [ενέργεια] / [χρόνος]

31 ΣΥΣΤΗΜΑ SI 31 Ε. Παυλάτου, 2018

32 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΕS 32 Ε. Παυλάτου, 2018

33 Συστήματα Μονάδων Συνήθη Συστήματα Μονάδων Διάσταση SI CGS UK US Μήκος m Cm ft ft Μάζα kg g slug lbm Χρόνος s s s s Δύναμη Ν dyn lbw lbf Ενέργεια J erg, J, cal BTU BTU

34 Επιπρόσθετες Μονάδες Επιπρόσθετες Μονάδες Μονάδα Μονάδα Σύμβολο Aντιστοιχία minute (time) λεπτό min 1 min = 60 s hour ώρα h 1 h = 60 min day ημέρα d 1 d = 24 h liter λίτρο L 1 L = 10-3 m 3 metric ton τόνος t 1 t = 1000 kg

35 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑ-ΥΠΟΔΙΑΡΕΣΕΙΣ 35 Ε. Παυλάτου, 2018

36 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑ-ΥΠΟΔΙΑΡΕΣΕΙΣ 36 Ε. Παυλάτου, 2018

37 ΜΑΖΑ ΣΥΝΕΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 37

38 ΜΗΚΟΣ ΟΓΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 38

39 ΠΙΕΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 39

40 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 40

41 ΙΣΧΥΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ 41

42 42 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ Ε. Παυλάτου, 2018 Κάθε όρος μιας εξίσωσης πρέπει να έχει τις ίδιες διαστάσεις και μονάδες με κάθε όρο που προστίθεται αφαιρείται ή εξισώνεται Π.χ. Εξίσωση τελείων αερίων: PV = nrt Διαστάσεις του R: [πίεση]χ[όγκος]/[mole] [θερμοκρασία] (L atm / mol K) Ερώτηση: Ποια είναι η τιμή του R σε (psi ft 3 / lbmol R); Συνεπής διαστασιολόγηση σημαντική στους αδιάστατους αριθμούς που χρησιμοποιούνται στη Χημική Μηχανική Π.χ. Αριθμός Reynolds Nre= D u ρ / μ = {(cm) (cm/s) (g/cm 3 )} / (g/(cm s))

43 Σημαντικά ψηφία 43

44 44 Μετρήσεις και σημαντικά ψηφία Σημαντικά ψηφία: τα βέβαια ψηφία και ένα με κάποια βεβαιότητα Αριθμός σημαντικών ψηφίων: ο αριθμός των αναγραφόμενων ψηφίων στην τιμή μετρημένης ή υπολογισμένης ποσότητας που δείχνει την επαναληψιμότητα της τιμής Όταν πολ/ζουμε, διαιρούμε, προσθέτουμε, αφαιρούμε το τελικό αποτέλεσμα έχει τα λιγότερα σημαντικά και δεκαδικά ψηφία. Στρογγυλοποίηση

45 45 Μετρήσεις, Αβεβαιότητα (Σφάλματα και Σημαντικά ψηφία) Ακρίβεια τιμής (accuracy) και Ακρίβεια Μέτρησης (Precision) Accuracy πόσο κοντά βρίσκεται η τιμή μιας μέτρησης στην πραγματική τιμή Precision δηλώνει την επαναληψημότητα των μετρήσεων. Είναι δυνατόν κάποιος να μετρά τιμές με ακρίβεια κάνοντας όχι ακριβείς μετρήσεις και αντιστρόφως!!!

46 46

47 47

48 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

49 ΠΙΕΣΗ Ατμοσφαιρική πίεση είναι η πίεση που ασκείται από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της θάλασσας (=1 atm). Σχετική πίεση είναι η πίεση που μετριέται με πίεση αναφοράς την ατμοσφαιρική πίεση. Απόλυτη πίεση είναι η πίεση που μετριέται με πίεση αναφοράς τη μηδενική πίεση (κενό). Υδροστατική πίεση

50 50 Πόση είναι η απόλυτη και η σχετική πίεση 30 m κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας (ρ=0.998 g/cm 3 ) σε kpa, atm και psi.

51 51 Ε. Παυλάτου, 2018 Ασκήσεις Το νερό έχει πυκνότητα 62,4 lbm/ft 3 Πόσο ζυγίζουν 2,000 ft 3 g=32,174 ft /s 2 (α) στην επιφάνεια της θάλασσας (β) σε σημείο που έχει ύψος 5371 ft όπου g=32,139 ft /s 2