617-0406/01 – Základy procesního inženýrství (ZPI)
| Garantující katedra | Katedra chemie | Kredity | 7 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Kamil Wichterle, DrSc. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Kamil Wichterle, DrSc. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 3 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2004/2005 | Rok zrušení | 2012/2013 |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | bakalářské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
Soustavně je procvičováno látkové a energetické bilancování technologických procesů a aplikace přenosových jevů při inženýrském modelování. Tři hlavní třídy probíraných procesů jsou procesy hydrodynamické (čerpání, filtrace, sedimentace, fluidizace, míchání), přenos tepla (výměníky, tepelné ztráty, var, kondenzace) a sdílení hmoty (rovnovážné soustavy a dynamika krystalizace, absorpce, destilace, sušení, adsorpce). Krátce je uvedena problematika chemických reaktorů.
Vyučovací metody
Přednášky
Semináře
Anotace
Předmět ukazuje jak se dají procesy v průmyslu i v přírodě kvantitativně popsat
a jak využít těchto poznatků při návrhu aparátů. Rozvíjejí se kvalitativní
poznatky anorganické a organické technologie, proudění a sdílení tepla,
bezpodmínečně nutné jsou dobré znalosti fyziky, fyzikální chemie a ovládání
matematiky.
Soustavně je procvičováno látkové a energetické bilancování technologických
procesů a aplikace přenosových jevů při inženýrském modelování. Tři hlavní
třídy probíraných procesů jsou procesy hydrodynamické (čerpání, filtrace,
sedimentace, fluidizace, míchání), přenos tepla (výměníky, tepelné ztráty, var,
kondenzace) a sdílení hmoty (rovnovážné soustavy a dynamika krystalizace,
absorpce, destilace, sušení, adsorpce). Krátce je uvedena problematika
chemických reaktorů.
Povinná literatura:
1) WICHTERLE K., Základy procesního inženýrství. http://homen.vsb.cz/~wih15/ProcIng/
2) ŠNITA, D., Chemické inženýrství I. VŠCHT Praha, 2005.
3) Návody do laboratoře z procesního inženýrství, VŠB-TUO, 2010
4) MÍKA V., NEUŽIL L., VLČEK J. a kol., Příklady a úlohy z chemického inženýrství I. a II. díl, VŠCHT Praha 1997.
5) HOLEČEK O. a kol., Chemicko-inženýrské tabulky,VŠCHT Praha 2001.
Doporučená literatura:
DOJČANSKÝ, J., LONGAUER, J. Chemické inženierstvo I, II. Malé centrum
Bratislava, 2000
MÍKA, V. Základy chemického inženýrství. SNTL Praha, 1981.
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
V průběhu semestru musí student vypracovat 4 samostatné domácí práce a absolvovat 2 výpočtové testy. Podmínkou získání zápočtu je úspěšné obhájení domácích prací a minimální úspěšnost z obou testů 50% včetně. Pokud se podmínka úspěšnosti nepodaří splnit, následuje na konci semestru souhrnný test z celého rozsahu učiva, který je nutné absolvovat s 50% úspěšností, k dispozici má student 3 pokusy.
K ústní části zkoušky student postupuje po udělení zápočtu.
E-learning
Další požadavky na studenta
Prerekvizity
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
1. Předmět procesního inženýrství. Bilance, rovnováha, kinetika. Zákony zachování. Bilancovatelné veličiny, bilanční systém, bilanční období. Vstupy, výstupy, akumulace, přeměna.
2. Bilance hmoty. Vyjádření pomocí kusů, souprav, látkového množství, objemu. Extenzivní a intenzivní veličiny. Hustota, koncentrace, plynové zákony.
3. Bilance soustav s chemickou reakcí. Fiktivní proudy, stechiometrie. Bilance energie. Typy energie a přeměny. Mechanická energie v tekutém prostředí. Kinetická, potenciální a tlaková energie. Bernouliho rovnice. Tlaková ztráta.
Proudění v potrubí. Součinitel tření, odporový součinitel. Laminární a turbulentní proudění, Reynoldsovo číslo. Drsnost. Skládání odporů proudění.
4. Dodávání mechanické energie. Čerpadla. Objemová čerpadla, principy, konstrukční a provozní zvláštnosti. Hydrodynamická čerpadla, principy, konstrukční a provozní zvláštnosti odstředivých čerpadel. Dělení směsí pevné částice – kapalina. Filtrace. Princip koláčové filtrace a veličiny, na nichž závisí rychlost filtrace.
5. Filtrační zkoušky. Filtrace s konstantní rychlostí, tlakovým spádem, charakteristikou čerpadla. Průmyslové filtry, nuč, kalolis. Sedimentace. Průběh sedimentace, bilance, suspenze, usazenina. Pádová rychlost částice. Pád koule
– vliv setrvačných sil, viskozity. Rozměrová analýza, Reynoldsovo číslo, odporový součinitel. Stokesův zákon. Konstantní odpor.
6. Odstředivá síla. Sedimentační odstředivka, proudový odlučovač. Filtrační odstředivka. Zádrž kapaliny ve filtračním koláči a v usazenině. Rušené usazování. Zhutňování usazeniny. Dorův usazovák. Třídění částic na základě různé usazovací
rychlosti. Suspendace. Fluidizace. Prahová rychlost, úletová rychlost.
7. Bilance energie. Teplo jako forma energie. Teplo a teplota. Zákony zachování, definice enthalpie. Významné členy v termodynamických úvahách. Tepelná kapacita, enthalpie fázových a chemických změn. Inženýrské vyjádření na jednotku hmotnosti. Zdroje tepla. Sdílení tepla. Teplo, tepelný tok, hustota tepelného toku. Součinitel přestupu a průchodu tepla. Vedení, sálání, konvekce. Tepelná vodivost, Fourierův zákon. Kompozitní materiál. Kirchhoffovy zákony. Měření teploty.
8. Tepelná konvekce nucená, volná. Rozměrová analýza, filmová teorie. Nusseltovo číslo. Prandtlovo číslo. Grashoffovo číslo. Kriteriální rovnice. Kdy se projevuje sálání. Zákonitosti přenosu tepla sáláním. Pece. Zanedbatelnost některých tepelných odporů. Zadaná teplota, zadaný tepelný tok.
9. Stupňová zařízení. Převodová jednotka pro sdílení tepla. Řazení převodových jednotek. Souproud, protiproud. Tepelný výměník. Tepelná bilance – hnací síla. Převodová jednotka pro sdílení hmoty.
10. Tenze par. Izobarické odpařování do vzduchu. Výparné teplo. Var a kondenzace. Bublinový a blánový var. Kapková a blánová kondenzace. Ohřev parou. Vícestupňová odparka. Var při sníženém tlaku. Tepelné čerpadlo. Lindeho kolona.
11. Rovnováha kapalina pára. Raoultův zákon. Rovnovážná destilace. Opakovaná destilace. Princip kontinuální rektifikační kolony. Nástřik, destilát, zbytek. Zpětný tok. Rovnovážná a pracovní čára. Kontaktování plynu s kapalinou. Patrové
a výplňové kolony.
12. Rozpustnost plynů v kapalinách. Henryho zákon. Absorpce. Protiproudá absorpce. Rovnovážná a pracovní čára. Absorpční zařízení. Absorpční kolony. Desorpce.
13. Vlhký vzduch. Nasycený vzduch. Absolutní vlhkost. Relativní vlhkost. Teplota vlhkého teploměru. Měření vlhkosti. Enthalpie vlhkého vzduchu. Diagram vlhkého vzduchu. Vlhkost pevných a pórézních materiálů. Rovnovážná vlhkost. Hnací síla sušení. Bilance sušení. Rychlost sušení. Sušárny. Vlhčení vzduchu. Chlazení vody vzduchem. Chladící věže. Hnací síly a principy koloběhu vody v přírodě.
14. Kinetika chemických reakcí. Závislost na teplotě, tlaku a koncentraci. Doba potřebná k reakci. Reakce v průtočných zařízeních. Doba prodlení a její stanovení. Doba prodlení ve vícefázových reaktorech. Pístový a dokonale míchaný
reaktor. Difuzivita. Difuze v plynech kapalinách, pevných a pórézních látkách. Míchadla rychloběžná a pomaloběžná. Příkon míchadel.
15. Adsorpce. PSA proces. Membrány. Heterogenní katalytické reaktory. Biologické reaktory. Fermentory. Polymerační reaktory. Elektrolyzéry. Vysoká pec jako chemický reaktor.
Laboratorní úlohy
1. Tlaková ztráta při toku plynu výplní (Stanice absorpce)
2. Kinetika sušení vybraného materiálu (Stanice sušení)
3. Hmotnostní bilance filtrace a výpočet konstant filtrační rovnice (Stanice filtrace)
4. Stanovení pádové rychlosti částic (Stanice sedimentace)
5. Stanovení koeficientu prostupu tepla (Stanice sdílení tepla)
6. Tepelné ztráty rektifikační kolony (Stanice rektifikace)
7. Elektrolýza vody solární energií (Stanice palivové články)
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky