Inżynieria procesowa

Omawiane są wybrane zagadnienia z zakresu modelowania matematycznego procesów i zjawisk - procesy podstawowe (wymiana pędu, ciepła i masy), procesy i operacje jednostkowe (sedymentacja, filtracja, mieszanie, destylacja i rektyfikacja, suszenie ekstrakcja, krystalizacja) występujące w przemyśle spożywczym i przemysłach pokrewnych. Ważnym uzupełnieniem są informacje z zakresu właściwości reologicznych materiału pochodzenia biologicznego, tworzenia bilansów sił, pędu, energii cieplnej i masy, analizy wymiarowej, liczb i równań kryterialnych oraz opisu reakcji enzymatycznych i bioprzemian z udziałem mikroorganizmów. W ramach inżynierii reaktorowej i bioreaktorowej przekazywane są informacje z zakresu stechiometrii, kinetyki (równania kinetyczne i równaniu wzrostu a także projektowania procesowego reaktorów i bioreaktorów).

Treść kształcenia

Podstawowe informacje o procesach i ich bilansowaniu (podział procesów, zmienne inten-sywne i ekstensywne, rodzaje bilansów, zasady sporządzania bilansu)

Właściwości mechaniczne materiału biotechnologicznego (współczynnik ściśliwości, gęstość, właściwości reologiczne i ich charakterystyka, płyny niutonowskie i nieniutonowskie)

Podstawy wymiany pędu (równanie ciągłości strugi i równanie Bernoulliego, charakterystyka geometryczna rurociągów, cząstek i złoża, opory przepływu przez rurociąg, moc pompy, opory przepływu przez złoże, ruch cząstek w płynach)

Wybrane procesy mechaniczne (filtracja zawiesin i filtry, sedymentacja zawiesin i odstojniki, fluidyzacja, mieszanie i mieszalniki)

Przepływy wielofazowe w układzie para-ciecz, gaz-ciecz, gaz-ciało stałe

Wymiana ciepła i wymienniki (proste mechanizmy wymiany ciepła i ich opis, wnikanie ciepła, przenikanie ciepła, równanie projektowe wymiennika ciepła, przykłady wymienników ciepła)

Zagęszczanie roztworów i wyparki

Wymiana masy i wymienniki masy (stężenia, równowaga fazowa, proste mechanizmy wymia-ny masy i ich opis, teorie wnikania masy, przenikanie masy)

Wybrane procesy cieplno-dyfuzyjne (destylacja i rektyfikacja, gazy wilgotne, ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz i ciecz-ciało stałe, suszenie i suszarki, krystalizacja i krystalizatory)

Elementy inżynierii reakcji chemicznych - enzymatycznych (stechiometria, równowaga chemiczna, krzywe kinetyczne i sposoby ich wyznaczania, szybkość reakcji enzymatycznej, równanie kinetyczne i sposoby jego określenia, modelowanie procesów enzymatycznych w układach izotermicznych i nieizotermicznych).

Elementy inżynierii bioreaktorowej (stechiometria wzrostu biomasy, stopnie redukcji, właściwa szybkość wzrostu, modele wzrostu modelowanie bioreaktorów pracujących okresowo i bio-reaktorów przepływowych).

Przeliczanie jednostek. Zasady sporządzania bilansów masy i energii.

Obliczenia oporów przepływu płynów w rurociągach (równanie ciągłości strugi, równanie Bernoulliego, liczba Reynoldsa, współczynniki oporu, zmiana geometrii, opory lokalne). Moc pompy.

Obliczenia projektowe wymiany ciepła (straty cieplne w rurociągach, wyznaczanie współczyn-ników wnikania ciepła, powierzchnia wymiany ciepla).

Obliczenia projektowe dla procesu destylacji i rektyfikacji (równowaga ciecz-para, bilans masy strumieni i składników w destylacji, stopień oddestylowania, bilans kolumny rektyfikacyjnej, linie operacyjne wyznaczanie minimalne wartości powrotu, liczba półek teoretycznych).

Obliczenia projektowe dla procesu ekstrakcji w układzie ciecz-ciecz i ciecz-ciało stałe (bilans masy, wykres trójkątny Gibbsa, ekstrakcja współprądowa i przeciwprądowa).

Obliczenia procesowe dotyczące gazów wilgotnych i suszenia (parametry mechaniczne i cieplne powietrza wilgotnego, wykresy suszarnicze, bilans masowy i cieplny suszenia).

Pomiar wybranych wielkości fizycznych i fizykochemicznych (ciśnienie statyczne i dynamiczne, wilgotność).

Pomiar profilu prędkości w rurociągu w skali przemysłowej (rura Prandtla, prędkość miejscowa, prędkość średnia).

Połączenie równoległe i szeregowe pomp. Charakterystyka i punkt pracy pompy.

Opory przepływu przez złoża nieruchome i ruchome (charakterystyka geometryczna cząstki i złoża, spadek ciśnienia w złożu).

Budowa nagrzewnicy powietrza. Bilans ciepła. Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła.

Nawilżanie powietrza. Atmosfera kontrolowana. Zmiana parametrów powietrza wilgotnego.

Kolokwium zaliczeniowe.

Literatura podstawowa:

P. Lewicki (praca zbiorowa), Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego, WNT, Warszawa 2005.

P. Lewicki, D. Witrowa-Rajchert (praca zbiorowa), Inżynieria i aparatura przemysłu spożywczego, SGGW, Warszawa 2002.

R. Kramkowski, Inżynieria i aparatura przemysłu spożywczego, WARW, Wrocław 1997.

K. Szewczyk, Bilansowanie i kinetyka procesów biochemicznych, OWPW, Warszawa 2005

Literatura zupełniająca:

S. Aiba, A Humphrey, N. Millis, Inżynieria biochemiczna, WNT, Warszawa 1977.

M. Serwiński, Zasady inżynierii chemicznej i procesowej, WNT, Warszawa 1982.

R. Koch, A. Kozioł, Dyfuzyjno-cieplny rozdział substancji, WNT, Warszawa 1994

J. Bałdyga, M. Henczka, W. Podgórska, Obliczenia w inżynierii bioreaktorów, OWPW, Warszawa 1996

Wiedza

Zna podstawowe prawa fizyki i fizykochemii oraz umie zdefiniować wielkości fizykochemiczne (wraz z jednostkami) wykorzystywane w inżynierii procesowej do opisu procesów jednostkowych i zjawisk w przemyśle spożywczym i przemysłach pokrewnych

Zna właściwości mechaniczne, w tym właściwości reologiczne, materiału pochodzenia biologicznego oraz rozumie konsekwencje wynikające z różnych zachowań lepkościowych płynów będących w ruchu w instalacji przemysłowej

Zna najważniejsze procesy jednostkowe występujące w przemyśle spożywczym i w przemysłach pokrewnych, rozumie ich sens fizyczny oraz umie podać ich ilościowy opis

Zna wybrane zagadnienia z zakresu inżynierii reakcji enzymatycznych i bioprocesów dotyczące kinetyki i modelowania reaktorów i bio- reaktorów

Umiejętności

Potrafi korzystać z dostępnych danych w tym pochodzących z cyfrowych baz danych z zakresu właściwości fizykochemicznych substancji pochodzenia nieorganicznego i organicznego

Potrafi sporządzić bilans pędu (sił) masy i energii cieplnej dla różnych procesów jednostkowych w przemyśle spożywczym i pokrewnych

Zna podstawowe równania i potrafi je wykorzystać w obliczeniach procesowych z uwzględnieniem jednostek wielkości fizykochemicznych

Umie przygotować dokumentację (sprawozdanie) wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego i projektu

Kompetencje społeczne

Potrafi pracować w zespole przy realizacji ćwiczenia laboratoryjnego i zadania projektowego

Na ocenę 2

Nie zna podstawowych praw fizyki i fizykochemii oraz nie umie zdefiniować i wielkości fizykochemicznych wyko-rzystywanych w inżynierii procesowej do opisu procesów jednostkowych i zjawisk

Nie zna właściwości mechanicznych w tym właściwości reologicznych mater-iału pochodzenia biologicznego oraz nie rozumie ich wpływu na zachowanie się płynu będącego w ruchu

Nie zna najważniejszych procesów jednostkowych występujących w przemyśle spożywczym i w przemys-łach pokrewnych oraz nie umie podać ich ilościowego opisu

Nie zna wybranych zagadnień z zakresu inżynierii reakcji enzyma-tycznych i bioprocesów dotyczących kinetyki oraz modelowania reaktorów chemicznych i bioreaktorów

Nie potrafi korzystać z dostępnych danych z zakresu właściwości fizykochemicznych substancji

Nie potrafi sporządzić bilansu pędu (sił) masy i energii cieplnej dla kilku wybranych procesów jednostkowych

Nie zna podstawowych równań i nie potrafi ich wykorzystać w obliczeniach procesowych. Nie potrafi przeliczać jednostek wielkości fizykochemicznych

Nie potrafi przygotować dokumentacji projektu lub jego elementów według zadanego wzorca

Nie potrafi pracować w zespole

Na ocenę 3

Zna niektóre prawa fizyki i fizykochemii (prawa dynamiki i termodynamiki, prawa hydrostatyki, prawa równowag fazowych) oraz wielkości fizykoche-miczne dotyczące wymiany pędu, ciepła i masy w powiązaniu z ich jednostkami w układzie SI

Zna i rozumie znaczenie lepkości w opisie ruchu płynów oraz jej wpływ na opory przepływu

Zna niektóre procesy jednostkowe występujące w przemyśle spożywczym i w przemysłach pokrewnych i umie podać ich pobieżny ilościowy opis

Zna kilka podstawowych pojęć z zakre-su inżynierii reakcji enzymatycznych i bioprocesów (stechiometria, szybkość przemiany, równanie kinetyczne, równanie bilansu masy w reaktorze i bioreaktorze)

Potrafi odczytać wybrane wartości liczbowe z danych tabelarycznych z interpolacją

Zna ogólne zasady tworzenia bilansów ale potrafi je jedynie wykorzystać w bilansie masy całego układu dla warunków ustalonych (strumienie wlotowe i wylotowe)

Potrafi wykonać proste obliczenia projektowe z wykorzystaniem jednego równania z danymi nie wymagającymi zmiany jednostek

Potrafi przygotować elementy doku-mentacji projektu według zadanego wzorca

Bierze udział w pracach zespołu, ale nie potrafi określić swojej roli w zespole i zaplanować w nim swojego udziału

Na ocenę 4

Zna niektóre prawa fizyki i fizykochemii (prawa dynamiki i termodynamiki, prawa gazowe, prawa hydrostatyki, prawa przemian fazowych) oraz wielkości fizykochemiczne dotyczące wymiany pędu, ciepła i masy w powiązaniu z ich jednostkami w układzie SI i innych

Zna właściwości mechaniczne, w tym właściwości reologiczne, materiału pochodzenia biologicznego oraz rozumie niektóre konsekwencje wynikające z różnych zachowań lepkościowych płynu będącego w ruchu (straty ciśnienia, istnienie granicy płynięcia, zmiana charakterystyki lepkościowej podczas ruchu)

Zna i rozumie sens fizyczny niektórych procesów jednostkowych występujące w przemyśle spożywczym i w prze-mysłach pokrewnych i umie podać ich ilościowy opis

Zna i rozumie większość omawianych w ramach wykładu pojęć i metodykę określania równań kinetycznych oraz modeli wzrostu biomasy

Potrafi odczytać wybrane wartości liczbowe z wykresu i skorzystać z równań doświadczalnych

Potrafi sporządzić bilans masy i energii cieplnej dla kilku wybranych procesów jednostkowych (przepływy, procesy z ruchem cząstek, zagęszczanie, destylacja i rektyfikacja, ekstrakcja, suszenie)

Potrafi wykonać proste obliczenia projektowe z wykorzystaniem kilku równań z danymi wymagającymi zmiany jednostek

Potrafi przygotować pełną dokumen-tacje projektu według zadanego wzorca z dodatkowymi własnymi elementami graficznymi

Potrafi przyjmować różne role w trakcie pracy zespołowej

Na ocenę 5

Zna podstawowe prawa fizyki i fizyko-chemii, rozumie ich sens fizyczny oraz umie zdefiniować wielkości fizykoche-miczne (wraz z jednostkami) wykorzys-tywane w inżynierii procesowej do opisu procesów jednostkowych i zjawisk w przemyśle spożywczym i przemysłach pokrewnych

Zna właściwości mechaniczne, w tym właściwości reologiczne, materiału pochodzenia biologicznego oraz w pełni rozumie konsekwencje wynika-jące z różnych zachowań lepkościo-wych płynów będących w ruchu

Zna najważniejsze procesy jednostko-we występujące w przemyśle spożyw-czym i w przemysłach pokrewnych, rozumie ich sens fizyczny (fizykoche-miczny) oraz umie podać ich pełny ilościowy opis

Umie połączyć zagadnienia z zakresu inżynierii procesowej i inżynierii procesów biochemicznych

Potrafi odczytać wybrane wartości liczbowe z wykresu w skali logarytmicznej oraz z diagramów fazowych

Potrafi sporządzić dowolny bilans pędu (sił) masy i energii cieplnej dla proce-sów jednostkowych z uwzględnieniem bilansów różniczkowych oraz przemian chemicznych i bioprzemian

Kojarzy zagadnienia z kilku obszarów inżynierii procesowej i potrafi je wykorzystać w projekcie procesowym

Potrafi samodzielnie określić wymaganą postać dokumentacji, a następnie na tej podstawie w pełni udokumentować projekt

Potrafi zarządzać pracą zespołu i koordynować jego działania. Potrafi skutecznie rozwiązywać spory i konflikty w trakcie pracy zespołowej