folyamattechnika

A folyamattechnika egy önmérnöki tudomány , amely minden olyan eljárással foglalkozik, amelyben az anyagokat (gázokat, folyadékokat vagy szilárd anyagokat) megváltoztatják összetételük, természetük vagy tulajdonságaik szempontjából. Fizikai , kémiai vagy biológiai folyamatokat használ . A gyártástechnikán belül a folyamatmérnöki tevékenység az anyagok ( nyersanyagok) gyártásával és a meghatározatlan alakú anyagok átalakításával foglalkozik, míg a gyártástechnológia ezeket a kiindulási termékeket geometrikusan meghatározott alakú testekké dolgozza fel .

Példák köszörülés vagy szitálással gabona, a kitermelés a fémek a ércek , a termelés a papír vagy a elválasztása egyes komponenseinek kőolaj . A gyártási folyamat alapanyaga maga is egy korábbi feldolgozás terméke lehet, és a termék tovább feldolgozható. Ez a hálózat gyártási hálózat néven ismert . A hasznosítás, az újrafeldolgozás az értékes anyagokat hulladék is hatálya alá tartozik a folyamat műszaki. A megújuló nyersanyagok ( bioenergia ) alapú növekvő energiatermelés folyamatmérnöki módszerek alkalmazását igényli.

A folyamattervezés erősen interdiszciplináris tudomány. A kapcsolódó területek a kohászat , a vegyipar és a kémia , a készülékgyártás (a gépipar része ), a biotechnológia és a környezettechnika .

Mérnöki tudomány és munkaköri leírás

A Vegyészmérnöki és Vegyészmérnöki Társaság (GVC) meghatározása szerint a munkafolyamat megtervezi az összes olyan technikai és gazdasági megvalósítást, amelyben megváltoznak az anyagok típusán, tulajdonságain és összetételén alapuló anyagok. Tehát ez az anyagkonverzió mérnöki tudománya . A gyakorlatban a folyamatmérnök gyakran szorosan együttműködik a tudományos diszciplínákkal, pl. B. fejlesztőként kémikusokkal dolgozik, és eredményeiket megvalósítható műszaki koncepciókká és folyamatokká alakítja. Különösen a folyamat termelési méretének és energiaköltségének növelése gyakran döntő kérdés.

Azonban a folyamat végrehajtásának technikailag fejlett és a tervezett üzem, maga nevezik berendezésgyártás , szintén kiterjed a technológiai folyamat. A folyamatmérnök fő feladata az építkezéshez használandó berendezések, alkatrészek és anyagok kiválasztása és megtervezése. Ezenkívül az üzemeltetendő folyamat mérési és vezérléstechnikai terve egyre kiterjedtebbé válik . Az elméleti és kísérleti folyamatmérnöki munkából nyert ismereteket gyakran beépítik számítógéppel segített szimulációkba . Ezek aztán kiindulópontként vagy akár menedzsmentmodellként szolgálnak a folyamatszabályozáshoz. A tanfolyam nagyon interdiszciplináris kialakítása miatt a diplomások nagyon sokféle gyakorlati alkalmazást találnak. A laboratóriumi kutatói munkától, a szimulációk vagy vezérlőrendszerek fejlesztőjeként és programozóiként, a számítási és projektmérnökként, a gyártási üzemek építési vezetőjeként vagy üzemeltetőiként a folyamat- és vegyészmérnökök részt vesznek a vegyipar, az energiaipar és a vegyipar egészében. , élelmiszeripar, gyógyszeripar, valamint a megfelelő üzemépítő vállalatok és kutatóintézetek.

kiképzés

Folyamatmérnöki tanfolyamokat kínálnak Németországban műszaki egyetemeken és más egyetemeken . Az egyes szakok részletesen különböznek az egyetemek között. Az adott intézmény hagyományától vagy tematikus orientációjától függően a képzés jobban orientálható a technológia vagy a kémia irányába (lásd vegyészmérnöki tudnivalók ). Míg egyes egyetemeken például a folyamatmérnöki szakterület közvetlenül a gépészmérnöki szakról szakosodik , más intézményekben ez a téma önálló alap- vagy alapképzés egy későbbi fókuszáláshoz, például a bioprocesszusi mérnöki szak vagy a vegyészmérnöki fő- vagy mesterképzés . Erre a célra külön folyamatmérnöki tantárgyak vagy szakirányok is léteznek független tudományos területeken. Ez például a mezőgazdasági technológia vagy az állattenyésztés technológiája az agrártudományon belül . A folyamattervezés területén (energiaüzemek építése, megújuló energiák ) is egyre inkább kínálnak specializációkat . A gépgyártást és az elektrotechnikát gyakran beépítik a témába. A technikai fejlődés nyomán ez időnként új tantárgyak létrehozásához vezet, mint például a környezettechnológia , a biotechnológia vagy az élelmiszer-technológia .

Ezenkívül a német és az angol nyelvhasználat különbözik a folyamat és a vegyipari technika szempontjából. Mint Process Engineering angolul, bár az eljárási tevékenységet mérnöknek hívják. A folyamattechnika német definíciójának megfelelő tanulmányi tárgy az angol nyelvterületű országokban többnyire vegyi technika (pl. Spanyolul is: Ingenieria química ). Németországban viszont egyértelműen megkülönböztetik a folyamattechnikát és a vegyipari mérnököket a felsőoktatásban.

A Németországi Szövetségi Köztársaságban a folyamatmérnöki tanfolyamok diplomája általában egy diplomás mérnök tudományos fokozata volt . A bolognai folyamat részeként itt is megtörtént az új tudományos fokozatok, az alapképzés és a mesterképzés átalakítása vagy bevezetése .

Munkaeszközök és a folyamattervezés felépítése

A folyamattervezés a csővezeték- és kazánépítés kezdetétől az interdiszciplináris tudományig fejlődött. Ma a folyamatok megtervezésén kívül

  • a természettudomány és az anyagtudományok a folyamat és annak anyagi hatásainak leírására is
  • a gazdasági, társadalmi, politikai és jogi tudományok a folyamat elfogadásához, keretfeltételeihez és működéséhez

szükséges. Ezenkívül az összes többi mérnöki tudományt használják a folyamat megvalósítására az üzemépítésben.

A folyamatmérnöki rendszerek évente néhány gramm és több millió tonna közötti mennyiséget termelnek. Egyszerű kémiai anyagokat bonyolult komponensekké állítanak elő. Annak érdekében, hogy leírja a nagyszámú folyamatok, akkor már nem fizikailag értelmes elkülöníthető egység műveletek ( angol egység műveletek ), vágott csak egy fizikai folyamat, mint például a keverés vagy bepárlással. A több alapvető művelet térben elválaszthatatlan kombinációját jelentő folyamatlépéseket rendszerint alapműveleteknek is nevezik. Az alapvető eljárási műveletek osztályai például:

Ezek az alapműveletek össze vannak kötve, és a teljes folyamatot eredményezik. Az így tervezett folyamat kiszámítható és megvalósítható, de nem energia- és téroptimalizált. Az ipar költségköltsége, a jobb szimulációs és elemzési lehetőségek, valamint a jobb fizikai megértés azt jelenti, hogy manapság egyre több alapvető műveletet egyesítenek egy folyamatlépésben. Az általános kontextus megértése érdekében azonban van értelme a folyamatot külön alapvető fizikai lépésekben vizsgálni.

A folyamattervezés ezért az alapműveletek fizikai folyamatai mentén még mindig a következőkre oszlik:

  • Gépészeti folyamattervezés,
  • Kémiai folyamatmérnöki munka,
  • termikus folyamatmérnöki és
  • a többi folyamat, amelyeket általában fizikai folyamatokként adnak hozzá a kémiai folyamatokhoz.

Ezenkívül számtalan olyan összetett, elválaszthatatlan folyamat létezik, mint például:

Valamint a szükséges kiegészítő, megvalósítási és speciális tudományágak, például:

Egy másik, régebbi struktúra az anyagcsoportokon alapszik: élelmiszeripari folyamatok, műanyag folyamatok stb.

A gyógyszerészetben a folyamatmérnököt galenikának hívják ; említett , mint egy recept a gyógyszertár (régi: gyógyszerforma elmélet). Az iparban feldolgozási technológiának vagy gyógyszerészeti technológiának nevezik .

Differenciálás más tudományoktól

Alapvetően minden anyagmozgással járó folyamatfejlesztés folyamattervezést foglal magában. Ezért minden tudomány többnyire nem említett része. A folyamattervezés hangsúlyozza magát a folyamatot, és megpróbálja optimalizálni a megadott határfeltételekkel. Más tudományágakban általában egy adott folyamatot feltételeznek, mert a hangsúly más szempontokra irányul.

A folyamattervezés ugyanazzal a témával foglalkozik, mint a többi természettudomány, és eszközeit használja. A többi természettudománnyal ellentétben a folyamattervezés nem próbál új kapcsolatot feltárni, hanem egy elismert kapcsolatot műszakilag használhatóvá tesz. Az új folyamatok megtervezésekor felmerülő kérdések általában szoros együttműködéshez vezetnek más természettudományokkal.

A folyamatmérnökök a mérnöki eszközöket használják. Meghatározzák a helyet és a körülményeket, amelyek mellett egy folyamat végbemegy.

A vegyészmérnöki folyamat a mérnöki tudományág, amely a kémia területére összpontosít . Ezzel szemben a környezeti technológia az ellátás és az ártalmatlanítás jogi, toxikológiai és logisztikai szempontjaira összpontosít.

Részterületek

Gépészeti folyamatmérnöki munka

Kis centrifugális szeparátor malomban

A mechanikus eljárástechnikát a mechanizmus vagy a folyadékmechanika felhasználójaként kell érteni . Ezért az anyagváltozás folyamataival foglalkozik, amelyek mechanikus cselekvésen alapulnak . A négy fő folyamatcsoport a zúzás és az agglomerálás , valamint a keverés és szétválasztás (szűrők, sziták).

Történelmileg gyökerei a csővezeték építésében és a szilárd folyamattervezésben rejlenek. Hagyományosan tehát a szilárd anyagok , ömlesztett áruk és folyékony áruk tárolása , szállítása és adagolása (pl. Szivattyúval történő szállítás ) általában hozzáadódik a gépészeti folyamatmérnöki munkához.

Termikus folyamatmérnöki munka

14 000 kW abszorpciós hőszivattyú ipari hulladékhő felhasználására egy osztrák távfűtőműben

A hőfolyamat-tervezés különösen a hőelválasztási és tisztítási folyamatokkal, például a desztillációval , valamint a rektifikációs és extrakciós folyamatokkal foglalkozik . A membrántechnológiával futó folyamatok szintén részét képezik a hőtechnikai tervezésnek.

Kémiai folyamatmérnöki munka

Kilátás a BASF üzem északról

A Vegyészmérnöki ( kémiai reakciótechnikai ) kémiai reakciók útján történő anyagváltozásokkal foglalkozik, és a kémia folyamattechnikájában a legerősebb láncszem. Különösen a kémia laboratóriumi skálájáról a műszaki skálára való átmenetet vizsgálják. Ide tartozik például a kísérleti üzemek építése és a kinetika vizsgálata. A vegyészmérnök tehát jelentős mennyiségű munkát végez a laboratóriumi eredmények megvalósításában a gyártási folyamatban. Ezt a méretátadást ma általában " méretnövelésnek " nevezik .

Elektrokémiai folyamattervezés

Elektrokémiai folyamat mérnöki foglalkozik a műszaki alkalmazások elektrokémiai jelenségek (pl szintézise vegyi anyagok, elektrolitikus finomítás a fémek , akkumulátorok és üzemanyagcellák , érzékelők , felületmódosítás keresztül galvanikus ülepítéssel és maratás, elválasztások, és korrózió ).

Bioprocesszor tervezés

Szennyvíztisztító telep emésztőtornya

A bioprocesszusi tervezés (a bioprocesszoros tervezés vagy a biomérnöki munka is ) a biotechnológia azon területe , amely a folyamatmérnöki megvalósítással foglalkozik, vagy a folyamatmérnöki biotechnológiai folyamatokkal foglalkozó része. A biotechnológia az anyagátalakításokat biológiai folyamatokon keresztül teszi lehetővé a műszaki alkalmazásokban. Ezeket a folyamatokat végrehajthatják a sejtekben található enzimek (korábban: ferment), elsősorban baktériumok , élesztők , gombák vagy izolált enzimek. Mindkét esetben biokatalízisről , bioszintézisről vagy fermentációról beszélünk . Ezzel szemben a tenyésztésről csak akkor beszélhetünk , ha olyan sejteket használunk, amelyek szaporodnak vagy metabolizálódnak a folyamat során. A biotechnológia részterületei z. B. mikrobiológia , kémia és biokémia . A géntechnológiai módszerek alkalmazhatók, de nem feltétlenül alkalmazzák őket minden biotechnológiai alkalmazásban. A biotechnológia fontos területe a folyamattervezés, amely kutatási vagy gyártási léptékben valósítja meg a folyamatokat. Ez magában foglalja a folyamat általános tervezését és megvalósítását, a termékek folyamatirányítási és előkészítési módszereinek kidolgozását, a gyártási folyamatok ellenőrzését és folyamatos optimalizálását.

Előnyök és hátrányok

A biotechnológiai folyamatoknak számos előnye és hátránya lehet a kémiai folyamatokhoz képest:

  • A kémiai folyamatokhoz időnként extrém körülmények (pl. Nagy nyomás és / vagy hőmérséklet) és mérgező vegyi anyagok szükségesek. A biológiai folyamatok kevésbé szélsőséges körülmények között zajlanak, és gazdasági és ökológiai előnyök miatt helyettesíthetik a különféle kémiai folyamatokat.
  • Egyes vegyületek nem szintetizálhatók kémiai módszerekkel, de biotechnológiailag előállíthatók.
  • Különösen gyógyszerészeti alkalmazásokban szükséges lehet a királis vegyületeknek csak egy változatát használni . A biotechnológiai gyártásnál csak egy változat létezik, míg a vegyipari gyártásnál általában mindkettő.
  • Mivel a biológiai folyamatok nem történhetnek önkényesen magas hőmérsékleten, a reakció sebessége is korlátozott. A reaktoroknak ezért itt gyakran nagyobb mennyiségekre van szükségük, mint a nem biológiai folyamatokban.

Alkalmazási területek

A biotechnológiai alkalmazások nagyban különböznek egymástól, ezért különböző területekre vannak felosztva. Az egyes vegyületek előállításához szükséges bioprocesszor-tervezés mellett ezek az egyes területek más területeket is magukba foglalhatnak:

Míg a fehér, a vörös és a zöld biotechnológia kifejezések beváltak, a többi színmegjelölés eddig ritkábban fordult elő.

Eljárástípusok

Bioreaktorok és technológia a folyamatszabályozáshoz

A számos lehetséges alkalmazás különböző folyamatokat eredményezett, amelyek nagyban változhatnak. Bioreaktorokat (fermentorokat) gyakran használnak. A fermentorok általában keverőket tartalmaznak a homogenizáláshoz, eszközöket a hőmérséklet beállításához és más technológiát a fontos paraméterek ellenőrzéséhez és ellenőrzéséhez.

A termékek különböző elvek szerint készülnek:

  • Az enzimek biztosíthatják az anyag átalakulását.
  • Gyakran olyan mikroorganizmusokat tenyésztenek, amelyek anyagcseretermékei képviselik a terméket (pl. Etanol , butanol , citrát ).
  • Termesztett fajtájú tároló anyagok, mint pl. B. a mikrobiális szénhidráttároló polihidroxi-vajsav lehet a termék.
  • A genetikai módosítás túlexpressziót indukálhat a termesztendő fajban , vagy új anyagcsere-útvonal vihető át a fajba úgy, hogy a kívánt terméket magas hozammal állítsák elő.

A gyártást ( erjesztést ) követően általában a feldolgozásra van szükség. A folyamattól függően ez nagyon összetett lehet, és tartalmazhat olyan lépéseket, mint a sejtek lebontása , szűrés , kromatográfia és mások. Ezt a területet a bioprocesszusi tervezéshez is hozzárendelik.

Rendszerfolyamat-tervezés

A rendszerfolyamat- tervezés, a mérnöki rendszerelmélet részeként, feladata a folyamatmérnöki rendszerek dinamikus viselkedésének modellezése, a rendszerstruktúra optimalizálása és az anyagátalakító folyamatok elsajátításához szükséges alrendszerek megtervezése.

Nanotechnológia

A ferrofluid felületének képe egy mágneses mezőben.

A nanotechnológia vagy a nanotechnológia még mindig egy olyan fiatal terület, amely egyesíti a fizika , a kémia , a biológia és a folyamattervezés nagyon interdiszciplináris területeit . Olyan anyagokkal és rendszerekkel foglalkozik, amelyek méretükben csak néhány molekulából állhatnak . A nanorészecske-technológia különösen fontos a folyamattervezés szempontjából. A nanorészecskék kis geometriai méretei miatt különleges optikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek speciális mérési módszereket igényelnek, de új alkalmazásokhoz is vezethetnek. Ezekre a részecskékre példa a szén nanocsövek , amelyek nagyon eltérően viselkednek, mint a z. B. grafit részecskék.

Lásd még

irodalom

  • Peter Grassmann: A vegyipari technika fizikai alapjai . Sauerländer, Frankfurt am Main 1961.
  • Eckhart Blaß: VDI-Gesellschaft folyamatmérnöki és vegyipari mérnöki GVC - tegnap-ma-holnap . Saur, Düsseldorf 1984.
  • Horst Chmiel (Szerk.): Bioprozesstechnik . 2. kiadás. Spectrum, München 2006, ISBN 3-8274-1607-8 .
  • Hans Günther Hirschberg: Folyamatmérnöki és üzemépítési kézikönyv. Kémia, technológia, gazdaság . Springer, Berlin és Heidelberg 1999, ISBN 3-540-60623-8 .
  • Georg Maybaum, Petra Mieth, Wolfgang Oltmanns, Rainer Vahland: Folyamatmérnöki és építési műveletek az alaptechnikában és a speciális mélyépítésben . Vieweg és Teubner, 2011. évi 2. kiadás, 454. o .; ISBN 978-3-8348-1614-6 .

web Linkek

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ Kögl, Moser: A folyamattervezés alapjai , Springer, 1981, 1. o.
  2. ↑ Elektrokémiai Enciklopédia ( az eredeti emléke 2011. május 14-től az internetes archívumban ) Információ: Az archív linket automatikusan beillesztették, és még nem ellenőrizték. Kérjük, ellenőrizze az eredeti és az archív linket az utasításoknak megfelelően, majd távolítsa el ezt az értesítést. . @ 1@ 2Sablon: Webachiv / IABot / electrochem.cwru.edu
  3. ↑ "A szivárvány színei a biotechnológiában" ( Az eredeti Memento 2009. június 8-tól az Internetes Archívumban ) Információ: Az archív linket automatikusan beillesztették, és még nem ellenőrizték. Kérjük, ellenőrizze az eredeti és az archív linket az utasításoknak megfelelően, majd távolítsa el ezt az értesítést. Cikk a "chemie.de" információs oldalon (hozzáférés: 2009. december 3.). @ 1@ 2Sablon: Webachiv / IABot / www.chemie.de
  4. B a b Alkalmazott mikrobiológia, Garabed Antranikian, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.