Trudno dziś mówić o naukach technicznych bez uwzględnienia inżynierii chemicznej
i procesowej. Badaniami w tej dziedzinie zajmuje się
Instytut Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach.

Artur Wolski

Projekt metody "suchej z nawilżaniem" został opracowany dla Elektrowni Rybnik

Historia Instytutu Inżynierii Chemicznej w Gliwicach sięga roku 1958, kiedy to z inicjatywy prof. Tadeusza Hoblera powstał Zakład Inżynierii Chemicznej i Konstrukcji Aparatury Polskiej Akademii Nauk. Prof. Hobler zdawał sobie już wówczas sprawę, że oprócz szkolenia specjalistów w tej deficytowej dyscyplinie, konieczne jest stworzenie silnego zaplecza badawczego, zarówno dla tematyki podstawowej, jak i techniczno-przemysłowej. W miarę rozwoju Zakładu coraz wyraźniejszy staje się cel aplikacyjny prowadzonych badań. Nie jest to tylko nauka dla nauki. W 1969 roku kierownictwo przejmuje prof. Andrzej Burghardt, który do dziś pełni funkcję dyrektora Instytutu. Obecna tematyka badawcza koncentruje się głównie na następujących zagadnieniach: inżynierii reaktorów chemicznych, wymianie ciepła, wymianie masy, równoczesnej wymianie ciepła i masy, a także na nowych kierunkach, związanych z procesami rozdziału. Dziś trudno mówić o naukach technicznych bez uwzględnienia inżynierii chemicznej i procesowej. Najkrócej można ją scharakteryzować - twierdzi prof. Andrzej Burghardt - jako naukę, która wykorzystując podstawy matematyki, fizyki, chemii i ekonomii do opisu procesów, daje fundamenty do projektowania nowych technologii, nowych procesów, ich ruchowego, optymalnego prowadzenia oraz automatycznego sterowania.

W roku 1983 Zakład uzyskuje status instytutu i przyjmuje nazwę Instytut Inżynierii Chemicznej PAN.

PROCESY MEMBRANOWE I ADSORPCYJNE

Dużo uwagi Instytut poświęca procesom mieszania gazów. Opracowywane są nowe metody oczyszczania i rozdzielania tych substancji. Podyktowane jest to wymogami ochrony środowiska, jak również względami ekonomicznymi. Praktycznych przykładów wykorzystania tych badań jest wiele, chociażby w przemyśle wydobywczym. W 54 polskich kopalniach znajdują sią gazy zawierające metan. Wraz z węglem kamiennym wydobywa się około miliarda metrów sześciennych tego gazu w ciągu roku. Są to ilości na tyle znaczące, że mogłyby dać naszej gospodarce istotne korzyści, w tej chwili zużywa się jednak tylko 20 proc. A metan to przecież ważny surowiec energetyczny i chemiczny. Stąd właśnie wysiłki naukowców w opracowaniu metod pozyskiwania i wykorzystywania tego gazu.

Pracownia procesów katalitycznych

Badania wykazały, że metan kopalniany nie jest czystym gazem. Czystego metanu jest w kopalniach od 30 do 90 proc. Reszta to azot, dwutlenek węgla, tlen lub para wodna. Aby można było użyć go jako surowca energetycznego, trzeba gaz rozdzielić i to tak, by metanu było od 95 do 97 proc. Wtedy wykorzystanie jest opłacalne. Do tego celu stosuje się metody membranowe i adsorpcyjne. Doc. Ludgarda Buzek i doc. Krzysztof Warmuziński opracowali specjalny model membrany o charakterze kapilarnym. Urządzenie to przypomina tuleję wypełnioną cienkimi rurkami. Wydobyty z kopalni gaz wchodzi do takiej membrany, a tam dwutlenek węgla i para wodna przechodzą z kapilar do przestrzeni międzyrurkowej, skąd później są odbierane. Drugim końcem tulei wychodzi metan wraz z azotem. Do pełnego rozdzielenia metanu i azotu służy instalacja adsorpcyjna. Pozwala uzyskać praktycznie czyste składniki, czyli prawie czysty metan i azot. Wstępne wyniki oceny tej metody są zadowalające i dają dużą nadzieję na pełniejsze wykorzystanie gazów kopalnianych, a być może przyczynią się również do ochrony środowiska naturalnego człowieka. Zmniejszenie emisji metanu do atmosfery to przecież ograniczenie powstawania efektu cieplarnianego, tak niekorzystnego dla organizmów żywych.

KATALITYCZNE PROCESY REAKTOROWE

Instytut Inżynierii Chemicznej w swojej rozległej działalności naukowej prowadzi oryginalne badania dotyczące opracowania alternatywnego paliwa oraz substancji, która zastąpiłaby freon. Prof. Jerzy Skrzypek z pracowni zajmującej się procesami katalitycznymi proponuje użycie eteru metylowego zamiast dotychczas stosowanego oleju napędowego. Nie jest to jednak metoda przemysłowa. Naukowcy z Gliwic opracowali sposób otrzymywania eteru metylowego poprzez bezpośrednią syntezę z dwutlenku węgla i wodoru na nowych typach katalizatorów. Dysponując trzema składnikami można rozpocząć otrzymywanie eteru metylowego na skalę przemysłową. Najbardziej skomplikowanym ogniwem tego procesu jest skonstruowanie katalizatora. Prace prowadzone są wspólnie z Instytutem Katalizy PAN w Krakowie. Naukowcy proponują użycie zeolitów, skomplikowanych związków chemicznych, opartych głównie na odpowiednio modyfikowanych glinokrzemianach. Reakcje otrzymywania eteru metylowego przeprowadzane są w specjalnych reaktorach ciśnieniowych przy zachowaniu niezbędnych parametrów. Główną zaletą tej metody jest jej wydajność i niskie koszty. Dwutlenku węgla w przyrodzie jest bowiem dużo, a zmniejszenie jego ilości wpłynie korzystnie na redukcję efektu cieplarnianego. Zyska więc na tym rynek i ochrona środowiska.

Niezależnie od tych badań prowadzone są prace nad syntezą wyższych alkoholi. Ciecze te można dodawać do benzyn, podwyższając ich liczbę oktanową bez dodawania szkodliwego ołowiu.

INŻYNIERIA NANOMATERIAŁÓW

Prof. Andrzej Jastrzębski prowadzi badania nad pozyskiwaniem nowych materiałów, głównie tzw. areożeli. Są to materiały z grupy wysokoporowatych. Areożele mają stan skupienia stały a otrzymuje się je poprzez wysuszenie mokrego żelu w warunkach nadkrytycznych. Zastosowania tych materiałów są dość specyficzne. Wykorzystuje się je na przykład w astronautyce. Pojazd krążący po Marsie ma w aparaturze do przechwytywania pyłów instalację zbudowaną właśnie z areożeli. Cała izolacja termiczna tego pojazdu jest również z areożeli. Materiały te mogą mieć bardziej przyziemne zastosowanie, np. jako katalizatory. W pracowni prowadzi się także określanie tekstury i struktury materiałów porowatych.

KONTAKT: GAZ-CIECZ

Jednym z najdziwniejszych laboratoriów jest pracownia doc. Ryszarda Pawełczyka. W ogromnej hali ustawione są wielkie zbiorniki wypełnione spienioną wodą, która przypomina wodę sodową. Nie chodzi tu jednak o zabawę. Program badawczy jest bardzo poważny i jego wynikami interesują się już kontrahenci zagraniczni. Badania dotyczą mechanizmu rozpraszania gazu w cieczy przy pomocy już opatentowanego urządzenia, umożliwiającego zderzanie się dwu strumieni i wytwarzającego strumień dwufazowy o złożonej strukturze. W reaktorach testuje się kilka hipotez naukowych, m.in. o logarytmonormalnym rozkładzie średnic populacji pęcherzyków. Prowadzone są także badania zmierzające do określenia współczynnika wnikania masy w fazie ciekłej w reaktorze z nowym sposobem rozwijania powierzchni gaz-ciecz. Pomiary wykonywane są w układzie woda-dwutlenek węgla-powietrze.

Praktycznie wygląda to tak, że do dużego reaktora, wypełnionego wodą nasyconą dwutlenkiem węgla wtłaczany jest gaz absorbujący ten składnik. Przez przezroczyste ściany widoczne są liczne pęcherzyki. Do tej pory były to duże "bąble", ale z takiego stanu rzeczy naukowcy nie byli zadowoleni, ponieważ powierzchnia międzyfazowa była zbyt mała. Chodziło więc o to, aby ją zwiększyć. Doc. Ryszard Pawełczyk osiągnął to poprzez zmniejszenie pęcherzyków gazu. Zwiększyło to wyraźnie powierzchnię między gazem a cieczą i doprowadziło do intensywniejszego kontaktu między tymi mediami. Metoda ta ma zastosowanie w reaktorach chemicznych, gdzie np. chodzi o przejście czynnika ze stanu gazowego do ciekłego lub odwrotnie i kontynuację rozpoczętego procesu chemicznego. Opracowana w ramach grantu Komitetu Badań Naukowych, spotkała się z dużym zainteresowaniem w Niemczech. Nasi sąsiedzi chcą zamontować u siebie polskie urządzenie rozpraszające gaz w istniejących już instalacjach półtechnicznych, aby ją przetestować w konkretnych procesach i odpowiedzieć na pytanie, czy jest lepsza od już istniejących.

USUWANIE DWUTLENKU SIARKI

Poważnym problemem natury ekologicznej jest zanieczyszczenie gazów spalinowych. Zespół prof. Jerzego Buzka opracował metody, które pozwalają rozwiązać tę kwestię. Pierwsza z nich, tzw. mokra metoda wapniakowa, przetestowana została w instytutowej kotłowni. Opracowanie jest proste i polega na wprowadzeniu zanieczyszczonych, zasiarczonych spalin do specjalnej kolumny. Gazy, które mają być oczyszczone, wprowadza się od dołu, natomiast zainstalowany w górnej części kolumny "prysznic" zrasza gazy zawiesiną kamienia wapiennego. Ta zawiesina usuwa dwutlenek siarki ze spalin. W wyniku reakcji, jakie zachodzą z "wyłapanym" SO2, ze spalin w cieczy otrzymuje się gips, składnik nieszkodliwy dla środowiska a możliwy do szerokiego wykorzystania, np. w przemyśle.

Technologia ta znalazła już swoje zastosowanie. Po sprawdzeniu w rodzimej kotłowni, zainstalowano ją w Zakładach Aparatury Chemicznej w Opolu, w ciepłowni miejskiej w Żywcu, przygotowuje się jej uruchomienie w rafinerii odpadów w Jedliczach oraz w ciepłowni miejskiej w Raciborzu. Projekt ten, realizowany w ramach projektu celowego Komitetu Badań Naukowych, zyskał bardzo wysoką ocenę. Zapewnia możliwość szybkiego i skutecznego odsiarczania gazów spalinowych a także pozwala pozyskiwać nowe materiały, przyjazne środowisku naturalnemu.

Zespół prof. Buzka opracował także inną metodę usuwania SO2 ze spalin. Nosi ona nazwę "suchej z nawilżaniem" i służy głównie w ciepłownictwie. Polega na dwustopniowym usuwaniu dwutlenku siarki z gazów: bezpośrednio w kotle a także w reaktorze umieszczonym pomiędzy kominem a stacją podgrzewania powietrza. Efekt odsiarczania w obydwu metodach jest bardzo wysoki. W pierwszej sięga przeszło 95 proc., natomiast w drugiej przekracza 80 proc., przy ekonomicznym zużyciu wszystkich używanych do absorpcji czynników chemicznych. Projekt metody "suchej z nawilżaniem" został opracowany dla Elektrowni Rybnik i wdrożony do eksploatacji.

CZWARTA PODPORA

Istotnym elementem działalności badawczej Instytutu są kontakty z zagranicznymi ośrodkami naukowymi. Najowocniej współpraca układa się z dziewięcioma placówkami: Uniwersytetem w Seattle, INSA w Tuluzie, z Instytutem Katalizy Rosyjskiej Akademii Nauk w Nowosybirsku, Uniwersytetem Kyushu w Fukuoce, Uniwersytetami w Wiedniu i Essen, a także z Instytutem Ochrony Środowiska, Bezpieczeństwa Procesowego i Techniki Energetycznej UMSICHT w Oberhausen. Współpraca z tymi ośrodkami obejmuje wymianę wyników prac badawczych, konsultację i koordynację programów, przygotowywanie wspólnych publikacji oraz prezentację aparatury i technik eksperymentalnych.

Jaka jest przyszłość tej złożonej dziedziny wiedzy? Prof. Andrzej Burghardt, dyrektor Instytutu Inżynierii Chemicznej w Gliwicach, widzi nowe możliwości w poszerzeniu badań o zjawiska biologiczne, które pozwoliłyby lepiej zrozumieć i prowadzić procesy chemiczne. Nie wystarczą już tylko "trzy nogi" podpierające inżynierię chemiczną i procesową - w postaci wiedzy matematycznej, fizycznej i chemicznej. Biologia - jako czwarta podpora tej nauki - wprowadzi ją w XXI wiek.

Artur Wolski, dziennikarz Redakcji Popularyzacji Wiedzy I Programu Polskiego Radia, autor audycji z cyklu "Mapa Nauki Polskiej", sponsorowanej przez Komitet Badań Naukowych.

Uwagi.