Ekosystemteknik LTH, Processdesign UN2

Ekosystemteknik LTH, Processdesign UN2

Tredje upplagan, Första tryckningen, Lund 2007

Förord Specialiseringen processdesign är till stora delar gemensam med motsvarande specialisering för kemiteknik. En del kurser har utgått och andra har tillkommit för att ge en tydlig profil mot industriellt miljöskyddsarbete oberoende om det sker i industrin, konsultföretag eller i offenlig förvaltning. Lund den 5 februari 2007 Michaël Grimsberg Bitr. programledare K Kemiteknik i

ii

Innehåll 1 Specialiseringen 1 1.1 Övergripande beskrivning..................... 1 1.2 Utformning.............................. 2 2 Kursbeskrivningar 3 2.1 Aerosolteknologi........................... 3 2.2 Energi och miljö........................... 4 2.3 Kemisk processteknologi...................... 5 2.4 Kemisk reaktionsteknik, fk.................... 6 2.5 Miljöbioteknik............................ 7 2.6 Partikelteknologi........................... 8 2.7 Processriskanalys.......................... 9 2.8 Processimulering........................... 10 2.9 Projektering.............................. 11 2.10 Separationsprocesser fk...................... 12 iii

iv

Kapitel 1 Specialiseringen 1.1 Övergripande beskrivning En effektiv tillverkningsprocess är en förutsättning för framställning av alla konkurrenskraftiga produkter. Detta gäller alla produkter; från färger, specialkemikalier och läkemedel, som framställs i relativt små kvantiteter, till mer storskalig produktion av baskemikalier. Med en effektiv process menas att den skall vara ekonomiskt optimal samtidigt som den ger minimal miljöbelastning. För att uppnå dessa krav måste därför processen vara resurssnål med avseende på råvaror och energi, d.v.s. den skall ge ett minimum av biprodukter och utnyttja effektiv reaktions- och separationsteknik. En fysikalisk förståelse av samspelet mellan transportfenomen och kemiska reaktioner, samt förmåga att modellera och simulera dessa förlopp är nödvändig för att kunna utforma nya processer eller förbättra befintliga processer. De kurser som erbjuds inom specialiseringen processdesign ger goda möjligheter att få de insikter och färdigheter som krävs av en civilingenjör som vill arbeta med t.ex. processfrågor inom drift, produktutveckling, eller industriellt miljöskyddsarbete. De ger också en grund för den som vill utvecklas vidare mot t.ex. marknadsföring eller försäljning, eller vill fördjupa sig ytterligare genom forskarstudier. Mycket arbete i industrin idag sker i projektarbetsform, dvs en insats där ett antal personer med olika kompetens söker lösningen på ett problem som är begränsat av tid och resurser. Träning i detta ges i inriktningens enda obligatoriska kurs, som är en kurs i projektering. För övrigt ges goda möjligheter till en egen profilering. Civilingenjörer med processdesignspecialisering har kunskaper som är generellt användbara och efterfrågade såväl nationellt som internationellt - i många olika branscher som kemisk industri, läkemedelsindustri, bioteknikindustri, samt i engineering-företag och konsultföretag.

2 Specialiseringen 1.2 Utformning För examen krävs minst 45 högskolepoäng bland nedanstående kurser. Kod Kurs Högskolepoäng Se sida Obligatorisk KET050 Projektering 15 11 Alternativobligatoriska KET040 Kemisk processteknologi 7.5 5 KAT051 Separationsprocesser, fk 7.5 12 KET010 Energi och miljö 7.5 4 KTE061 Kemisk reaktionsteknik 7.5 6 MAM242 Aerosolteknologi 7.5 3 KBT080 Miljöbioteknik 7.5 7 KTE131 Processriskanalys 7.5 9 KTE131 Processimulering 7.5 10 KAT080 Partikelteknologi 7.5 8 Ht1 Läsperioder Ht2 Vt1 Vt2 Kemisk processteknologi, 7.5hp Energi och miljö, 7.5hp Projektering, 15 hp Separations- processer, fk 7.5hp Kemisk reaktionsteknik fk, 7.5hp Processrisk- analys, 7.5hp Partikelteknologi, 7.5hp Processimulering, 7.5hp Aerosol- teknologi, 7.5hp Miljöbioteknik, 7.5hp Figur 1.1: Uppläggning av årskurs 4 på specialisering processdesign. Tonad bakgrund anger att kursen är obligatorisk.

Kapitel 2 Kursbeskrivningar 2.1 Aerosolteknologi 2.1.1 Bakgrund Med aerosol menar vi partiklar suspenderade i gaser. Aerosolpartiklar kan ha en diameter från någon nm (ett fåtal molekyler) upp till några tiondels mm. Vår omgivningsluft är ett exempel på en aerosol med en komplex blandning av partiklar med olika storlek och kemiska egenskaper. Intresset för luftburna partiklar har ökat under senare år inom vitt skilda tillämpningsområden. Några exempel är: Hälsoeffekter av partiklar i vår vardag (t ex. förbränningspartiklar från dieselmotorer och pollen) och i arbetsmiljöer (t ex. isocyanater och asbest). Miljöeffekter t ex aerosolpartiklars bidrag till klimatförändringar samt spridning av miljögifter. Deponering av aerosoladministrerade läkemedel i en specifik region av andningsvägarna (t ex Astmainhalatorer )? Tillverkning av nanostrukturer till framtidens elektronik-komponenter och tillverkning av nya material. Aerosolpartiklar kan också ha negativa effekter vid olika tillverkningsprocesser (t ex. elektronik och livsmedel), vilket studeras inom renrumsteknik. I kursen demonstreras att det är samma grundläggande aerosolfysik/kemi som kan förklara vitt skilda fenomen. Hur uppstår moln? Hur bildas partiklar av olika storlek? Vad avgör om en molekyl befinner sig i partikel resp. gasfas? Vad bestämmer hur långt du kan se? När uppkommer dammexplosioner? Varför består små partiklar från förbränning ofta av kedjeagglomerat? Var i andningsvägarna hamnar inandade partiklar? 2.1.2 Mål Kursens syfte är att teknologen skall tillägna sig förståelse för mekanismerna bakom luftburna partiklars uppkomst, spridning, transforma-

4 Kursbeskrivningar tioner och deponering samt att ge kunskaper om provtagningsstrategi och mätmetodik för luftburna partiklar. Avsikten är att teknologen skall erhålla en grund för värdering av hälsorisker, för eliminationsteknik, tillverkningsmetoder, renhetsteknik, samt för hur luftburna partiklar kan användas för administrering av läkemedel. 2.1.3 Innehåll Kursen startar med en genomgång av aerosolfysiken och aerosolkemin. Där behandlas bl a olika mått på partikelstorleken, partikelstorleksfördelningar, transportprocesser, Återstoden av kursen är uppbyggd kring föreläsningsteman som Förbränningskällor, Atmosfärsprocesser, Elimineringstekniker, Aerosolmätteknik, Läkemedelstillämpningar, Renrumsteknik, Elektroniktillämpningar, Bioaerosoler, Inomhusmiljöer, Lungdeponering och hälsoeffekter av partiklar. Under kursen får du under tre laborationer prova på avancerad forskningsutrustning. Kursen är i första hand beskrivande, men under ett antal räkneövningar lär du dig att använda de matematiska modeller som beskrivits under föreläsningarna. Kursen avslutas med ett antal gästföreläsningar där olika tillämpningar från industrin presenteras. 2.2 Energi och miljö 2.2.1 Bakgrund I ett framtida resurssnålt samhälle behövs kunskap om olika energikällor (vattenkraft, gas, biobränslen etc.) för ett effektivt energiutnyttjande inom transportsektorn, i industriella processer och i förbränningsanläggningar för produktion av fjärrvärme och el. Processerna behöver utformas med låg miljöpåverkan och i framtiden i allt större omfattning utnyttja förnybara energiråvaror t.ex. för att ersätta råoljebaserade drivmedel i bilar, lastbilar och bussar. Kopplingar mellan olika energiomvandlingsprocesser blir allt vanligare vilket resulterar i komplexa system där moderna datorverktyg är nödvändiga för systemdesignen. 2.2.2 Mål Kursen avser att ge kunskap om olika energiomvandlingsprocesser, deras kostnader och miljöpåverkan så att optimala processer för elproduktion och industriell energianvändning kan designas.

2.3 Kemisk processteknologi 5 2.2.3 Innehåll Kursen är uppbyggd kring ett antal tema som var och ett innehåller olika moment som föreläsningar, övningar, gruppdiskussioner och beräkningsuppgifter. Externa föreläsare från industri och energiföretag. Energiråvaror och det svenska energisystemet kommer att presenteras. Olika metoder för elproduktion (vattenkraft, kärnkraft, mottryckskraft, gasturbiner, förgasning, vindkraft etc.) samt deras miljöpåverkan och kostnader kommer att studeras. Aspekter på användning av förnybara energislag inom transportsektorn samt katalytiska processer för avgasrening. Exergibegreppet med tillämpningar samt metoder för energieffektivisering inom industrin. Rökgasrening på kommunala och industriella förbränningsanläggningar. Flow-sheetingprogram används för optimering av energianvändningen i industriella processer. 2.3 Kemisk processteknologi 2.3.1 Bakgrund För arbete i kemisk industri fordras kunskap och förståelse om denna industris villkor och dess uppbyggnad från råvaror till slutprodukter. Det fordras också förmåga att tillämpa och integrera de kunskaper som tidigare erhållits i grundläggande teknikämnen. Utvecklingskedjan för en kemisk process omfattar lokalisering, val av lämpliga råvaror, analys och jämförelse av alternativa processer, utformning av reaktor och processbetingelser, integrering av eventuell katalysator i processen, upparbetning och rening av produkten. Det är också viktigt att processen är säker och miljövänlig. Den kemiska industrins framtid är i hög grad beroende av innovativ produkt- och processutveckling dels för att säkerställa tillgång till råvaror och dels i ett långsiktigt omvärldsperspektiv. 2.3.2 Mål Målsättningen med kursen, som är avsedd för ingenjörer som skall verka inom kemisk processindustri, är att ge en helhetssyn på kemiska processer och deras förverkligande samt integration i samhället. Kursen skall också ge en förståelse av principerna för kemiska processers uppbyggnad och vilka faktorer som styr processval och utformning med hänsyn till konkurrenssituationen på råvarusidan, teknikens status, alternativa processer, miljöfaktorer, ekonomi, miljö och risker.

6 Kursbeskrivningar 2.3.3 Innehåll I kursen ingår följande avsnitt: struktur och lokalisering av kemisk industri, råvaror för kemiproduktion, raffinaderiprocesser, produktion av oorganiska och organiska baskemikalier, finkemikalier, polymerer, bioteknisk industri, cellulosateknik, massatillverkning, processutveckling, processutvärdering, riskhantering, skyddande av teknik, industriell ekologi och livscykelanalys. Principerna för flow-sheetingprogram presenteras och tränas med tillämpning på en utvald process. För att aktivera teknologerna och befästa kunskaperna sker en del av examinationen genom projektuppgifter och mindre inlämningsuppgifter. 2.4 Kemisk reaktionsteknik, fk 2.4.1 Bakgrund En reaktor är enkelt uttryckt den plats där en kemisk (eller biokemisk) reaktion sker. Det finns en mångfald av exempel på olika reaktorutformningar både i tekniska tillämpningar och i naturen.. Den kemiska reaktorn är hjärtat i en kemisk tillverkningsprocess, och valet av reaktor definierar i stor utsträckning hela processen. Ett korrekt reaktorval är en förutsättning för att nå ett högt utbyte av önskad produkt, och dessutom en kontrollerbar och säker process. Den grundläggande förutsättningen för en reaktion är att reaktanter träffas, eller att temperaturbetingelserna är sådana att en reaktant sönderfaller. Masstransport, värmetransport och kinetik utgör därför grunderna för en analys av hur en reaktor fungerar eller hur den bör utformas. 2.4.2 Mål Kursens målsättning är att ge fördjupad förmåga att analysera funktion och utformning av kemiska reaktorer. En förutsättning för denna analys är färdighet att formulera modeller av lagom komplexitet för kemiska reaktorer. Uppställda modeller skall baseras på en förståelse för reaktionskinetik och fysikaliska transportsteg. 2.4.3 Innehåll Kursen fokuserar på grunderna för reaktoranalys, och utgör en fortsättning av kursen kemisk process- och reaktionsteknik. Ingående moment: Reaktoranalys Tankreaktorn (instationära förlopp, kopplade material och värmebalanser)

2.5 Miljöbioteknik 7 Tubreaktorn (adiabatisk, icke-isoterm, dispersion) Icke ideala reaktorer (uppehållstidsfördelning) Flerfasprocesser Heterogen katalys, gas-vätske, gas-fast fas reaktioner) Optimering Processoptimering Kinetikmodellering Kursen har sin tyngdpunkt i träning av problemuppställning och problemlösning. Detta sker främst genom självständiga projektuppgifter, men också handledda övningar förekommer. Industriell relevans och reaktorteori behandlas i föreläsningar. Kursen examineras med hemtentamen. 2.5 Miljöbioteknik 2.5.1 Bakgrund Bioteknik har definierats som använding av celler eller delar av celler i tekniska tillämpningar. Med miljöbioteknik avses möjligheterna att med biotekniska metoder behandla miljöproblem, antingen genom att förebygga nedsmutsning eller sanera redan förorenade vatten eller markområden. De biokemiska grundförutsättningarna presenteras, och enzymologiskt/mikrobiologiskt viktiga aspekter belyses. Exempel på miljöbiotekniska tillämpningar som diskuteras är: Aerob och anaerob vattenrening med speciell tonvikt på biologiskt syreförbrukande substanser, kväveföreningar, fosfat och industriella problemkemikalier. Biogasframställning från såväl avloppsvatten som fast avfall. Reningsstrategier för yt- och grundvatten, marksanering, gasrening samt miljöfarligt avfall. Mikrobiell lakning respektive anrikning av tungmetaller. Biologiskt nedbrytbara ersättningskemikalier t ex ytaktiva ämnen, jonbytare, plast m fl. Mikrobiell kol-, olje- och gummiavsvavling.

8 Kursbeskrivningar 2.5.2 Mål Kursen avser at ge kunskap om och belysa de möjligheter som biotekniken erbjuder att förhindra negativa effekter av olika utsläpp samt att sanera och återställa miljön där annan teknik förorenat. 2.5.3 Innehåll Kursen är uppdelad på 3 huvudblock; vatten, fasta avfall och mark. Varje block följs av studiebesök på vattenreningsverk, marksaneringsanläggningar etc. Det laborativa arbetet utgör en viktig del och går ut på att sätta upp en biologisk process för rening av ett förorenat vatten/fast avfall och baseras ofta på ett aktuellt exempel från avdelningens miljöbiotekniska forskning. Avsikten är att praktiska och mer grundläggande mikrobiologiska / biotekniska aspekter skall komplettera varandra och ge en fördjupad förståelse för processerna. 2.6 Partikelteknologi 2.6.1 Bakgrund Kunskaper inom partikelteknologi eller pulverteknik är väsentliga för stora delar av den kemiska industrin. Detta gäller inte bara läkemedelsindustrin utan också industrier verksamma inom oorganisk och organisk baskemi. Ämnesområdet behandlas traditionellt inom ämnet kemisk apparatteknik (Chemical Engineering) där enhetsoperationer såsom sedimentering, filtrering, fluidisering, kristallisation etc. kräver kunskaper inom partikelteknologi. 2.6.2 Mål Kursen skall ge kunskaper inom partikelteknologiområdet så att man kan identifiera och bearbeta problem som uppstår i samband med hantering av partikulära material. Inom något av de områden som kursen behandlar skall en fördjupning av kunskaperna ske i ett projekt, som presenteras skriftligt och muntligt vid ett avslutande seminarium. 2.6.3 Innehåll Inledningsvis kommer delar av grundkurserna i transportprocesser och separationsprocesser som berör partikelteknologi att behandlas, dvs beskrivning och beräkning av hur partiklar och partikelsamlingar uppför sig i strömningsfält. Detta utgör basen för en mer ingående behandling av partikelteknologin. Exempel på frågeställningar som vi tar upp under

2.7 Processriskanalys 9 kursen: Hur gör man partiklar större eller mindre? Hur gör man tabletter? Kan man blanda partiklar av olika storlek utan problem? Hur beskriver man en partikels storlek och en partikelsamlings storleksfördelning? Hur transporterar man små och stora partiklar? Hur gör man granuler, pellets, dragerade partiklar? Kursen är i första hand teoretisk och beskrivande med vissa beräkningsavsnitt. En del praktiska övningar ingår, t.ex. tablettillverkning, partikelstorleksmätning och blandning av segregerande partikelblandningar. Vid ett antal studiebesök kommer industriella partikelproblem att studeras. I ett avslutande projektarbete studeras ett valfritt område inom partikelteknologin. 2.7 Processriskanalys 2.7.1 Bakgrund Processanläggningar och kemiska produkter är ofta förenade med risker för brand, explosion eller toxiska utsläpp. Riskerna kan bottna i felaktig processdesign, dåligt underhåll eller mänskligt felhandlande. Processriskanalysen behandlar skadeförlopp och riskminimering, dvs arbetsmetoder för att kartlägga hur ett fel kan fortplanta sig i de olika delstegen i en processanläggning samt hur risker på ett sytematisk sätt kan elimineras. 2.7.2 Mål Kursen skall ge arbetsmetoder och modeller för riskhantering inom processindustrin. 2.7.3 Innehåll Kursen belyser moderna arbetsmetoder och beräkningsprocedurer för identifiering, analys och minimering av risker, samt mekanismer och beräkningsmetoder för skadeförlopp inom kemisk processindustri. Säkerhetsgranskning, riskkemikalier och riskprocesser. Tillförlitlighet: Komponentfel. Felmekanismer på utrustning under dess livscykel. Logiska processdiagram. Riskanalys: Checklistor, indexmetoder, HazOp och felträdsanalys. Konsekvensanalys: Haverier. Utsläpp, utströmning och spridning av gaser och vätskor. Brand och explosion. Skenande reaktorer. Värdering och minimering av risker: Riskacceptans. Risk-/nyttaanalys. Skydds- och säkerhetssystem. Drift och underhåll av processer. Systemlösningar. Katastrofer: Fallstudier. Katastrofplanering. Problemlösning i anslutning till teoriavsnitten. Beräkningsuppgifter och tillämpningsprojekt.

10 Kursbeskrivningar 2.8 Processimulering 2.8.1 Bakgrund Modern processteknik är i huvudsak modellbaserad, dvs analys och design är baserad på en matematisk modell av det objekt som studeras. Dessa modeller är idag nästan alltid så komplicerade att studier av modellens egenskaper görs numeriskt i moderna beräkningsprogram. Det är detta som kallas simulering. Processimulering kan utföras i olika syften såsom studier av processens egenskaper för förståelse, för analys av ett praktiskt problem, men även för utformning av processen. Dessa olika problem ställer olika krav på simuleringstekniken vilket presenteras. Kursen är projektorienterad med integrerade teoriavsnitt och kursen utnyttjar MATLAB-familjen som huvudverktyg. Projektarbetet utgör grunden för examination. 2.8.2 Mål Kunskapsmål: god kunskap om grundläggande begrepp inom matematisk modellering, kunskap om numeriska metoder för att lösa simuleringsproblem och regressionsproblem. Färdighetsmål: god förmåga att ställa upp fysikaliska modeller och formulera simuleringsproblem, god förmåga att lösa stationära och instationära simuleringsproblem, speciellt i MATLAB, förmåga att utföra kalibrering av modeller. Attitydmål: god insikt i modellbaserad problemlösningsmetodik, god insikt i relationen mellan modell och metod, viss insikt om modellkalibrering och modellgiltighet. 2.8.3 Innehåll Kursen tar upp modellering av enhetsoperation som kan antas vara väl omblandade, lumpade, såsom tankreaktorer och bottenkolonner, och modeller som kan antas vara rumsberoende, distribuerade, t.ex. modeller för tubreaktorer och kromatografi. Metoder som kan simulera stationära och instationära förlopp presenteras, dvs metoder för olinjära algebraiska ekvationssystem, ordinära och partiella differentiella ekvationssystem. Kalibrering av modeller mot experimentella data tas upp baserat på olinjär regression. Datalogiska grundbegrepp tas upp såsom, datatyper, programmeringsmetodik samt visualisering.

2.9 Projektering 11 2.9 Projektering 2.9.1 Bakgrund Projektering handlar om de olika arbetsmomenten från en idé till en färdig fabrik eller processanläggning. Arbetet sker i olika deletapper, först i liten omfattning där man designar anläggningen på skrivbordet. Slutligen skall man ta fram ett underlag så att man kan bygga och starta upp anläggningen. En anläggning består av ett flertal delsteg i vilka kemiska och fysikaliska förlopp genomförs. Att designa en anläggningen kräver att man vet hur tekniken skall fungera i detalj, dvs vilka apparater som erfordras, hur de skall konfigureras och hur stora de skall vara. Samtidigt måste man beakta ekonomi, miljöfrågor och säkerhet. Projektering är alltså en systematisk arbetsmetod som integrerar ingenjörskonst med en lång rad olika discipliner. Kunskaper om marknaden erfordras för att fastlägga hur stor produktionen skall vara och vilka priser man kan ta ut för produkten. Ekonomi erfordras för att bedöma lönsamheten och om man över huvud taget skall bygga anläggningen. 2.9.2 Mål Kursen skall ge metodiken för projektering av kemiska processanläggningar samt praktisk tillämpning av anläggningsteknisk förprojektering. 2.9.3 Innehåll Huvuddelen av kursen utgörs av genomförandet av en projekteringsuppgift, vilken består i att bearbeta ett aktuellt problem vid ett industriföretag. Teoridelen ger en bakgrund till de faktorer som måste beaktas vid projektering. Marknad: prisbildning och kostnader, prognos- och trendanalys. Ekonomi: Uppskattning av drift- och kapitalkostnader, investeringsoch betalningsflödeskalkyler, externaliteter och livskostnader, osäkerhetsoch känslighetsanalys, investeringsredogörelse och projektvärdering. Teknik: processyntes, flödesbalanser, samt utformning och dimensionering av processer. Datorbaserad processdesign. Normer och lagstiftning: kemiska produkter, processäkerhet, miljö och lokalisering. Teoridelen ger också en allmän orientering om ett projekts utvecklingsfaserna från idé till färdig fabrik, samt praktiska anvisningar om hur man organiserar och arbetar i en projektgrupp.

12 Kursbeskrivningar 2.10 Separationsprocesser fk 2.10.1 Bakgrund Industriella processer byggs upp av ett antal enheter där olika ämnen får reagera med varandra varefter de bildade ämnena separeras och koncentreras till en färdig slutprodukt. Separations-stegen skall utformas så att produkten erhåller önskade egenskaper (t.ex. skall nescafé snabbt lösa sig i varmt vatten och papper komma ut plant ur laserskrivaren) samtidigt som processen sker resurssnålt, energieffektivt och med låg belastning på miljön. I de flesta fall utnyttjas ett antal olika separationsprocesser efter varandra (koncentrering följs av kristallisation som i sin tur följs av torkning) vilket gör att moderna datorverktyg måste utnyttjas för att designa ett komplext system av produktströmmar och energiflöden. 2.10.2 Mål Kursen avser att ge fördjupade kunskaper om de teoretiska grunderna för transportprocesser, tillämpa detta på några kemitekniska separationsprocesser samt förmåga att applicera denna kunskap på industriella processer. 2.10.3 Innehåll Kursen är uppbyggd kring ett antal tema som var och ett innehåller olika moment som föreläsningar, övningar, gruppdiskussioner och beräkningsuppgifter/datorlaborationer. I kursen ingår två st obligatoriska industrilaborationer. Fördjupning sker inom området transportprocesser och analogin mellan impuls-, värme- och massöverföring samt inom området fasjämvikter. Dessa grundläggande kunskaper används för att dimensionera separationsprocesser som destillation, absorption och torkning. Vid två industrilaborationer i destillation och torkning görs de studerande förtrogna med industriell problematik och ingenjörsmässiga metoder. Principerna för flow-sheetingprogram presenteras och kunskapen används vid utvärderingen av den industriella destillationsprocessen. Särskild hänsyn tas till miljöproblematiken för de olika separationsprocesserna.