Jednotková operace

Technology

12 hours ago

Author

Jednotková operace je v chemickém a procesním inženýrství základním krokem procesu. Jednotkové operace obsahují fyzikální nebo chemickou přeměnu, jako je separace, krystalizace, odpařování, filtrace, polymerizace, izomerizace a další reakce. Například při zpracování mléka tvoří homogenizace, pasterizace a balení jednotkové operace, které jsou vzájemně spojeny za účelem vytvoření celého procesu. Daný proces může pro získání požadovaného produktu z výchozích materiálů nebo surovin vyžadovat mnoho jednotkových operací.

Historie

V dřívějších dobách byla různá chemická odvětví považována za rozdílné průmyslové procesy s odlišnými postupy a principy. Americký chemik a inženýr Arthur Dehon Little přišel v roce 1916 s konceptem „jednotkových operací“, vysvětlujícím postupy průmyslové chemie. +more Roku 1923 William H. Walker, Warren K. Lewis a William H. McAdams napsali knihu The Principles of Chemical Engineering v níž ukázali, že různá chemická odvětví využívají postupy, které se řídí stejnými fyzikálními zákony. Shrnuli tyto obdobné procesy do definovaných jednotkových operací. Každá jednotková operace podléhá stejným fyzikálním zákonům a lze ji využít ve všech příslušných odvětvích chemického a procesního průmyslu. Například návrh mísícího zařízení pro přípravu napalmu nebo dětské výživy podléhá stejným zásadám, ačkoliv výrobce, zákazník i využití těchto produktů jsou zcela odlišné. Jednotkové operace tvoří základní postupy chemického inženýrství.

Rozdělení

Jednotkové operace v chemickém a procesním inženýrství lze rozdělit do pěti tříd:

# Hydraulické procesy, včetně transportu tekutin, filtrace a fluidizace pevných látek. # Procesy přestupu tepla, včetně odpařování a výměny tepla. +more # Procesy výměny hmoty, včetně absorpce plynu, destilace, extrakce, adsorpce a sušení. # Termodynamické procesy včetně zkapalňování plynu a chlazení. # Mechanické procesy, včetně přepravy pevných látek, drcení, pulverizace a třídění.

Jednotkové operace také spadají do následujících kategorií, které zahrnují prvky více tříd:

* Kombinace (míchání) * Separace (destilace, krystalizace) * Reakce (chemická reakce)

Navíc existují některé jednotkové operace, které kombinují i tyto kategorie, jako například reaktivní destilace a míchané reaktory. „Čistá“ jednotková operace je fyzikální přenos hmoty nebo energie, zatímco kombinovaný chemicko-fyzikální proces vyžaduje modelování jak fyzikálního přenosu (např. +more difuze), tak i chemické reakce. Tento přístup je obvykle nezbytný pro navrhování katalytických reakcí a je považován za samostatnou disciplínu nazvanou reakční inženýrství.

Jednotkové operace a procesy tvoří hlavní principy všech odvětví chemického a procesního průmyslu a jsou základem návrhů chemických provozů, závodů a jejich zařízení.

Jednotkové operace se obecně navrhují tak, že vytvoří hmotnostní a energetická bilance pro každou základní složku (může být i nekonečně malá) ve formě rovnic. Následně se spočítají řešení rovnic pro návrhové parametry a zvolí se optimální řešení z několika možných. +more Na základě výpočtu pak může být vytvořen návrh samotného zařízení.

Například destilace v patrové koloně se analyzuje vytvořením hmotnostní bilance pro každé patro s danou fázovou rovnováhou a účinností. Přítok a odtok patra tvoří celkový tok hmoty, přičemž se dále bilancují jednotlivé složky. +more Kombinace celkového počtu pater vytváří soustavu rovnic pro celou kolonu. Přitom existuje oblast možných řešení, protože větší refluxní poměr umožňuje menší počet pater a naopak. Inženýr pak musí najít optimální řešení s ohledem na přijatelnou zádrž kapaliny, výšku kolony a investiční náklady.