ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ 2019-2020 1o ΕΞΑΜΗΝΟ Σ. ΤΣΙΒΙΛΗΣ Ε. ΠΑΥΛΑΤΟΥ ΚΑΘ. ΕΜΠ
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
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 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ Ε. ΠΑΥΛΑΤΟΥ, ΚΑΘ. ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗΣ, Β1.116 Σ. ΤΣΙΒΙΛΗΣ, ΚΑΘ., Α.219 ΕΔΙΠ Δρ. Π. Γύφτου, 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
ΤΡΟΠΟΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 5 Ενδιάμεση πρόοδος Θέματα - 4 σειρές υπολογιστικών θεμάτων με βάση τις φροντιστηριακές ασκήσεις Τελικό διαγώνισμα Τα θέματα και η πρόοδος είναι προαιρετικά και μετρούν 50% θετικά επί του τελικού βαθμού (με την προϋπόθεση ότι ο βαθμός της γραπτής εξέτασης είναι τουλάχιστον, και χωρίς προς τα άνω στρογγύλευση, 3). ΠΡΟΟΔΟΣ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΛΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΤΕΛΙΚΟΣ ΒΑΘΜΟΣ 6 8 4 0.5*6+ 0.5*8= 7 9 7-0.5*9+ 0.5*7= 8 6 7 8 8 2 9 1 1 2 7 3 0.5*3+ 0.5*7= 5 - - 6 6
6 ΧΡΟΝΟΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΘΕΜΑΤΑ Θέμα Ανάρτηση Παράδοση 1 η Σειρά Ασκήσεων Τετάρτη 30/10 Κυριακή 10/11 Υπολογιστική Εργασία Ι Τετάρτη 6/11 Δευτέρα 18/11 Υπολογιστική Εργασία ΙΙ Παρασκευή 6/12 Δευτέρα 16/12 2 η Σειρά Ασκήσεων Παρασκευή 20/12 Τρίτη 7/1 ΠΡΟΟΔΟΣ Παρασκευή 29/11
ΑΛΛΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 7 Ιστοσελίδα μαθήματος (Υλικό μαθήματος) Ιστοσελίδα για υπολογιστικές ασκήσεις Υποβολή ασκήσεων https://courses.chemeng.ntua.gr/exm 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
H XHMIKH MHXANIKH 8
9 ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ 1980-87 (http://www.chemeng.ntua.gr/the_chemical_engineering _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).
10 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").
11 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
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ 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 Ε. Παυλάτου, 2016
13
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2016 1943: A dose of penicillin cost $20. 1946: 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).
15
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2016 ortho-xylene C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3 O 2 C 6 H 4 (CO) 2 O + 3 H 2 O ΔΗ= 1110 kj/mol C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 7.5 O 2 C 4 H 2 O 3 +4 H 2 O + 4 CO 2 maleic anhydride
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2016
ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε. Παυλάτου, 2016 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)
19 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%)
Διυλιστήρια Προιόντα καθημερινής χρήσης Παραγωγή χημικών προιόντων
21 ΕΠΙΤΕΥΓΜΑΤΑ -ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ http://www.thechemicalengineer.com/chemical -engineers-who-changed-the-world.aspx http://www.greatachievements.org/default.aspx?id=2984
22
23
Ε. Παυλάτου, 2016 24
25
26
27
28