Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 6/11/20151ΔΧ

6/11/2015ΔΧ2 Χημικά Προϊόντα 1.Βασικά χημικά (commodities) a.Παράγονται σε μεγάλες ποσότητες (>> 10,000 ton/yr ) σε μεγάλα εργοστάσια (plants) συνήθως ένα προϊόν σε κάθε εργοστάσιο b.Αντιμετωπίζονται ως συνεχή μέσα και η χημική δομή τους αγνοείται c.Μικρός αριθμός χημικών, ~50, από τον τεράστιο αριθμό, 30,000,000, των γνωστών χημικών d.Πρόσθετη αξία ~ $10 10 /yr για τα πρώτα Συσκευές a.Βασικά είναι μικρά χημικά εργοστάσια με διαστάσεις από cm σε m b.Επιλογή από εναλλακτικά προϊόντα που όλα τους λειτουργούν σωστά 3. Μοριακά προϊόντα a.Για την αποτελεσματικότητα τους εξαρτώνται από τη μοριακή δομή b.Χαρακτηριστική κλίμακα σε nm c.Κύριο στάδιο στο σχεδιασμό η ανακάλυψη τους, κι όταν το μόριο στόχος αναγνωριστεί, η επιλογή 4. Μικροδομημένα προϊόντα a.Για την αξία τους εξαρτώνται από τη δομή σε κλίμακα μm b.Κύριο στάδιο στο σχεδιασμό η αναγνώριση αναγκών και ειδικά η μετάφραση τους σε προδιαγραφές (specifications)

Βασικά χημικά (commodities) Αποτελούν τον πυρήνα της χημικής βιομηχανίας και είναι απλά, μικρά μόρια (MW < 100) που παράγονται σε μεγάλες ποσότητες στο χαμηλότερο δυνατό κόστος Παραδείγματα Ο βασιλιάς των προϊόντων αυτών είναι το υγρό καύσιμο, βενζίνη, πετρέλαιο και ντίζελ, που παριστάνεται από το 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο της εικόνας, που, με τη σειρά του, είναι το πρότυπο με αριθμό οκτανίου 100. Η αξία του υγρού καυσίμου έγκειται στο ότι περιέχει μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε μικρό όγκο Το αιθυλένιο και το βουταδιένιο είναι ολεφίνες που χρησιμοποιούνται σαν δομικές μονάδες για άλλα προϊόντα όπως το πολυαιθυλένιο και το συνθετικό καουτσούκ Το βενζένιο είναι αρωματική ένωση, κλειδί για προϊόντα όπως το πολυστυρένιο και το νάϋλον Το δωδεκυλοθειϊκό νάτριο αντιπροσωπεύει συνθετικά απορρυπαντικά Η αμμωνία είναι κύριο συστατικό των λιπασμάτων που οδήγησαν στην «πράσινη επανάσταση» στην γεωργία 3

Βασικά χημικά (commodities) Οι προδιαγραφές για καθαρότητα βασικών χημικών διαφέρουν από προϊόν σε προϊόν. Τυπικά, για βασικό χημικό τεχνικού επιπέδου (technical grade) η καθαρότητα είναι 95%. Το προπυλένιο που χρησιμοποιείται για πολυπροπυλένιο πρέπει να είναι 99.9% σε καθαρότητα, ενώ το εξάνιο στον πετρελαϊκό αιθέρα μπορεί να είναι μέχρι 50% Ουσίες που περιέχουν θείο, όπως Η 2 S και SO 2, είναι λιγότερο ενδιαφέροντα για την παραγωγή και περισσότερο για τη ρύπανση. Το Η 2 S δηλητηριάζει καταλύτες για αυτό και διαχωρίζεται με χρήση αμινών. Το διαχωριζόμενο Η 2 S σε δύο ρεύματα, το ένα καίγεται και το άλλο χρησιμοποιείται για παραγωγή στοιχειακού θείου: Η 2 S + 3/2 O 2  SO 2 + Η 2 Ο SO Η 2 S  3S + 2 Η 2 Ο Αυτές οι δύο αντιδράσεις αποτελούν τη διεργασία Claus, γνωστή στη διύλιση πετρελαίου Βασικά χημικά παράγονται από (α) ορυκτά καύσιμα (fossil fuel), φυσικό αέριο, πετρέλαιο (gas oil), κάρβουνο (coal), (β) ανανεώσιμες πηγές (renewable sources) H καλλίτερη πρώτη ύλη για βασικά χημικά είναι το μεθάνιο που είναι άφθονο και έχει επί πλέον υδρογόνα για να προμηθεύει πρόσθετη ενέργεια Η καλλίτερη εναλλακτική πρώτη ύλη είναι το πετρέλαιο που περιέχει κυρίως υδρογονάνθρακες με 5 ως 30 άτομα άνθρακα (C) Κλάσματα του πετρελαίου είναι: η νάφθα με 5 ως 9 άτομα C, η κεροσίνη με 9 ως 16 άτομα C, το πετρέλαιο, συμπεριλαμβανομένου του ντίζελ, με 9 ως 25 C Τα κλάσματα με μικρότερο αριθμό ατόμων άνθρακα χαρακτηρίζονται ελαφρά, με μεγαλύτερο αριθμό ατόμων άνθρακα χαρακτηρίζονται βαριά. Ο χαρακτηρισμός αναφέρεται στην πυκνότητα και όχι στο ιξώδες του κλάσματος 4

6/11/2015ΔΧ5 Βασικά χημικά (commodities) Βασικά χημικά παράγονται από (α) ορυκτά καύσιμα (fossil fuel), φυσικό αέριο, πετρέλαιο (gas oil), κάρβουνο (coal), (β) ανανεώσιμες πηγές (renewable sources) Το αργό πετρέλαιο (crude oil) έχει περισσότερα βαριά παρά ελαφρά μόρια που έχουν και τη μεγαλύτερη αξία για την αγορά. Το πετρέλαιο υποβάλλεται σε πυρόλυση (cracking) για τη μείωση του μοριακού του βάρους. Επειδή η πυρόλυση συνήθως μειώνει το μοριακό βάρος υπερβολικά, για παραγωγή υγρών καυσίμων, τα μικρά μόρια από την πυρόλυση ανασυνδυάζονται με μια διεργασία που ονομάζεται αναμόρφωση (reformation) Στην εποχή μας βασικά χημικά παράγονται κυρίως από πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Καθώς τα αποθέματα σε πετρέλαιο και φυσικό αέριο λιγοστεύουν, βασικά χημικά στο μέλλον θα παράγονται όλο και περισσότερο από κάρβουνο. Το 1950 η μεγάλη χημική εταιρεία Du Pont ισχυρίζονταν ότι τα χημικά που παρήγαγε ήταν «καθαρά γιατί γίνονταν από αέρα, νερό και κάρβουνο»

6/11/2015ΔΧ6 Βασικά χημικά (commodities) Βασικά χημικά παράγονται από (α) ορυκτά καύσιμα (fossil fuel), φυσικό αέριο, πετρέλαιο (gas oil), κάρβουνο (coal), (β) ανανεώσιμες πηγές (renewable sources) Η ενθαλπία που περιέχει το κάρβουνο είναι μικρότερη από αυτή του πετρελαίου και του φυσικού αερίου και έτσι η παραγωγή βασικών χημικών από κάρβουνο θα κοστίζει περισσότερο Αν, για λόγους βιωσιμότητας ή αειφορίας, η παραγωγή βασικών χημικών γίνεται από ανανεώσιμες πηγές, το κόστος παραγωγής θα είναι ακόμη υψηλότερο από αυτό που συνδέεται με παραγωγή από κάρβουνο Ενδεικτικά ας παραστήσουμε τις χημικές δομές: Φυσικό αέριο: CH 4 Πετρέλαιο: (CH 2 ) n Κάρβουνο: (CH) n Βιομάζα: (CH 2 Ο) n Η ενθαλπία ελαττώνεται καθώς ο λόγος Η/C ελαττώνεται και προστίθεται Ο(ξυγόνο) Είναι εφικτό να παραχθεί αιθυλένιο και βενζόλιο από βιομάζα αλλά η ενέργεια που απαιτείται είναι υπερβολική και φαίνεται να είναι για τα επόμενα 50 χρόνια, δηλαδή, θα εξακολουθούμε να παράγουμε βασικά χημικά από πετρέλαιο και φυσικό αέριο

6/11/2015ΔΧ7 Βασικά χημικά (commodities) Τρία πράγματα μας ενδιαφέρουν κυρίως για βασικά χημικά: (α) τάξη μεγέθους, (β) χημική δραστικότητα και (γ) πτητικότητα Σχετικά με την τάξη μεγέθους, είναι αυτή των μορίων, δηλαδή, σε nm. Όμως για τα βασικά χημικά, σπανίως εργαζόμαστε σε μοριακή τάξη μεγέθους και τα θεωρούμε συνεχή μέσα με την έννοια της Μηχανικής Συνέχειας (Continuum Mechanics) Η δραστικότητα των βασικών χημικών διαφέρει πολύ από προϊόν σε προϊόν. Τα αλκάνια, όπως αιθάνιο και οκτάνιο δεν είναι πολύ δραστικά, ενώ το βουταδιένιο πολυμερίζεται εύκολα και μίγματα αμμωνίας και αερίων είναι εκρηκτικά Για τις χημικές αντιδράσεις με βασικά χημικά, αποφεύγουμε λεπτομέρειες, και γράφουμε τις αντιδράσεις φαινομενολογικά όπως Α + Β  C Βασικά χημικά είναι πολύ πτητικά, σαν αποτέλεσμα του χαμηλού μοριακού τους βάρους. Παραδείγματα από την προηγούμενη εικόνα είναι το αιθυλένιο και βενζόλιο με σημείο ζέσης σε ατμοσφαιρική πίεση, C και C, αντίστοιχα Οι διαλυτότητες βασικών χημικών στο νερό ή βαριά έλαια διαφέρουν πάρα πολύ, ειδικά αν περιέχουν όξινες και αμινικές ομάδες. Αυτό σημαίνει ότι τα βασικά χημικά πιο συχνά θα καθαρίζονται με απόσταξη και απορρόφηση

Βασικά χημικά (commodities) Συνήθως υπάρχουν περισσότεροι από ένα τρόποι σύνθεσης βασικών χημικών από τους οποίους προτιμάται ο λιγότερο δαπανηρός Ανάγκες Κατά κανόνα η ανάγκη μας για συγκεκριμένο βασικό χημικό είναι καθαρότητα 95%, σε ποσότητες >10,000 ton/yr και σε τιμές που καθορίζονται από την αγορά Συνήθως το κόστος παραγωγής είναι 20% λιγότερο από την τιμή της μονάδας προϊόντος Ιδέες Προέρχονται από εξέταση 4 σταδίων που πρότεινε ο Douglas (1988) 1.Χρήση διαλείπουσας (batch) ή συνεχούς (continuous) διεργασίας Για βασικά χημικά η συνεχής διεργασία είναι πάντα φθηνότερη 2. Σχεδιασμός διαγράμματος ροής (flow diagram) Διάγραμμα ροής παραδοσιακής μεθόδου Haber για παραγωγή αμμωνίας (ΝΗ 3 ) Ανακαλύφτηκε το Συνθήκες: Τ = C και p ~ 150 bar N 2 και Η 2 από καύση φυσικού αερίου στον αέρα. Διαχωρισμοί για απομάκρυνση οξειδίων άνθρακα. Αργό του αέρα πρέπει επίσης να απομακρυνθεί 3.Δεν περιλαμβάνονται πλήρεις αντιδράσεις Ν 2 + 3Η 2 ⇄ 2ΝΗ 3 Μετατροπή σε αμμωνία ~20% ακόμη και με στοιχειομετρική τροφοδοσία 4.Λεπτομερής εξακρίβωση των διαχωρισμών (separations) που απαιτούνται Τα αέρια από την έξοδο του αντιδραστήρα ψύχονται στους 10 0 C για συμπύκνωση αμμωνίας και απομάκρυνση των μη συμπυκνώσιμων αερίων που χρησιμοποιούνται για απαλλαγή από το αργό. Μεγάλες ποσότητες N 2 και Η 2 διαλύονται στην υγρή ΝΗ 3 και απομακρύνονται για ανακύκλωση και επανασυμπίεση 8

6/11/2015ΔΧ9 Βασικά χημικά (commodities) Ιδέες Διάγραμμα ροής παραδοσιακής μεθόδου Haber για παραγωγή αμμωνίας (ΝΗ 3 ) Για να βελτιωθεί η μέθοδος, τρείς στόχοι είναι προφανείς: 1. Αναζήτηση καλλίτερου καταλύτη 2. Απαλλαγή από το αργό χωρίς να σπαταληθούν Ν 2 και Η 2 3. Αναζήτηση καλλίτερου, πιο επι- λεκτικού διαχωρισμού

6/11/2015ΔΧ10 Βασικά χημικά (commodities) Επιλογή Η μέθοδος Haber που χρησιμοποιείται εδώ και ένα αιώνα υπήρξε αντικείμενο μακράς και επίπονης έρευνας Σχετικά με τον καταλύτη, αρχικά χρησιμοποιούνταν οξείδια σιδήρου που επιφανειακά περιείχαν και μεταλλικό Fe. Αργότερα βρέθηκε ότι η ενεργότητα των καταλυτών αυτών αυξάνεται με προσθήκη ιχνών άλλων μετάλλων, όπως το ρουθένιο Σχετικά με την απομάκρυνση του αργού, μπορεί να απομακρυνθεί με υγροποίηση του αέρα και απόσταξη για απομάκρυνση του αζώτου, μια μέθοδος που είναι κι αυτή αναπτυγμένη εδώ και ένα αιώνα. Ενώ ο διαχωρισμός του αργού από το οξυγόνο είναι δύσκολος γιατί η διαφορά στα σημεία ζέσης (boiling points) και των δυο είναι πολύ μικρή, ο διαχωρισμός αργού και οξυγόνου από το άζωτο είναι σχετικά εύκολoς και η μέθοδος είναι γνωστή εδώ και 50 χρόνια. Όμως η απόσταξη κοστίζει πολύ περισσότερο από την απομάκρυνση του αργού με απώλεια υδρογόνου και αζώτου

Βασικά χημικά (commodities) Επιλογή Η μέθοδος Haber που χρησιμοποιείται εδώ και ένα αιώνα υπήρξε αντικέιμενο μακράς και επίπονης έρευνας Σχετικά με καλλίτερο διαχωρισμό της ΝΗ 3, που γίνεται με ψύξη των προϊόντων της αντίδρασης, οι επιλογές είναι: 1.Μεμβράνη 100 φορές πιό διαπερατή για την αμμωνία από το άζωτο και υδρογόνο σε θερμοκρασία δωματίου, 2.Παρόμοια μεμβράνη επιλεκτική και σταθερή σε θερμοκρασία του αντιδραστήρα (400 0 C), και 3.Απορροφητικό μέσο επιλεκτικό για αμμωνία σε συνθήκες αντιδραστήρα Παραγωγή Λεπτομερής σχεδιασμός με λογισμικό σχεδιασμού διεργασιών όπως ΑSPEN και HYSIS Ορισμός προτύπου (benchmark), που συνήθως είναι η υπάρχουσα μέθοδος Ανάλυση διακινδύνευσης (risk analysis) του διαχωρισμού ΝΗ 3 με μεμβράνη Υλικά κατασκευής διαχωριστή/μεμβράνης: κεραμικά αντί για πολυμερή, επειδή τα προϊόντα της αντίδρασης είναι σε C Επιλογή μεταξύ δυο εναλλακτικών λύσεων: 1.Δύο μεμβράνες, η πρώτη περατή για υδρογόνο, που επανασυμπιέζεται και επιστρέφει στην τροφοδοσία του αντιδραστήρα, και κατακρατεί αμμωνία και άζωτο, η δεύτερη περατή για αμμωνία και κατακρατεί το άζωτο που επιστρέφει απευθείας στην τροφοδοσία, 2.Μια μεμβράνη και ψύξη των προϊόντων της αντίδρασης που ευνοεί διαχωρισμό αμμωνίας από υδρογόνο και άζωτο 11

6/11/2015ΔΧ12 Εργαλεία για βασικά χημικά (commodities) Θερμοδυναμική Πρώτος νόμος ή ισοζύγιο ενέργειας: παραφράζεται “you get what you pay for” Δεύτερος νόμος ή ισοζύγιο εντροπίας: παραφράζεται “there is no free lunch” Iσορροπία φάσεων Μηχανική αντιδραστήρων Τύποι αντιδραστήρων 1.Διαλείποντος έργου (batch) 2.Εμβολικής ροής (plug flow) 3.Συνεχώς αναδευόμενης δεξαμενής (Continuous Stirred Tank Reactor) Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου Αντίδραση με κινητική 1 ης τάξης V – όγκος αντιδραστήρα r – ρυθμός αντίδρασης k R – σταθερά ρυθμού αντίδρασης c 1 – συγκέντρωση αντιδραστηρίου c 10 – αρχική συγκέντρωση εργαστηρίου

6/11/2015ΔΧ13 Εργαλεία για βασικά χημικά (commodities) Μηχανική αντιδραστήρων Αντιδραστήρας εμβολικής ροής (plug flow reactor) Σταθερή κατάσταση (steady state) Αντίδραση με κινητική 1 ης τάξης V – όγκος αντιδραστήρα r – ρυθμός αντίδρασης k R – σταθερά ρυθμού αντίδρασης c 1 – συγκέντρωση αντιδραστηρίου c 10 – αρχική συγκέντρωση εργαστηρίου Αντιδραστήρας συνεχώς αναδευόμενης δεξαμενής (Continuous Stirred Tank Reactor) Σταθερή κατάσταση (steady state) Αντίδραση με κινητική 1 ης τάξης

(Χημικές ) Συσκευές Χρήση: μετρούν, παράγουν ή καθαρίζουν χημικές ουσίες σε κλίμακα πολύ μικρότερη από τα βασικά χημικά προϊόντα (commodities) Tύποι: 1.Μικρογραφίες χημικού εργοστασίου Παραδείγματα: καθαρισμός νερού, αποθήκευση ηλιακής ενέργειας, αξιοποίηση αποβλήτων 2.Εργαστήριο-σε-Τσίπ (lab-on-a-chip) Κουτιά ιατρικών τέστ. Παράδειγμα: αιματολογικό τέστ που μπορεί να γίνει γρήγορα στο σπίτι, σε μία μόνο σταγόνα αίματος, με μειωμένα απόβλητα διαλύτη 3.Συσκευασία ελεγχόμενης ατμόσφαιρας Παραδείγματα: περιτύλιγμα φρούτων ή λαχανικών σε λεπτή μεμβράνη διαφορετικής διαπερατότητας για τα διάφορα αέρια για να επαυξηθεί η φρεσκότητα τους και ο χρόνος παραμονής τους στα ράφια (shelf life) 6/11/2015ΔΧ14

(Χημικές ) Συσκευές Στάδια Πρότυπου Σχεδίασης (Design template) Aνάγκες Mε βάση την ευκολία χρήσης Χρήση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από έναρξη και σταμάτημα λειτουργίας και σε πολύ μικρότερο βαθμό από το ελάχιστο κόστος Ιδέες Γίνεται χρήση Μηχανικής Χημικών Αντιδράσεων (Chemical Reaction Engineering) και Βασικών Διεργασιών (Unit Operations), κυρίως Διαχωρισμών (Separations) Διάγραμμα ροής διεργασιών (process flow diagram) είναι στο χρόνο (διεργασίες με χρονική σειρά) κι όχι στο χώρο (διεργασίες παριστάνονται από κουτιά και οι ροές υλικού από ευθύγραμμα τμήματα από το ένα στο άλλο κουτί) όπως για βασικά χημικά Αντιδραστήρες είναι διαλείποντος έργου (batch) σε αντίθεση με αυτούς για βασικά χημικά (commodities) που είναι συνεχείς (continuous) Διαχωρισμοί συνήθως προσρόφησης (adsorption) κι όχι απόσταξης (distillation) όπως για βασικά χημικά Επιλογή Το πιο δύσκολο στάδιο. Βάση για σύγκριση η ευκολία χρήσης κι όχι το κόστος (Βιομηχανική) Παραγωγή (Μanufacturing) Σε πολύ μικρότερες κλίμακες, ml/h, απ’ ότι στα βασικά χημικά, 10 4 ton/yr 15

(Χημικές ) Συσκευές Σχεδιασμός Συσκευών σε αντιπαράθεση με Σχεδιασμό Βασικών Χημικών Χημικοί Αντιδραστήρες Διαλείποντος Έργου (Batch) Ανάγκη να προσδιορισθεί πόσος χρόνος απαιτείται για την ολοκλήρωση της αντίδρασης Γνωστή η ποσότητα του προϊόντος, Μ, που θα παραχθεί Αν δεν υπάρχουν παράπλευρες αντιδράσεις, επιλέγεται η αρχική συγκέντρωση του αντιδραστηρίου, c 10, στην υψηλότερη τιμή που δεν προκαλεί προβλήματα Αν ν είναι η στοιχειομετρική σταθερά, ο ελάχιστος όγκος του αντιδραστήρα, V, είναι 6/11/2015ΔΧ16

6/11/2015ΔΧ17 (Χημικές ) Συσκευές Χημικοί Αντιδραστήρες Διαλείποντος Έργου (Βatch) 1.Αντίδραση με κινητική 1ης τάξης, r = k c 1 Χαρακτηριστικός χρόνος = 1/k Αντίδραση με κινητική 1ης τάξης, r = k c 1, ελεγχόμενη από διάχυση αντιδραστηρίου (στην περιοχή αντίδρασης) Περιοχή αντίδρασης: διεπιφάνεια καταλύτη, εμβαδού Α Διάχυση, D, σε απόσταση, l : μέσω υγράς ή αέριας φάσης σε επαφή με τον καταλύτη Χαρακτηριστικός χρόνος = 1/(k D A/V)

6/11/2015ΔΧ18 (Χημικές ) Συσκευές Χημικοί Αντιδραστήρες Διαλείποντος Έργου (Βatch) 2.Αντίδραση με κινητική 2ας τάξης, r = k c 1 c 2 α. Αντιδραστήρια 1 & 2 τροφοδοτούν αντιδραστήρα σε στοιχειομετρική αναλογία r = k c 1 2 Χαρακτηριστικός χρόνος = 1/ kc 10 β. Αντίδραση με κινητική 2ας τάξης, r = k c 1 c 2, και με συγκέντρωση ενός από τα αντιδραστήρια σε περίσσεια (c 10 << c 20 ) r = (kc 20 )c 1 Ψευδο-1ης τάξης Χαρακτηριστικός χρόνος = 1/ kc 20 3.Αντίδραση με κινητική μηδενικής τάξης, r = k

(Χημικές ) Συσκευές Παράδειγμα – Χάραξη Φωτοευαίσθητου (Υλικού) (Etching a Photoresist) Χάραξη πλακιδίου σιλικόνης (silicon chip) καλυμμένου με φωτοευαίσθητο υλικό γίνεται με αραιό υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου. Η αντίδραση έχει ενέργεια ενεργοποίησης 30 kJ/mol, πράγμα που υποδηλώνει ότι η αντίδραση μπορεί να επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την κινητική. Όμως ο ρυθμός αντίδρασης σε διάλυμα 0.16 Μ ΝαΟΗ εξαρτάται επίσης από την ταχύτητα περιστροφής του πλακιδίου όπως δείχνουν τα παρακάτω δεδομένα που πάρθηκαν σε ισόθερμες συνθήκες Tαχύτητα περιστροφής, rpmσταθερά ρυθμού, sec , , , 0.79, Ποιος είναι ο μηχανισμός; Ο ρυθμός εξαρτάται από τη χημική κινητική της αντίδρασης στη διεπιφάνεια, k s, και τη μεταφορά μάζας με διάχυση, k D, μέχρις εκεί. Η σταθερά του ολικού ρυθμού, αν a είναι η ειδική επιφάνεια (επιφάνεια ανά όγκο), είναι 1/k = 1/k s + 1/ (k D a) 6/11/2015ΔΧ19

(Χημικές ) Συσκευές Παράδειγμα – Χάραξη Φωτοευαίσθητου (Υλικού) (Etching a Photoresist) Σε σταθερή θερμοκρασία, k s = σταθερά k D ~ ω α ω : ταχύτητα περιστροφής 1/k = 1/k s + Β / ω α Από το γράφημα του Wilson, α = 1/2 6/11/2015ΔΧ20

6/11/2015 ΔΧ 21 Διαχωρισμοί (Separations) Ίδιες βασικές διεργασίες (unit operations) όπως στα βασικά χημικά (commodities) Για τις συσκευές, ο σχεδιασμός περιορίζεται στο αν συγκεκριμένη (-ες) βιομηχανική (-ες) διεργασία (-ες) έχει (-ουν) νόημα. Στα βασικά χημικά, ο σχεδιασμός ασχολείται με το κόστος της διεργασίας (-ων) Απορρόφηση αερίου (Gas absorption) και απόσταξη (distillation), ο πυρήνας των διεργασιών για βασικά χημικά, χρησιμοποιούνται πολύ λιγότερο για χημικές συσκευές Προσρόφηση (Adsorption) από υδατικά διαλύματα και μίγματα αερίων είναι οι συνήθως επιλεγόμενες διεργασίες. Μεμβράνες, διήθηση και διαχωρισμός μη αναμίξιμων φάσεων, στερεά σε υγρά φάση ή δύο μη αναμίξιμες υγρές φάσεις (decantation) είναι λογικές εναλλακτικές επιλογές

6/11/2015ΔΧ22 Διαχωρισμοί (Separations)

Διαχωρισμοί (Separations) Απορρόφηση αερίου (Gas Absorption) Αντίστροφο: Εκρόφηση σε ρεύμα αερίου ή μίγματος αερίων Μίγμα αερίων τροφοδοτείται από τη βάση πύργου το εσωτερικό του οποίου έχει γεμιστεί με στερεό πληρωτικό υλικό (packed tower) από κεραμικό ή πλαστικό υλικό, μεγέθους της τάξης ~ 1 cm Σώματα έχουν σχήμα πάστας, penne (Rashig rings), σαμάρι (Burl saddle), lasagna από κεραμικό υλικό (structured packing) Υγρό τροφοδοτείται από την οροφή του πύργου και απορροφά κάποιο συστατικό (-α) του μίγματος αερίων καθώς ρέει προς τη βάση του πύργου. Για παράδειγμα, αμμωνία απορροφάται με νερό και διοξείδιο του θείου με έλαιο Η ποσότητα του απορροφημένου αερίου είναι συνήθως μεγαλύτερη όταν το αέριο ρέει προς τα πάνω και το υγρό προς τα κάτω Το υγρό συνήθως αντιδρά χημικά με το απορροφημένο συστατικό και πρέπει να αναγεννιέται με κάποιο τρόπο, συνήθως με θέρμανση για να αποδεσμεύει το απορροφημένο συστατικό. Το αναγεννημένο υγρό μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί Δεν χρησιμοποιείται συχνά σε συσκευές για τους ακόλουθους λόγους: 1.Ανάγκη για αναγέννηση του υγρού απαιτεί μεγαλύτερο μέγεθος συσκευής 2.Οι ρυθμοί ροής αέριας και υγρής φάσης πρέπει να είναι σε μια στενή περιοχή με κάτω όριο την τιμή πλημμύρας (flooding ) και άνω όριο την τιμή φόρτωσης (loading) 6/11/2015ΔΧ23

Διαχωρισμοί (Separations) Aπόσταξη (Distillation) Δεν χρησιμοποιείται συχνά σε συσκευές Χημικές ενώσεις διαφορετικής πτητικότητας διαχωρίζονται με θέρμανση, π.χ., αιθανόλη και νερό Η αποδοτικότητα του διαχωρισμού αυξάνεται σημαντικά όταν οι ατμοί ρέουν προς το πάνω μέρος στήλης με διαμερίσματα ή στάδια (column with stages) ή στήλης που το εσωτερικό της έχει γεμιστεί με στερεά σώματα μικρών διαστάσεων (packed column), συμπυκνώνονται στην οροφή και μέρος του συμπυκνώματος τροφοδοτείται στη στήλη και ρέει προς τα κάτω Παράδειγμα: Με μπύρα που περιέχει 7% αιθανόλη, μπορεί να γίνει απόσταγμα που περιέχει 15% αιθανόλη, αν όλοι οι ατμοί συλλέγονται και συμπυκνώνονται, και 70% αιθανόλη, αν μέρος του συμπυκνώματος τροφοδοτείται πίσω στην αποστακτική στήλη Οι μεγάλες στήλες είναι στήλες με διαμερίσματα ή στάδια (column with stages), οι μικρές είναι γεμισμένες (packed) με το ίδιο υλικό (packing) όπως οι πύργοι απορρόφησης αερίων (gas absorption tower) Μικρές αποστακτικές στήλες χρησιμοποιούνται για παραγωγή σκευασμάτων που βελτιώνουν τη γεύση και το άρωμα (flavors and fragrances) Η έναρξη και διακοπή λειτουργίας αποστακτικών στηλών έχουν μακρά διάρκεια και η αντιρροή ατμών και συμπυκνώματος βάζουν περιορισμούς στη χρήση τους 24

Διαχωρισμοί (Separations) Εκχύλιση και Απόπλυση (Extraction and Leaching) Κατάλληλη χρήση σε συσκευές Χημικές ενώσεις διαφορετικής πτητικότητας διαχωρίζονται με θέρμανση, π.χ., αιθανόλη και νερό Παραδείγματα: (1) Λάδι, ξύδι και βότανα για σάλτσα σαλάτας (2) Καφετιέρα (coffeemaker) – Βελτιστοποίηση: η κλίνη των κόκκων του καφέ είναι ομοιόμορφη για να αποφεύγεται ροή σε ρυάκια (channeling) και η θερμοκρασία υπό έλεγχο ώστε να μην εκχυλίζονται πικρά χλωρογενή οξέα Προσρόφηση (Adsorption) Πολύ κατάλληλη χρήση σε συσκευές Συστατικό σε διάλυμα ή μίγμα προσροφάται στην επιφάνεια στερεών σε γεμισμένη κλίνη (packed bed) Παράδειγμα: καθαρισμός νερού Έναρξη και διακοπή λειτουργίας εύκολη Δύσκολη μαθηματική επεξεργασία ισοζυγίου μάζας 6/11/2015ΔΧ25

Διαχωρισμοί (Separations) Διαχωρισμός με μεμβράνες, Διήθηση και Διαχωρισμός με βάση τη Βαρύτητα (Membranes, Filtration and Decantation) Στους δύο πρώτους διαχωρισμούς, το διάλυμα αναγκάζεται να περάσει μέσα από ένα φύλλο (sheet) που είναι μεμβράνη ή φίλτρο. Το φύλλο (sheet) μπορεί να είναι μη πορώδες ή πορώδες, και τα διαλυμένα συστατικά περνούν το φύλλο με διάχυση ή ροή Darcy, αντίστοιχα Διαχωρισμός στις μεμβράνες δεν βασίζεται στο μέγεθος μορίων, αλλά στο χαρακτήρα των μορίων, υδροφιλικά ή υδροφοβικά. Παράδειγμα: Τα μόρια φαινόλης είναι πολύ μεγαλύτερα από μόρια νερού και ιόντα χλωριούχου νατρίου. Τα πρώτα είναι επίσης υδρόφοβα, γι αυτό περνάνε τη μεμβράνη ευκολότερα από τα δεύτερα Σε ορισμένες περιπτώσεις διήθησης, η τροφοδοσία χωρίζεται σε δύο ροές, μία εφαπτόμενη (tangential) στην επιφάνεια του φύλλου και μία άλλη μέσω της επιφάνειας (crossflow) του φύλλου. Η ροή μέσω του φύλλου (crossflow) δημιουργεί πάνω στο φύλλο ένα στρώμα (cake) από στερεά σωματίδια αυξανόμενου-με-το- χρόνο πάχους Όταν οι πόροι είναι μικρότεροι από 1 μm, η εφαπτόμενη ροή είναι πολύ περισσότερη από την ροή μέσω του φύλλου (crossflow). Όταν οι πόροι είναι μεγαλύτεροι από 30 μm, η κύρια ροή είναι μέσω του φύλλου Στη διήθηση, ο μηχανισμός δέσμευσης των στερεών σωματιδίων δεν βασίζεται μόνο στο μέγεθος αλλά και σε ηλεκτροστατικές δυνάμεις, γι αυτό και οι πόροι κατακρατούν σωματίδια μεγέθους μικρότερου από αυτούς Διήθηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαχωρισμό δύο μη αναμίξιμων υγρών 26

6/11/2015ΔΧ27 Παραδείγματα Συσκευών Καφετιέρα Σχεδιασμός για καλλίτερο διαχωρισμό αρώματος (flavor) καφέ από αλεσμένο καφέ (ground coffee) Από παρατήρηση λειτουργίας καφετιέρας: αρχικά το χρώμα του καφέ είναι πιο σκοτεινό από αυτό μετέπειτα Από δοκιμή: στην αρχή, όταν χρώμα είναι πιο σκοτεινό, το άρωμα του καφέ είναι εντονότερο → άρωμα είναι ανάλογο χρώματος Η συγκέντρωση του αρώματος μεταβάλλεται με το χρόνο σύμφωνα με τη σχέση c 1 = c 10 e -t /τ c 1 και c 10 είναι οι συγκεντρώσεις σε χρόνους t και αρχικά, και τ είναι ο χαρακτηριστικός χρόνος για να παρασκευαστεί ο καφές Δύο οριακές περιπτώσεις: 1.Όλο το άρωμα διαλύεται αμέσως μόλις ο καφές διαλυθεί Ο χαρακτηριστικός χρόνος τ είναι τ = V / Q V : όγκος υγρού παγιδευμένος μεταξύ των κόκκων του καφέ Q : ροή νερού μέσω των κόκκων του καφέ Η παρασκευή του καφέ είναι στιγμιαία και στην περίπτωση αυτή δεν είναι δυνατή η βελτίωση του σχεδίου της καφετιέρας

6/11/2015ΔΧ28 Παραδείγματα Συσκευών Καφετιέρα Σχεδιασμός για καλλίτερο διαχωρισμό αρώματος (flavor) καφέ από αλεσμένο καφέ (ground coffee) Δύο οριακές περιπτώσεις: 1.Όλο το άρωμα διαλύεται αμέσως μόλις ο καφές διαλυθεί 2.Ο χαρακτηριστικός χρόνος, τ, μεταβάλλεται με το ρυθμό απομάκρυνσης του αρώματος από τον αλεσμένο καφέ k: συντελεστής μεταφοράς μάζας, a: διεπιφάνεια ανά μονάδα όγκου, D: συντελεστής διάχυσης, R: μέση ακτίνα, ε: κλάσμα κενών

ΔΧ6/11/ Παραδείγματα Συσκευών Καφετιέρα Βελτιώσεις: 1.Σχήμα φίλτρου, π.χ., κώνος ή κύλινδρος 2.Ρυθμιστής θερμοκρασίας νερού, αν η αποδέσμευση του αρώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία

Παραδείγματα Συσκευών Ανάκτηση ελαίου για μαγείρεμα από απόβλητα εστιατορίου Τυπικό εστιατόριο παράγει 10,000 λίτρα υδατικών αποβλήτων την ημέρα που περιέχουν 0.1% κατά όγκο ελαϊκά απόλειπα. Οι περιβαλλοντικές προδιαγραφές για απόρριψη αποβλήτων είναι 0.01 % κατά όγκο ελαϊκά απόλειπα. Μέθοδοι για απομάκρυνση ελαίου από υδατικά απόβλητα: με διευθέτηση βαρύτητας (gravity settling), διήθηση, με υδροκυκλώνες, με φυγοκέντρηση. Μερικές μέθοδοι κοστίζουν ~$100/m 2 Ελάχιστη ποσότητα του ελαίου είναι διαλυμένη στο νερό. Το μεγαλύτερο μέρος, ~ ¾, του ελαίου στα υδατικά απόβλητα είναι υπό μορφή σταγόνων μεγέθους μεγαλυτέρου από 200 μm. Το υπόλοιπο, ~ ¼, είναι υπό μορφή σταγόνων μεγέθους μικρότερου από 0.5 μm Ο χρόνος για το διαχωρισμό, t, δίνεται από τη σχέση του Stokes u: ταχύτητα, l: απόσταση για διαχωρισμό, f: δύναμη άνωσης, R: ακτίνα σταγόνας, Οι σταγόνες μεγέθους >200 μm απομακρύνονται με διευθέτηση βαρύτητας (decanter) σε χρόνο μερικών λεπτών, οι σταγόνες μεγέθους ~20 μm σε χρόνο μερικών ωρών, αλλά οι σταγόνες μεγέθους < 1 μm είναι σχεδόν αδύνατο να απομακρυνθούν με τη βοήθεια της βαρύτητας 30

Παραδείγματα Συσκευών Ανάκτηση ελαίου για μαγείρεμα από απόβλητα εστιατορίου Τυπικό εστιατόριο παράγει 10,000 λίτρα υδατικών αποβλήτων την ημέρα που περιέχουν 0.1% κατά όγκο ελαϊκά απόλειπα. Οι περιβαλλοντικές προδιαγραφές για απόρριψη αποβλήτων είναι 0.01 % κατά όγκο ελαϊκά απόλειπα. Σύμφωνα με τους κανονισμούς, απαιτείται να δεσμευτούν 9 λίτρα/ημέρα ελαίου από τα απόβλητα. Μια τυπική συσκευή διευθέτησης βαρύτητας (decanter) κοστίζει ~$3000, λειτουργεί με 5 L/sec και θα απομακρύνει τα ¾ του ελαίου στα υδατικά απόβλητα. Τα απόβλητα μετά την επεξεργασία με διευθέτηση βαρύτητας, θα εξακολουθούν να περιέχουν 250 ppm ελαίου, πολύ πάνω από τις προδιαγρφές των 100 ppm Μια λύση είναι η χρήση υδροκυκλώνα ή υπερφίλτρου (ultrafilter) με ρυθμούς ~1500 L/m 2 /day. To υπερφίλτρο θα έχει επιφάνεια 7 m 2. Το κόστος για το τελευταίο είναι υψηλό, ~$10,000 Το κόστος θα είναι πολύ μικρότερο αν χρησιμοποιηθεί συσκευή διευθέτησης βαρύτητας (decanter) και γίνουν αλλαγές στον τρόπο πλύσης πιάτων και μαχαιροκουταλο- πήρουνων, δηλαδή, αν τα απορρυπαντικά που σταθεροποιούν έλαιο-σε-νερό γαλακτώματα χρησιμοποιούνται μόνον όταν είναι απόλυτα αναγκαίο 6/11/2015ΔΧ31

6/11/2015ΔΧ32 Παραδείγματα Συσκευών Αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων – Τετραφαινυλοβορικά άλατα Μια από τις κύριες τοποθεσίες για την παραγωγή ατομικών όπλων στις ΗΠΑ είναι το Savannah River Site (SRS). Με την πάροδο του χρόνου η τοποθεσία αυτή έχει παράγει μεγάλες ποσότητες επικίνδυνων ραδιενεργών αποβλήτων, μεταξύ των οποίων Cs-137 (καίσιο) και St-90 (στρόντιο) που είναι διαλυτά στο νερό. Για να μειωθεί ο κίνδυνος απελευθέρωσης από ατύχημα των ραδιενεργών στοιχείων, αναμειγνύονται με τετραφαινυλοβορικό νάτριο οπότε σχηματίζεται ίζημα, που είναι τοξικό αλλά αδιάλυτο στο νερό. Στο παρελθόν 22,000 kg ιζήματος είχαν αποθηκευθεί σε δεξαμενή και το SRS ήθελε να απαλλαγεί από αυτά και να ανακτήσει χρήση της δεξαμενής για νέα ραδιενεργά απόβλητα Προτάθηκαν οι εξής μέθοδοι για καταστροφή του ιζήματος από το παρελθόν: 1.Συσσωμάτωση (Aggregation) 2.Αναμόρφωση με ατμό (Steam reforming) 3.Οξείδωση με υγρό αέρα (Wet-air oxidation) και 4.Αντίδραση με υπεροξείδια (Fenton’s reagent)

6/11/2015ΔΧ33 Παραδείγματα Συσκευών Αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων – Τετραφαινυλοβορικά άλατα Συσσωμάτωση Ανάμειξη μικρής ποσότητας αποβλήτων με μεγάλη ποσότητα σκυροδέματος (τσιμέντου) και προσθήκη του προκύπτοντος στερεού σε άλλο χαμηλότερου-επιπέδου ραδιενεργό υλικό στον ίδιο χώρο Μέθοδος: φθηνότερη και απλούστερη από όλες τις άλλες, σχετικά ασφαλής, νόμιμη με βάση την υπάρχουσα νομοθεσία. ΄Εχει εγκαταλειφθεί προς το παρόν γιατί η Νότια Καρολίνα και ο Καναδάς αντιτίθενται. Με τις υπόλοιπες τρείς μεθόδους, το ίζημα κατα- στρέφεται με χημική αντίδραση και τα απομένοντα ραδιενεργά απόβλητα, μετά την αντίδραση, προστίθενται σε άλλα ραδιενεργά απόβλητα και μετατρέπονται σε υαλώδη μάζα (vitrification) που αποθηκεύεται σε αποθηκευτικούς χώρους στο Yucca Mountain, Nevada Αναμόρφωση με ατμό Η πιο αναπτυγμένη τεχνολογία, στην οποία το ίζημα καίγεται στους ~ 700 ο C και 1 atm για να παραχθεί διοξείδιο του άνθρακα. Έχει ήδη δοκιμαστεί για το Hanford site, το δεύτερο μεγαλύτερο εργαστήριο όπλων. Μέθοδος δυνατή και καλά ανεπτυγμένη

6/11/2015ΔΧ34 Παραδείγματα Συσκευών Αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων – Τετραφαινυλοβορικά άλατα Αναμόρφωση με ατμό Μειονεκτήματα: 1.Το ίζημα δεν παρέχει αρκετή θερμότητα από μόνο του. Περισσότερος άνθρακας υπό μορφή, πιθανόν, λιθάνθρακος, σακχαρέος ή τσίπ πολυαιθυλενίου, απαιτείται. Μέρος του άνθρακα δεν καίγεται αλλά σχηματίζει μικρά σωματίδια μαύρου άνθρακα στη τέφρα, 2.Τα σωματίδια του μαύρου άνθρακα στην τέφρα δημιουργούν προβλήματα κατά την υαλοποίηση (vitrification), 3.Τα καυσαέρια (exhaust gases) συχνά περιέχουν ατμούς υδραργύρου και ραδιενεργή σκόνη. Χρειάζονται μέθοδοι για την δέσμευση των ατμών υδραργύρου και της ραδιενεργού σκόνης (η σκόνη κατακρατείται σε φίλτρα) Οξείδωση με υγρό αέρα Φυσαλίδες οξυγόνου διέρχονται υπό πίεση 100 atm μέσω υδατικής ιλύος ραδιενεργών αποβλήτων στους 300 ο C. Τα τετραφαινυλοβορικά άλατα διασπώνται και παράγουν μια σειρά από ενδιάμεσα προϊόντα που πιθανόν περιλαμβάνουν βενζένιο και φαινόλες. Τα ενδιάμεσα προϊόντα απομακρύνονται με μεθόδους διαχωρισμού και η αντίδραση συνεχίζεται. Αν η αναμόρφωση με ατμό χαρακτηριστεί σαν καυστήρας (burner), η οξείδωση με υγρό αέρα μπορεί να χαρακτηριστεί σαν κουζίνα μαγειρεύματος (cooker)

6/11/2015ΔΧ35 Παραδείγματα Συσκευών Αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων – Τετραφαινυλοβορικά άλατα Οξείδωση με υγρό αέρα H οξείδωση με υγρό αέρα είναι 100 φορές πιο αργή από την αναμόρφωση με ατμό, αλλά πλεονεκτεί αρκετά σε σχέση με κείνη στο ότι γίνεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία και δεν παράγει καυσαέρια Η οξείδωση με υγρό αέρα έχει μεγάλα μειονεκτήματα. Τα κύρια μειονεκτήματα είναι ότι: (α) απαιτείται υψηλή πίεση, και (β) η μέθοδος δεν είναι πλήρως ανεπτυγμένη Υψηλή πίεση στο μίγμα αερίου-ιλύος μπορεί να προκαλέσει ξαφνική ρήξη του αντιδραστήρα και απελευθέρωση του περιεχομένου του στο περιβάλλον Μη πλήρης ανάπτυξη της μεθόδου σημαίνει αβεβαιότητα ως προς τις χημικές ενώσεις που παράγονται Αντιδραστήριο του Fenton Συνδυασμός υπεροξειδίου του υδρογόνου και σιδηρούχος καταλύτης σε θερμοκρασία και πίεση δωματίου Κλασσική Χημεία για την επεξεργασία οργανικών ουσιών σε υδατικά απόβλητα από το Δεν χρειάζεται υψηλή πίεση όπως η οξείδωση με υγρό αέρα και δεν παράγει μικρά σωματίδια που διαφεύγουν όπως στην αναμόρφωση με ατμό Μειονεκτήματα: (α) αργή κινητική → αντιδραστήρας μεγάλου μεγέθους, (β) άγνωστα παραπροϊόντα, και (γ) Υπεροξείδια είναι ασταθείς και εκρηκτικές ενώσεις Η καλλίτερη μέθοδος: Αναμόρφωση με ατμό

6/11/2015 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Κλιμάκωση (Scaling) Κλιμάκωση έχουμε κάθε φορά που θέλουμε να παράγουμε ποσότητες διαφορετικές από την προηγούμενη εμπειρία μας Στο βιβλίο Gulliver’s Travels του Jonathan Swift (1726) αναφέρεται ότι οι μαθηματικοί του βασιλιά των Λιλιπούτειων υπολόγισαν ότι ο Gulliver χρειάζεται τροφή και ποτά σε ποσότητες που επαρκούν για 1728 Λιλιπούτειους = 12 3, επειδή o Gulliver είχε ύψος = 12 x (ύψος ενός Λιλιπούτειου) Ρυθμός μεταβολισμού ~ εμβαδό επιφανείας (όχι της μάζας του σώματος) Ο Rubner επιβεβαίωσε τον κανόνα το 1883 με μετρήσεις που έκανε σε σκύλους από 3 μέχρι 30 kg. ΔΧ36

Κλιμάκωση (Scaling) Ο von Hoesselin το 1883 έδειξε ότι: Ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου στα ψάρια ~ εμβαδό επιφανείας (όχι της μάζας του σώματος) Τα ψάρια είναι ψυχρόαιμα και αυτό δεν μπορεί να ερμηνευθεί σαν απώλεια θερμότητας. Αν όμως σκεφτούμε ότι τα ζώα είναι χημικοί αντιδραστήρες, η μεταφορά μάζας ή θερμότητας με τους περιορισμούς της, ο νόμος ρυθμού κατανάλωσης οξυγόνου με το εμβαδό της επιφανείας του αντιδραστήρα φαίνεται σωστός. Στην πραγματικότητα, ισχύει εξαιρετικά καλά για μεγάλες ομάδες οργανισμών από τα βακτήρια ως τα θηλαστικά Το 1932 ο Kleiber έδειξε ότι η σχέση: Ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου ~ (μάζας σώματος) 3/4 είναι πιο ακριβής. Αργότερα, άλλοι πρότειναν τροποποίηση στην παραπάνω σχέση του τύπου Ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου ~ (μάζας σώματος) 2/3 Το 1997 οι West, Brown & Enquist έδειξαν ότι ο εκθέτης ¾ δικαιολογείται από το σύστημα διανομής του αίματος που έχει ελάχιστο μοναδιαίο μέγεθος, π.χ., διάμετρος τριχοειδούς αιμοφόρου αγγείου ανεξάρτητη από το μέγεθος του οργανισμού ⇒ fractal ανάλυση 37

Κλιμάκωση (Scaling) Με τη λογική ότι ισχύει ο νόμος Ρυθμός μεταβολισμού ~ (μάζας σώματος) 3/4 ο Gulliver χρειάζεται τροφή και ποτά σε ποσότητες όσες 200 Λιλιπούτειοι Ρυθμός παραγωγής προϊόντος I.Αναντίστρεπτη χημική αντίδραση 1 ης τάξης Χ: ποσοστό μετατροπής, k: κινητική σταθερά της χημικής αντίδρασης σε μονάδες (χρόνος) -1, τ: χαρακτηριστικός χρόνος του αντιδραστήρα = V/Q όπου V είναι όγκος του αντιδραστήρα και Q ογκομετρικός ρυθμός ροής Αντιδραστήρας συνεχούς αναδευόμενης δεξαμενής (CSTR): c 1, c 10 : αρχική και τελική συγκέντρωση αντιδραστηρίων Αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (batch reactor) σε μόνιμη κατάσταση (steady state): c 1, c 10 : συγκέντρωση αντιδραστηρίων σε χρόνους 0 και τ Αντιδραστήρας εμβολικής ροής (plug flow reactor): c 1, c 10 : συγκέντρωση αντιδραστηρίων σε είσοδο και έξοδο 38ΔΧ

6/11/2015ΔΧ39 Κλιμάκωση (Scaling) Ρυθμός παραγωγής προϊόντος Ι. Αντιδραστήρας - Αναντίστρεπτη χημική αντίδραση 1 ης τάξης Επιθυμητό: κινητική σταθερά της χημικής αντίδρασης, k, να έχει υψηλή τιμή k ↑ όταν θερμοκρασία Τ ↑ Σε υψηλές θερμοκρασίες: διάχυση ελέγχει ρυθμό διεργασίας, αλλά ρυθμός διάχυσης αυξάνεται λιγότερο με θερμοκρασία από ρυθμό χημικής αντίδρασης Σε υψηλές θερμοκρασίες: k → k D a όπου k D είναι συντελεστής μεταφοράς μάζας από διάχυση και a ειδική επιφάνεια = διεπιφάνεια/όγκος k D = k D (ανάδευση, ιδιότητες ρευστού) a = a(χαρακτηριστικό μέγεθος διασπαρμένης φάσης, συγκέντρωση) χαρακτηριστικό μέγεθος διασπαρμένης φάσης = μέγεθος σωματιδίου, σταγόνας, φυσαλίδας ή δίνης (eddy) Kλιμάκωση: Πρέπει να εξασφαλιστεί ότι χαρακτηριστικό μέγεθος διασπαρμένης φάσης και χαρακτηριστικός χρόνος αντιδραστήρα τ παραμένουν σταθερά. τ σταθερό εξασφαλίζεται όταν η ισχύς ανάδευσης ανά μονάδα όγκου παραμένει σταθερά

6/11/2015ΔΧ40 Κλιμάκωση (Scaling) Ρυθμός παραγωγής προϊόντος ΙΙ.Διαχωριστής – Αναντίστρεπτη απορρόφηση αερίου c 1, c 10 : αρχική και τελική συγκέντρωση, 1/k D a: χαρακτηριστικός χρόνος απορρόφησης, t: χρόνος για απορρόφηση k D at: αριθμός μονάδων μεταφοράς, (Number of Transfer Units) Ομοιότητες μεταξύ χημικής αντίδρασης 1 ης τάξης και απορρόφησης: kτ → k D at k D a από διαστατική ανάλυση (dimensional analysis) Sh = Sh(Re, Sc) Sh = kL/Dαριθμός Sherwood Re = ρUL/μαριθμός Reynolds Sc = μ/(ρD)αριθμός Schmidt k: συντελεστής μεταφοράς μάζας, L: χαρακτηριστικό μέγεθος, D: συντελεστής διάχυσης, ρ: πυκνότητα, U: χαρακτηριστική ταχύτητα, μ: ιξώδες

6/11/2015ΔΧ41 Κλιμάκωση (Scaling) Παράδειγμα 1 – Παραγωγή σιροπιού από αραβόσιτο με υψηλή περιεκτικότητα σε φρουκτόζη Σε ένα αντιδραστήρα διαλείποντος έργου (ΒR) με όγκο 300 cm 3 παρατηρείται 90% μετατροπή 0.05 g/ cm 3 γλυκόζης σε φρουκτόζη σε 6 min. Ο ρυθμός αυτός της μετατροπής που ελέγχεται από την κινητική της αντίδρασης επιτυγχάνεται με ένζυμα υποστηριζόμενο σε στερεά σφαιρίδια μέσου μεγέθους 400 μm. Να σχεδιαστεί αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) με τις ίδιες συνθήκες αντίδρασης που να παράγει 1 kg φρουκτόζης το λεπτό. Για να έχουμε τις ίδιες συνθήκες αντίδρασης,(kτ) PFR = (kV/Q) BR ⇒ τ PFR = (V/Q) BR = 6 min H ποσότητα της φρουκτόζης που παράγεται στον αντιδραστήρα ΒR σε 6 min είναι 0.90c 10 V BR = 0.90(0.05)(300) g = 13.5 g(1) H ποσότητα της φρουκτόζης που θα παραχθεί στον αντιδραστήρα PFR σε 6 min είναι0.90c 10 V PFR = 1000 g(2) Διαιρόντας την (2) με την (1) κατά μέλη V PFR /V BR = 1000/13.5 ⇒ V PFR = (1000/13.5)V BR ≈ 22 L Q PFR = V PFR / τ PFR = 22/6 L/min

6/11/2015ΔΧ42 Κλιμάκωση (Scaling) Παράδειγμα 2 – Αντίδραση στεροειδών σε αιώρημα Σωματίδια στεροειδών με διάμετρο 2.60 mm σε αιώρημα με τετραϋδροφουράνη αντιδρούν με βουτυλικό λίθιο στους 253 ο Κ. Η αντίδραση ελέγχεται από το ρυθμό μεταφοράς μάζας και ο συντελεστής μεταφοράς μάζας δίνεται από τη σχέση d: διάμετρος σωματιδίου, D: συντελεστής διάχυσης στο υγρό, d’ και ω: διάμετρος και ταχύτητα περιστροφής του αναδευτήρα, ν και ρ: κινηματικό ιξώδες και πυκνότητα υγρού, g: επιτάχυνση βαρύτητας, Μ p : μάζα σωματιδίου Να σχεδιαστεί 1000 φορές μεγαλύτερος αντιδραστήρας με το ίδιο μέγεθος σωματιδίων Πρέπει (k D ) 1000V = (k D ) V ⇒ [(d’ω) 0.28 d’’ 0.02 ] 1000V = [(d’ω) 0.28 d’’ 0.02 ] V ⇒ [ω 0.28 d’’ 0.30 ] 1000V = [ω 0.28 d’’ 0.30 ] V ⇒ (ω 1000V / ω V ) 0.28 = (d’ V / d’ 1000 V ) 0.30 = (1/10) 0.30 ⇒ ω 1000V / ω V = (1/10) 0.02 ≈ 0.95

6/11/2015ΔΧ43 Διαστατική Ανάλυση (Dimensional Analysis) Το κατ’ εξοχήν εργαλείο για κλιμάκωση. Βασίζεται στην αρχή διαστατικής oμοιογένειας σύμφωνα με την οποία και οι δύο πλευρές μιας εξίσωσης που περιγράφει φυσικά μεγέθη πρέπει να είναι ισοδύναμες διαστατικά, δηλαδή, από άποψη μονάδων. Ο Νewton ονόμαζε αυτή την αρχή «μεγάλη αρχή της ομοιότητας» (“great principle of similitude”) και ο Rayleigh επισημοποίησε την παρουσίαση της Θεμελιώδεις μονάδες Διάσταση ΣύμβολοΜονάδες SIΣύμβολο μονάδας Μήκος L μέτρο m Μάζα Μχιλιόγραμμο kg Χρόνος tδευτερόλεπτο s Θερμοκρασία Τβαθμός Kelvin K Ποσότητα nγραμμομόριο mol Θερμότητα Q Joule J H θερμότητα είναι εναλλάξιμη με το έργο W που έχει διαστάσεις [Μ][L]/[t] 2

6/11/2015ΔΧ44 Διαστατική Ανάλυση (Dimensional Analysis) Προχωρεί με χρήση του θεωρήματος Π του Buckingham σύμφωνα με το οποίο ανφυσικό μέγεθος Q 1 είναι συνάρτηση Ν -1 άλλων φυσικών μεγεθώνQ 2,…,Q N, δηλαδή, Q 1 = f (Q 2,…,Q N )(1), και P είναι ο αριθμός των θεμελιωδών διαστάσεων, η (1) μπορεί να γραφτεί ως Π 1 = f (Π 2,…,Π N-Ρ )(2) όπου Π 1, Π 2,…,Π N-Ρ είναι αδιάστατες ομάδες (μεγεθών) Παράδειγμα – Δύναμη F που ενεργεί σε σφαίρα, με διάμετρο d, κινούμενη με σταθερή ταχύτητα U σε ρευστό, με πυκνότητα ρ και ιξώδες μ, που ηρεμεί F = f (d, U, ρ, μ)(3) F = Q 1, d = Q 2, U = Q 3, ρ = Q 4, μ = Q 5. N = 5, P = 3 ⇒ N - P = 2, δηλαδή, 2 αδιάστατες ομάδες που ικανοποιούν τη σχέση Π 1 = f (Π 2 )(4)

Διαστατική Ανάλυση (Dimensional Analysis) Παράδειγμα – Δύναμη F που ενεργεί σε σφαίρα, με διάμετρο d, κινούμενη με σταθερή ταχύτητα U σε ρευστό, με πυκνότητα ρ και ιξώδες μ, που ηρεμεί Ας υποθέσουμε ότι η Π 1 βασίζεται στη μεταβλητή F και η Π 2 στη μεταβλητή d, Π 1 = F d a U b ρ c (5) καιΠ 2 = d U α ρ β μ γ (6) (5) ⇒ [ Π 1 ] = M L t -2 L a L b t -b M c L -3c = M 1+c L a+1+b-3c t -2-b ⇒ 1 + c = 0(7a) a b - 3c = 0(7b) -2 – b = 0(7c) With (7a), (7b), (7c) ⇒ c = -1, b = -2, a = -2 ⇒ Π 1 = F / (d 2 U 2 ρ) (8) f : συντελεστής οπισθέλκουσας ή συντελεστής τριβής 456/11/2015ΔΧ

Διαστατική Ανάλυση (Dimensional Analysis) Παράδειγμα – Δύναμη F που ενεργεί σε σφαίρα, με διάμετρο d, κινούμενη με σταθερή ταχύτητα U σε ρευστό, με πυκνότητα ρ και ιξώδες μ, που ηρεμεί Π 1 = F d a U b ρ c (5) καιΠ 2 = d U α ρ β μ γ (6) (6) ⇒ [ Π 2 ] = L L α t -α M β L -3β M γ L -γ t -γ = L 1+α-3β-γ t –α-γ M β+γ ⇒ 1 + α - 3β – γ = 0(9a) α + γ = 0(9b) β + γ = 0(9c) With (9a), (9b), (9c) ⇒α = β = 1, γ = -1 ⇒ Π 2 = d U ρ / μ = Re αριθμός Reynolds (4) ⇒ (10) 6/11/201546ΔΧ

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο Πριν 30 χρόνια μια μεγάλη εταιρεία πετρελαιοειδών έβγαλε στην αγορά ένα ζιζανιοκτόνο, ΗW ® που κυριάρχησε στην αγορά και άφηνε μεγάλα περιθώρια κέρδους. Ένα χρόνο αργότερα, οι άνθρωποι του μάρκετινγκ έκρουαν τον κώδωνα του κινδύνου. Οι καταναλωτές δεν προτιμούσαν όπως πριν το προϊόν της εταιρείας τους αλλά καινούργιο προϊόν μιας ανταγωνίστριας εταιρείας, με καλλίτερα χαρακτηριστικά όπως φαίνεται από την παρακάτω εικόνα. Tο προϊόν της ανταγωνίστριας εταιρείας είχε σταθερό ρυθμό αποδέσμευσης του ενεργού συστατικού, που σχετίζεται με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα 6/11/2015 ΔΧ 47

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Εγκλεισμός σε κάψουλες Οι σχεδιαστές του ζιζανιοκτόνου βάλθηκαν να βελτιώσουν το προϊόν της, με τον εγκλεισμό του σε κάψουλες βιοπολυμερούς, όπως η ζελατίνη. Αυτό Εξασφάλιζε ελεγχόμενη αποδέσμευση του ενεργού συστατικού μόνο όταν χρειάζεται, δηλαδή, σε βροχερές περιόδους. Τα βιοπολυμερή διογκώνονται όταν βρέχονται και γίνονται πιο διαπερατά από ό,τι είναι σε ξηρά κατάσταση Η αποδέσμευση του ενεργού συστατικού και ο συντελεστής διάχυσης του νερού στη ζελατίνη ως συνάρτηση της ποσότητας του νερού γιά το βελτιωμένο προϊόν δείχνονται στην εικόνα αριστερά. Η μεταβολή του συντελεστή διάχυσης από ξηρασία σε βροχή είναι μεγάλης τάξης μεγέθους 6/11/2015ΔΧ48

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Σχεδιασμός κάψουλας Οι προδιαγραφές για την κάψουλα αφορούν (α) τον τρόπο εφαρμογής του προϊόντος (με το χέρι ή με μηχανή), (β) την κάλυψη του εδάφους (μέγεθος κάψουλας), (γ) την μηχανική αντοχή της καψούλας και (δ) τον χρόνο αποδέσμευσης του ενεργού συστατικού. Η κάψουλα σχεδιάζεται, δηλαδή, προσδιορίζονται η διάμετρος της, d, το πάχος της μεμβράνης, δ, και ιδιότητες που πρέπει να έχει (για να επιλεγούν τα κατάλληλα υλικά για την κατασκευή της), με βάση τις προδιαγραφές Το ενεργό συστατικό, που έχει μέσα στην κάψουλα συγκέντρωση c 0 και διαλυτότητα στο υλικό της μεμβράνης Κc 0 (Κ συντελεστής επιμερισμού), διαχέεται μέσω της μεμβράνης στον περιβάλλοντα χώρο. Οι διεργασίες μεταφοράς για το ενεργό συστατικό και η εξίσωση για το ρυθμό αποδέσμευσης της μάζας από την κάψουλα δίνονται στην εικόνα αριστερά Από τη μάζα που περιέχεται στην κάψουλα και το ρυθμό μεταφοράς της υπολογίζεται ο χρόνος αποδέσμευσης του ενεργού συστατικού από την κάψουλα 6/11/2015ΔΧ49

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Παράδειγμα Σχεδιασμός κάψουλας O χρόνος αποδέσμευσης (release) του ενεργού συστατικού από την κάψουλα, t r, εξαρτάται από: t r ~ Κ -1 είδος πολυμερούς, σταυροσύνδεση, μέγεθος μορίου ΗW t r ~ D -1 είδος πολυμερούς, σταυροσύνδεση, μέγεθος μορίου ΗW, υγρασία t r ~ δπάχος μεμβράνης επιλέγεται t r ~ dδιάμετρος καψούλας επιλέγεται Είναι δυνατόν οι τιμές των συντελεστών διαμερισμού και διάχυσης, Κ και D, αντίστοιχα, να αλλάξουν για μεγάλη τάξη μεγέθους με αλλαγή του είδους του πολυμερούς και του βαθμού σταυροσύνδεσης, και με προσθήκη ανενεργών ομάδων στο ενεργό συστατικό Η εφαρμογή (διανομή) του προϊόντος και η κάλυψη του εδάφους καθορίζουν το μέγεθος της κάψουλας. Αν η διανομή γίνεται με ψεκασμό, το μέγεθος της κάψουλας πρέπει να είναι της τάξης των 10μ. Οι κάψουλες δεν μπορεί να είναι πολύ μικρές γιατί αλλιώς θα σκορπιστούν από τον άνεμο. Η μέθοδος εφαρμογής που επιλέγεται είναι διανομή με το χέρι ή μηχανή διασποράς 50

6/11/2015ΔΧ51 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Παράδειγμα Σχεδιασμός κάψουλας Λόγω της μεγάλης δραστικότητας του ενεργού συστατικού, για την κάλυψη του εδάφους απαιτείται 1 kg/εκτάριο Με κάψουλες 1mm, έχουμε 200 κάψουλες /m 2, κι αυτό δεν είναι ικανοποιητική κάλυψη. Καλλίτερη κάλυψη επιτυγχάνεται αν η διάμετρος της κάψουλας είναι κλάσμα του 1mm Το πάχος της μεμβράνης λαμβάνεται ως ποσοστό, συνήθως 3%, της διαμέτρου της κάψουλας  t r ~ δd ~ d 2. Και πάλι, η διάμετρος της κάψουλας δεν μπορεί να είναι πολύ μικρή. Επιλέγεται d = 0.3 mm

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Τρόπος παρασκευής κάψουλας Υλικά κάψουλας: αραβικό κόμμι και ζελατίνη, που είναι (1) Φυσικά γραμμικά πολυμερή, εκφυλισμένες (denatured) πρωτεΐνες (χάνουν την 3-διάστατη δομή τους, άρα τη λειτουργικότητα τους), και (2) Έχουν ασθενείς ιοντικές ομάδες, δηλαδή, είναι φορτισμένα, και το φορτίο τους εξαρτάται από το pH Για διάστημα pH μικρού εύρους, τα δύο φυσικά πολυμερή, που έχουν φορτία με αντίθετα πρόσημα, σχηματίζουν δίκτυα (coacervation-κροκίδωση), δια- χωρίζονται από νερό, και δημιουργούν φάση πλούσια σε συμπολυμερές Ενεργό συστατικό, που είναι υγρό μη αναμίξιμο με το νερό, διασπείρεται από αναμεικτήρα σε μορφή σταγονιδίων 52

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Τρόπος παρασκευής κάψουλας Πλούσια σε πολυμερές φάση διαβρέχει επιφάνεια κάθε σταγονιδίου και σχηματίζει λεπτό στρώμα υγρού γύρω από σταγονίδιο Με σταυροσύνδεση (crosslinking) αλυσίδων πολυμερούς, λεπτό στρώμα, που επικαλύπτει σταγονίδιο, στερεοποιείται σε μεμβράνη και έτσι δημιουργείται κάψουλα Κάψουλες διαχωρίζονται από υγρό διεργασίας με διήθηση. Φίλτρο είναι μέσο με οπές μεγέθους όχι μεγάλου, αλλά όχι μικρότερου από μέγεθος κάψουλας Σχηματίζονται γέφυρες ανάμεσα σε κάψουλες  δημιουργία κρούστας (cake) πάνω στο φίλτρο που κατακρατεί περισσότερες κάψουλες Κρούστα κατακρατεί νερό με διαλυμένες χημικές ενώσεις που εκτοπίζεται με έκπλυση κρούστας και φίλτρου με καθαρό νερό 6/11/2015ΔΧ53

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Τρόπος παρασκευής κάψουλας Η τελευταία διεργασία για τις κάψουλες είναι η ξήρανση. Το ελεύθερο νερό απομακρύνεται από την κρούστα με αέρα που διοχετεύεται υπό πίεση μέσα από την κρούστα και το φίλτρο, και η ξήρανση ολοκληρώνεται με θερμό αέρα που ακολουθεί την ίδια διαδρομή 6/11/2015ΔΧ54

6/11/2015ΔΧ55 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Παράδειγμα Η «συνταγή» Για να παραχθούν κάψουλες στο εργαστήριο, η «συνταγή», που προήλθε από πειράματα, δίνεται στην παρακάτω εικόνα. Η φορμαλδεϋδη είναι το μέσο γιά την σταυροσύνδεση του συμπολυμερούς. Οι παράμετροι για τη διήθηση, έκπλυση και ξήρανση, π.χ., μέγεθος οπών φίλτρου, ποσότητα νερού για έκπλυση, πίεση για τη διοχέτευση αέρα μέσα από την κρούστα και το φίλτρο, προσ- διορίζονται από πειράματα

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Το διάγραμμα ροής Για βιομηχανική παραγωγή, οι ποσότητες των πρώτων και συμπληρωματικών υλών πρέπει να κλιμακωθούν (scale up) με βάση τη «συνταγή» του εργαστηρίου Το διάγραμμα ροής για παραγωγή 100 kg από κάψουλες (3800 φορές την παραγόμενη ποσότητα του εργαστηρίου) δίνεται στην εικόνα παρακάτω Για να γίνουν 100 kg από κάψουλες που περιέχουν 55 kg ενεργού συστατικού, χρειάζονται 870 kg νερού,11 kg από καθένα από τα δύο βιοπολυμερή, 46 kg φορμαλδεΰδης, οξύ και βάση (μικρές ποσότητες) Nα σημειωθεί ότι στη διεργασία χρησιμο- ποιείται πολύ νερό και ότι το νερό από τη διήθηση και έκπλυση δεν μπορεί να αποβληθεί χωρίς τον απαραίτητο καθαρισμό γιατί περιέχει 26 kg φορμαλδεΰδης και ίχνη από άλλες χημικές ενώσεις 6/11/2015ΔΧ56

6/11/2015ΔΧ57 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιανιοκτόνο - Το διάγραμμα ροής Για βιομηχανική παραγωγή, πρέπει να υπολογισθεί η ενέργεια που απαιτεί- ται για τις διάφορες διεργασίες. Ενέργεια απαιτείται για θέρμανση των δοχείων για διαλυτοποίηση των βιοπολυμερών, κι ακόμη περισσότερη για ψύξη του συμπολυμερούς πριν την σταυροσύνδεση  χρειάζονται εγκατα- στάσεις για θέρμανση και ψύξη. Επίσης απαιτείται αρκετά μεγάλη ποσότητα ενέργειας για την ξήρανση των καψουλών. Τέλος χρειάζεται ενέργεια για τον αναμεικτήρα που προπαρασκευάζει τις κάψουλες και τις αντλίες για τη μεταφορά των ρευστών. Η ενέργεια για τον αναμεικτήρα, 10 ΜJ ανά παρτίδα 100 kg από κάψουλες, και τις αντλίες είναι πολύ μικρότερη από αυτήν που απαιτείται για θερμικές διεργασίες

6/11/2015ΔΧ58 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιανιοκτόνο - Το διάγραμμα ροής Βελτιώσεις 1.Τα βιοπολυμερή, που είναι γνωστά για τη μεταβλητότητα στη ποιότητα, να αντικατασταθούν από άλλα πολυμερή. Η εργασία για τη «συνταγή» στο εργαστήριο και ό,τι ακολουθεί πρέπει να επαναληφθεί με τις νέες πρώτες ύλες 2.Να μειωθεί το νερό που χρειάζεται για διήθηση και έκπλυση  μείωση μεγέθους εξοπλισμού, απαιτούμενης ενέργειας, και αποβλήτων Περιορισμοί από μικρή διαλυτότητα πολυμερών στο νερό και υψηλό ιξώδες διαλυμάτων 3.Να διαχωριστεί από το απόβλητο νερό και να ανακυκλωθεί η φορμαλδεΰδη που χρησιμοποιείται για σταυροσύνδεση (διαχωρισμός με απόσταξη ή με μεμβράνες)

Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Το ζιζανιοκτόνο - Περίληψη για διάγραμμα ροής Για να «πάει» κανείς από τη «συνταγή» του προϊόντος στο διάγραμμα ροής (διεργασιών) (flow diagram), πρέπει να γίνουν τα ακόλουθα: Οι ποσότητες των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του συγκεκριμένου προϊόντος στο εργαστήριο μετατρέπονται σε ποσότητες για παραγωγή του προϊόντος σε πλήρη κλίμακα, Προσδιορίζονται οι ποσότητες της ενέργειας για την παραγωγή του προϊόντος και των αποβλήτων που προκύπτουν από την παραγωγή, Γίνεται προσπάθεια να βελτιωθούν οι διεργασίες από πειράματα στο εργαστήριο με (α) χρήση φθηνότερων πρώτων υλών, (β) διαχωρισμό και ανακύκλωση αποβλήτων, και (γ) αύξηση της αποδοτικότητας και ρυθμού των μετατροπών. Όταν περατωθούν οι βελτιώσεις κατασκευάζεται το διάγραμμα ροής 6/11/2015ΔΧ59

6/11/2015ΔΧ60 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Μηχανικός εξοπλισμός (equipment) Διεργασίες : ανάμειξη, θέρμανση/ψύξη, μορφοποίηση (structuring), διαχωρισμός (separation) Μηχανικός εξοπλισμός Διεργασίες μορφοποίησης Δημιουργία Συστημάτων Διασποράς (Dispersion Making) Αναμικτήρας Μύλος κολλοειδών (Colloid Mill) Γαλακτωματοποιητής (Emulsifier) Εκβολέας διέλασης (Calendar) Θραύση σωματιδίων (Particle Breaking) Θραυστήρας (Grinder) Μύλος με Σφαιρίδια (Ball Mill) Μύλος με Μαργαριτάρια (Pearl Mill) Ομογενοποιητής (Mixer)

6/11/2015ΔΧ61 Από το Σχεδιασμό Προϊόντων στο Σχεδιασμό Διεργασιών Μηχανικός εξοπλισμός (equipment) Διεργασίες μορφοποίησης Δημιουργία Σωματιδίων(Particle Making) Ξηραντήρας με Ψεκασμό (Spray Dryer) Συγκολλητής (Agglomerator) Kρυσταλλωτήρας (Crystallizer) Δημιουργία Λεπτού Στρώματος (Film Making) Εκβολέας Διέλασης (Calendar) Φυσητήρας Λεπτού Στρώματος (Film Blower) Δημιουργία Επικάλυψης (Coating Making) Βoύρτσα (Brush) Ψεκαστήρας (Spray) Στραγγιστήρι (Drain) Κύλινδρος (Roller) Δημιουργία Ινών (Fiber Making) Στροβιλιστής (Spinner) Δημιουργία Στερεών Τύπων (Solid Form Making) Εκβολέας (Extruder)