STUDIERETNING FOR KJEMISK PROSESSTEKNOLOGI

(http://kikp.chembio.ntnu.no/)

HVA ER KJEMISK PROSESSTEKNOLOGI

Kjemisk prosessteknologi ("Chemical Engineering") omhandler den industrielle gjennomføringen av kjemiske og beslektede prosesser. Kandidater fra instituttet innehar en nøkkelrolle i industrier som har med fremstillingen av viktige produkter som olje og gass, petrokjemi, kunstgjødsel, plast, fin- og spesialkjemikalier, metaller, papir, kunstfibre, nye materialer, og næringsmidler. Tilsynelatende er dette meget forskjellige produkter, men sett fra ståstedet til en prosessingenør er det mange likhetspunkter. Spesielt er ideen om at man kan sette sammen enhver prosess fra et visst antall byggeklosser (enhetsoperasjoner) viktig.

Utdannelsen legger vekt på å

1. Gi kunnskap om utforming og drift av slike anlegg (sette sammen en prosess av byggeklossene og drive den på best mulig måte). Dette er systemorientert kunnskap der det viktige ikke er delene, men helheten.
1. Gi kunnskap om beregning og utforming av de viktigste enhetsoperasjonene (studere de enkelte byggeklossene). Dette er klassisk kjemiteknikk.
1. Gi kunnskap om de kjemiske reaksjoner og transportfenomene som inngår i prosessene (forstå prinsippene for hva som skjer i byggeklossene). Dette er fundamental kunnskap med sterke koblinger til kjemi og fysikk.

Denne brede tilnærmingen der man går fra atomnivå, via enhetsoperasjoner og helt opp til det totale prosessanlegg forklarer hvorfor kandidatene fra instituttet er anvendelige på svært mange områder og derfor er meget etterspurte i industri, forskning og forvaltning.

Ved instituttet arbeider vi aktivt forskningsmessig innen følgende områder:

• Katalyse og petrokjemi. Virksomheten er rettet mot de katalytiske prosessene i kjemisk og petrokjemisk industri, i oljeraffinering og ved energiproduksjon. Spesiell vekt legges på heterogene katalysatorer. Styrkeområde ved NTNU/SINTEF.
• Polymer og kolloidkjemi. Dette er et område av stor betydning for norsk industri og forskningen utføres i nært samarbeide med SINTEF. Et meget godt kjent resultat av forskningen ved instituttet er de monodisperse "Ugelstadkulene" som har fått stor anvendelse innen medisin og bioseparasjon.
• Prosess-systemteknikk. Forskningen er rettet mot avansert prosessregulering, dynamisk prosess-simulering og systematiske metoder for prosessdesign; styrkeområde ved NTNU/SINTEF i nært samarbeide med Institutt for teknisk kybernetikk.
• Reaktorteknologi . Forskningen er spesielt rettet mot å studere og forstå samvirket mellom reaksjonskinetikk, molekylære transportprosesser og strømningforholdene i prosessene; det er et tett samarbeide med andre miljøer som arbeider med eksperimentell fluidmekanikk.
• Separasjonsteknologi . Forskningen er rettet mot viktige enhetsoperasjoner som absorbsjon (gassrensing), krystallisasjon og membranprosesser, samt mot det termodynamiske grunnlaget for separasjonsprosesser.
• Treforedling . Forskningen foregår i nært samarbeid med Papirindustriens forskningsinstitutt (PFI) og er rettet mot å forstå de kompliserte delprosessene som inngår når man skal lage papir.

ARBEIDSMULIGHETER

Kandidatene fra studieretning for Kjemisk prosessteknologi (tidligere Industriell kjemi og Kjemiteknikk) har hittil stort sett ikke hatt vanskeligheter med å sikre seg arbeid etter endt utdannelse, og de fleste får stillinger der utdanningen er svært relevant. Siden utdanningen er anvendelig i all type kjemisk industri og konsulentvirksomhet, vil arbeidsmulighetene ikke være så sterkt påvirket av svingninger i enkelte bransjer. Etter en litt svak periode i årene 1998 – 2000, forventes arbeidsmarkedet å bli meget bra i de nærmeste årene.

Eksempler på arbeidsplasser er:

UNDERVISNING

Målsettingen for instituttets undervisning er å uteksaminere sivilingeniører som er godt kvalifiserte for drifts-, forsknings- og utviklingsoppgaver innen kjemisk industri. Studiet tar sikte på å gi en generell innføring i industrielle prosessers kjemiske grunnlag og tekniske gjennomføring. Under er vist en skjematisk oversikt over studiet ved kjemisk prosessteknologi:

Skyggelagte emner er felles for alle siv.ing.studenter ved kjemi.

1. Minimum 2 av de 3 emnene Prosessregulering, Reaksjonskinetikk og katalyse og Transportprosesser må velges.
2. Valgbare emner i 8. semester:

• Kjemiske prosessers dynamikk og optimalisering
• Petrokjemi og oljeraffinering
• Polymerkjemi 1
• Reaktorteknologi
• Treforedling grunnkurs

1. Spesialiseringen skjer i 5. årskurs gjennom fordypningsemnet som tilbys innen:

• Katalyse og petrokjemi
• Polymer og kolloidkjemi
• Prosess-systemteknikk
• Reaktorteknologi
• Separasjons- og renseteknikk
• Treforedling

1. Hovedoppgaven (diplom) gis gjerne i tilknytning til løpende forsknings- eller industriprosjekter, eventuelt som forundersøkelser som kan danne grunnlag for nye prosjekter. Som instituttets aktiviteter forøvrig spenner hovedoppgavene over et meget vidt spekter av problemstillinger. Det nære samarbeidet med SINTEF Kjemi og PFI fører gjerne til at SINTEF- og PFI-forskere medvirker som veiledere for en del hovedoppgaver. Fra våre industrikontakter mottar vi hvert år forslag til aktuelle hovedoppgaver; flere av disse også med tilbud om sommerjobb. Det er også gode muligheter for å utføre hovedoppgaven i utlandet.

FORSKNINGSAKTIVITETER

Instituttets forskning er knyttet til problemstillinger man finner i norsk og utenlandsk kjemisk prosessindustri. Forskningen er dels av typen grunnleggende teknisk forskning og dels anvendt teknisk forskning. Den grunnleggende forskning gjenspeiles i stor grad i dr.ing.-arbeidene, og for tiden har instituttet ca. 55 dr.ing.studenter. Forskningen drives i stor grad i samarbeid med SINTEF, PFI, industrien og internasjonale forskningsmiljøer.

Katalyse og petrokjemi

De aller fleste produkter fra kjemisk og petrokjemisk industri og fra oljeraffinerier framstilles ved heterogent katalyserte reaksjoner. Heterogen katalyse finner en betydelig anvendelse også innenfor en rekke andre områder som miljøvern (eks.: rensing av eksosgass, avsvovling) og energiproduksjon (eks.: katalytisk forbrenning, brenselceller).

Det er ofte slik at utviklingen av en ny prosess er basert på et nytt katalysatorsystem. Heterogen katalyse har derfor en helt sentral plass i kjemisk produksjonsteknologi.

Ved instituttet arbeider vi over et bredt område av heterogen katalyse, fra fundamentale studier og til ren anvendt forskning og utvikling finansiert av industrien. Et karakteristisk trekk ved moderne heterogen katalyse er bruk av avanserte instrumentelle teknikker for karakterisering av faste overflater i atomær skala og for karakterisering av forbindelser adsorbert på overflaten. Instituttet har, dels i samarbeid med andre institutter ved NTNU, tilgang til en rekke meget avanserte instrumenter innen feltet.

Katalysatorutprøving i standard laboratoriereaktorer inngår som en viktig del av arbeidet. Instituttet har bygd opp en betydelig reaktorpark for studier av katalytiske reaksjoner. Reaktormodellering er også en viktig del av den anvendte katalyseforskningen. En fullstendig reaktormodell vil i tillegg til den kjemiske reaksjonskinetikken inneholde en beskrivelse av temperatur- og konsentrasjonsgradienter i katalysatorpartiklene, i filmen omkring partiklene og i bulkfasen.

Som nevnt står katalyse også sentralt i forbindelse med miljøvern. Bileksoskatalysatoren er det mest kjente eksemplet, men på en rekke andre områder har heterogene katalysatorer stor betydning ved å forhindre dannelse av forurensende komponenter eller gjennom fjerning av forurensning. Ved instituttet arbeides det bl. a. med katalytisk fjerning av NOx fra avgasser fra store dieselmotorer (skip, stasjonære anlegg). Marin transport er som kjent en stor bidragsyter til norske NOx -utslipp. Vi arbeider også med nye katalysatorer for oppgradering av dieselolje, spesielt for fjerning av svovel og aromater fra dieseloljen. Dieselkvaliteten påvirker partikkelutslippet fra dieselmotorer (dieselrøyk), et betydelig forurensningsproblem i våre byer.

Instituttet deltar i nordiske og europeiske nettverk for forskning og undervisning innen katalyse.

Olje og våtgass er idag de viktigste råstoffene for henholdsvis raffinering og petrokjemisk industri i Norge. Ved instituttet arbeides det aktivt med en rekke prosesser av stor betydning i raffinerisammenheng, som f.eks. reformering og avsvovling. Videre studeres nye prosesser for framstilling av oktantallshevende tilsetninger til bensin.

På det petrokjemiske området er aktiviteten knyttet både til crackingprosesser og den videre foredling av ulike produkter (olefiner/diener) som dannes i disse. Arbeidet med cracking-reaksjoner har lenge vært et betydelig forskningsområde ved instituttet.

Norge har meget store naturgassressurser. Med dagens utvinningstempo og med de reservene som er kjent vil Norge produsere store mengder gass i over 100 år. Hittil har naturgassen stort sett vært eksportert i rørledning til markedet og er hovedsakelig brukt direkte til energiformål. I fremtiden vil det i økende grad også bli aktuelt å bruke gassen som kjemisk råstoff i produksjonen av store industrielle produkter som olefiner (alkener) og flytende energibærere som metanol, bensin og diesel. I særlig grad er dette en aktuell problemstilling for Norge der de framtidige gassfeltene tildels vil ligge svært langt fra markedet. Produksjon av flytende og lett transportable produkter vil i slike situasjoner kunne by på vesentlige fordeler. Et eksempel på denne utviklingen er Statoils metanolfabrikk på Tjeldbergodden. Ved instituttet har man i lengre tid drevet en omfattende forskning på nye prosesser der naturgass omformes til flytende energibærere. Norsk industri og offentlige myndigheter støtter dette fagområdet med betydelige midler.

Hydrogen er av mange betraktet som fremtidens energi og instituttet er involvert i prosjekter knyttet til framstilling og lagring av hydrogen.

SINTEF/Institutt for kjemisk prosessteknologi har også flere pilotanlegg for oppgradering av olje-fraksjoner (avsvovling og katalytisk reforming). Fagmiljøet ble i 1998 utpekt som styrkeområde ved NTNU/SINTEF (KINKAT).

Polymer og kolloidkjemi

Forskningen innen polymerkjemi foregår i tett samarbeid med Polymergruppen, SINTEF Kjemi.

Arbeidsområdet dreier seg i første rekke om utvikling av polymerisasjonsmetoder og polymerprodukter, og har stor relevans til aktuelle oppgaver i norsk industri. Professor Ugelstads oppfinnelse av en metode for fremstilling av monodisperse polymerpartikler og de arbeider som utføres omkring dette, har gitt forskningsmiljøet stor internasjonal anerkjennelse. Innenfor området monodisperse partikler er det skapt ny norsk industri gjennom selskapene Dyno Particles og Dynal, og monodisperse partikler har nå fått en lang rekke anvendelser innen teknikk og forskning. Spesielt utviklingen mot det medisinske området har medført at vi har etablert et fruktbart tverrfaglig samarbeid med medisinske miljøer i inn- og utland, og våre magnetiske monodisperse partikler benyttes i dag ved mange sykehus verden over både i klinisk behandling av ulike kreftsykdommer samt i biokjemisk/biologiske analyser som vevs-typing, DNA sekvensering, etc.

Fagmiljøet har forøvrig mange spesialiteter rettet mot tyngre industri, som fremstilling av basispolymerer med avansert teknologi innenfor områder som emulsjons-, suspensjons,- miniemulsjons- og dispersjonspolymerisasjon samt innen kondensasjonspolymerer som fenol og aminoharpikser. Instituttet kom tidlig internasjonalt i toppen på flere av disse felter. Det kan i denne forbindelse tilføyes at fagmiljøet har utviklet en fremstillingsprosess for PVC som benyttes av Norsk Hydro.

Fagmiljøet ble høsten 1991 utpekt som styrkeområde av Forskningskomiteen ved NTNU og fikk derved ekstra bevilgninger til å styrke sin kompetanse innen området partikkelteknologi.

Et nytt og meget viktig område for instituttet er fremstilling av polyolefiner (polyeten og polypropen). Innen dette feltet skjer det nå en sterk satsing finansiert av Forskningsråd og industri.

Overflate- og kolloidkjemi finner utstrakt anvendelse andre fagområder som petroleumsproduksjon (boreteknologi, øket utvinningsgrad i oljereservoarer, nedstrøms-teknologi), metallurgi, vannrensing og annen miljørelatert forskning. Ved instituttet er fagfeltet særlig koblet opp mot forskningen innen polymere kolloider (emulsjons- og suspensjonspolymerisasjon, monodisperse partikler) og heterogene katalysatorer.

Instituttet har et avansert overflatefysisk laboratorium som tar seg av det stadig økende behov for karakterisering av faste stoffer m.h.p. spesifikk overflate, porevolum, porestørrelsesfordeling og spesifikk tetthet. Det er også en stor aktivitet rettet mot bruk av overflateaktive stoffer for å øke oljeutvinningen.

Prosess-systemteknikk

Kjemiske industrianlegg består av et stort antall prosessenheter som reaktorer, destillasjonskolonner, kompressorer, varmevekslere osv. For å utnytte råstoffer og energi på en effektiv måte vil ofte deler av produktstrømmen fra en prosessenhet resirkuleres til en annen og varme vil utveksles mellom ulike enheter. Denne integrasjonen gjør at man ikke kan se atskilt på de enkelte enheter når man skal beregne (simulere), utforme og operere prosessen på den beste måte. Arbeidet innen dette området er derfor fokusert på å studere hele systemet, dvs. å se på hele det kompliserte samspillet mellom enkeltdelene.

Fagområdet omfatter syntese (systematisk utforming), optimalisering, simulering, dynamikk og regulering av kjemiske prosessanlegg. Instituttet er på flere områder i første linje internasjonalt på dette feltet og rår over gode ressurser når det gjelder dataverktøy.

De viktigste forskningsområdene er:

• statisk og dynamisk simulering
• prosessregulering (i samarbeid med Institutt for kybernetikk)
• prosess-syntese og optimalisering

Fagområdet er utpekt til styrkeområde ved NTNU/SINTEF (PROST). Innenfor PROST er det nært samarbeid bl.a. med Institutt for teknisk kybernetikk.

Reaktorteknologi

Den kjemiske reaktoren er den sentrale enhet i de fleste industrielle prosesser. Beregninger som forteller hvilke kjemiske omvandlinger som skjer i reaktoren og hvilke produkter som fremkommer fra et gitt råstoff og gitte reaksjonsbetingelser legger grunnlaget for mye av det som skjer videre i industrielle prosesser og er i stor grad bestemmende for økonomi, sikkerhet osv. Reaktorberegninger bygger på kunnskap om reaksjonskinetikk, katalyse, fluidmekanikk og masse- og varmeoverføring. Instituttets forskning på dette området innbefatter både eksperimentell forskning og teoretiske studier/beregninger. De viktigste forskningsområdene er:

• Masse- og varmetransport
• Flerfase strømningsmodellering og eksperimentell verifisering av metoder

Forskningsgruppen har nær kontakt med miljøene innen petrokjemi, polymerkjemi og bioteknologi.

Separasjonsteknologi

Separasjon inngår i all kjemisk og kjemisk relatert industri: Malm skal fjernes fra berg, reservoarstrømmer skal skilles i gass, olje og vann, ureagerte forbindelser skal resirkuleres til reaktorer, uønskede stoff skal fjernes fra avløp, biprodukter skal fjernes fra hoved-produkter. Mesteparten av all apparatur i kjemisk industri er knyttet til separasjon av forskjellige slag.

Separasjonsteknologien bygger på bl.a. kunnskap om fysikalske/kjemiske egenskaper til enkeltkomponenter og blandinger, om masse- og varmeoverføring i de aktuelle media, og om teknikker og apparatur som benyttes for å gjennomføre separasjoner i praksis.

Instituttet driver forskning og utvikling på en rekke felt knyttet til separasjon. Nedenfor er listet de viktigste områdene:

• gassabsorpsjon
• væske-væske ekstraksjon/ionebytting
• membranteknologi for separasjon av både gasser og væsker
• tørking/inndamping
• krystallisasjon
• faselikevekter

Treforedling

Treforedlingsindustrien står for 15% av netto eksportverdi for Norges landbaserte prosessindustri. Den foredler et fornybart råstoff, og det er skogsreserver for stor ekspansjon. Industrien er teknisk moderne og eksporterer ca. 75% av sin produksjon. Den har stort behov for teknisk kompetent personell.

Bransjen har to hovedlinjer som reflekteres i forskningen innen fagområdet. Den ene gjelder nedbrytning av ved til fibre, den andre oppbygging av papir fra de separerte fibrene. Hovedlinjene reflekteres i to av de tre teorimodulene som gis i fordypningsemnet, "Papirmasse" og "Papir". Dessuten gis et grunnleggende emne, "Treforedling grunnkurs".

Instituttet har lenge hatt en internasjonalt kjent virksomhet innen fiberkarakterisering og fremstilling av "mekaniske" papirmasser. Denne aktivitet er nå styrket. I samarbeid med NORAD har dette også omfattet tropiske papirfibre av jordbruksavfall.

Man arbeider med nye prosesser av mer miljøvennlig karakter som nye blekemetoder, økt utbytte fra masseframstillingsprosessen samt papirframstilling med redusert energi- og vannforbruk. Spesielt redusering av vannforbruket kan medføre prosess- og produktforstyrrelser, og å unngå slike endringer kan gi store utfordringer med hensyn på vannkjemi. Man har nær kontakt med industrien, og lovende prosessmodifikasjoner kan raskt utprøves industrielt.

Problemstillinger i tilknytning til resirkulering av papir studeres i samarbeid med industrien.

Papir er økonomisk sett landets viktigste ferdigmateriale. En økt nasjonal satsing på materialteknologi omfatter også dette materialet. For papirmaterialet er struktur- og overflatekarakterisering og -forbedring et viktig studiefelt. Trykkpapir dominerer blant papirproduktene, og overflaten av dette papiret er kvalitetskritisk.

Generelt er enhetsprosessene i masse- og papirindustrien nær beslektet med de som behandles i den generelle kjemiteknikk; f.eks. reaktorer for koking og bleking; strømning av tofasevæsker (fibre i vann); filtrering; pressing og tørking.

Sommeren 1998 ble treforedlingsaktiviteten samlokalisert med Papirindustriens Forskningsinstitutt som flyttet inn i nybygg like ved Kjemiblokkene. Her finnes også arbeidsplasser for studenter som tar treforedlingsfag. Samlokaliseringen har gitt sterkt utvidet adgang til avansert utstyr og ekspertsamarbeid.