Ważniejsze wyniki działalności badawczej

nagrodaW początkowym okresie istnienia Zakładu aż do przejścia prof. T.Hoblera na emeryturę w roku 1969, badania były inicjowane i kierowane przez Niego. Tematyka tych prac była równocześnie wykorzystywana dla opracowywania rozpraw doktorskich pracowników Zakładu. Z tych względów wyniki tych prac przedstawiono w pierwszej kolejności.

Prof. T.Hobler zdawał sobie sprawę z powszechności zastosowania w przemyśle chemicznym aparatów o zraszanych cieczą powierzchniach i absolutnie niedostatecznym wyjaśnieniu mechanizmu tego zjawiska. Inicjuje więc – a następnie kieruje – cyklem badań prowadzonych przez kilka lat nad ujęciem zjawiska występowania minimum zraszania wszelkiego typu chłodnic ociekowych. Uzyskane wyniki doświadczeń, jak i sprawdzone zależności teoretyczne przyczyniły się nie tylko do wyjaśnienia mechanizmu zraszania cieczą powierzchni ciał stałych, ale stworzyły podstawy dla projektowania wszelkiego typu ociekowych wymienników ciepła i masy.

Zaproponowane uogólnione ujęcie ilościowe mechanizmu zraszania cieczą powierzchni ciał stałych pozwoliło ponadto na wyprowadzenie zależności ujmujących stopień użyteczności wypełnienia w wymiennikach masy. Zależności te zostają następnie sprawdzone eksperymentalnie za pomocą zupełnie oryginalnej metody badawczej i pozwalają nie tylko na wyjaśnienie niezgodności w informacjach pochodzących z literatury, ale są następnym etapem na drodze praktycznego opanowania zagadnienia szczególnie ważnego dla dymensjonowania kolumn absorpcyjnych z wypełnieniem.

Dążąc do intensyfikacji procesu dyfuzyjnego transportu masy w aparatach przemysłowych, prof. T.Hobler kieruje badaniami nad nowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi półek kontaktujących fazę ciekłą i gazową. Przeprowadzone zostają obszerne badania eksperymentalne nad mechanizmem przepływu cieczy i gazu na półkach bezprzelewowych, a to półkach szczelinowych, sitowych i rurowych, których wyniki pomogły w zastosowaniu tych rozwiązań w skali wielkoprzemysłowej w kilku zakładach przemysłu chemicznego w Polsce.

W badaniach kierowanych przez prof. T.Hoblera znaczny udział miały zagadnienia dotyczące dyfuzyjnego transportu masy. Zdawał on sobie sprawę z tego, iż częstotliwość zastosowań w przemyśle chemicznym i przemysłach pokrewnych aparatów, w których zachodzi proces dyfuzji masy, przekracza według oszacowań statystycznych w znacznej mierze częstotliwość zastosowań innych aparatów.

Temu też celowi służyły inicjowane na szeroką skalę i kierowane przez niego badania dotyczące przepływu dwufazowego gaz-ciecz i ciecz-ciecz. Obszerny cykl badań doprowadził do ilościowego ujęcia zjawiska barbotażu gazu przez ciecz, ze szczególnym zwróceniem uwagi na hydrodynamiczne osobliwości zachowania się pęcherzyków gazu przy barbotażu na półkach bezprzelewowych. Niezwykle cennym wynikiem tej pracy jest sprawdzona doświadczalnie metoda obliczania powierzchni międzyfazowej przy barbotażu gazu przez ciecz.

Rezultatem kierowanych przez niego systematycznych badań nad wymianą masy w fazie gazowej i ciekłej jest nowy typ półki, tzw. płytowa półka pozioma o szczególnie korzystnej charakterystyce ze względu na małe opory przepływu i niskie koszty wykonania. Półka ta, po przejściu badań na prototypie w skali półtechnicznej, przekazana została do wykorzystania w skali przemysłowej.

Wachlarz Jego zainteresowań obejmował również zagadnienia z dziedziny transportu ciepła oraz równoczesnego transportu masy i ciepła.

zeszytyW zakresie procesów cieplnych rozwinięte zostają szczególnie badania nad promotorami turbulencji intensyfikującymi wymienniki ciepła, które w efekcie końcowym doprowadziły m.in. do zastosowania tzw. rurek zgniatanych w przemysłowych wymiennikach ciepła instalacji kwasu azotowego, przyczyniając się do znacznej oszczędności drogiego materiału konstrukcyjnego.

Innym rodzajem rozwiązania konstrukcyjnego Jego pomysłu, którego celem była intensyfikacja wymiany ciepła, są tzw. przegrody sitowe stosowane w przestrzeniach międzyrurowych wymienników płaszczowo-rurowych.

Dużą wagę przywiązywał również do badań nad wymianą ciepła w układach dwufazowych, a szczególnie w zakresie kondensacji par cieczy dwufazowych, jak i wymiany ciepła od cieczy dwufazowej do ściany przewodu.

W zakresie procesów równoczesnej wymiany masy i ciepła dążył do stworzenia takiego teoretycznego uogólnienia, które pozwalałoby na ilościowe przewidywanie przebiegu tych zjawisk w możliwie szerokim zakresie przypadków. Dlatego też równolegle z pracami teoretycznymi kieruje doświadczeniami nad wykraplaniem pary z mieszaniny parowo-powietrznej, jak i nasycaniem powietrza parą w aparatach wypełnionych. Szczególnie cenne są prace dotyczące odparowania do gazu filmu wody w warunkach nieadiabatycznych, nasycanie gazu parą wodną w temperaturach do około 400°C i wykraplanie pary z mieszaniny parowo-gazowej o różnych składnikach inertnych.

Był on zarazem inicjatorem prac teoretycznych, których celem było opracowanie metody obliczeń skraplaczy przeponowych o różnych zawartościach gazów inertnych w czynniku skraplanym. Prace te objęły swym zakresem również skraplanie bezprzeponowe, jak i różne rodzaje przepływów (konwekcja wymuszona, konwekcja naturalna).

Problematyka badawcza Instytutu uległa znacznemu rozszerzeniu w latach osiemdziesiątych, kiedy jego kierownictwo objął prof. A.Burghardt i równocześnie, w związku z przeprowadzką do nowego budynku, poprawiło się zaplecze badawcze.

Znaczne miejsce w problematyce badawczej Instytutu zaczynają zajmować prace związane z teorią reaktorów chemicznych i procesów katalitycznych. Głównym celem tych badań było stworzenie – w oparciu o analizę teoretyczną i badania eksperymentalne – ilościowego opisu procesów zachodzących w reaktorach chemicznych, w możliwie szerokim zakresie zmiennych operacyjnych.

Konieczność wyświetlania licznych problemów napotykanych przy tak skomplikowanych układach zmuszała do podejmowania badań wielokierunkowych. Były to więc prace związane z wyjaśnieniem wpływu zjawisk mieszania na zdolność produkcyjną reaktorów, określenie czułości parametrycznej reaktorów chemicznych dla złożonych układów reakcji chemicznych czy wreszcie optymalizacją reaktorów chemicznych w oparciu o opracowane modele matematyczne.

W ramach przedstawionej problematyki ogólnej realizowano szereg tematów badawczych, w wyniku których:

  • przeprowadzone zostały obszerne badania zjawisk transportowych i reakcji chemicznych w ziarnie katalizatora. Udowodniono istnienie histerezy stanów stacjonarnych, ich stabilności oraz destabilizacji oscylacyjnej układu mające zasadnicze znaczenie w fazie projektowania, rozruchu i sterowania reaktorami chemicznymi.
  • przeprowadzona została analiza matematyczna statyki i dynamiki rurowego reaktora chemicznego z recyrkulacją produktu, która doprowadziła do opracowania metody wyznaczania obszarów parametrów, w których możliwe są wielokrotne stany stacjonarne pracy reaktora. Określono również stabilność tych stanów.
  • sformułowano numeryczną metodę symulacji reaktorów z periodyczną zmianą kierunku zasilania surowca (reverse flow reactors), szczególny nacisk kładąc na opracowanie przybliżonej metody analitycznej określania maksymalnego czasu cyklu, po przekroczeniu którego grozi zgaśnięcie reaktora.
  • przeprowadzono kompleksowe badania hydrodynamiki i wymiany masy w reaktorach trójfazowych ze stałym złożem. Opracowano model matematyczny procesu wymiany masy w reżimie przepływu pulsacyjnego, a następnie wyznaczono eksperymentalnie parametry tego modelu.
  • opracowano uniwersalny model konwekcji komórkowej towarzyszącej absorpcji z reakcją chemiczną w fazie ciekłej. Przeprowadzono obszerne badania doświadczalne procesów chemisorpcyjnych z nałożoną niestabilnością międzyfazową i dokonano weryfikacji modelu w oparciu o uzyskane dane eksperymentalne.

Wyniki tych prac były często wdrażane w przemyśle.

Opracowany w Instytucie model matematyczny procesu ciśnieniowego rozkładu metanu dla produkcji gazu syntezowego, zweryfikowany na instalacjach przemysłowych w Zakładach Azotowych "Puławy" i "Kędzierzyn", wdrożono dla automatycznego sterowania, optymalizacji oraz rozruchu ciągu technologicznego przygotowania gazu do syntezy w Zakładach Azotowych "Kędzierzyn".

Na podstawie przeprowadzonych badań kinetycznych i optymalizacyjnych zmieniono sposób rozmieszczenia katalizatora oraz dystrybucji zimnych wtrysków surowca w reaktorze syntezy metanolu w Zakładach Azotowych "Chorzów".

Opracowany nowy typ wielorurowego reaktora ze złożem stałym wyposażonego w płyty dystrybucyjne zapewniające równomierny odbiór ciepła z poszczególnych rurek aparatu zastosowano przy konstrukcji reaktora dla bezwodnika kwasu ftalowego eksportowanego przez "Chemadex" do Rumunii.

patentyW oparciu o projekt procesowy uciąglenia instalacji syntezy mrówczanu wapnia z wodorotlenku wapnia i tlenku węgla w reaktorach zbiornikowych przepływowych z zastosowaniem specjalnego typu intensywnego mieszania opracowywany został projekt techniczny nowej instalacji mrówczanu wapnia dla Zakładów Azotowych w Chorzowie.

W tym czasie zostaje stworzony zespół, kierowany przez prof. J.Skrzypka, zajmujący się kinetyką, termodynamiką i modelowaniem procesów chemicznych w stacjonarnych reaktorach wielofazowych.

W zespole tym wykonywane są obszerne badania dotyczące selekcji i przygotowania odpowiednich katalizatorów oraz wyboru optymalnych warunków realizacji szeregu procesów chemicznych o ważnym znaczeniu przemysłowym (synteza metanolu i wyższych alkoholi, procesy uwodorniania, estryfikacja, dehydratacja alkoholi alifatycznych).

Prace te zostały uwieńczone m.in. wdrożeniem w 1989 roku w Zakładach Azotowych w Chorzowie nowego sposobu produkcji metanolu poprzez wzbogacenie gazu syntezowego w CO2, którego źródłem był gaz odpadowy z desorpcji metanolu.

Zainicjowane zostały prace związane z modelowaniem i optymalizacją adsorpcyjnych i membranowych metod rozdziału gazu. W pracach tego zespołu zaangażowani byli profesorowie: A.Burghardt, R.Krupiczka i K.Warmuziński oraz doc. L.Buzek, a tematyka badań obejmowała:

  • modelowanie adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) dla układów wielokolumnowych i wieloskładnikowych, z adsorpcją zachodzącą w złożach o dowolnej liczbie warstw różnych adsorbentów. Model poddano wszechstronnej weryfikacji, zarówno w oparciu o eksperymenty w dużej skali, jak i dane literaturowe.
  • badania membranowego procesu permeacji, związanego z usuwaniem lotnych zanieczyszczeń organicznych ze strumieni gazowych.
  • analizę kosztów zintegrowanych układów instalacji membranowych, połączonych z instalacjami spalania bądź kondensacji lotnych zanieczyszczeń organicznych; przeprowadzono optymalizację kosztową tych układów.
  • teoretyczne i doświadczalne badania podstaw procesu utylizacji metanu zawartego w gazach kopalnianych. Opracowano proces, w którym wzbogacanie gazów w metan następować będzie poprzez skojarzenie adsorpcji zmiennociśnieniowej z procesem permeacji membranowej.
  • badania doświadczalne estryfikacji przy zastosowaniu membran hydrofilowych dla usunięcia wody ze środowiska reakcji.
  • badania eksperymentalne i analizę teoretyczną procesu ekstrakcji membranowej dla mieszanin wieloskładnikowych. Kontynuowane były, zapoczątkowane przez prof. T.Hoblera, prace badawcze dotyczące procesów wymiany masy i ciepła oraz równoczesnej wymiany masy i ciepła przy kondensacji i odparowaniu w układach wieloskładnikowych (prof. R.Krupiczka, prof. A.Burghardt).
  • Opracowano podstawy teoretyczne dyfuzyjnego i konwekcyjnego transportu masy w układach wieloskładnikowych, oraz sformułowano uogólnioną metodę obliczania procesów absorpcji, rektyfikacji, kondensacji i odparowania. Zaproponowaną metodykę poddano wszechstronnej weryfikacji w licznych badaniach eksperymentalnych.
  • Opracowano zasady teoretyczne i sposoby realizacji optymalizacji kosztowej złożonych instalacji chemicznych oraz typoszeregów aparatów i urządzeń.
  • W oparciu o przeprowadzone eksperymentalne badania porównawcze wypełnień usypowych i konstrukcyjnych określono charakterystyki techniczne opisujące opory przepływu gazu, granice zalewania oraz wnikanie masy w obu fazach. Charakterystyki te posłużyły do opracowania obszernego katalogu wypełnień.
  • Opracowano metodę prowadzenia obliczeń cieplnych dla blokowych grafitowych wymienników ciepła. Wyprowadzono korelacje, określające współczynniki przenikania ciepła w tych wymiennikach.
  • W oparciu o opracowany model kondensacji sublimacyjnej par w mieszaninach gazowych oraz badania doświadczalne w dużej instalacji przemysłowej, zaprojektowano udoskonalony typ kondensatora o podwyższonej sprawności. Kondensator zastosowano w instalacji bezwodnika ftalowego w Zakładach Azotowych w Kędzierzynie.
  • Opracowano nową, efektywną metodę rozpraszania gazu w cieczy, wykorzystując kolizję dwu prostopadłych strumieni w środowisku ciekłym. Urządzenie to zostało opatentowane.
  • W oparciu o przeprowadzone badania doświadczalne ruchu masy i ciepła w nieizotermicznych układach wieloskładnikowych przeanalizowano wpływ tzw. „efektów krzyżowych dyfuzji” na profile stężeń, temperatur oraz wielkości strumieni poszczególnych składników.
  • Rozpatrując ruch ciepła i masy od rdzenia fazy ciekłej do pęcherzyka parowego przy wykorzystaniu zlinearyzowanej teorii wieloskładnikowego ruchu masy opracowano model procesu wrzenia objętościowego mieszanin ciekłych, umożliwiający obliczenie rzeczywistego współczynnika wnikania ciepła.
  • W doświadczeniach prowadzonych przy zastosowaniu niskotemperaturowej kondensacji krzyżowoprądowej badano możliwości usuwania par organicznych z gazów, przy równoczesnym rozdziale kondensatu na poszczególne frakcje. Opracowany model procesu został weryfikowany doświadczalnie dla różnych układów fizycznych.

war-inst-elewar-instCoraz więcej tematów realizowanych w Instytucie związanych było z szeroko rozumianą ochroną środowiska. Należy tu wymienić prace zespołu prof. J.Buzka, związane z kinetyką chemisorpcyjnych procesów oczyszczania gazów oraz metodami uzdatniania sorbentów. W pilotowej instalacji doświadczalnej badano kinetykę odsiarczania spalin metodą mokrą wapniakową oraz przeprowadzono studia nad możliwością ograniczenia energochłonności i kosztów bezodpadowego odsiarczania spalin metodą Wellman-Lorda. Badano równowagę i kinetykę absorpcji SO2, procesy regeneracji wodnych roztworów siarczynów/siarczanów sodowych oraz proces krystalizacji soli z równoczesną reakcją chemiczną.

Wspólnie z jedną z dużych elektrowni opracowano oryginalny wariant suchej metody odsiarczania spalin z nawilżaniem. Metodę z powodzeniem przetestowano w instalacji pilotowej i wdrożono w pełnej skali technicznej dla dużych bloków energetycznych.

Zebrane dane literaturowe i ruchowe, dotyczące kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych instalacji proekologicznych umożliwiają dobór procesów i urządzeń drogą optymalizacji kosztowej; konkretne prace prowadzone są w dalszym ciągu dla przypadków odsiarczania spalin i redukcji emisji gazów cieplarnianych.

Z tematyką odnawialnych źródeł energii wiążą się badania procesu akumulacji ciepła w energooszczędnych systemach grzewczych prowadzone w zespole dr M.Jaroszyńskiego.

nobelProwadzono kompleksowe badania diod cieplnych – słonecznych, pasywnych urządzeń grzewczych, służących do absorpcji i akumulacji energii słonecznej oraz jej jednokierunkowego przekazywania do wnętrza budynku. Sformułowano opis matematyczny ruchu ciepła na drodze konwekcji naturalnej w diodach cieplnych oraz dokonano eksperymentalnej weryfikacji modelu, wykorzystując laboratoryjny model diody. Przeprowadzono badania poligonowe diod cieplnych w różnych warunkach pogodowych uzyskując dobowe i roczne rozkłady szeregu istotnych parametrów.

Przeprowadzone zostały badania poligonowe kolektorów słonecznych typu magazynującego, służących do ogrzewania wody oraz badania powietrznych kolektorów słonecznych i systemów akumulacji energii, wykorzystywanych do ogrzewania pomieszczeń.

W tym okresie rozpoczyna się również rozwój inżynierii bioprocesowej. Pierwsze prace związane z modelowaniem procesów syntezy i separacji substancji bioorganicznych podjął zespół kierowany przez prof. A.Jarzębskiego. W zespole tym opracowano sposób otrzymywania nowej klasy materiałów – kompozytów aerożelowych o doskonałych właściwościach sorpcyjnych i katalitycznych. Doskonalone były metody suszenia nadkrytycznego otrzymywanych materiałów oraz opracowywane biokatalizatory aerożelowe i kompozyty o wysokiej zdolności adsorpcji wody.

Jesteś tutaj: Home Ważniejsze wyniki działalności badawczej