Φυσικές Διεργασίες της Χημικής Τεχνολογίας Τιβέριος Βαϊμάκης Εργαστήριο Βιομηχανικής Χημείας Τομέας Βιομηχανικής Χημείας και Χημείας Τροφίμων Γραφείο: Χ2 213β Τηλ.: 8352 e-mail: tvaimak@cc.uoi.gr

Χημική Τεχνολογία Τεχνολογία (από το τέχνη και λόγος) Βασική έννοια της λέξης αφορά το αποτέλεσμα της εφαρμογής της θεωρητικής επιστημονικής γνώσης με στόχο τη δημιουργία ενός αντικειμένου με πρακτικό όφελος, ιδιαίτερα στη βιομηχανία. Δευτερεύουσα έννοια της λέξης αφορά στην ανάπτυξη συσκευών και μηχανισμών για επιστημονικούς σκοπούς και εκείνων των κλάδων της γνώσης που σχετίζεται με τις εφαρμοσμένες επιστήμες ή μηχανολογία.

Γενικά, η Τεχνολογία ασχολείται με τη γνώση και τη χρήση εργαλείων και τεχνικών και με σκοπό να ελέγξει τη φύση και το περιβάλλον Η χρήση της τεχνολογίας από τον άνθρωπο ξεκίνησε με την μετατροπή των φυσικών πρώτων υλών σε απλά εργαλεία. Η αξιοποίηση των επιφανειακών νερών για την διεξαγωγή διαφόρων εργασιών, υπήρξε η απαρχή των Φυσικών Διεργασιών. Η προϊστορική ανακάλυψη της ικανότητας των ανθρώπων να ελέγχουν τη φωτιά αύξησε τις διαθέσιμες πηγές τροφής και η εφεύρεση του τροχού βοήθησε τους ανθρώπους να ταξιδεύουν και να ελέγχουν το περιβάλλον τους.

Χημική Τεχνολογία: η επιστήμη που μελετά τις διεργασίες και μεθόδους καθώς επίσης και τα μέσα της μαζικής χημικής κατεργασίας των πρώτων υλών και των ενδιαμέσων προϊόντων με σκοπό την παραγωγή αγαθών. Η Χημική Τεχνολογία αποτελεί διακριτό επιστημονικό κλάδο που συνδυάζει την θετική επιστήμη της χημείας και την επιστήμη των μηχανικών. Πρόκειται για διεπιστημονικό τομέα με κύριο αντικείμενο έρευνας και μελέτης την ανάπτυξη μεθόδων και ασφαλή σχεδίαση και εκμετάλλευση εργοστασίων παραγωγής και μεταποίησης ετοίμων ή ενδιαμέσων υλικών.

Henry Edward Armstrong (1848-1937) Η Χημική Τεχνολογία είναι ένας κλάδος που χρησιμοποιεί τις αρχές της χημείας, της φυσικής, των μαθηματικών και της οικονομίας για την αποτελεσματική χρήση, παραγωγή, μετασχηματισμό και μεταφορά χημικών, υλικών και ενέργειας. Το 1884 ο Henry Edward Armstrong διδάσκει μαθήματα Χημικής Τεχνολογίας στο City and Guilds of London Institute. Η απόπειρα του Armstrong απέτυχε επειδή οι πτυχιούχοι δεν προσλαμβάνονταν από τους εργοδότες. Οι εργοδότες της εποχής προτιμούσαν χημικούς και μηχανολόγους μηχανικούς Henry Edward Armstrong (1848-1937)

Το 1887 ο George E. Davis έδωσε μια σειρά διαλέξεων σχετικά με τις Φυσικές Διεργασίες (Unit operations) στο Manchester Technical School (μετέπειτα Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ), οι οποίες θεωρούνται από τις πρώτες για τη Χημική Τεχνολογία. Αυτές οι 12 διαλέξεις αποτέλεσαν τη βάση του διπλού εγχειριδίου του Χημικού Μηχανικού (1901, αναθεωρημένο 1904), του πρώτου αυτού του είδους . George E. Davis 1850-1906

Πριν το 1900 υπήρχαν ήδη βιβλία βιομηχανικής χημείας που γράφονται για κάθε χημική βιομηχανία π.χ. - για την παραγωγή αλκαλίων, την παραγωγή οξέων, τη ζύμωση και τη βαφή - και ακόμη και μερικές επισκοπήσεις. Ο Davis ήταν ο πρώτος που οργάνωσε κείμενα με τις βασικές λειτουργίες κοινές σε πολλές βιομηχανίες . Επιπλέον, περιείχε πληθώρα πραγματικών παραδειγμάτων των πρακτικών και των προβλημάτων του χημικού εργοστασίου.

Το 1888 ο Lewis M. Norton διδάσκει στο MIT τα πρώτα μαθήματα Χημικής Τεχνολογίας στις Ηνωμένες Πολιτείες, απλά με συνένωση θεμάτων χημείας και μηχανικής μαζί με το σχεδιασμό του προϊόντος. Όμως οι ασκούμενοι είχαν τη δυσκολία να πείσουν τους μηχανικούς και τους χημικούς ότι δεν ήταν απλώς χημικοί ή μηχανικοί. Το Αμερικανικό Ινστιτούτο Χημικών Μηχανικών (AIChE), ιδρύθηκε το 1908 και διαδραμάτισε βασικό ρόλο στην καθιέρωση της Χημικής Τεχνολογίας ως ανεξάρτητης επιστήμης με επίκεντρο τις Φυσικές Διεργασίες Παράλληλα, η προώθηση της Χημικής Τεχνολογίας ως ξεχωριστής επιστήμης στη Βρετανία οδήγησε στη δημιουργία του Ινστιτούτου Χημικών Μηχανικών (IChemE) το 1922.

Η ΧΤ σαν επιστήμη→ στα τέλη του 18ου αιώνα ήταν περιγραφή : της παραγωγικής διαδικασίας των διαφόρων χημικών ουσιών του βασικού εξοπλισμού και των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. Οι πρώτες μέθοδοι που αναπτύχθηκαν η παραλαβή των μετάλλων από τα μεταλλεύματα, η παραλαβή απλών αλάτων από σύνθετα μίγματά των και η απόσταξη των ξύλων.

Δεκαετία του 1930: μελέτη των νόμων των Χημικών και Φυσικών Διεργασιών οι τρόποι εφαρμογής τους στη βιομηχανία και η ορθολογιστική εκμετάλλευση της ενέργειας και των πρώτων υλών. Τη δεκαετία του 1940, κατέστη σαφές ότι οι φυσικές διεργασίες μόνο ήταν ανεπαρκείς για την μελέτη και ανάπτυξη χημικών αντιδραστήρων. Έτσι, αναπτύσσεται μια νέα κατεύθυνση των Χημικών Διεργασιών (Unit Processes)

Η Βιομηχανική Επανάσταση έδωσε μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη της Χημικής Τεχνολογίας Η Βιομηχανική Επανάσταση: η επινόηση και η εισαγωγή μηχανών στην παραγωγή, ξεκίνησε στην υφαντουργία στα μέσα του 18ου αιώνα. Οι αυξανόμενες απαιτήσεις σε υφαντουργικά μηχανήματα και σε νέες μεθόδους και προϊόντα έδωσε μεγάλη ώθηση στη Βιομηχανία Σιδήρου και στη Χημική Βιομηχανία

Βιομηχανική Επανάσταση  Κρίσιμη περίοδος της ανθρωπότητας: ► Μετάβαση από μια τεχνολογία στηριγμένη στο ξύλο και στο νερό σε μια τεχνολογία βασισμένη αφ’ ενός στο σίδηρο και τον άνθρακα και αφ’ ετέρου στον ατμό, ήταν πλέον οριστική. ► Επέρχεται μια διπλή αντικατάσταση: ▪ των ανθρώπινων χεριών και των απλών ξύλινων εργαλείων από τις μηχανές ▪ της ασθενούς δύναμης των ανθρώπων και των ζώων και της άστατης και τοπικής δύναμης του ανέμου-νερού, από τη δύναμη του ατμού.

Οι προσπάθειες να χρησιμοποιηθεί ο νερόμυλος, αρχικά και η ατμομηχανή στη βιομηχανική παραγωγή αποτέλεσε το κίνητρο για τη μελέτη ορισμένων Φυσικών Διεργασιών Εφαρμογή της Φυσικοχημείας στην παραγωγική διαδικασία Βιομηχανική εκμετάλλευση των κοιτασμάτων ορυκτών αλάτων Βάση ολόκληρων νέων βιομηχανικών κλάδων: ▪ μέθοδος Solvey (1863) η οποία αντικατέστησε τη μέθοδο Leblanc ▪ καταλυτικές διεργασίες παραγωγής θειικού οξέος και αμμωνίας.

Η χημική τεχνολογία περιλαμβάνει έξι κύριους τομείς δραστηριοτήτων επί των αντικειμένων της: την έρευνα, τη μελέτη, την κατασκευή, την παραγωγή, την εκμετάλλευση - εμπορία και τη διοίκηση - διεύθυνση.

Χημικές Διεργασίες (Unit processes): ριζική μεταβολή της χημικής σύστασης, των ιδιοτήτων και της δομής της ύλης Φυσικές Διεργασίες (Unit operations): μετάδοσης θερμότητας, μεταφοράς μάζας, μηχανικές (λειοτρίβηση και ταξινόμηση των στερεών σωματιδίων, συμπίεση των αερίων) υδρομηχανικές διεργασίες, υψηλών ή χαμηλών θερμοκρασιών, ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, υπερήχων κλπ.

Πρώτες ύλες Προετοιμασία ΦΔ Καθαρισμός Μορφοποίηση ΦΔ Αντίδραση ΧΔ Προϊόντα ► Καλύτερη ποιότητα ► Μέγιστη απόδοση ► Χαμηλή δαπάνη ► Μικρότερη ρύπανση του περιβάλλοντος.

Φυσικές και Χημικές Διεργασίες της Χημικής Τεχνολογίας Πρώτες ύλες Χημική αντίδραση Προϊόντα Παρασκευή ιωδιούχου κασσιτέρου (IV) Διάλυμα Sn + I + Μεθυλενοχλωρίδιο Θέρμανση – Ανάδευση Συμπύκνωση με βρασμό Ατμοί – Συμπύκνωμα διαλύτη Reflux Ψύξη Χημική αντίδραση Διήθηση υπό κενό Διήθηση Στερεό - Διαλύτης Ξήρανση Στερεό - Διάλυμα SnI4

HNO3 + NH3  NH4NO3 + Q

ΧΤ – Μελέτες για την αριστοποίηση των διεργασιών με στόχο: ► καλύτερη ποιότητα ► μέγιστη απόδοση ► χαμηλή δαπάνη ► μικρότερη ρύπανση του περιβάλλοντος.

Πρώτες ύλες Χημική αντίδραση Προϊόντα ► Φυσικές διεργασίες Χημικές διεργασίες Φυσικές διεργασίες ► ► Καθαρισμός Κλασμάτωση Θέρμανση Μεταφορά Διαχωρισμός Μορφοποίηση Ψύξη Μεταφορά Χημική Τεχνολογία

Η εμπειρία κατά τη διάρκεια και μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο έδειξε την ανάγκη για πιο ισχυρές προσεγγίσεις στην επίλυση προβλημάτων μηχανικής. Μεταξύ αυτών ήταν η ενιαία περιγραφή της μεταφοράς θερμότητας, μάζας και ορμής, που αναφέρεται ως «Φαινόμενα Μεταφοράς".

Υδρομηχανικές διεργασίες Χημική Τεχνολογία Νόμοι Φυσικής, Χημείας, Φυσικοχημείας Τεχνολογία Εφαρμοσμένα Μαθηματικά Φαινόμενα Μεταφοράς Μεταφορά Ορμής Υδρομηχανικές διεργασίες Κινητήριος δύναμη - ΔΡ Μεταφορά Μάζας Κινητήριος δύναμη - ΔC + Τεχνική σωματιδίων Μετάδοση Θερμότητας Κινητήριος δύναμη - ΔΤ

Πρώτες ύλες Χημική αντίδραση Προϊόντα Τεχνική σωματιδίων Παρασκευή ιωδιούχου κασσιτέρου (IV) Διάλυμα Sn + I + Μεθυλενοχλωρίδιο Θέρμανση – Ανάδευση Συμπύκνωση με βρασμό Ατμοί – Συμπύκνωμα διαλύτη Reflux Ψύξη Χημική αντίδραση Διήθηση υπό κενό Διήθηση Στερεό - Διαλύτης Ξήρανση Στερεό - Διάλυμα SnI4 Τεχνική σωματιδίων Μεταφορά Ορμής Μετάδοση Θερμότητας Μεταφορά Μάζας

Εργαστηριακές μελέτες Ημι-βιομηχανική εγκατάσταση Βιομηχανική εγκατάσταση Συνθήκες λειτουργίας Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Κινητική Σχεδιασμός εγκαταστάσεων Κινητήρια Δύναμη Ρυθμός = ------------------------------- Αντίσταση Ποσότητα μεταφερομένης μάζας ή ενέργειας Ρυθμός = ------------------------------------------------------------ Χρόνος × Επιφάνεια ή Όγκο λειτουργίας