Tehnički fakultet „Mihajlo Pupin“ u ZrenjaninuIndustrijsko inženjerstvo u eksploataciji nafte i gasa

Predavanja: Doc. dr. sc. Radoslav D. Mićićrmicic@beotel.rs

Основе технологије и технолошки комплекси (који су укључени у

струку)2.Teorijski uvod vezan za fenomene kod gasnih i tečnih ugljovodonika

(plRGNF

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".

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.

ULOGA INŽENJERA U 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.

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.

ŠTA HEMIJSKO INŽENJERSTVO OBUHVATA ?

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.

Tehnološke operacije s obzirom na fundamentalnu povezanost mogu se grupisati u tri glavne grupe:

− mehaničke operacije;− toplotne operacije i− difuzione operacije.

PODELA TEHNOLOŠKIH OPERACIJA

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.

Mehaničke operacije

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.

Toplotne operacije

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".

Difuzione operacije

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.

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.

Prednosti primene zakona održanja u odnosu na klasičan pristup su višestruke:

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 ...

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.

ŠTA JE MATEMATIČKI MODEL?

a.JEDNOSTAVNI – jedan uredaj, tj. jedinični proces

b. SLOŽENI – više međusobno povezanih uređaja

SISTEMI mogu biti:

OSNOVA MODELA : zakoni održanja (konzervacije):Opšti oblik za održanje materije i energije u sistemu glasi:

Zakon o održanju materije u sistemu bi se mogao napisati u obliku:

Opšti oblik za održanje materije i energije u sistemu glasi:

ULAZ – IZLAZ +GENERISANjE = AKUMULACIJA

𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑗𝑎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑗𝑒=∑𝑚𝑢𝑙𝑎𝑧−∑𝑚𝑖𝑧𝑙𝑎𝑧

OSNOVA MODELA : zakoni održanja (konzervacije):

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:

𝑑𝑚𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

𝑑𝜏 =∑𝑚𝑢𝑙𝑎𝑧−∑𝑚𝑖𝑧𝑙𝑎𝑧

KONTINUALNI PROCESI

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

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

Zakon o održanju energije

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.

USLOV ZA ODIGRAVANJE PROCESA

Jedan od najtipičnijih primera je Omov zakon: Struja je proporcijonalna naponu (pogonska sila), a obrnuto proporcionalna otporu:

PRIMER:

Ova zakonitost važi u elektrotehnici, ali u analognim izrazima u hemijskom inženjerstvu, samo aproksimativno važi, jer je neidealnost fizičkih fenomena jače izražena. Neka opšta zakonitost kinetike procesa, može se izraziti na sledeći način:

– predstavlja fluks posmatrane veličine (toplote, mase, količine kretanja itd.), tj. količinu te veličine koja se prenese za jedinicu vremena u površinu kroz jediničnu površinu normalnu na pravac transporta; – predstavlja pogonsku silu (razlika temperature, razlika koncentracije, razlika količine kretanja, ili razlika pritisaka, itd.) između dva mesta na rastojanju je koeficient proporcionalnosti koji je kao što je rečeno na žalost kod procesa kojima se bave tehnološke operacije retko konstantan i njegovo utvrđivanje egzaktno teoretsko utvrđivanje predstavlja najveći problem, pa se on najčešće određuje eksperimentalno.

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.

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).

Operacije se mogu izvoditi:

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 inercijeU 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 sileOvaj 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 reakcijeSila 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.

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.

Njutnovi zakoni

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.

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.

Merne jedinice

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.

Internacionalni sistem (SI)

Osnovna fizička veličina

Dimenzija

Naziv merne jedinice

Oznaka jedinice

Dužina [L] metar mMasa [M] kilogram kgVreme [T] sekunda sTemperatura [θ] kelvin KKoličina materije [Q] mol molJačina električne struje

[I] amper A

Intenzitet svetla [Φ] kandela cd

Dopunske merne jedinice su:Ugao u ravni – radijan – radProstorni ugao – steradijan – srIzvedene 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