Tehniki fakultet Mihajlo Pupin u Zrenjaninu Industrijsko inenjerstvo

Tehnički fakultet „Mihajlo Pupin“ u Zrenjaninu Industrijsko inženjerstvo u eksploataciji nafte i gasa Основе технологије и технолошки комплекси (који су укључени у струку) 2. Teorijski uvod vezan za fenomene kod gasnih i tečnih ugljovodonika Predavanja: Doc. dr. sc. Radoslav D. Mićić rmicic@beotel. rs

(pl RGNF Da bi razumeli ponašanje gasa i nafte i pojave koje se dešavaju tokom istraživanja, eksploatacije i transporata potrebno je upoznati se sa problemima fizike gasova i tečnosti. Kod proučavanja ovih fenomena potrebno je prvo se upoznati sa fizičko-hemijskim karakteristikama fluida i nakon toga obratiti pažnju na fenomene koji se dešavaju tokom svih promena uslova koji se dešavaju tokom eksploatacije.

MEHANIKA FLUIDA Teorijske osnove za ovo daje mehanika fluida. On se bavi čvrstim materijama koje imaju vlastiti, praktično nepromenjivi oblik, bez obzira na okolinu. čestice čvrstih materija ograničene su pravilnim ili nepravilnim površinama. Tečni fluidi su materije koje zauzimaju definisanu zapreminu i mogu imati slobodne površine i pod uticajem bilo kakve spoljne sile vrlo lako menjaju svoj oblik. Glavna sila koja deluje na tečne fluide je sila zemljine teže. Tečnosti su praktično nestišljive. Nasuprot tome, gasovi su materije koje se šire sve dok ne zauzmu svu raspoloživu zapreminu.

Nauka koja se bavi proučavanjem fizičkih promena Hemijsko inženjerstvo izučava prirodne (spontane) i organizovane postupke procesne industrije u kojima se dešavaju hemijske, fizičke (fizičko-hemijske) promene. Sam termin odgovara terminu engleskog govornog područja "Chemical Engineering" a što znači inžinjerstvo u hemijskoj industriji.

Procesna industrija najčešće obuhvata celi niz povezanih tehnoloških postupaka, tako da je i proučavanje i upravljanje procesima u njoj dosta kompleksno. Radi pojednostavljenja obično se razmatraju pojedinačne operacije "Unit Operations" što bi odgovaralo našem terminu " Jedinične operacije".

ULOGA INŽENJERA U TEHNOLOŠKIM PROCESIMA Promenila se i uloga inženjera u tehnološkim procesima. Pre se njegova funkcija svodila na održavanje u radu pojedinih aparata iz pogona i ispravljanju njihovih pogrešaka u radu dok u savremenim tehnološkim procesima tehnolog ima zadatak da vodi proces. Poznato je da se pod pojmom procesa podrazumevaju fizičke i hemijske promene nekog sistema. Razlikujemo prirodne procese koji se oko nas odvijaju svakodnevno spontano i ostale namenski organizovane koje nazivamo tehnološkim procesima.

Oblast hemijskog inženjerstva može se prikazati sledećom pojednostavljenom šemom: ХЕМИЈСКО ИНЖЕЊЕРСТВО ОСНОВНИ ПРОЦЕСИ ОСНОВНЕ ОПЕРАЦИЈЕ ЕКОНОМИКА Sve tri oblasti ove šeme podrazumevaju sveobuhvatno poznavanje hemizama procesa, bilansi (materijalne, toplotne i energetske), aparata i tehnika provođenja procesa, njihove optimizacije, kontrole i upravljanja kao i poštovanje elementarnih zakona ekonomike tržišta i poslovanja.

ŠTA HEMIJSKO INŽENJERSTVO OBUHVATA ? Hemijsko inženjerstvo multidisciplinarna i složena naučna oblast koja u širem tehničkom smislu obuhvata: − istraživanje i unapređivanje tehnoloških procesa; − upravljanje tehnološkim procesima; − konstruisanje aparata i uređaja za provođenje tehnoloških procesa; − projektovanje novih tehnoloških postupaka i procesa, itd.

Svakodnevna inženjerska praksa je pokazala da nauka ne daje kompletne a ni univerzalne odgovore na sva pitanja. Zbog toga inženjerstvo predstavlja istovremenu sintezu naučnih i iskustvenih saznanja. U svakodnevnoj inženjerskoj praksi uz naučna saznanja u velikoj meri moraju se koristiti i praktična iskustva i spoznaje. Za dobro organizovan tehnološki proces, koji uključuje kontrolu, regulaciju i automatsko upravljanje neophodno je obezbediti i sledeće preduslove: − povezanost tehnoloških operacija; − uzajamnost operacija i − logički sled operacija.

Studij tehnoloških operacija zahteva od inženjera sistematičan pristup problemima zasnovan na dve osnovne činjenice: 1. Svaki od individualnih procesa moguće je rastaviti na niz koraka i operacija poštujući njihov logički sled, i: 2. Individualne (jedinične) operacije uključuju zajedničke tehnike bazirane na naučnim principima.

Sistematskim proučavanjem tehnoloških operacija u procesima hemijskog inženjerstva omogućava se njihovo unificiranje i pojednostavljenje. Osnovni naučni principi koji se koriste u tehnološkim operacijama jesu poznati fizički i hemijski zakoni. Tako se pri sastavljanju materijalnih i energetskih bilansi procesa koristi zakon o održanju mase i energije pri čemu suma masa materijala kao i suma energija na ulazu u proces mora biti jednaka sumama na izlazu iz procesa.

Tehnološke operacije kao osnovni postupci tehnoloških procesa mogu se klasifikovati u sledeća naučna područja: 1. Mehanizmi promene agregatnih stanja; 2. Mehanizmi prenosa količine kretanja; 3. Mehanizmi prenosa toplote, i: 4. Mehanizmi prenosa mase.

Postoje i druge mogućnosti sistematizacije tehnoloških operacija. U operacijskom inženjerstvu najčešće je prisutna sistematizacija zasnovana prema određenom fenomenu: − mehaničke operacije zasnovane na primeni zakona mehanike (kretanja i fizičkih promena čvrstih materija); −mehanika fluida, zasnovana na zakonima transporta i kretanja fluida (hidro- ili aeromehaničke operacije); −toplotne operacije, zasnovane na zakonima prenosa toplote; −difuzione operacije, zasnovane na zakonima prenosa mase.

PODELA TEHNOLOŠKIH OPERACIJA Tehnološke operacije s obzirom na fundamentalnu povezanost mogu se grupisati u tri glavne grupe: − mehaničke operacije; − toplotne operacije i − difuzione operacije.

Mehaničke operacije se prvenstveno odnose na operacije vezane za mehaniku fluida (homogenih, heterogenih) koje pored transporta i strujanja fluida uključuju i druge operacije kao što su: taloženje, miješanje, filtracija, centrifugiranje, fluidizacija i ostale. U mehaničke operacije spadaju i operacije obrade čvrstog materijala, na primer: sitnjenje, prosijavanje, transport čvrstog materijala i slično.

Toplotne operacije vezane su za fenomene prenosa toplote bilo da se radi o konduktivnom, konvektivnom ili prenosu toplote zračenjem kao osnovnim fenomenima prenosa toplote u različitim aparatima razmene toplote. Takođe u toplotne operacije spadaju i drugi toplotni procesi kao što su: kondenzacija, isparavanje i slično.

Difuzione operacije su vezane za procese difuzije kao što su: apsorpcija, adsorpcija, ekstrakcija, destilacija, rektifikacija, kristalizacija, sušenje i druge kod kojih dolazi do izražaja razlika koncentracija posmatranog sistema. Međutim i pored navedene podele uočena je izvjesna analogija čak i između osnovnih fenomena pomenute tri grupe operacija. Osnovni fenomen u mehanici fluida je prenos količine kretanja, u toplotnim operacijama prenos toplote, a u difuzionim operacijama je prenos mase. Analogija između ova tri fenomena je očigledna, pa u novije vrijeme postoji tendencija da se sveobuhvatan prilaz osnovnim operacijama postavi baš na toj osnovi koja je poznata pod nazivom "Fenomeni prenosa".

Osnovi tehnologije-prirodni zakoni Pošto se Tehnološke operacije zasnivaju na prirodnim zakonima i njihovoj praktičnoj primeni. Pre svega ovde treba spomenuti zakone o održanju materije i energije. Zakoni održanja predstavljaju veoma moćne, fundamentalne zakone prirode, a izražavaju se u veoma jednostavnom obliku: U posmatranom sistemu čestica izolovanom od svih spoljašnjih uticaja, a u kome se one kreću i međusobno interaguju, postoji neko svojstvo tog sistema čestica (X) koje se ne menja, tj. : X=konst. Ovi zakoni dolaze do izražaja u Tehnološkim operacijama, najčešće u vidu materijalnih i energetskih bilansa nekog procesa koji se posmatra.

Prednosti primene zakona održanja u odnosu na klasičan pristup su višestruke: 1. Zakoni održanja ne zavise od oblika putanje, niti od karakteristika sila koje su uzrok nekom prirodnom procesu. To znači da primenom ovih zakona spoznajemo dublju, fizičku, prirodu samog procesa i ne baveći se njegovim uzrokom možemo doneti opštije zaključke. Ipak, ostajemo uskraćeni za informaciju kako je sam proces tekao. 2. Zakone održanja je moguće primeniti i kada nam uzrok promene stanja nije poznat, što je često slučaj u nekim novijim oblastima fizike, kao što je npr. fizika elementarnih čestica. Dakle, primenljivi su i na druge oblasti fizike.

Kod projektovanja i analize procesa, procesi se posmatraju kao zasebni sistemi sa svojim granicama, da bi se moglo jasno definisati šta u sistem ulazi, šta izlazi i šta se u sistemu dešava. Da bi se opisao sistem-proces potrebno je postaviti matematički model, koji predstavlja skup matematičkih relacija koje opisuju veze između pojedinih fizičkih veličina u posmatranom procesu (dimenzije uređaja, svojstva supstanci, kinetički parametri, prinosi, protoci, . . . ) Postoje i tehnoekonomski modeli (za analizu ekonomičnosti procesa) sadrže i ekonomske parametre : troškovi, dobit. . .

ŠTA JE MATEMATIČKI MODEL? Model predstavlja uprošćenu predstavu stvarnih veza između veličina koje karakterišu proces i odražava najvažnije karakteristike procesa čime je - olakšano određivanje potrebnih parametara - olakšano rešavanje i odstupa od realne slike u nekim granicama tolerancije.

SISTEMI mogu biti: a. JEDNOSTAVNI – jedan uredaj, tj. jedinični proces b. SLOŽENI – više međusobno povezanih uređaja

OSNOVA MODELA : zakoni održanja (konzervacije): Opšti oblik za održanje materije i energije u sistemu glasi: ULAZ – IZLAZ +GENERISANj. E = AKUMULACIJA Zakon o održanju materije u sistemu bi se mogao napisati u obliku:

KONTINUALNI PROCESI U slučaju da je proces kontinualan, i bez generisanja u samom procesu, jednačina se svodi na prostiji oblik, jer u procesu nema akumulacije, pa „sve što uđe mora da izađe“. U opštem slučaju u diferencijalnom obliku zakon o održanju materije-ukupni maseni bilans glasi:

U stacionarnim uslovima za kontinualni proces kod koga nema akumulacije: msistema = const. A ako uzmemo u obzir zakon o o održanju materije, u svakom zatvorenom sistemu zbir masa reaktanata jednak je zbiru masa produkata. mreaktanata = mprodukata

Zakon o održanju energije Po istoj analogiji za zakon o održanju energije (toplotni bilans):

USLOV ZA ODIGRAVANJE PROCESA U Tehnološkim operacijama prilikom izvođenja svake tehnološke operacije dolazi do procesa prenosa: mas, toplote ili količine kretanja. Do ovakvog prenosa može doći samo ako postoji neka pogonska sila. npr. Potrebna je razlika pritisaka da bi tečnost curila kroz cev, a taj pad pritiska (razlika) se pretvara u prenos količine kretanja, odnosno napon smicanja i energetski gubitak trenjem. Isti slučaj je i sa prelaskom toplota, tj. zagrevanjem. Brzina prenosa neke veličine biće veća ukoliko je pogonska sila za prenos veća, a otpor manji.

PRIMER:

Sam prenos posmatrane veličine tj. fluks, je prema ovome, šta je rečeno, proporcionalan pogonskoj sili, koja je utoliko veća, ukoliko je veća razlika datog stanja od ravnotežnog stanja i obrnuto, ako je dato stanje bliže ravnotežnom stanju, utoliko je pogonska sila manja, a i brzina prenosa je sve manja.

Odvijanje procesa (operacije) po svojoj prirodi, može biti, u zavisnosti da li se posmatrane veličine, u vremenu, menjaju ili ne: Operacije u stacionarnim uslovima (brzina prenosa se ne menja) Operacije u nestacionarnim uslovima (brzina prenosa se menja)

Prenos posmatrane veličine će se vršiti do postizanja ravnotežnog stanja. Ravnotežnim stanjem je definisana granica do koje se može očekivati prenošenje posmatrane veličine pod datim uslovima. Ukoliko se promene uslovi menja se i ravnotežno stanje. Ako se posmatra razlika pogonske sile i ravnotežnog stanja, primećuje se da je najveća brzina odvijanja procesa, ukoliko je razlika najveća, a približavanjem ravnoteži, pogonska sila je sve manja i prenos sve sporiji.

Operacije se mogu izvoditi: Diskontinualno (materija ili energija se unose, na početku procesa u određenoj količini pod neuravnoteženim uslovima i ostavi ili potpomaže, da se tokom vremena uravnoteži, kada je proces završen). Često je na kraju procesa, brzina procesa tako mala, da se proces prekida pre konačnog uspostavljanja ravnoteže. Ovo je naročito slučaj kod industrijskih procesa, kod kojih je sa ekonomskog aspekta važna dužina odvijanja procesa. Kontinualni procesi su takvi kod kojih se materija ili energija kontinualno unose ili iznose iz sistema, sa težnjom da se proces obavlja u stacionarnim uslovima (jednaka razdaljina od ravnotežnog stanja).

Osnovni pojmovi mehanike Mehanika obuhvata statiku, kinematiku i dinamiku. Statika proučava mirovanje materijalnih tela pod uticajem sile (osnovna veličina sila) Kinematika proučava kretanje geometrijskih tela (osnovne veličine: dužina i vreme) Dinamika proučava kretanje materijalnih tela pod uticajem sile (osnovne veličine: sila, dužina i vreme)

Njutnovi zakoni Prvi zakon: Zakon inercije U originalu, na latinskom, Njutn je prvi zakon zapisao: „Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare. “, što se malo slobodnije i prostije rečeno prevodi kao: Svako telo ostaje u stanju relativnog mirovanja ili ravnomernog pravolinijskog kretanja sve dok ga delovanje ili dejstvo drugog tela ne prisili da to stanje promeni. Ovaj zakon opisuje princip inercije i može se iskazati i na sledeći način: Telo na koje ne deluju sile ima težnju da nastavi kretanje istim smerom i brzinom.

Njutnovi zakoni Drugi zakon: Zakon sile Ovaj zakon je Njutn napisao ovim rečima, na latinskom: „Mutattionem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur. “, što se malo slobodnije i prostije rečeno prevodi kao: Ubrzanje tela srazmerno je sili koja na njega deluje, a obrnuto srazmerno masi tela.

Njutnovi zakoni Treći zakon: Zakon akcije i reakcije Sila akcije kojom puška deluje na puščano zrno po pravcu iintenzitetu, a suprotnom smeru, jednaka je sili kojom puščano zrno deluje na pušku, a time i na rame strelca. Tekst zakona kako je Njutn zapisao na latinskom je: „Actioni contrariam semper et æqualem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse æquales et in partes contrarias dirigi, što malo slobodnije i prostije rečeno znači: Sila kojom jedno telo deluje na drugo telo jednaka je po intenzitetu i pravcu sili kojom drugo telo deluje na prvo, ali je suprotnog smera.

Njutnovi zakoni Za svaku silu akcije koja deluje na neko telo postoji i sila reakcije. Sila reakcije je istog intenziteta i pravca kao i sila akcije ali suprotnog smera. Važno je istaći da se one uzajamno ne poništavaju, već deluju u različitim referentnim sistemima, vezanim za telo koje je načinilo akciju i telo koje je reagovalo.

Dimenzije i merne jedinice Dimenzije Bilo koja fizička situacija, bez obzira da li se odnosi na jedan pojedinačni objekat ili na veći sistem, može se opisati obzirom na određeni broj poznatih svojstava koje objekat ili sistem poseduju. Tako npr. Objekat koji se kreće možemo opisati njegovom masom, dužinom, površinom, zapreminom, brzinom i ubrzanjem. Za pojedine situacije potrebni su još temperatura, gustina, viskozetet fluida u kojem se kreće itd. Sva merljiva svojstva koja se koriste za opis fizičkog stanja nekog tela ili sistema su njegove dimenzije.

Oznake koje su generalno prihvaćene za označavanje pojedinih dimenzija uglavnom su početna slova engleskih naziva za dane dimenzije. Tako L označava dužinu (engl. length), F silu (engl. Force), m masu (engl. mass), t vreme (engl. time), T temperatura (engl. temperature), W rad (engl. work), R snagu (engl. power) itd. Oznake fizikalnih dimenzija pišu se jednim slovom u kurzivu. Jednačina koja opisuje fizičko stanje mora povezivati preko znaka jednakosti levu i desnu stranu. t. j strane jednačine moraju biti brojčano jednake, a isto tako i dimenzijski jednake.

Merne jedinice Opis fizičkog stanja nekog objekta ili sistema nije potpun ako ne poznajemo vrednost pojedine dimenzije. Nije dovoljno da znamo da neki objekat ima dimenziju dužine, potrebno je poznavati i kolika je ta dužina. Da bi to mogli učiniti potrebna nam je merna jedinica. Razliku između dimenzije i merne jedinice je u tome što dimenzija predstavlja meru koliko mernih jedinica ima u nekoj fizičkoj veličini. Sama merna jedinica je dogovorena i utvrđena mera kojoj pripisujemo brojčanu vrednost.

Internacionalni sistem (SI) Tokom istorije se je dogovor o mernim jedinicama širio sa lokalne zajednice na sve širi krug ljudi, tako da su danas njima obuhvaćene sve zemlje sveta. Međunarodni sistem jedinica SI (Sisteme International) predstavlja pokušaj da se stvori jedinstveni sistem, koji će obuhvatiti sve merne jedinice, koje će moći koristiti ceo svet. Stvoren je 1960. godine i sledio je metrički sistem, danas uopšteno poznat kao SI sistem mernih jedinica. On je zamenio sve ranije sisteme mernih jedinica kao što su Giorgijev sistem (cgs: centimetar, gram, sekunda), MKS sistem (metar, kilogram, sekunda), tehnički sistem jedinica i sisteme engleskih jedinica.

Osnovna fizička Dimenzija veličina Dužina [L] Masa [M] Vreme [T] Temperatura [θ] Količina materije [Q] Jačina električne [I] struje Intenzitet svetla [Φ] Naziv merne jedinice metar kilogram sekunda kelvin mol amper Oznaka jedinice m kg s K mol A kandela cd

Dopunske merne jedinice su: Ugao u ravni – radijan – rad Prostorni ugao – steradijan – sr Izvedene jedinice SI sistema: Njihov naziv i oznake obrazuju se od osnovnih jedinica SI sistema na osnovu algebarskih izraza kojim se definišu odgovarajuće veličine, tako da fakto SI sistemar izražen brojem bude = 1. Definicije se izvode iz definicije odgovarajuće veličine uzimajući u obzir faktore. Decimalne jedinice: su decimalni delovi ili decimalni umnošci mernih jedinica, a obrazuju se sastavljanjem međunarodno usvojenih predmetaka ispred oznake mernih jedinica