Ludwik Synoradzki - STARTlpt.ch.pw.edu.pl/wp-content/uploads/2016/06/2-Zasady-bio... · Jak...

ZASADY techno- i biotechno-

LOGICZNE

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wydział Chemiczny

LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Technologia Produktów Farmaceutycznych

Ludwik Synoradzki

KONCEPCJA (BIO)CHEMICZNA

Wybór surowców, reakcji chemicznych lub biochemicznych

i przemian fizycznych, które umożliwią otrzymanie żądanego

produktu.

O wyborze w skali przemysłowej decyduje kryterium ekonomiczne lub

inne ważne w danym zakładzie.

Wybór reakcji chemicznych/biochemicznych i metod rozdziału ma

zasadnicze znaczenie dla jakości opracowywanej technologii, dlatego

musi być dokonany szczególnie starannie.

Mówimy o badaniu reakcji chemicznej, a badamy proces chemiczny,

którego tylko częścią jest reakcja. Wynik zależy też od sposobu

wydzielenia produktu (destylacja, krystalizacja, ekstrakcja).

Wybór koncepcji chemicznej jest etapem twórczym, musimy pamiętać

o twórczym alternatywnym rozwiązywaniu problemów (TARP)

KONCEPCJA TECHNOLOGICZNA

określenie liczby, kolejności i rodzajów procesów podstawowych

niezbędnych do prowadzenia produkcji.

Powstaje w trakcie analizy i sprawdzania koncepcji chemicznej i jej

uzupełniania o elementy wyboru metod rozdziału, sposobu

prowadzenia procesu (okresowy lub ciągły), określenie warunków

oraz głównych rozwiązań aparaturowych

Kolejne zmiany prowadzą do coraz to doskonalszej wizji procesu

z uwzględnieniem wszystkich strumieni materiałowych.

Nie ma ostrej granicy pomiędzy tworzeniem koncepcji chemicznej

i technologicznej !!!

Graficzne przedstawienie koncepcji technologicznej schemat

ideowy.

Podstawa tzw. pracy rozwojowej nad procesem, tzn. zbadania

wybranych procesów podstawowych w sposób umożliwiający

powiększanie skali (od laboratoryjnej do przemysłowej)

i stworzenie schematu technologicznego.

Dalej to gruntowne sprawdzenie, optymalizacja i uzupełnienia

z uwzględnieniem warunków lokalnych i tzw. zasad

technologicznych.

Wstępna koncepcja technologiczna rodzi się już w fazie

opracowywania laboratoryjnej metody technologicznej, czy też

założeń do projektu procesowego.

Pełną koncepcję technologiczną zawiera projekt procesowy.

KONCEPCJA TECHNOLOGICZNA

PODSTAWOWE DEFINICJE

Procesy podstawowe

Elementarne etapy, jakie można wyróżnić w procesie

produkcyjnym przemysłu chemicznego, charakteryzujące się

określonym zespołem:

• przemian fizycznych operacje jednostkowenp. destylacja,

krystalizacja

• przemian chemicznych procesy jednostkowenp. estryfikacja,

nitrowanie

Proces technologiczny

Zespół odpowiednio uszeregowanych procesów podstawowych,

w wyniku których z surowców i półproduktów uzyskuje się w

instalacji produkcyjnej określone produkty.

Proces ciągły

Wszystkie etapy przebiegają jednocześnie i w określonym porządku,

warunki procesu nie zmieniają się w czasie, zaś doprowadzanie

surowców i półproduktów oraz odbiór produktów odbywa się

równocześnie i w sposób nieprzerwany.

Proces periodyczny (okresowy)

Etapy następują kolejno po sobie w czasie, powtarzają sięcyklicznie, doprowadzenie surowców i półproduktów odbywa się wodstępach czasu wynikających z koncepcji technologicznej procesu,zaś warunki procesu cyklicznie zmieniają się w czasie.

Instalacja produkcyjna

Zespół aparatów i urządzeń (zwykle na jednej działce terenu)przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznegowg określonej koncepcji technologicznej.

PODSTAWOWE DEFINICJE

ZASADY TECHNOLOGICZNE określają

sposoby najekonomiczniejszego i najszybszego prowadzenia procesów

przy maksymalnym wykorzystaniu surowców, minimalnym zużyciu

energii i uzyskiwaniu dużej wydajności produktów z jednostki

objętości aparatury.

za prof. Bretsznajderem można wymienić następujące zasady:

• Najlepszego wykorzystania różnic potencjałów,

• Najlepszego wykorzystania surowców,

• Najlepszego wykorzystania energii,

• Najlepszego wykorzystania aparatury,

• Umiaru technologicznego.

Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA RÓŻNIC POTENCJAŁÓW

jak najlepsze wykorzystanie siły napędowej, gwarantującej szybki

przebieg procesu.

Szybkość = k

siła napędowa_________________________

opór

szybkość – np. szybkość reakcji chemicznej, wymiany ciepła,

dyfuzji, czy przepływu;

siła napędowa – różnica potencjałów – oddalenie od stanu

równowagi np. różnica stężeń, temperatury, ciśnienia,

siły ciężkości wynikająca z różnicy gęstości itp.;

opór – dyfuzyjny, termiczny, tarcia itp.

Zasada główna, służąca do weryfikacji trzech Z. pozostałych

(najlepszego wykorzystania surowców, energii i aparatury).

Z. MAKS WYKORZYSTANIA POTENCJAŁU BIOLOGICZNEGO

Istotą procesów biochemicznych jest aktywny udział czynnika

biologicznego: drobnoustroju, enzymu (grupy enzymów), komórek lub

tkanek roślinnych lub zwierzęcych.

Efektywne przeprowadzenie tych procesów wymaga stworzenia

warunków do pełnego wykorzystania potencjalnych możliwości

czynnika biologicznego.

Zasadnicze metody realizacji tej zasady to:

• dostosowanie warunków hodowli do wymagań drobnoustroju(temperatura, skład pożywki, pH, napowietrzenie);

• stabilizacja warunków hodowli (temperatura, pH, stężenie rozpuszczonego tlenu i ditlenku węgla itp.);

• wykorzystanie szczepów o największej produktywności;

• usuwanie ze środowiska hodowli inhibitorów i związków toksycznych;

• optymalizacja składu pożywki.

Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW

Jak najlepsze wykorzystanie surowców jest niezwykle ważnym

zagadnieniem zarówno technologicznym, jak i ekonomicznym, gdyż

koszt surowców stanowi dużą część (nawet do ok. 50%)

technicznego kosztu wytwarzania (TKW).

Ma ono również duże znaczenie dla ochrony środowiska naturalnego,

co wynika z reguł bilansu masowego.


Podstawowe wymagania dot. surowców w procesach

biotechnologicznych obejmują konieczność dostarczenia źródła

węgla, azotu, tlenu

(w hodowlach tlenowych), składników mineralnych, czynników

wzrostu.

Surowce powinny być możliwie najtańsze, ale nie zawsze jest to

istotne.

W farmacji najważniejsza jest jakość i dostosowanie S do potrzeb

drobnoustrojów.

W produkcji etanolu, KS mają znaczenie pierwszorzędne.


Zorganizowanie procesu technologicznego zapewniającego maks

wykorzystanie surowców:

• hodowle okresowe z ciągłym dozowaniem substratu

uniknięcie represji katabolicznej lub zmniejszenia wydajności przy

wyższym stężeniu substratu;

• sterylizacja pożywki eliminacja szkodliwych drobnoustrojów;

• sterylizacja ciągła uniknięcie rozkładu niektórych składników

podłóż hodowlanych;

Represja kataboliczna – zahamowanie ekspresji genu wskutek dołączenia cząsteczki represora, co uniemożliwia

transkrypcję; np. represja kataboliczna - polega na zahamowaniu ekspresji genów kodujących białko enzymatyczne,

katalizujące rozkład substancji pokarmowych, na skutek wzrostu dostępności innego substratu, którego katabolizm

jest bardziej wydajny energetycznie. Przykładem jest zahamowanie genów operonu laktozowego u pałeczki

okrężnicy w obecności glukozy w pożywce.


Zorganizowanie procesu technologicznego zapewniającego …,

cd:

• zawracanie czynników do procesu technologicznego

(np. ekstrahenty, regeneracja rozpuszczalników);

• stosowanie w nadmiarze S tanich (do stechiometrii) lepsze

wykorzystanie S drogich;

• stosowanie przeciwprądu materiałowego, w procesach

okresowych

umożliwia to odpowiednia praca baterii aparatów;

• stosowanie tanich i dostępnych S stanowiących źródło węgla;

• wykorzystanie produktów ubocznych i odpadowych.

• analizujemy bilanse materiałowe porównując teorię z wynikami

badań

laboratoryjnych i ½-technicznych;

• stosujemy odpowiedni nadmiar reagentów do stechiometrii;

• maksymalnie ograniczamy reakcje uboczne stosując odpowiednie

katalizatory, typy reaktorów, warunki procesu;

• stosujemy przeciwprąd materiałowy gdy występuje granica

rozdziału

faz a fazy różnią się gęstościami

duża szybkość przenikania masy, np. wieża absorpcyjna HCl,

ekstrakcja ciecz-ciecz, ługowanie ciał stałych;

• regenerujemy i zawracamy reagenty (gdy uzasadnione

ekonomicznie);

• racjonalnie wykorzystujemy produkty uboczne i odpadowe.

W myśl Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW:

Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII

Analiza racjonalnego wykorzystania energii często decyduje

o opłacalności koncepcji technologicznej.

Wykorzystuje się różne formy energii – elektryczna (różnego rodzaju

maszyny, silniki mieszadeł, sprężarek, wentylatorów, przetłaczanie

powietrza); para wodna (0,5–2,0 mPa) (czynnik grzejny, sterylizacja

aparatów i mediów); czynniki chłodzące.

Udział energii w kosztach produkcji wynosi od 10–30%.

Pamiętajmy „zimno” jest droższe od „ciepła”.

Dla porównania różnych rozwiązań wykonuje się wstępny bilans

cieplny, np. jako wykres strumieniowy Sankeya (jak bilans

materiałowy).

• wielokrotnie wykorzystujemy ciepło, wyparki wielodziałowe kolejny dział (aparat wyparny) ogrzewa się oparami

wychodzącymiz aparatu poprzedniego, wykorzystując zależność temperaturywrzenia od ciśnienia i stężenia substancji rozpuszczonej;

• odzyskujemy ciepło (wykorzystujemy ciepło strumieniodpadowych) gdy mamy ogrzać jakiś materiał, a inny materiałnależy ochłodzić, np. podgrzewa się surowiec kierowany doprocesu, gorącym produktem opuszczającym reaktor;

• stosujemy bioreaktory z systemami intensywnegonapowietrzania;

• wykorzystujemy efektywne systemy mieszania;

• stosujemy przeciwprądową wymianę ciepła;

• wykorzystujemy drobnoustroje termofilne (50–65°C);

• stosujemy właściwą izolację przewodów i aparatów.Mezofile (bakterie mezofile) – bakterie, dla których optymalna temperatura wzrostu i rozwoju mieści się w granicach od 30

°C do 40 °C. Minimalna temperatura dla tej grupy drobnoustrojów to 10 °C, a maksymalna 45 °C. Mezofilami jest

większość drobnoustrojów chorobotwórczych, dla których optymalną do rozwoju jest temperatura ludzkiego ciała.

Termofil, organizm ciepłolubny, organizm termofilny (z gr. thermós – ciepły, philéō – lubię) – ekstremofilny organizm

żyjący w środowiskach o stosunkowo wysokich temperaturach. Kryterium temperatury granicznej jest różnie określane

Zgodnie z Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII:

Sposoby odzyskiwania ciepła stosowane w procesach produkcyjnych przemysłu chemicznego

Produkty reakcji

(gorące)

Produkty

ochłodzone

Reagenty zimne

(surowiec)

Produkty

ogrzane

1

2

a)

1 – reaktory, 2 – piece rurowe,

3 – kocioł utylizator, 4 – kolumna rektyfikacyjna

b)

1

3Produkty

ochłodzone

Surowiec

Produkty

gorące

Para

Woda

kotłowa

2

Surowiec

np. ropa naftowa lub smoła węglowa

Frakcja lekka

Frakcja średnia

Frakcja ciężka

Pozostałość

4

c)

Bardzo istotne jest ograniczenie strat cieplnych do otoczenia.

Stosowanie niewielkiej różnicy temperatury pomiędzy przestrzenią

procesową a otoczeniem oraz właściwej izolacji termicznej.

Szczególnie ważne wykorzystanie ciepła reakcji egzo.

Dla reakcji egzotermicznych korzystne są duże aparaty, gdy trzeba

utrzymać wysoką temperaturę w przestrzeni reakcyjnej.

Energia wydzielana w reakcji jest proporcjonalna do objętości

aparatu, natomiast wielkość strat cieplnych jest proporcjonalna do

jego powierzchni zewnętrznej.


Bardzo istotny jest dobór względnych kierunków przepływu

strumieni, czynników wymieniających ciepło, np. współprąd.

Stosując przeciwprąd możemy ogrzać do wyższej temperatury,

nie zawsze jest to korzystne (patrz: zasada umiaru

technologicznego).

W układzie współprądowym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy

dwoma strumieniami biegnącymi w tym samym kierunku. Z

punktu widzenia wymiany ciepła jest to najmniej wydajny układ.

Charakteryzuje się stosunkowo niską średnią różnicą temperatur

(która jest siłą napędową procesu). Skutkiem tego jest większa

powierzchnia wymiany ciepła konieczna do realizacji procesu, a

co za tym idzie, większy i droższy wymiennik. Wymiennik ten jest

korzystny ze względu na rozkład naprężeń cieplnych. Ponieważ

gorący i zimny strumień wpływają do wymiennika z tej samej

strony średnia temperatura ścianki w wymienniku jest bardziej

jednorodna na całej długości. Skutkiem tego są mniejsze

naprężenia termiczne.

Bardziej efektywny jest układ przeciwprądowy. Dodatkową zaletą

tego układu jest możliwość podgrzania lub ochłodzenia strumienia

do temperatury wlotowej drugiego strumienia. Wadą jest

możliwość pojawienia się dużych naprężeń cieplnych.

TECHNICZNIE: wymiana ciepła przeponowa lub bezprzeponowa.

Ciepło produktów reakcji wykorzystuje się do podgrzania surowców

lub

do produkcji pary wodnej, a ciepło frakcji z kolumn rektyfikacyjnych

do

podgrzania surowca. zmniejszenie zużycia gazu w palnikach

pieca.

Strumienie w różnych fazach, np. gazy spalinowe ogrzewają materiał

stały

ładowany do pieca lub palnik zanurzeniowy do zatężania roztw.

wodnych.

wymiana przeponowa z czynnikiem pośrednim sposób specjalny, bhp

nie chcąc ryzykować gwałtownej reakcji czy wręcz wybuchu w

przypadku wystąpienia nieszczelności i kontaktu wody (pary wodnej)

ze związkiem podatnym na hydrolizę (chlorek tionylu, związki

metaloorganiczne)

czynnik pośredni ciecz obojętna chemicznie w stosunku do obu

strumieni wymieniających ciepło np. olej.


Koszty mieszania – fermentory przemysłowe o dużej pojemności. Dobórwłaściwych mieszadeł może zmniejszyć zużycie energii nawet o połowę wstosunku do standardowych turbin Rushtona (stosować tylko w lab gdyważny standardowe porównywalne warunki hodowli).

Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY

Opracowując koncepcję technologiczną, zawsze dążymy do jej

zrealizowania jak najmniejszym nakładem środków inwestycyjnych.

Koszty inwestycyjne obciążają koszty amortyzacji i kredytu.

Obniżenie kosztów związanych z aparaturą umożliwiają:

• skracanie cyklów produkcyjnych procesów okresowych, właściwaorganizacja (wykres Gantta), żeby najlepiej wykorzystać aparaty;

• stosowanie tam gdzie można procesów ciągłych;

• stosowanie obiegów kołowych;

• prowadzenie procesów przy wysokim stężeniu biomasydrobnoustrojów;

• stosowanie rozwiązań zapewniających intensywny ruch masy lubciepła,

w przypadkach gdy opory transportu decydują o szybkości procesu

• stosowanie (zwłaszcza w małej skali) aparatów uniwersalnych,do wytwarzania różnych produktów.


Projektowana aparatura i urządzenia powinny być jak najlepiej

wykorzystane maksymalna wydajność produktu z jednostki

objętości aparatury.

Podstawowy czynnik, który należy brać pod uwagę, to osiągnięcie

możliwie największych szybkości procesów i operacji jednostkowych w

aparatach.

Szybkość reakcji chemicznej ogranicza najmniejsza szybkość jednego

z trzech elementarnych procesów:

• właściwej przemiany chemicznej (obszar kinetyczny);

• dyfuzji reagentów (w układach niejednorodnych);

• wymiany ciepła (lub ogólnie wymiany energii).

W celu osiągnięcia dużej szybkości reakcji korzystnie jest prowadzić

proces w stanie oddalonym od równowagi (nadmiar substratów).

Nieprzereagowane surowce wydzielamy i zawracamy do procesu.Typowa metoda technologiczna, stosowana w przemyśle (np. syntezaamoniaku z azotu i wodoru).


Żeby zastosować odpowiednie rozwiązania techniczne musimy wiedziećjakie opory limitują przebieg procesu.

1. Opór kinetyczny zmniejszamy podwyższając szybkość reakcji przezzastosowanie katalizatora lub możliwie wysokiej temperatury.

2. Opór dyfuzyjny – rozwiązania konstrukcyjne i warunki, powinnyzmniejszać opory przenoszenia masy i ciepła, np. zwiększenieszybkości ruchu faz względem siebie, powierzchni zetknięcia faz,burzliwości przepływu.

3. Proces wymiany ciepła – dążymy do rozwinięcia powierzchniwymiany, zwiększenia różnicy temperatur (zgodnie z zasadąmaksymalnego wykorzystania różnic potencjałów) lub zmniejszeniaoporów wymiany (np. poprzez zwiększenie prędkości przepływów).

Osiągnięcie celu, to nie tylko problemem techniczny lecz również

organizacyjny. Dążenie do zapewnienia ciągłości pracy aparatów i

urządzeń.W procesach periodycznych zadanie polega na odpowiednim ułożeniu

harmonogramu pracy tak, aby ograniczyć do minimum przerwy w

wykorzystaniu aparatury.

W procesach ciągłych nie występują czynności charakterystyczne dla

procesu periodycznego takich jak przygotowanie aparatury,

załadunek surowców, doprowadzenie układu do warunków

procesowych, czynności końcowe i wyładunek produktu. PC mają

wiele zalet:

• brak przerw w produkcji,

• łatwość automatyzacji bo warunki stacjonarne,

• mniejsza wielkość aparatury i budynków produkcyjnych,

• łatwiejsza mechanizacja czynności.


Należy pamiętać, że o wyborze metody ciągłej lub periodycznej,

oprócz zasady najlepszego wykorzystania aparatury, decyduje cały

szereg innych czynników technologicznych i ekonomicznych.

Bardzo ważnym kryterium jest tu przewidywana wielkość produkcji.


Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO

Zasada kompromisu (złotego środka), która mówi, że zasadytechnologiczne należy stosować we wzajemnym powiązaniu, gdyż coś,co jest korzystne z jednej strony może być niekorzystne z drugiej.

Między zasadami występują sprzeczności, które mogą mieć charakterfizykochemiczny, biochemiczno-fizjologiczny lub ekonomiczny.

Znalezienie optymalnych warunków wymaga ujęcia ilościowego –opracowania modelu matematycznego, co ze względu na złożonośćprocesów biochemicznych jest trudne i często rozwiązywane w dużymprzybliżeniu i cząstkowo.


Przykład: hodowla drożdży piekarniczych

Zgodnie z Z najlepszego wykorzystania aparatury hodowlę należałoby

prowadzić w dużym stężeniu cukrów wysoka szybkość przyrostu

biomasy, ale

Wtedy występuje efekt fermentacji tlenowej znaczne obniżenie

współczynnika wydajności biomasy (R 10.4)

Zgodnie zatem z Z najlepszego wykorzystania surowców hodowlę

należałoby prowadzić przy niskim stężeniu cukrów.

W praktyce, hodowla okresowa z ciągłym dozowaniem pożywki –

automatyczna regulacja stężenia i osiąganie największej szybkości

przyrostu biomasy przy wysokiej wartości współczynnika wydajności

biomasy.


Przykład: suszenie materiałów biologicznych – takie warunki,

żeby zachować aktywność produktu.

Nie prowadzi się suszenia gorącym powietrzem z największą

szybkością

(w przeciwprądzie), ale wolniej/łagodniej (we współprądzie),

zachowując właściwości biologiczne materiału.

Przeciwprądowy ruch materiałów jest najbardziej efektywny w

suszeniu gorącymi gazami, ale gdy sucha substancja może ulegać

rozkładowi bezpieczniej jest zastosować współprąd.


Przykład: mieszanie materiałów biologicznych – takie warunki,

żeby nie zniszczyć materiału.

Mieszanie mechaniczne w bioreaktorach do hodowli tlenowych

powprawia intensyfikację szybkości absorpcji tlenu w płynie

hodowlanym,

ale

nie można stosować za dużej szybkości obrotowej ze względu na

możliwość uszkodzenia drobnoustrojów, szczególnie w odniesieniu

do komórek roślinnych i zwierzęcych bardzo wrażliwych na

naprężenia ścinające oraz w hodowli wgłębnej grzybów

mikroskopowych (pleśniowych).

Stosowana szybkość wynika z kompromisu obniżenie oporów ruchu

a ochrona komórek przed uszkodzeniami.


Przykład: sprzeczności ekonomiczne

Zasada ograniczania nakładów inwestycyjnych a Zasada najlepszego

wykorzystania potencjału biologicznego.

Układy automatyki zwiększają koszty inwestycyjne, ale pozwalają na

uzyskanie większej wydajności procesów, stabilniejszych warunków

hodowli, a także zmniejszenie kosztów robocizny.

Stosowanie maksymalnych prędkości przepływów, w celu

zwiększenia szybkości procesów przenikania ciepła i masy, powoduje

wzrost oporów

i kosztów przetłaczania płynów.

Jeśli dla określonej reakcji stała równowagi chemicznej jest duża

w niskiej temperaturze, to z kolei szybkość reakcji może być tak

mała,

że praktycznie uniemożliwi jej przebieg w racjonalnym czasie.

Przykłady:

Absorpcja gazu w cieczy połączona z reakcją silnie egzotermiczną.

Za duże rozwinięcie powierzchni kontaktu międzyfazowego jest

niekorzystne ze względu na ograniczenie możliwości odbioru

ciepła. Należy określić optymalną wielkość powierzchni tak aby

zapewnić maksymalną szybkość absorpcji w danych warunkach

odbioru ciepła.


We wszystkich podobnych przypadkach musimy szukać optymalnego

rozwiązania, zazwyczaj kompromisu pomiędzy sprzecznymi

czynnikami zarówno technologicznymi, jak i ekonomicznymi.

Jest to istotą zasady umiaru technologicznego.

Odpowiednie uwzględnienie zasad technologicznych jest zawsze

warunkiem prawidłowego zaprojektowania i późniejszej efektywnej

i ekonomicznej eksploatacji instalacji produkcyjnych przemysłu

chemicznego.


Dodatkowe informacje podstawowe

Proces produkcyjny

Całokształt czynności technicznych i organizacyjnych

wymaganych dla realizacji procesu technologicznego

w odpowiedniej instalacji.

Parametr technologiczny

Wielkość fizyczna lub fizykochemiczna określająca warunki

przebiegu procesu podstawowego.

Reżim (tok) technologiczny

Warunki prowadzenia procesu technologicznego wg

określonej koncepcji technologicznej, charakteryzowane

wartościami wszystkich parametrów technologicznych.

Zdolność produkcyjna instalacji

Maksymalna ilość produktu jaką można wytworzyć w instalacji

w jednostce czasu [kg/h] [t/m-c] [t/rok].

Stosunek ilości produktu mP do ilości surowca mS zużytego

do wytworzenia tej ilości produktu:

s

p

m

mA [kg/kg]

liczba niemianowana gdy te same jednostki lub [m3/kg], [t/m3] itp.

Wydajność bezwzględna A

Wydajność (produkcyjna) instalacji

Ilość produktu wytwarzana w instalacji w jednostce czasu

[kg/h] [t/m-c] [t/rok].

Wydajność względna (uzysk, sprawność) W

Miara doskonałości wykonania procesu – stosunek ilości

produktu otrzymanego mP do ilości produktu, którą można

otrzymać teoretycznie, maksymalnie z tej samej ilości surowca

mPmax:

maxPmax

P

A

A

m

mW

liczba niemianowana: 1 lub 100%

Wydajność względną liczy się w odniesieniu do określonego

surowca, na ogół najbardziej wartościowego i występującego w

niedomiarze stechiometrycznym w stosunku do pozostałych

surowców.

Stopień przemiany (przereagowania, konwersji) α

Ilość substratu, która przereagowała n0–n (m0–m) do ilości

wprowadzonej w tym samym czasie n0 (m0)

0

0

n

nn [mol/mol

] 0

0

m

mm [kg/kg]

gdzie: n0, m0 – ilości na początku pomiaru;n, m – ilości na końcu pomiaru.

Jeżeli substraty użyto w stosunku stechiometrycznym,

to α dla każdego substratu ma tę samą wartość; jeżeli nie,

to α zależy od tego, dla którego substratu liczymy.

Najważniejszy jest oczywiście stopień przereagowania α

liczony dla substratu występującego w niedomiarze.

Przykład:

2 RCOOH + SnO (RCOO)2Sn + H2O

%1001

01

2

02

SnORCOOH

2 RCH=CH2 + Sn + 2 HCl (RCH2CH2)2SnCl2

Nadmiar

substratu +10% +20%

83%2,4

2,4 – 0,4100%

11 – 091%

2,2====== HClSnR

2,2 – 0,2

Selektywność

Ilość pożądanego produktu, która powstała (nP – nP0)/P

do ilości substratu, która przereagowała w tym samym czasie

(nS0 – nS)/SP w złożonej przemianie chemicznej:

SPS PP

SXS XX

P

SP

0SS

0PP

v

v

nn

nn

gdzie:

S, P, X – odpowiednio surowiec, produkty pożądane

i niepożądane;

SP, SX, P,X – liczby moli w równaniach stechiometrycznych;

nS0, nP0 – początkowe ilości substratu i pożądanego

produktu [mol];

nS, nP – końcowe ilości substratu i pożądanego produktu [mol].

W oparciu o w/w oznaczenia stopień przemiany można określić jako:

0S

S0S

n

nn

oraz względną wydajność reakcji jako:

P

SP

0S

0PP

v

v

n

nn

stąd widać, że wielkości te są ze sobą powiązane zależnością:

Stopień przemiany opisuje postęp reakcji i jest związanyz określonym miejscem (w reaktorze ciągłym) czy momentemczasu (w reaktorze periodycznym),natomiast wydajność reakcji (zwana także wydajnościąsurowcową procesu) informuje o ostatecznym rezultacieprzemian.

P

SP

0SS

0PP

v

v

nn

nn

Szybkość reakcji chemicznej r

Szybkość zmiany liczby moli dowolnie wybranego reagenta w

układzie reakcyjnym, najczęściej odnosi się ją do jednostki objętości

układu reagującego

d

dn

Vr ii

1

gdzie: ni – liczba moli składnika i znajdującego się

w układzie reakcyjnym o objętości V w chwili τ

(zał. układ jednorodny)

Ludwik Synoradzki - STARTlpt.ch.pw.edu.pl/wp-content/uploads/2016/06/2-Zasady-bio... · Jak...

Documents

Transcript of Ludwik Synoradzki - STARTlpt.ch.pw.edu.pl/wp-content/uploads/2016/06/2-Zasady-bio... · Jak...