DEEL 1: PROCESINDUSTRIE
INHOUDSOPGAVE
DEEL 2: MECHANISCHE SCHEIDINGSBEWERKINGEN
DEEL 3: VORMVERANDERING
DEEL 4: WARMTEOVERDRACHT
BIJLAGEN
• Doelstellingen
• Tabel Grieks alfabet en vermenigvuldigsfactoren
• Formularium
REFERENTIELIJST
DEEL 1: PROCESINDUSTRIE
1. INLEIDING
De leerstof in deze syllabus is gewijd aan bewerkingen zoals die in de procesindustrie worden uitgevoerd. De kennis van deze bewerkingen noemt men procestechniek of procestechnologie.
2. PROCESINDUSTRIE
Tot de procesindustrie horen alle bedrijven waarbij men een grondstof op industriële schaal door een aardverandering omzet in een product.
De aard van de grondstof moet dus veranderen m.a.w de grondstof moet een andere stof worden met andere eigenschappen. De productie in de industrie wordt ook op industriële schaal uitgevoerd.
Een groot aantal industrieën rekent men tot de procesindustrie. Die bedrijven kunnen onderverdeeld worden in een aantal sectoren. Een sector heeft dan het soort proces, het soort product of ook wel de soort grondstof gemeen.
Een aantal sectoren, die tot de procesindustrie behoren:
• chemische industrie
• metallurgische industrie
• keramische industrie
• rubber- en kunststofindustrie
• papier- en kartonindustrie
• voedings- en genotindustrie
• farmaceutische industrie
• petrochemische industrie
• energiebedrijven
2.1 Eenheidsbewerkingen
De procesindustrie is een bedrijfstak met grote verschillen tussen de diverse industrieën. Op het eerste gezicht lijkt het misschien een samenraapsel van bedrijven die weinig met elkaar te maken hebben. Bij nadere beschouwing blijken de processen die in de diverse fabrieken worden uitgevoerd, te zijn opgebouwd uit kleinere deelprocessen.
In een chemische fabriek vindt meestal volgende eenheidsbewerkingen plaats. De grondstoffen die nodig zijn voor de bereiding van het gewenste product, worden onderworpen aan een voorbehandeling. Zo moeten grondstoffen, die als grote brokken materiaal binnenkomen, vaak gebroken en gemalen worden. Dit wordt dan uitgevoerd met breek- en maalwerktuigen. De brokken van verschillende afmetingen worden op stukgrootte gesorteerd. Men gebruikt hiervoor verschillende soorten zeven. Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen worden gedroogd of van verontreinigingen gezuiverd. In vele gevallen worden de grondstoffen voorverwarmd, alvorens ze verder bewerkt worden.
De grondstoffen worden getransporteerd naar het apparaat waarin de chemische reactie moet plaatsvinden. Hiervoor bestaan verschillende soorten transportwerktuigen. Verschillende soorten transportwerktuigen zijn nodig, omdat men te doen heeft met stoffen van zeer uiteenlopende aard. De stoffen kunnen immers vast, vloeibaar of gasvormig zijn. Ook kunnen de stoffen nog in verschillende vormen voorkomen, vb. vaste stoffen in brokken of poedervorm, vloeistoffen in dik- of dunvloeibare toestand, enz.
Het apparaat waarin de chemische reactie plaatsvindt, noemt men een reactor. Een reactor kan een ketel, een vat, een systeem van buizen, een oven of een ander apparaat zijn. De typisch chemische bewerkingen vinden in deze reactor plaats. Hierin wordt uit de ingevoerde grondstoffen de gewenste stof verkregen. Om een reactie goed te laten verlopen, moeten de grondstoffen in de juiste verhouding en onder de meest geschikte omstandigheden van temperatuur, druk enz. bij elkaar gevoegd worden. Ook zal ervoor gezorgd moeten worden dat de toe- of afvoer van warmte op de juiste wijze gebeurt. In de meeste gevallen ontstaat in de reactor niet alleen het gewenste product, maar worden een of meer bijproducten verkregen, die met het hoofdproduct een mengsel vormen. Ook kan het voorkomen dat niet de gehele massa van de in de reactor ingevoerde grondstoffen bij de reactie wordt omgezet. Een gedeelte van de grondstoffen zal dan onveranderd de reactor verlaten. Uit een reactor komt meestal een mengsel van verschillende stoffen. Dit mengsel kan bestaan uit: het gewenste product, één of meer bijproducten of één of meer van de niet-omgezette grondstoffen.
Daar bij chemische producten vaak hoge eisen aan de zuiverheid gesteld worden, bestaat de volgende bewerkingstrap meestal uit het zuiveren van het product dat de reactor verlaat. Dit kan onder meer inhouden dat men de niet-omgezette grondstoffen uit het reactieproduct gaat afscheiden, waarna deze opnieuw in de reactor ingevoerd worden. De gevormde bijproducten verwijdert men, om de gewenste stof de vereiste graad van zuiverheid te geven. Ten slotte wordt het gezuiverde product in de vorm gebracht, waarin het aan de afnemers geleverd wordt (vb. in de vorm van kristallen, poeder, korrels, brokjes, vloeibaar gemaakt gas).
Voorbeeld van ammoniumsulfaat:
Ammoniumsulfaat is een grondstof die men als kunstmest gebruikt. Het wordt gemaakt van ammoniakgas en zwavelzuur. In grote lijnen bestaat het bereidingsproces uit vier stappen. In de eerste productiestap lost men de gasvormige ammoniak in water op. Het oplossen van een gas in een vloeistof noemt men absorptie. In de tweede productiestap laat men de ammoniakoplossing reageren met zwavelzuur onder vorming van ammoniumsulfaat. De reactie van een base met een zuur noemt men neutraliseren. De derde productiestap gebruikt
men om ammoniumsulfaat door kristallisatie uit de oplossing te winnen. Daartoe dampt men de oplossing in. Hierbij verdampt een deel van het water tot de oplossing zo geconcentreerd is dat het ammoniumsulfaat uitkristalliseert. De kristallen en de vloeistof scheidt men van elkaar door centrifugeren. In de vierde en laatste productiestap droogt men het nog vochtige ammoniumsulfaat met warme lucht en verpakt men het ammoniumsulfaat.
Het bereidingsproces bestaat uit een aantal deelstappen, die op zich ook weer uit verschillende onderdelen kunnen bestaan. Als men de deelprocessen van de diverse procesindustrieën met elkaar vergelijkt, dan ziet men dat er vaak grote overeenkomsten zijn in de bewerkingen die de verschillende stoffen ondergaan. Het aantal deelprocessen blijkt niet zo groot te zijn.
Bij de bereiding van ammoniumsulfaat kan men de volgende deelprocessen onderscheiden:
• absorberen
• neutraliseren
• verdampen
• kristalliseren
• centrifugeren
• drogen
• verpakken
Het vak procestechniek houdt zich bezig met het bestuderen van de deelprocessen. Het principe van een deelproces hangt niet af van het product. In vaktaal noemt men de deelprocessen eenheidsbewerkingen of ‘unit operations’.
De eenheidsbewerkingen kan men indelen in drie hoofdgroepen van bewerkingen:
• mechanische bewerkingen
• fysische bewerkingen
• chemische en biochemische bewerkingen
Bij mechanische bewerkingen (zeven, breken, transporteren, mengen, filtreren,…) spelen grootheden uit de mechanica een rol, zoals afmeting, vorm, kracht, massa, dichtheid en snelheid. Bij fysische bewerkingen gaat het om bewerkingen die te maken hebben met verschijnselen zoals verwarmen, verdampen, oplossen, kristalliseren, destilleren, drogen, absorberen en dergelijke. Als er zich bij de bewerking een scheikundige reactie (oxideren, precipiteren, neutraliseren,…) afspeelt, spreekt men van chemische bewerking. Bij biochemische bewerkingen spelen micro-organismen een rol, zoals bacteriën.
Procestechnologie is de studie van de in procesindustrie voorkomende mechanische, fysische, chemische en biochemische eenheidsbewerkingen. De som van alle bewerkingen die een grondstof moet ondergaan om het eindproduct te verkrijgen, noemt men het productieproces of kortweg het proces.
2.2 Procesontwikkeling
Vooral de laatste tientallen jaren heeft de procesindustrie tal van nieuwe producten op de markt gebracht en voor tal van lang bestaande producten is het bereidingsproces totaal gewijzigd (soms door andere grondstoffen). Dit betekent dat er nieuwe processen ‘uitgevonden en ontwikkeld’ moeten worden. Het ontwikkelen van een proces gebeurt in eerste instantie in grote laboratoria. Deskundigen experimenteren, geleid door hun kennis en ervaring en door bepaalde aanwijzingen, die men meestal heeft uit de literatuur. In de regel zal men na verloop van tijd een methode gevonden hebben, volgens welke het eindproduct gemaakt kan worden uit de beschikbare grondstoffen. Deze methode houdt in, dat men heeft ontdekt aan welke bewerkingen men de grondstoffen achtereenvolgens moet onderwerpen. De experimenten zullen gedurende lange tijd nog moeten doorgaan. Het is niet voldoende te weten hoe men het eindproduct kan maken, maar men zal ook een zo hoog mogelijke opbrengst of rendement moet bereiken. Het verlies van grondstof in de vorm van bijproducten moet zo gering mogelijk zijn. Het rendement van een proces is de verhouding tussen de werkelijk verkregen opbrengst en de maximaal mogelijke opbrengst.
Ook het verbruik van hulpstoffen, zoals elektriciteit, stoom en dergelijke is van groot belang. Hoe lager het verbruik van hulpstoffen, hoe lager de kostprijs van het eindproduct. Men zoekt naar een proces met zo weinig mogelijk en zo eenvoudig mogelijke bewerkingen, met zo goedkoop mogelijke apparatuur en zo weinig mogelijk behoefte aan bediening.
Om van alle mogelijkheden de meest geschikte te vinden, moet men vaak lang experimenteren. Laboratoriumproeven kunnen op een groot aantal punten geen uitsluitsel geven over de meest geschikte omstandigheden. Daarom gaat men ook proeven doen op groter schaal nl. de semi-(half)technische schaal. Nadien bouwt men een proeffabriek. Onder een proeffabriek verstaat men een volledige fabriek, werkend volgens het bewuste proces. De installaties zijn van zodanige afmetingen dat het echte fabrieksapparatuur is. Anderzijds is het geheel weer zo klein dat het niet erg is, als er eens iets stuk gaat of als er eens een dag geen product gemaakt kan worden.
Bij laboratoriumexperimenten worden de hoeveelheden uitgedrukt in grammen, in de semi-technische apparatuur in kilogrammen en in de proeffabriek in honderden kilogrammen of in een (gering) aantal tonnen. In de uiteindelijke productiefabriek zal men gewoonlijk uitsluitend rekenen in tonnen, behalve als het een kostbaar product betreft, dat slechts in geringe hoeveelheden wordt gefabriceerd (vb. in de farmaceutische industrie).
Bij het bestuderen van een proces maakt men gebruikt van een procesbeschrijving. In een procesbeschrijving is vastgelegd hoe het proces precies verloopt, welke fysische en/of chemische veranderingen er tijdens de procesvoering plaatsvinden. Deze gegevens worden dan vastgelegd in schematische tekeningen. De meest bekende tekeningen die bij het bestuderen van een proces worden gebruikt, zijn:
• blokschema's
• stromingsschema's (‘flowsheet’)
• materiaalbalansen
• ‘piping and instrumentation-diagram’ of P&ID.
In een blokschema (figuur 1) wordt met behulp van rechthoeken aangegeven, welke bewerkingen in het proces achtereenvolgens plaatsvinden en van waar naar waar de diverse grondstoffen, tussenproducten, bijproducten en eindproducten zich verplaatsen.
Een flowsheet (figuur 2 en 3) is een schematische tekening van het proces. In een flowsheet zijn processtromen als een lijn aangegeven en vaten, warmtewisselaars, reactoren,… door een symbool. In figuur 4 is van een aantal veel voorkomende machines, apparaten en toestellen de meest gebruikte symbolische weergave getekend. In tegenstelling met een blokschema zal in een flow-sheet rekening gehouden worden met de plaatsing van de diverse apparaten.
Een materiaalbalans is een soort boekhouding van alle hoeveelheden die het proces in- en uitgaan en van alle tussenproducten en benodigde hulpstoffen. Uit een materiaalbalans is precies af te lezen hoe groot en van welke samenstelling alle in het proces voorkomende hoeveelheden zijn.
In een ‘Piping and instrumentation-diagram’ of P&ID staat naast de loop van belangrijkste procesleidingen ook waar men de benodigde instrumentatie voor de automatisering en de beveiliging van het proces plaatst (figuur 5).
Voorbeeld: Bereiding van portlandcement, uitgaande van mergel, leem, gips en een ijzerhoudende toeslag
De uit de groeve afkomstige, grote mergelbrokken worden in een brekerinstallatie gebroken en het gebroken materiaal wordt naar mergelsilo's getransporteerd. Na toevoeging van de leem en de toeslag bij de mergel wordt het papachtige mengsel gemalen en opgeslagen in bassins. In een draaiende oven, die men met olie of poederkool stookt, wordt deze pap ‘gebrand’ en verlaat de oven in de vorm van ‘klinkers’. De klinkers worden weer opgeslagen, om later - onder toevoeging van een kleine hoeveelheid gips - in zogenaamde kogelmolens zeer fijn gemalen te worden tot cement. Het cement wordt dan verzonden, hetzij in verpakte vorm, hetzij in onverpakte vorm (bulkproduct).
Figuur 1: blokschema (bereiding van portlandcement, uitgaande van mergel, leem, gips en een ijzerhoudende toeslag)
Figuur 2: flowsheet (bereiding van portlandcement, uitgaande van mergel, leem, gips en een ijzerhoudende toeslag)
3: flowsheet van cyclohexaan
Figuur 4: symbolische weergave van een aantal veel voorkomende machines, apparaten en toestellen
Figuur
2.3
Procesvoering
Een productieproces kan men opdelen in deelprocessen. Een ander onderscheid tussen productieprocessen is de manier waarop men het proces uitvoert. Het proces kan namelijk onafgebroken (continu proces) doorgaan of in porties (discontinu proces of batchproces) worden uitgevoerd.
Veel procesfabrieken werken met continue processen. De installaties zijn dan zo ontworpen dat ze zonder onderbreking produceren. Er is een onafgebroken toevoerstroom van grondstoffen en een onafgebroken productstroom. Continue processen zijn echter niet altijd mogelijk. Vooral voor kleinere hoeveelheden en voor sommige reacties is het beter het proces in afgepaste porties uit te voeren. Men spreekt dan van een batch-proces. Een tussenvorm tussen een continu proces en een batch-proces noemt men een semi-continu proces.
2.4 Stofstromen in de procesindustrie
In de procesindustrie worden eindproducten gefabriceerd uit grondstoffen. Er zijn ook stoffen die een deel van de bewerkingen hebben ondergaan. Dit zijn tussenproducten of halffabricaten. Zowel tussenproducten als halffabricaten zijn nog niet ‘complete’ eindproducten. Het verschil is dat tussenproducten in de fabriek blijven. Een tussenproduct slaat men tijdelijk op om in de fabriek verder te verwerken. Halffabricaten verlaten de fabriek en zijn een grondstof voor een andere fabriek waar men het verder verwerkt.
Figuur 5: voorbeeld van een ‘piping and instrumentation-diagram’ (P&ID-diagram)
Het komt voor dat er bij een bepaalde bewerking ongewild stoffen ontstaan. Heeft die stof nog economische waarde dan spreekt men van een bijproduct, indien niet dan is het een afvalproduct. Afvalproducten zijn niet alleen lastig omdat het meestal geld kost om ervan af te komen, maar ze kunnen ook overlast geven vb. aanwezigheid op ongewenste plaatsen of hun giftigheid. Men streeft er vaak naar een nuttige toepassing te vinden voor de afvalproducten van een productieproces. Op die manier kan een afvalproduct een bijproduct worden. Het kan voorkomen dat een bijproduct een hoofdproduct wordt en omgekeerd.
Ieder bedrijf maakt gebruik van hulpstoffen. De bekendste hulpstoffen zijn:
• elektriciteit
• koelwater
• stoom
• proceswater
• brandstof
• katalysatoren
• hulpgassen en -vloeistoffen
2.5 Procesoperator
Het is niet zo eenvoudig om een grondstof om te zetten in een eindproduct. De eindproducten moeten:
• op de juiste wijze
• in de gewenste hoeveelheid
• met de gewenste zuiverheid bereid worden
De procesoperator is de mens achter de machine (figuur 6). Ondanks alle automatisering moet de procesoperator het volledige proces goed kennen en het kunnen beheersen. De werkzaamheden van de procesoperator omvatten daarom een aantal aspecten, zoals:
• het kennen van de eigenschappen van grondstoffen, eindproducten, benodigde hulpstoffen en gebruikte materialen.
• het controleren van de voorraad grondstoffen.
• het verloop van het proces volgen: welke pompen draaien, welke drukken, welke temperaturen treden op.
• het kennen van de werking van meet- en regelsystemen om te kunnen bepalen of de instrumenten goed werken.
• regelmatig door de installatie lopen om te kijken of de situatie op het beeldscherm of instrumentenpaneel klopt met de werkelijkheid.
• op de hoogte zijn van de gevolgen voor milieu en veiligheid.
6: meet- en regelsystemen van een procesoperator
2.6 Casestudie
Labo chemische procestechnologie: ionenwisselaar: van laboschaal naar pilootinstallatie (figuur 7).
Figuur 7: ionenwisselaar: van laboschaal naar pilootinstallatie (+ P&ID-diagram)
Figuur
Destillatie: van laboschaal naar pilootinstallatie (labo chemische procestechnologie) en industriële schaal (figuur 8)
8: destillatie van laboschaal naar pilootinstallatie (6 m hoogte, labo chemische procestechnologie) en industriële schaal (10-tallen m)
2.7 Zelftest
1) Wat is een bulkproduct?
2) Hoe vaak wordt in voorbeeld: ‘De bereiding van portlandcement’ een tussenproduct opgeslagen?
3) Wat is een batchproces?
4) In welke groepen zijn de eenheidsbewerkingen onderverdeeld?
5) Een limonadefabriek maakt priklimonade door water te behandelen en er diverse stoffen aan toe te voegen. In een andere fabriek nl. een suikerfabriek gebruikt men water onder andere om de aangevoerde bieten schoon te wassen.
6) In welk geval maakt men gebruik van water als grondstof en in welk geval als hulpstof?
7) Hoe komt men tot de ontwikkeling van een bepaald proces?
8) Welke industrieën worden tot de procesindustrie gerekend?
Figuur