1

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din IaşiFacultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului

Departamentul Ingineria şi Managementul Mediului

Ingineria proceselor chimice şi biologice/1

Titular disciplină: Prof.univ.dr.ing. Maria Gavrilescu

Aplicaţii: Șef lucrări dr. biol. Camelia Smaranda

An universitar 2015-2016

2

Structura disciplinei:

- Curs

- Aplicaţii

- lucrări de laborator

- aplicaţii numerice

în conformitate cu planul de învăţământ al celor 2 serii: III-IM; III-IMAN

http://www.ch.tuiasi.ro/041licenta.html

3

III-IM

4

III-IM

5

III-IMAN

6

III-IMAN

7

An III:Domeniul : Ingineria Mediului

Specializarea: Ingineria şi protecţia mediului în industrie

CURS: 3 ore/săptamână, 14 săptămâni = 42 ore curs

Mod de lucru: 4 ore/săptămână, 10 săptămâni (săpt. 2-11) + 2 ore în săptămâna a 12-a

APLICAŢII: 3 ore/săptămână (6 ore la 2 săptămâni)

K = 6

8

An III:Domeniul : Inginerie şi Management

Specializarea: Inginerie economică în industria chimică şi de materiale

CURS: 3 ore/săptamână, 14 săptămâni = 42 ore curs

Mod de lucru: 4 ore/săptămână, 10 săptămâni (săpt. 2-11) + 2 ore în săptămâna a 12-a

APLICAŢII: 2 ore/săptămână (4 ore la 2 săptămâni)

K = 5

9

NOTA FINALĂ:

35% examen (în sesiunea ianuarie februarie 2012), din care 10% activitatea la curs

35% teste în timpul semestrului (examen parţial), din care 10% activitatea la curs

(săptămâna a 8-a: 19 noiembrie 2015)

30% aplicaţii

- 15% activitate la orele de aplicaţii

- 15% colocviu final la laborator

10

Examen parţial:

An III – 19 noiembrie 2015(cursurile din săptămânile 2 – 7)

Prezenţa tuturor studenţilor este obligatorie, fiind examen prevăzut în programul de

pregătire, respectiv fişa disciplinei

(se acordă credite)

11

Scopul cursului:• instruirea studenţilor pentru: analiza şi sinteza sistemelor chimice şi biologice, aplicate în industrie şi protecţia mediului, având ca obiective:

studiul principalelor tipuri de procese chimice şi biologice din ingineria chimică, biochimică, biologică

studiul problemele specifice analizei, sintezei şi proiectării acestor procese, studiului modelelor de sisteme ideale şi reale, a proceselor care le conţin

12

Conţinutul cursului:

1.Introducere în ingineria proceselor chimice și biologice

2. Procese chimice

3. Procese biologice

4. Aplicaţii ale proceselor chimice şi biologice în ingineria chimică, ingineria și managementul mediului

13

Aplicaţii:

a. Lucrări de laborator:1. Prezentarea laboratorului de Ingineria proceselor chimice şi biologice. Protecţia

muncii. Noţiuni fundamentale şi problematică. Prezentarea specificului aplicaţiilor. Analiza noţiunilor fundamentale pentru ingineria chimică și ingineria mediului.

2. Studiul operaţiei de adsorbţie aplicată la decontaminarea unor efluenţi apoşi ce conţin coloranţi

3. Reactoare unitare ideale. Aplicaţii ale ecuaţiilor de proiectare.

4. Aplicaţii ale informaţiilor obţinute la analiza distribuţiei timpilor de staţionare la studiul dispersiei în reactoarele specifice din ingineria chimică și ingineria mediului.

5. Transferul de masă al oxigenului în dispersii gaz-lichid într-un bioreactor pneumatic.

6. Modelarea empirică a transferului de masă gaz-lichid într-un bioreactor gaz-lift

7. Evaluarea finală. Aprecierea şi analiza rezultatelor.

b. Rezolvarea de probleme şi analize de studii de caz

14

1.IntroducereIngineria:

Aplicarea, cu anumite constrângeri, în anumite condiţii, a principiilor ştiinţifice la conceperea (sinteza), analiza, proiectarea, construcţia (execuţia) şi operarea (exploatarea) structurii echipamentelor şi sistemelor, a produselor, în folosul societăţii, pentru dezvoltarea durabilă.

15

Analiza şi sinteza sistemelor de producţie chimică se consideră a fi esenţa ingineriei chimice.

Sinteza:

Analiza:

Creerea unor realităţi artificiale pe care natura nu le produce de la sine, menite să îndeplinească anumite sarcini, în cele mai economice condiţii.

Rezultatul final al unui proces de sinteză tehnică este o realitate materială (de exemplu: o linie tehnologică).

Examinarea unui complex, a elementelor lui şi a conexiunilor dintre ele.

Analiza permite înţelegerea unui sistem şi a modului cum acesta funcţionează.

16

Laborator Chimist

Proces tehnologic laborator

Micropilot Inginer chimist

Proces tehnologic micropilot

Pilot Inginer chimist

Proces tehnologic pilot

Transpunere la scară

industrială

Proiectare

Execuţie

Sistem industrial (chimic, biochimic

sau biologic, ori combinat

Exploatare Întreţinere Control

Ingi

ner

ch

imis

t

17

Reacţie chimică

Proces chimic

Reacţie biochimică

Proces biochimic

Reacţie biologică

Proces biologic

Tipuri de reacții aflate la baza proceselor industriale

18

Reacția chimică:Proces în care un set de specii chimice (molecule și elemente) se transformă în alte specii chimice prin modificarea poziției unor electroni, cu formarea și ruperea unor legături chimice între atomi.

Reacția biochimică:Transformarea (reacția) chimică în care, un set de specii chimice se transformă în alte specii chimice, de regulă în interiorul unei celule vii, mediate de enzime (care reprezintă catalizatori biologici ce modifică viteza și specificitatea reacțiilor chimice din interiorul celulelor vii).

Reacția biologică:Transformarea (reacția) biochimică însoțită de creșterea și dezvoltarea masei celulare (biomasa)

19

Procesul chimic (biochimic, biologic)Activitate la scară laborator, pilot sau industrială în care produsele sunt rezultatul unei reacții chimice (biochimice, biologice) desfășurată în condiții bine definite de transfer de impuls, masă și căldură, pe baza unei tehnologii, într-o instalație chimică.

20

Ingineria proceselor chimice și biologice în contextul dezvoltării

durabile

Dezvoltarea care asigură nevoile prezentului fără a compromite şansa generaţiilor viitoare de a-şi asigura satisfacerea propriilor nevoi.

1987, Raportul Bruntland (“OUR COMMON FUTURE”, Oxford University Press)

1987 The Brundtland Commission…

Dezvoltarea durabilă:

21

Dezvoltarea durabilă

Conceptul de dezvoltare durabilă

desemnează totalitatea formelor şi metodelor de dezvoltare socio-economică, al căror fundament îl reprezintă, în primul rând,

asigurarea unui echilibru între sistemele socio-economice şi elementele capitalului

natural.

22

Componentele dezvoltării durabile

23

Sistem durabil din punct de vedere economic

capabil să genereze bunuri şi servicii pe o bază continuă şi solidă, evitând dezechilibrele sectoriale extreme, care ar periclita sistemele de producţie.

Sistem durabil din punctul de vedere al mediului înconjurător

asigură menţinerea funcţiilor mediului şi a unei baze de resurse stabilă, prin utilizare raţională, evitarea supraexploatării resurselor regenerabile şi epuizarea celor neregenerabile.

Sistem durabil din punct de vedere social

asigură echitate, servicii sociale şi de sănătate adecvate, accesul la educaţie, echitatea genurilor, responsabilitate şi participare la viaţa societăţii.

24

Rolul actual al inginerului în contextul dezvoltării durabile

• Luarea de decizii pentru alegerea “celor mai bune tehnologii” bazate pe consideraţii tehnice şi economice, având ca obiectiv obţinerea de beneficii sociale (aspect economic)

• Utilizarea durabilă a resurselor materiale şi energetice ale Terrei (aspect de mediu)

• Asigurarea unui impact favorabil al procesului de dezvoltare (existenţa locurilor de muncă, distribuirea produsului muncii) (aspect social)

25

Ce (trebuie să) știe un inginer specializat în procese chimice și biologice

Chemical Engineer Curriculum

Operaţii unitare Fenomene de transfer; Controlul procesului

Chimie, Chimie fizică (termodinamică şi cinetică chimică

ChimiaMatematica

Fenomene de transfer

Transferul de masăTransferul de căldură

Mecanica fluidelor (Transferul de impuls)

Ingineria reacțiilor

Dinamica si controlul proceselor

Conceperea și proiectarea proceselor

Termodinamicaaplicata in inginerie

Laboratorul de operații unitare

Laboratorul de chimie

fizică

Laboratorul de chimie organica

Bilanțuri de materiale și energie

Fizica

Termodinamica(echilibrul fazelor)

Laboratorul de microbiologie

26Mult succes în noul an universitar!

Bibliografie1. Note de curs la disciplina “Ingineria proceselor Chimice șI Biologice”, On line:

http://omicron.ch.tuiasi.ro/~mgav/2. Gavrilescu M., (1997), Bioreactoare Pneumatice, Editura Dosoftei, Iaşi.3. Gavrilescu M., Ungureanu F., Cojocaru C., Macoveanu M., (2005), Modelarea şi

Simularea Proceselor în Ingineria Mediului, Editura EcoZone, Iaşi. 4. Gavrilescu M., (2010), Producţie Industrială Durabilă, Editura Politehnium, Iaşi.5. Kolbe B., Kleiber M., Rarey J., (2012), Chemical Thermodynamics for Process

Simulation, John Wiley & Sons, New York.6. Petrescu S., Mămăligă I., (1997), Ingineria proceselor chimice. Sisteme omogene,

Editura Cermi, Iaşi.7. Petrescu S., Balasanian I., Mămăligă I., (1999), Ingineria proceselor chimice. Sisteme

eterogene, Editura Gheorghe Asachi, Iaşi8. Doble M., Kumar A., (2010), Green Chemistry and Engineering, Academic Press.9. Dunn I.J., Heinzle E., Ingham J., Prenosil J.E., (2003), Biological Reaction Engineering,

Principles, Applications and Modelling with PC Simulation, VCH Verlagsgesellschaft GmbH, Weinheim-New York-Basel-Cambridge.

10. Richardson J.F., Peacock D.G., (2007), Chemical Engineering, vol. 3, Chemical and Biochemical Reactors and Process Control, Elsevier.

11. Roman R.V., Gavrilescu M., (1997), Fenomene de Transfer în Bioprocese, Editura Dosoftei, Iasi.

12. Snape B.J., Dunn I.J., Ingham J., Prenosil J.P., (1995), Dynamics of Environmental Bioprocesses. Modelling and Simulation, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim.

27

2. Procese chimice

Ansambul proceselor elementare de transformare şi transfer care se desfăşoară în masa de reacţie

Definiţia procesului chimic:

28

Masa de reacţie:

Reprezintă ansamblul de materiale rezultat din contactarea fazelor reactante care se găsesc la un moment dat în reactor şi între care au loc reacţii chimice

Constituie ansamblul reactanţilor, produşilor de reacţie, a catalizatorilor şi a substanţelor inerte care se află la un moment dat în reactor.

În funcţie de numărul fazelor existente, masa de reacţie poate fi:

- omogenă (monofazică)

- eterogenă (bifazică, trifazică, polifazică)

29

Proces elementar:

Cel mai simplu proces care se manifestă unitar din punct de vedere macroscopic şi care este

caracterizat printr-un singur model cinetic.

Model cinetic – definit de cinetica reacțiilor care au loc într-un microdomeniu (cum ar fi suprafața unui catalizator )

Microdomeniu: regiune de dimensiuni mici, care are o structură distinctă și o funcție distinctă

30

Mecanismul macrocinetic al procesului chimic (mecanismul procesului chimic):

Ansamblul tuturor proceselor elementare, în ordinea desfăşurării lor

31

Procese elementare de transformare:

Implică transferul de fază şi/sau reacţia chimică

Exemple de procese elementare de transformare:

• reacţia chimică• dizolvarea• adsorbţia-desorbţia• vaporizarea-condensarea• formarea germenilor de cristalizare (nucleaţia)• transformarea alotropică• topirea-solidificarea

32

Procese elementare de transfer:

Fenomenele de transfer:

1.Transferul de impuls

2.Transferul de căldură

3.Transferul de masă