Műveletek a kémiai és biokémiai rendszerekben 1. Bevezetés Mint ismeretes, a mindennapi szükségletek előteremtésére az ember a természetben található nyersanyagokat - szerveseket és szervetleneket egyaránttudatosan átalakít. E tevékenység eredményeként használati értéket állít elő. A termékek előállításakor a nyersanyagokon kívül más erőforrásokra is szükség van, éspedig különböző energiaforrásokra (elektromos-, hő-, sőt, élőenergiára is) és, nem utolsó sorban, ismeretekre, tudásra. A termék előállítás információigényes, de ugyanakkor információteremtő is. A használati érték előállításakor a termelő nem sértheti meg a természeti, a gazdasági, sőt, az utóbbi időben, a társadalmi tőrvények egyikét se. A termelő e megszorítások közepette arra törekszik, hogy az anyagi-, energia- és pénzforrások segítségével egy új használati értéket állítson elő, amely piacra kerülve nem csak megtéríti a ráfordításokat, hanem profitot is termel. Minél nagyobb a termelő által megcélzott fogyasztók tábora, annál több ismeret szükséges a különböző elvárások kielégítésére. Ha a magántermelő megelégszik a tradicionálisan elsajátított ismeretanyaggal, a piacra termelő már újabb és újabb információt igényel, úgy a természettudományok szférájából, mint a gazdasági és társadalmi tudományokból egyaránt. A termelés lebonyolításához szükséges információkat a termelő a tudományok több területéről gyűjti be, kezdve a természettudományoktól (matematika, fizika, kémia, biológia), folytatva a határtudományokkal (fizikai kémia, biofizika, biokémia), az alkalmazott mérnöki tudományokon keresztül, az alkalmazott gazdasági tudományokig (piackutatás, makro-, de főleg mikro ökonómia). Ezekhez talán, még hozzá lehet sorolni az ökológiát s, nem utolsó sorban, a vezetés (menedzsment) és az egyéni és kollektív pszichológia tudományokat is. Ily gazdagon elágazó információval bizonyára nem rendelkezik egyetlen egyén sem. Éppen ezért a komplex termelési folyamat alrendszerekre van osztva, minden alrendszerhez megfelelő tudás hátérrel rendelkező egyén vagy csoport van hozzárendelve. Az egyik csoport a piackutatásra összpontosít, a másik a gazdasági probléma szakértője, más a munkaerő ellátás és fejlesztés szférájában dolgozik, más a termékfejlesztéssel, más a környezeti problémák megoldásában képzett és más, az igazi anyagi termelésre specializálódott. A termelés anyagi részének megvalósítására hivatott a különböző mérnöki képzettséggel rendelkező szakember. Ezen a téren is elég nagy a munkamegosztás, hisz ismert a gépész, az elektromos, az IT, az építész, az anyag, - 1 -
Bevezetés a vegyész, a környezet, az élelmiszer stb. mérnök néven ismert szakember. Mindegyiknek meg van a maga szakterülete és feladatköre. Az említett szakképesítések között felismerhetjük az anyag vegyi (minőségi vagy összetételi) átalakításával foglakozó szakembercsoport képviselőit is. Minden szakterületet kiszolgáló mérnöki képzésben nagy hangsúlyt fektetnek az alapozó természettudományokra (matematika, informatika, kémia, fizika és biológia), az általános környezettudományra, gazdaságtudományra s természetesen a szaktudományokat megalapozó általános mérnöki tudományokra. Az anyag minőségének megváltoztatására hivatott mérnöki teendőket ellátó szakember képzésében központi szerep hárul az ipari berendezések tervezési, működtetési és fejlesztési módját ismertető tananyagra. Mint jól tudott dolog, az emberiség az utóbbi néhány évezredes fejlődése elképzelhetetlen a különböző anyag-átalakítási folyamatok nélkül. Ha először a fémmetallurgia és az építőanyagok terén volt a hangsúly, idővel a társadalom szükségletek kielégítése megkövetelte a természetben nem lelhető, vagy nehezen hozzáférhető anyagok előállítására való rátérést. Így alakult ki a XVII. századtól a vegyipari termelés. Az első vegyipari terméket, a kénsavat, 1746 állították elő Nagy Britanniában. Ezt követte a LeBlanc féle szóda (Franciaország 1791) és a szuperfoszfát (Nagy Britannia). A XIX század elején Nagy Britannia volt a világ legnagyobb vegyipari termelője. A század közepén, a Belgiumban beindított Solvay féle szódagyártás és a Németországban létrehozott BASF cég megalapozta a kontinens vegyipari fellendülését. A német előretörést figyelő angol vállalkozó és környezetvédelmi tanácsos George Davis, az 1880. június 4. Chemical News című folyóiratban felkérte a brit kormányt, hogy a német konkurencia ellensúlyozására vezesse be a vegyészmérnökképzést (először jelenik meg a CHEMICAL ENGINEER és a CHEMICAL ENGINERRING kifejezés). Davis szerint az új szakember vegytani és gépészeti ismeretek birtokában képes kell legyen a vegyipari termelés megtervezésére és lebonyolítására. Mintaképül a belga Ernst Solvayt választotta, akinek először sikerült a vegyiparban alkalmazni a reakciókon alapuló ciklizálást. Davis volt az első VEGYÉSZMÉRNÖKI TUDOMÁNY egyetemi előadás megszerkesztője (1890-tól tanított a Manchesteri Műszaki Főiskolán), mely 1901-ben jelent meg nyomtatásban VEGYÉSZMÉRNÖKI TUDOMÁNYOK KÉZIKÖNYVE néven (Handbook of Chemical Engineering). Ugyancsak Davis volt az első, aki felismerte, hogy nagyon sok vegyipari folyamat ugyanazon műveleti egységeket és alapfolyamatot tartalmaz. Igaz, hogy a műveleti egység (unit operation) kifejezést nem ő használta először hanem, könyvének megjelenése után 14 évvel később, 1915-ben - 2 -
Műveletek a kémiai és biokémiai rendszerekben az amerikai Arthur Litle. Davis elképzelését először Amerikában valósították meg a Massachusetts Institute of Technology-n, ahol 1888-ban bevezették a vegyészmérnökképzést. Az 1902-től a William Walker vezette tanszéken a XX. század elején először végeztek vegyészmérnöki kutatásokat. A tudományos anyag felhalmozódása és feldolgozása elősegítette a Chemical Engineering Principle című Lewis, McAdam és Walker által szerkesztett mű megjelenését (1923), amely hamar a vegyészmérnöki tudomány alapkönyveként lett elismerve. E könyv szerkezetében és logikájában a műveleti egységekre alapul, amelyekben ezeket a konkrét gyártási eljárástól függetlenül elemezik. A következő áttörést a XX. század alapvető tudománytörténeti felismerés jelentette, mely szerint a különböző műveleteknek azonos fizikai és kémiai alapjai vannak, nevezetesen az impulzus-, hő- és komponens-transzport. Az 1962-ben Bird,R.B., Stewart.W.E. és Lightfoot, E.N. által megjelentetett Transport Phenomena ( Wiley, New York) című munka új megvilágításba helyezte a műveleti egység fogalmát, megteremtve a leírásukhoz szükséges matematikai alapot. E mű hamarosan a tudományos világ best seller -vé vált. A matematikai alapokra helyezett műveleti egységek megszűntek elemző és empirikusak lenni, a transzport folyamatok elméletének bevonásával a MŰVELETTAN igazi tudománnyá nőtte ki magát. Természetesen a fejlődés nem áll itt meg. A második világháború utáni ipari megugrás magával hozza a tudományok szakosodást is. Így a múlt század utolsó negyedében már három külön tudományág ismeretes, éspedig: - a MŰVELETTAN (fizikai műveletek tana - alapjai a századelején tevődtek le és fő mérföldkövei 1923-ban és 1962-ben voltak felállítva), - KÉMIAI REAKCIÓK ÉS REAKTOROK TANA (Chemical Reaction Enginering, elismerése az 1960-as Amsterdami Kongresszuson ISCRE ) - FOLYAMATTAN. A XX. század végére ezekhez csatlakozik egy új tárgy, mely a termékek előállításával és kivitelezésére összpontosít, melyet TERMÉKTAN -nak is nevezhetünk. Itt a fogyasztók legkülönlegesebb elvárásainak megfelelő termékek előállításával, tartósításával, csomagolásával foglakoznak. E tárgykörbe megemlítjük a különböző élelmiszereket, a piperecikkeket, a mosószereket és sok más terméket. Ugyancsak ide sorolhatók, gyógyszerpreparátumok s nem utolsó sorban a nano- technológiával előállított szilárd anyagok sokasága is. A fejlődés tovább tart. Most a harmadik évezred kezdetén már kivehetők egyes trendek. Mint már közismert, úgy a vegyipar (beleértve a gyógyszergyártást is), mint az élelmiszeripar, s főleg a környezeti károkat elhárító technológiák, nagy hangsúlyt fektetnek a biológiai, biokémiai folyamatok alkalmazására. Az - 3 -
Bevezetés eddig, általában hőhatásra aktivált folyamatok mellet, mindegyre nagyobb teret hódit a sugárzással, elektromos árammal sőt rádióaktivitást igénybevevő reakció aktiválás. Az elválasztás, a kinyerés terén is számításba jönnek az élőszervezetekre alapuló folyamatok. Az ipari termelési berendezések terén is változások állnak be. A folyamatirányítástól elkezdve egész a multifunkcionális reaktorokig, ahol ugyanabban az egységben több fontos folyamatot valósítanak meg. Áttörésre lehet számítani a minőségemelés terén is, hisz az egyre jobban miniatürizált műszerháttér képes lesz arra, hogy a modellezett terméket nagy hatásfokkal előállítsa. A minőségre alapozott termelés mellett megmarad a biztonságosabb nagyipari termelés is, mely az IT bevezetésével képes lesz nagy munkahozam mellett, kevesebb energia ráfordítással előteremtenie a szükséges termékeket. Mint várható, a biológiai alap bevezetésével a jövő szakembere egyre inkább képes maradandót alkotni az anyagi termelés több területen. Ezek természetesen megkövetelik az alapos mérnöki képzést. Ez a képzés nem csak műszaki oldalára érvényes, hanem a gazdasági és ökológiaira egyaránt. Ha figyelembe vesszük a műszaki tudományok más területre való betörést is, akkor bátran állíthatjuk, hogy a jövő társadalma szükséget tart a jól képzett mérnökre. A művelettan tárgyköre Az ipari termeléshez szükséges ismereteket az ember több forrásból szerezte. Először is a termelési tapasztalatok szolgáltatták a legtöbb leíró jellegű ismereteket. Majd, a nagy gonddal véghezvitt megfigyeléseken, méréseken alapuló kísérleti eredmények általánosítása útján keletkezett törvényszerűségek jöttek számba. A termelés kibontakozásával megjelentek a gazdasági és társadalmi információk és törvényszerűségek is. A természeti és társadalmi törvényszerűségekre alapozott termék előállítás lassacskán kifejlesztette a saját értékrendszerét, kutatási módszerét és alkalmazott tudománnyá vált. Ezt az alkalmazott tudományt három külön szempont alapján lehet kiépíteni: Ha a fő szempont a nyersanyagtól a végtermékig vezető út egészének és részleteinek az elemzése, akkor technológiáról beszélünk. Ebben az osztályozásban beszélhetünk kémiai technológiáról, élelmiszer technológiákról, környezetvédelmi technológiákról stb. Ha a szempont a gyártási eljárásokban fellelhető azonos vagy hasonló célú és jellegű folyamatok, berendezések, készülékek és gépek elemzése, - 4 -
Műveletek a kémiai és biokémiai rendszerekben akkor művelettanról beszélünk. Mivel különböző ágazatokban egy bizonyos sajátosságot felismerünk, ezeket csoportosíthatjuk vegyipari, építőanyag ipari, élelmiszeripari, gyógyszeripari stb. műveletekre. Lehet azonban a szempont a gyártási eljárás gazdasági-társadalmi vonatkozásainak az elemzése is. Ilyenkor, az eljárást úgy biztonsági, mint energiafelhasználási, környezetvédelmi, megbízhatóság, stb. szempontok szerint elemezzük. Ebbe az utóbbi szempontot képviselő tárgykörbe tartoznak a rendszerelmélet, az üzemgazdaságtan, biztonságtechnika, folyamatirányítás, környezetbarát folyamattervezés, stb. tantárgyak. Mint ahogy Fonyó Zsolt és Fábry Zoltán is kijelenti a VEGYIPARI MŰVELETTANI ALAPISMERETEK, Műszaki Kiadó, Budapest 2004, című könyvükben a mérnöki tudományok bemutatásában bármely szempontot is vesszük figyelembe, annak nem kell a másik kettőt háttérbe szorítania. Tehát, az elemzéskor egy kiegyensúlyozott szemléletre van szükség, hisz piacképes terméket csakis a környezetben (természeti, gazdasági és társadalmiban egyaránt) uralkodó törvények betartásával, lehet /szabad előállítani. A MŰVELETTAN, a második szempontot képviselve, a fizikai folyamatok és műveleti egységek tanulmányozásával foglakozik. Alapjait nem csak az évtizedek, sőt évszázadok alatt felhalmozódott tudományos ismeretek és termelési tapasztalatok képezik, hanem az a fontos felfedezés is, miszerint minőségüktől függetlenül, a különböző műveleti egységeknek azonos fizikai és kémiai alapjai vannak, éspedig az impulzus, hő és anyagtranszport folyamatok. Ha figyelembe vesszük, hogy a műveletekben milyen hajtóerő idézi elő a végbemenő folyamatot akkor a következő műveleti folyamat/egység csoportot tudunk megkülönböztetni: - impulzus átadáson alapuló hidrodinamikai folyamatok/műveletek; - hőátadáson alapuló folyamatok/műveletek; - komponensátadáson alapuló folyamatok/műveletek. Az első csoportba tartozik a fluidumok mozgásával foglakozó tudomány. Alapját a hidrodinamika törvényszerűségei határozzák meg. E szférában tartoznak a különböző anyagmozgatási műveleteken túl (fluidumok és szilárd anyagok szállítása, keverés és dagasztás, lé nyerés) a fázis szintű elválasztási műveletek (ülepedési, szűrési, centrifugális erőtéri szétválasztás). A második csoportba tartoznak a hőátadás törvényszerűségeire alapozott folyamatok, mint a vezetéses, a konvekciós és a sugárzáson alapuló hőátadások. A főbb műveletek a melegítés és hűtés, az elpárologtatás, a kondenzáció a hőcserére alapoznak. Sok esetben ugyanitt tárgyalják a hűtésen vagy - 5 -
Bevezetés elpárologtatáson alapuló kristályosítási, szárítási, bepárlási folyamatokat is. A hőtani műveleteket jelentősen befolyásolják a folyamatok hidrodinamikája, hisz a kialakult határréteg meghatározó a hő átvitelre. A harmadik csoport, a komponens átviteli műveletek csoportja. Itt a komponensek a fázishatáron keresztül történő áthaladásának anyagátadási törvényszerűségei a mérvadóak. A lejátszódó folyamatok a fázisegyensúly irányába mennek végbe, épp ezért beszélhetünk, az egyensúlytól függően, un. egyensúlyi vagy nem-egyensúlyi elválasztási műveletekről. Az első csoportba tartozik az abszorpció, adszorpció-deszorpció, desztilláció, szárítás stb., míg a második csoportba a szelektíven működő membránokat tartalmazó műveletek, ahol a fázisegyensúly nem érhető el. Itt megemlítjük, mint fontosabb műveletek: a membránszűrést, mikro és ultraszűrést, a fordított ozmózist, gázpermiációt, a pervaporizációt, a dialízist és elektrodialízist, stb. A komponensátadási műveleteket jelentősen befolyásolják a résztvevő fázisok hidrodinamikai és hőtani jellemzői. Ezek a befolyások mellett, főleg a heterogén rendszerek esetében, nagy szerepet kap a részecske méret és a forma. Épp ezért sok esetben a három transzportfolyamatra alapuló műveletek mellett, a MŰVELETTAN foglakozik még egy pár mechanikai művelettel is, mint az aprítási, őrlési, osztályozási, granulálási, csomagolási, stb. műveletekkel. A műveleti egység, mint a termelőrendszer eleme Az ipari termelési folyamatok egy olyan rendszert képeznek, ahol a bizonyos nyersanyagok és mellékanyagok különböző mechanikai, fizikai, kémiai és biológiai átalakuláson mennek keresztül, míg a piacigényeket kielégítő termékké nem változnak. Ezen átalakulások időbeni és térbeni elhelyezése képezi a technológiai folyamatot, amely nem más, mint egy olyan célrendszer, ahol a nyersanyagok, energia, munkaerő és információ bevetéssel, különböző, időben és térben jól elhelyezett mechanikai, fizikai, kémiai vagy biológiai műveleteken keresztül használati értékké (áruvá, vagy más átalakulásban felhasználható termékké) alakulnak át. A bemenő erőforrások (lásd az 1.1. ábrát) részesedése nagyon változó. Például egy egyszerűbb vegyi folyamat esetén a nyersanyagköltség 70-25%, az energiaköltség 20-40%, a munkabér, a szállítás, a reklám, stb. összesen 5-15%, míg az amortizáció 10-20% lehet. Bármilyen bonyolult is a technológiai folyamat, ezt alkotó folyamataira lehet bontani. Ezek a folyamatok lehetnek: - 6 -
Műveletek a kémiai és biokémiai rendszerekben - mechanikai folyamatok, ahol a belépő anyag formai és méretváltozást szenved; - fizikai folyamatok, amelyekben a belépő anyag, nyomás-, hő-, koncentráció és halmazállapot változáson megy keresztül; - kémiai vagy biokémiai folyamatok, amelyekben a belépő anyagok molekula összetétele változik. Nyersanyag Energia Használati érték Információ/ismeret Munkaerő Termelési egység Profit 1.1. ábra. Termelő egység blokksémája. A folyamatok a megfelelő berendezésekben mennek végbe. Míg a mechanikai folyamatokra a gépek a jellemzők, a fizikai folyamatokra, a különböző készülékek, a kémiaiakra, a reaktorok és a biokémiaiakra, a biokémiaira a bioreaktorok a jellemzők. Megállapítható az, hogy nagyon kevés azon folyamatok/műveletek száma, amelyek csak egy bizonyos technológiára jellemzőek. Legtöbb esetben ugyanaz a folyamat/művelet megtalálható rokon vagy nem rokon technológiai folyamatokban. Még egy sajátságot fedezhetünk fel, éspedig, ha összehasonlítunk több berendezést, akkor láthatjuk, hogy ugyanazon gép, készülék vagy reaktor más paramétereken, kisebb vagy nagyobb változtatások mellett, alkalmazható más technológiai folyamatok lebonyolításban is. Megfogalmazhatjuk tehát, hogy a technológia rendszerünk alapjában kevés számú alapműveletre bontható. E műveletek egy nagyon kis része foglakozik az anyagok molekuláris változtatásával, nagyobb része csak az energiatartalmat és a fázisösszetételt változtatja. Ha nagyobb általánosítással közelítjük meg a műveleti egység fogalmát, akkor azt mondhatjuk, hogy a termelés folyamatában az alapanyag és a végtermék közt létrejött változás több kicsi egyedi átalakítások - 7 -
Bevezetés sorozatának összege. Minden átalakítás feltételezi a munkatárgyának, a munkaeszközének és az emberi tevékenységnek az együttes jelenlétét és kölcsönhatást. A három tényező kölcsönhatásaként a munkatárgya átalakul, a munkaeszköze keveset változik, míg a munkaerő használati értéket állit elő, amellyel megújítja munkaerejét. A műveleti egységeket lehet az egyensúlyi és nem-egyensúlyi helyzeten túl, több féleképpen osztályozni. Például a fázisok számától függően lehetnek, egy, két vagy többfázisúak. Ha a belépő fázisok csak egyszer keverednek, akkor egyszerű, ha többször, akkor összetett műveleti egységről beszélünk. Az összetett műveleti egységet több párhuzamosan vagy sorosan kapcsolt egyszerű műveleti egységből állíthatjuk össze. Az időbeni viselkedés szempontjából a műveleti egység lehet szakaszos vagy folytonos. Szakaszos viselkedősről akkor beszélünk, ha a fázisokat jellemző intenzív paraméterek nyomás, hőmérséklet, koncentráció, sűrűség, stb.- értéke egy rögzített helyen változó. Ha a szakaszos egységben az intenzív paraméterek eloszlása bármelyidőpontban megegyezik, akkor a műveleti egység tökéletesen kevert. Folyamatos műveleti egység esetében a kiinduló fázisokat egyenletesen táplálják be, és a terméket és egyenletesen vezetik el. Ha az időegység alatt betáplált anyagok összege megegyezik a kivezetett anyagok összegével, akkor a stacionárius állapot alakul ki. Stacionárius állapotú műveleti egységben az intenzív paraméterek térbeli elosztása az időtől független. A stacionárius eléréséhez szükséges idő alatt a műveleti egység átmeneti állapotban van, vagyis instacionárius helyzetben tartózkodik. Az első részben az impulzus átvitelre szolgáló műveleteket, az anyag áramoltatását, keverését és a fázis szintű szétválasztást tanulmányozzuk. Ezt követi a hőenergia átviteli műveletek elemzése, amelyet megvalósítunk. Végül pedig a komponens átadási műveleteket tárgyaljuk. A csoportosításukat most a kiinduló fázisok határozták meg. Így a bemutatás az egy kiinduló fázisú rendszerekkel kezdődik, tárgyalva a kristályosítási, bepárlási és lepárlási műveleteket. Majd ezeket követi azon műveletek bemutatása, amelyek segéd fázist felletételeznek (extrakciós, abszorpciós és adszorpciós műveletek). Az egyensúlyi körülményeken megvalósítható műveleteket a szárítással zárjuk. Legutoljára hagytuk a nem egyensúlyi körülményeken megvalósított anyagátadási műveleteket, a membrán-szeparációs műveleteket, amelyek mindég feltételeznek egy harmadik kiinduló fázist, az un. membránt. - 8 -