(Χθμικζς) Συσκευζς. Χατηθαβραμίδθς Δθμιτρθς Κακθγθτις ΕΜΠ. Σχολι Χθμικών Μθχανικών, ΕΜΠ

Transcript

1 (Χθμικζς) Συσκευζς Χατηθαβραμίδθς Δθμιτρθς Κακθγθτις ΕΜΠ Σχολι Χθμικών Μθχανικών, ΕΜΠ

2 Άδεια Χπήζηρ Τν παξόλ εθπαηδεπηηθό πιηθό ππόθεηηαη ζε άδεηεο ρξήζεο Creative Commons. Γηα εθπαηδεπηηθό πιηθό, όπσο εηθόλεο, πνπ ππόθεηηαη ζε άδεηα ρξήζεο άιινπ ηύπνπ, απηή πξέπεη λα αλαθέξεηαη ξεηώο.

3 Χξήζε: κεηξνύλ, παξάγνπλ ή θαζαξίδνπλ ρεκηθέο νπζίεο ζε θιίκαθα πνιύ κηθξόηεξε από ηα βαζηθά ρεκηθά πξντόληα (commodities) Tύπνη:. Μηθξνγξαθίεο ρεκηθνύ εξγνζηαζίνπ Παξαδείγκαηα: θαζαξηζκόο λεξνύ, απνζήθεπζε ειηαθήο ελέξγεηαο, αμηνπνίεζε απνβιήησλ 2. Δξγαζηήξην-ζε-Τζίπ (lab-on-a-chip) Κνπηηά ηαηξηθώλ ηέζη. Παξάδεηγκα: αηκαηνινγηθό ηεζη πνπ κπνξεί λα γίλεη γξήγνξα ζην ζπίηη, ζε κία κόλν ζηαγόλα αίκαηνο, κε κεησκέλα απόβιεηα δηαιύηε 3. Σπζθεπαζία ειεγρόκελεο αηκόζθαηξαο Παξαδείγκαηα: πεξηηύιηγκα θξνύησλ ή ιαραληθώλ ζε ιεπηή κεκβξάλε δηαθνξεηηθήο δηαπεξαηόηεηαο γηα ηα δηάθνξα αέξηα γηα λα επαπμεζεί ε θξεζθόηεηα ηνπο θαη ν ρξόλνο παξακνλήο ηνπο ζηα ξάθηα (shelf life) 3

4 Σηάδια Ππόηςπος Σσεδίαζηρ (Design template) Aνάγκερ Mε βάζε ηελ επθνιία ρξήζεο Χξήζε εμαξηάηαη ζε κεγάιν βαζκό από έλαξμε θαη ζηακάηεκα ιεηηνπξγίαο θαη ζε πνιύ κηθξόηεξν βαζκό από ην ειάρηζην θόζηνο Ιδέερ Γίλεηαη ρξήζε Μεραληθήο Χεκηθώλ Αληηδξάζεσλ (Chemical Reaction Engineering) θαη Βαζηθώλ Γηεξγαζηώλ (Unit Operations), θπξίσο Γηαρσξηζκώλ (Separations) Γηάγξακκα ξνήο δηεξγαζηώλ (process flow diagram) είλαη ζην ρξόλν (δηεξγαζίεο κε ρξνληθή ζεηξά) θη όρη ζην ρώξν (δηεξγαζίεο παξηζηάλνληαη από θνπηηά θαη νη ξνέο πιηθνύ από επζύγξακκα ηκήκαηα από ην έλα ζην άιιν θνπηί) όπσο γηα βαζηθά ρεκηθά Αληηδξαζηήξεο είλαη δηαιείπνληνο έξγνπ (batch) ζε αληίζεζε κε απηνύο γηα βαζηθά ρεκηθά (commodities) πνπ είλαη ζπλερείο (continuous) Γηαρσξηζκνί ζπλήζσο πξνζξόθεζεο (adsorption) θη όρη απόζηαμεο (distillation) όπσο γηα βαζηθά ρεκηθά Δπιλογή Τν πην δύζθνιν ζηάδην. Βάζε γηα ζύγθξηζε ε επθνιία ρξήζεο θη όρη ην θόζηνο (Βιομησανική) Παπαγωγή (Μanufacturing) Σε πνιύ κηθξόηεξεο θιίκαθεο, ml/h, απ όηη ζηα βαζηθά ρεκηθά, 0 4 ton/yr 4

5 Σσεδιαζμόρ Σςζκεςών ζε ανηιπαπάθεζη με Σσεδιαζμό Βαζικών Χημικών Χημικοί Ανηιδπαζηήπερ Γιαλείπονηορ Έπγος (Batch) Αλάγθε λα πξνζδηνξηζζεί πόζνο ρξόλνο απαηηείηαη γηα ηελ νινθιήξσζε ηεο αληίδξαζεο Γλσζηή ε πνζόηεηα ηνπ πξντόληνο, Μ, πνπ ζα παξαρζεί Αλ δελ ππάξρνπλ παξάπιεπξεο αληηδξάζεηο, επηιέγεηαη ε αξρηθή ζπγθέληξσζε ηνπ αληηδξαζηεξίνπ, c 0, ζηελ πςειόηεξε ηηκή πνπ δελ πξνθαιεί πξνβιήκαηα Αλ ν είλαη ε ζηνηρεηνκεηξηθή ζηαζεξά, ν ειάρηζηνο όγθνο ηνπ αληηδξαζηήξα, V, είλαη M V νc 0 5

6 Χημικοί Ανηιδπαζηήπερ Γιαλείπονηορ Έπγος (Βatch). Αληίδξαζε κε θηλεηηθή εο ηάμεο, r = k c dc V kcv dt t 0 c c kt c c0e Χαξαθηεξηζηηθόο ρξόλνο = /k 0 Αληίδξαζε κε θηλεηηθή εο ηάμεο, r = k c, ειεγρόκελε από δηάρπζε αληηδξαζηεξίνπ (ζηελ πεξηνρή αληίδξαζεο) Πεξηνρή αληίδξαζεο: δηεπηθάλεηα θαηαιύηε, εκβαδνύ Α Γηάρπζε, D, ζε απόζηαζε, l : κέζσ πγξάο ή αέξηαο θάζεο ζε επαθή κε ηνλ θαηαιύηε j kdc kd D/l Χαξαθηεξηζηηθόο ρξόλνο = /(k D A/V) dc V ja dt t 0 c c c c 0 e kda t V 0 6

7 Χημικοί Ανηιδπαζηήπερ Γιαλείπονηορ Έπγος (Βatch) 2. Αληίδξαζε κε θηλεηηθή 2αο ηάμεο, r = k c c 2 α. Αληηδξαζηήξηα & 2 ηξνθνδνηνύλ αληηδξαζηήξα ζε ζηνηρεηνκεηξηθή αλαινγία r = k c 2 dc 2 V kc V Χαξαθηεξηζηηθόο ρξόλνο = / kc 0 β. Αληίδξαζε κε θηλεηηθή 2αο ηάμεο, r = k c c 2, θαη κε ζπγθέληξσζε ελόο από ηα αληηδξαζηήξηα ζε πεξίζζεηα (c 0 << c 20 ) r = (kc 20 )c c dt c 0 kt Ψεπδν-εο ηάμεο Χαξαθηεξηζηηθόο ρξόλνο = / kc Αληίδξαζε κε θηλεηηθή κεδεληθήο ηάμεο, r = k dc V kv dt c c kt 0 7

8 Παπάδειγμα Χάπαξη Φωηοεςαίζθηηος (Υλικού) (Etching a Photoresist) Χάξαμε πιαθηδίνπ ζηιηθόλεο (silicon chip) θαιπκκέλνπ κε θσηνεπαίζζεην πιηθό γίλεηαη κε αξαηό πδαηηθό δηάιπκα πδξνμεηδίνπ ηνπ λαηξίνπ. Η αληίδξαζε έρεη ελέξγεηα ελεξγνπνίεζεο 30 kj/mol, πξάγκα πνπ ππνδειώλεη όηη ε αληίδξαζε κπνξεί λα επεξεάδεηαη ζε κεγάιν βαζκό από ηελ θηλεηηθή. Όκσο ν ξπζκόο αληίδξαζεο ζε δηάιπκα 0.6 Μ ΝαΟΗ εμαξηάηαη επίζεο από ηελ ηαρύηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ πιαθηδίνπ όπσο δείρλνπλ ηα παξαθάησ δεδνκέλα πνπ πάξζεθαλ ζε ηζόζεξκεο ζπλζήθεο Tαρύηεηα πεξηζηξνθήο, rpm ζηαζεξά ξπζκνύ, sec , , , 0.79, Πνηνο είλαη ν κεραληζκόο; Ο ξπζκόο εμαξηάηαη από ηε ρεκηθή θηλεηηθή ηεο αληίδξαζεο ζηε δηεπηθάλεηα, k s, θαη ηε κεηαθνξά κάδαο κε δηάρπζε, k D, κέρξηο εθεί. Η ζηαζεξά ηνπ νιηθνύ ξπζκνύ, αλ a είλαη ε επηθάλεηα αλά όγθν, είλαη 8 /k = /k s + / (k D a)

9 Παπάδειγμα Χάπαξη Φωηοεςαίζθηηος (Υλικού) (Etching a Photoresist) Σε ζηαζεξή ζεξκνθξαζία, k s = ζηαζεξά k D ~ ω α ω : ηαρύηεηα πεξηζηξνθήο /k = /k s + Β / ω α Από ην γξάθεκα ηνπ Wilson, α = /2 9

10 Χπημαηοδόηηζη Τν παξόλ εθπαηδεπηηθό πιηθό έρεη αλαπηπρζεί ζηα πιαίζηα ηνπ εθπαηδεπηηθνύ έξγνπ ηνπ δηδάζθνληα. Τν έξγν «Ανοικηά Ακαδημαϊκά Μαθήμαηα Δ.Μ.Π.» έρεη ρξεκαηνδνηήζεη κόλν ηε αλαδηακόξθσζε ηνπ εθπαηδεπηηθνύ πιηθνύ. Τν έξγν πινπνηείηαη ζην πιαίζην ηνπ Δπηρεηξεζηαθνύ Πξνγξάκκαηνο «Δθπαίδεπζε θαη Γηα Βίνπ Μάζεζε» θαη ζπγρξεκαηνδνηείηαη από ηελ Δπξσπατθή Έλσζε (Δπξσπατθό Κνηλσληθό Τακείν) θαη από εζληθνύο πόξνπο.