Микробиологический синтез уксусной кислоты

Микробиологический синтез уксусной кислоты

исходный реагент

Рис. 8. Реактора со встроенным змеевиковым теплообменником

Продукт

Механическое перемешивание (наиболее распространенное в промышленности) осуществляется при помощи мешалок различного типа. Каждая мешалка представляет собой ту или иную комбинацию лопастей, насажанных на вал.

Различают следующие типы мешалок:

· лопастные

· пропеллерные

· турбинные

· специальные

Лопастные мешалки разделяются на:

1. собственно лопастные (для высоковязких сред)

2. листовые (для маловязких сред)

3. рамные

4. якорные (для высоковязких, способных налипать, сред)

5. Z - образные (применяются в резиновой промышленности для перемешивания клеев).

Пропеллерные мешалки в качестве рабочего органа имеют устройство, напоминающее гребной винт, лопасти которого укреплены на втулке, насажанной на вал. Диаметр лопастей d не должен превышать 0,2 - 0,33 диаметра корпуса D.

Окружная скорость вращения до 15 м/с.

Пропеллерные мешалки применяются для создания эмульсий, тонких суспензий и аэрозолей путем диспергирования газа в дисперсионной среде. Циркуляционные потоки жидкости приводят к образованию воронки.

Турбинные мешалки в качестве рабочего органа имеют устройство, напоминающее колесо турбины. Колеса турбинной мешалки бывают, открытыми и закрытыми. При вращении турбины создаются два циркуляционных потока (зоны) вследствие отбрасывания жидкости от колеса в радиальном направлении. Турбинные мешалки являются быстроходными 12 м/с. Они используются для перемешивания вязких жидких масс, получения эмульсий и суспензий с крупными твердыми частицами.

Для перемешивания и вязкопластичных сред используются шнековые и ленточные мешалки.

Теплообменные аппараты предназначены для передачи теплоты между различными средами. Теплообменные аппараты по назначению подразделяются на теплообменники, холодильники, конденсаторы и испарители. В теплообменниках теплота регенерируется жидкой или газообразной средами.

По роду теплоносителей в зависимости от их состояния теплообменные аппараты различаются на парожидкостные, жидкостно-жидкостные, газожидкостные, газо-газовые и парогазовые. Теплообменные аппараты по конфигурации поверхности теплообмена разделяют на трубчатые с прямыми трубками, змеевиковые, ребристые, спиральные, пластинчатые, а по компоновке ее - на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», оросительные и т.д. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменные аппараты.

Реактор - это устройство, предназначенное для проведения химического процесса.

Существует несколько классификаций реакторов, приведем, только две основные:

1. По способу отвода и подвода исходного сырья и продукта реакции:

· Реактор периодического действия,

· Реактор непрерывного действия,

· Реактор полупереодического действия,

· Реактор полунепрерывного действия.

2. По гидродинамическому режиму:

· Реактора смешения,

· Реактора вытеснения.

Реактор идеального смешения периодического действия (РИСП).

Происходит мгновенное перемешивание исходных реагентов таким образом, что их концентрации во всех точках объема одинаковы.

Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИСН).

Исходные реагенты загружаются в реактор непрерывно, продукты отводятся так же непрерывно.

Реактор идеального вытеснения (РИВ).

В РИВ реакционная масса движется в одном направлении с постоянной скоростью, без продольного и поперечного перемешивания. В виду схожести такого движения с движением поршня в цилиндре, его также называют поршневым.

При попадании на кожу, как и все кислоты, вызывает ожоги. Ее пары оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки дыхательных путей, глаз и могут повредить их.

СН3СООН широко используется при производстве ацетатов, полимерных материалов и композиций, эфиров и т.д. Данная кислота нашла свое применение и в пищевой, текстильной промышленности. Большое значение имеют производные данного соединения.

3.1 Алгоритм расчета

1. Конечная концентрация реагирующего компонента А.

Са к = Са 0 (1 - Ха к)

2. Численное дифференцирование интегральной и кинетической кривой.

Vr = ДCa / Дф

3. Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения.

фсм = (Са 0 - Са к) / Vrк

4. Объем реакционной массы.

Vp = qvфсм / 3600

6. Тепловая мощность реактора.

7.

Q = qv [qt Са 0 Ха к - Cp с (tk - tн)] / 3600

6. Расход хладагента

Gw = 3600 * Q / [Gw (twk - tw)]

7. Диаметр реактора

Da = 3vVр

8. Высота стенки

На ? Da

9. Площадь смоченной стенки.

Fc = р На Da

10. Площадь элиптического днища.

FD = 1.35 Da2

11. Общая смоченная поверхность.

Fa = Fc + FD

12. Средняя движущая сила.

Дtc = (twk - twн) / ln [(tk - twн) / (tk - twk)]

13. Средняя температура хладагента в режиме вытеснения.

txc = tk - Дtc

14. Вязкость реакционной массы при средней температуре.

м = м0 e-вtk

15. Вязкость хладагента.

мw = мw0 e-вx t kc

16. Коэффициент Ренольдса в аппарате с мешалкой.

Re = сwDм , где Dм = d0t * Dа

17. Коэффициент Прандтля в аппарате с мешалкой.

Pr = 1000 Ср м / л

18. Объемный расход воды.

Qw = Gw / 3600 сw

19. Средняя скорость воды.

Vx = Qw / Sp

20. Коэффициент Ренольдса для хладагента в рубашке.

Reх = Vxdэсw / мw

21. Коэффициент Прандтля для хладагента в рубашке.

Prх = 1000Cw мw / лw

22. Коэффициент Нуссельта для аппарата с мешалкой.

Nu = 0.36 Re0.67 Pr0.33 (Pr/ Pr ст)0,14(Dм/ Da)

23. Коэффициент теплоотдачи

б = Nuл / Dм

24. Удельная тепловая мощность реакционной массы.

qг = б(tx - x)

25. Температура ржавчины со стороны воды.

tw = х - qг(rc + дc/лc)

26. Коэффициент Нуссельта для хладагента в рубашке.

Nuх = 0,037 Reх0,8 Prх0,4 (Pr/ Pr ст)0,25, если Re > 5*105

27. Коэффициент теплоотдачи воды.

бх = Nuхлх / Dэ, где Dэ = 2др

28. Удельная тепловая мощность от стенки к воде.

qx = бx(tw - txc)

29. Средняя удельная тепловая мощность.

qc = (qx + qг)/2

30. Необходимая поверхность теплопередачи.

F = 1000 Q/qc

31. Необходимая высота рубашки, если F < Fc, то

Hp = f/ рDa

32. Коэффициент теплопередачи.

Кt = qc / Дtc.

Рис. 9. Схема экзотермического реактора идеального смешения.

3 4 qk, Ca 0, tн

1 - корпус реактора,

2 - рубашка,

3 - крышка реактора,

4 - мешалка.

Gx, twн 1

2

qv, Ca k, tk

Таблица 2.3.2 Таблица идентификаторов программы «Ирис»

Таблица 3. - Зависимость концентрации компонента А от времени. (Рис. 10.)

Таблица 4 - Зависимость средней концентрации компонента А от средней скорости реакции в дифференциальной кинетической кривой

В данной работе был произведен расчет реактора идеального смешения с рубашечным теплообменником. Мы получили основные технологические параметры и геометрические размеры, такие как высота цилиндрической части аппарата равная 3,48 м, диаметр аппарата 3,48 м, диаметр мешалки 1,04 м и высота рубашки равная 3,48 м. Также была изображена схема реактора, построены: график дифференциальной кинетической кривой, график изменения температуры реакционной массы и хладагента вдоль поверхности рубашки и график изменения температуры реакционной массы и хладагента поперек стенки рубашки.

И все же основной целью являлся расчет реактора идеального смешения со змеевиковым погружным теплообменником. Из-за примерной схожести расчетных параметров рубашечного и змеевикового теплообменников, придется досчитать некоторые параметры, такие как длинна, внутренний диаметр и высота змеевика.

Длинна змеевика

L = F/рdср = 1,72/(3,14*0,0275) = 19,9 м.

dср = dв + д = 0.025 + 0.025 = 0.0275 м.

Внутренний диаметр змеевика в аппарате

Dв = 0.7*Da = 0.7 * 3.48 = 2.436 м.

Высота змеевика

hв = L/рDв = 19.9/(3.14*2.436) = 2.6 м.

Таким образом, основные параметры реактора идеального смешения с погружным змеевиковым теплообменником можно представить так

· высота цилиндрической части аппарата 3,48 м,

· диаметр аппарата 3,48 м,

· диаметр мешалки 1,04 м,

· длинна змеевика 19,9 м,

· внутренний диаметр змеевика в аппарате 2,44 м,

· высота змеевика 2,6 м.

4. Термодинамический анализ основной реакции

4.1 Исходные данные

Уравнение реакции: С2Н5ОН + О2 СН3СООН + Н2О

Температурный интервал 10 ч 60єC (283 ч 333 К)

Шаг изменения температуры 10єC

Таблица 5. Исходные данные

4.2. расчет термодинамических функций.

1) Расчет аналитической зависимости :

, = 19,4

, = -36,3

, = 14,2

, = 1,5

, = - 0,41

2) Расчет аналитической зависимости :

= - 439 (кДж/моль).

;

= - 439077,993 (Дж/моль);

= - 439026,14 (Дж/моль);

= - 438973,79 (Дж/моль);

= - 438921,22 (Дж/моль);

= - 438868,69 (Дж/моль);

= - 438816,4 (Дж/моль);

3) Расчет аналитической зависимости :

= - 16,3

;

,

= - 17,06;

= - 16,54;

= - 16,05 ;

= - 15,59 ;

= - 15,16 ;

= - 14,77 ;

4) Расчет зависимости :

, = - 434250,01 (Дж);

, = - 434180 (Дж);

, = - 434110,64 (Дж);

, = - 434041,55 (Дж);

, = - 433972,01 (Дж);

, = - 433897,99 (Дж);

5) Расчет зависимости :

< = > ,

= 184,56 KP (283) = 1,42*1080

= 178,24 KP (293) = 2,56*1077

= 172,33 KP (303) = 6,95*1074

= 166,79 KP (313) = 2,73*1072

= 161,60 KP (323) = 1,52*1070

= 156,72 KP (333) = 1,16*1068

6) Построение таблицы по результатам расчета:

Таблица 6. Результатам расчета

7) Выводы сделанные на основании термодинамического расчета.

Реакция экзотермическая, так как значение энтальпии на всем отрезке температур отрицательно. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье, повышение температуры сдвигает равновесие в сторону образования исходных веществ.

Так же, в соответствии с принципом Ле Шателье, изменение давления сдвигает равновесие реакции в сторону образования продуктов реакции.

Равновесие реакции можно сдвинуть, вправо применив избыток спирта (увеличив подачу кислорода), или же постоянно удалять один из продуктов реакции - воду или уксусную кислоту.

Так как тепловой эффект реакции значительный, то необходимо выбрать реактор с каким-либо охлаждением. Таким образом, можно выбрать реактор, используемый в последнем, рассмотренном, в литературном обзоре, методе получение уксусной кислоты - проточное культивирование. В данном методе используется реактор с внутренним теплообменном, т.е. реактор со встроенным змеевиковым теплообменником.

Так же нужно указать, что данный термодинамический расчет выполнен для реакции описывающей приблизительно процесс синтеза уксусной кислоты, так как сам микробиологический процесс на много сложнее и его описание представляет довольно большие трудности, связанные с большим количеством стадий проходящих биологических процессов. Отсюда можно сказать, что данный расчет не имеет особого практического интереса для данной работы.

5. Материальный баланс стадии синтеза

5.1 Исходные данные

Основная реакция:

СН3CH2ОН + О2 > СН3СООН + Н2О

(А) (В) (С) (Д)

Таблица 7. - Исходные данные

5.2. Расчет.

1) Практическая производительность реактора:

,

= 0,035 (кмоль/ч).

2) Состав исходной смеси: этанол и кислород.

Количество подаваемого этанола:

, = 0,035 (кмоль/ч).

- с учетом технологического выхода:

= 0,0389 (кмоль/ч).

- с учетом селективности:

= 0,0458 (кмоль/ч).

- с учетом степени превращения:

= 0,05518 (кмоль/ч) = 2,538 (кг/ч).

Количество непрореагировавшего этанола:

, = 0,0098 (кмоль/ч) = 0,5315 (кг/ч).

Количество подаваемого кислорода:

, = 0,1416 (кмоль/ч) = 4,531 (кг/ч).

Количество кислорода пошедшего на реакцию:

, = 0,0389 (кмоль/ч).

Количество кислорода непрореагировавшего:

, = 0,109 (кмоль/ч) = 3,386 (кг/ч).

3) Конечная смесь имеет состав: этанол, кислород, уксусная кислота, вода.

Количество этанола и кислорода считать здесь не имеет смысла, так как они были посчитаны, как непрореагировавшие, выше.

Количество образовавшейся уксусной кислоты:

= 0,0389 (кмоль/ч).

Количество образовавшейся воды:

, = 0,0389 (кмоль/ч) = 0,7 (кг/ч).

Таблица 8. - Результаты расчета материального баланса.

5) Выводы расчетов материального баланса.

· практическая производительность реактора - 0,0389 кмоль/ч;

· технологические потери продукта - 0,0039 кмоль/ч;

· материальные потоки исходных веществ и продуктов реакции сведены в табл. 8.

· В данной работе материальный баланс не имеет никакого практического интереса по причине, того, что расчет произведен для основной реакции микробиологического синтеза уксусной кислоты, которая имеет очень сложный вид, связанный с прохождением биологических процессов.

6. Тепловой баланс стадии синтеза

6.1. Исходные данные

Таблица 9. - Исходные данные

Температура исходных реагентов…………….10єC = 283 К

Температура конечных продуктов……………30єC = 303 К

Тепловые потери от прихода тепла…………..….4%

6.2 Расчет

1) Теплоемкость исходных веществ:

,

=

= 63,19 ;

= 29,37 ;

Средняя мольная теплоемкость исходных реагентов:

,

где Ni - процентное содержание i - го компонента в мольном потоке (в приходе)

= 38,86 .

2) Количество теплоты, вносимое с исходными реагентами:

, = 2164,28 (кДж/ч).

3) Расчет теплоты химической реакции:

,

Исх.: = 234,6 * 55,2 = 12949,92 (кДж/ч);

= 0 * 141,6 = 0 (кДж/ч)

Пр.: = 234,6 * 9,8 = 2299,08 (кДж/ч);

= 0 * 109 = 0 (кДж/ч);

= 431,8 * 38,9 = 16797,02 (кДж/ч);

= 241,8 * 38,9 = 9406,02 (кДж/ч);

= 12949,92 (кДж/ч);

= 2299,08 + 0 + 16797,02 + 9406,02 = 28502,12 (кДж/ч);

= 28502,12 - 12949,92 = 15552,2 (кДж/ч).

4) Теплоемкость продуктов реакции

5) =

= 66,19 ;

= 29,42;

=

= 67,26 ;

=

= 33,63 ;

Средняя мольная теплоемкость продуктов реакции:

=39,57 .

6) Количество тепла, выносимого с продуктами реакции:

, = 2357,18 (кДж/ч).

7) Количество тепла, расходуемого на нагревание смеси:

,

= 152,95 (кДж/ч).

8) Количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при фазовых передах веществ:

.

Так как в интервале температур 10…30єC вещества не изменяют своего фазового состояния , то 0

9) Приход тепла:

, 17716,48 (кДж/ч).

10) Потери тепла:

, QПОТ = 0,04 * 17716,48 = 708,66 (кДж/ч).

11) Расход тепла:

,

= 3218,79 (кДж/ч).

12) Тепловая нагрузка на реактор:

, QF = 3218.79 - 17716.48 = -14497,7 (кДж/ч).

12) Построение таблицы по результатам расчета материального баланса.

Таблица 10. - Результаты

13) Выводы расчетов теплового баланса.

· тепловые потоки на входе в реактор (ПРИХОД тепла) - 17716,48 кДж/ч;

· тепловые потоки на выходе из реактора (РАСХОД тепла) - 3218,79 кДж/ч;

· тепловые потери - 708,66 кДж/ч;

· тепловая нагрузка на реактор - 14497,7 кДж/ч;

· основные тепловые потоки сведены в табл. 10.

· В данной работе тепловой баланс не имеет никакого практического интереса по причине, того, что расчет произведен для основной реакции микробиологического синтеза уксусной кислоты, которая имеет очень сложный вид, связанный с прохождением биологических процессов.

Выводы

Данная работа содержит несколько разделов, основным из которых является литературный обзор. В нем описываются основные методы получения уксусной кислоты микробиологическим синтезом. Так же в этом разделе представлено: химизм процесса микробиологического синтеза уксусной кислоты, стадии подготовки исходного сырья, стадии очистки готового продукта, продуценты уксусной кислоты, применение и вредители уксуса. В ходе описания основных методов получения уксусной кислоты, был выбран один метод, который рассматривается как основной для данной работы. Это метод «проточного культивирования». Он наиболее выгоден, так как выход продукта составляет 90% и более; процесс идет с более полной степенью превращения исходного сырья; существует возможность увеличения объема получаемого продукта, добавлением этилового спирта непосредственно во время процесса, во второй, в третий, четвертый и пятый аппараты установки; снижаются затраты на производство, так как основная часть уксуснокислых бактерий получается в первом аппарате, а в остальных идет, по большей части, окисление этилового спирта в уксусную кислоту и поддержание процессов жизнедеятельности уксуснокислых бактерий. Также, данный метод был выбран и потому, что он разработан сравнительно не давно и является достаточно перспективным.

Следующий раздел работы это «технологическая схема микробиологического синтеза уксусной кислоты». Соответственно в нем имеется описание технологической схемы, сама схема на которой указаны все материальные потоки и обозначены все аппараты, участвующие в процессе синтеза.

Затем идут такие разделы работы, как «расчет модели реактора на ЭВМ», в котором представлен расчет ферментера на ЭВМ, здесь рассчитаны основные параметры аппарата; «термодинамический расчет основной реакции», «материальный баланс стадии синтеза» и «тепловой баланс стадии синтеза».

Последние три раздела данной работы не представляют особого интереса, так как они связаны с химизмом процесса, а в данном случае химизм процесса микробиологического синтеза уксусной кислоты достаточно сложен из-за того, что это биологический процесс и имеет многостадийность. В данной же работе расчет в последних трех разделах проводился по упрощенной реакции, не учитывая промежуточных стадий.

Список использованной литературы

1. Биотехнология: Принципы и применение: учеб. пособ./ Г. Бич, Д. Бест, К. Брайерли [и др.]; Под ред. И. Хиггинса и др.; Перевод с англ. А.С. Антонова; Под ред. А.А. Баева. - М.: Мир, 1988. - 479 с.

2. Воробьева, Л.И. Промышленная микробиология: учебник/ Л.И. Воробьева. - М.: Знание, 1985. - 64 с.

3. Уэбб, Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез: учебник/ Ф. Уэбб. - перевод с англ. П.Е. Швалева. - М.: Медицина, 1969.

4. Яковлев, В.И. Технология микробиологического синтеза: [Учеб. Пособие для сред. ПТУ]/ В.И. Яковлев. - Л.: Химия. Ленинград. отд - ние, 1987. - 271 с.

5. Мюллер, Г. Микробиология пищевых продуктов растительного происхождения: учебник/ Г. Мюллер, П. Литц, Г.Д. Мюнх. - Перевод с нем. А.М. Калашниковой; Под ред. И.М. Грачевой. - М.: Пищевая пром - сть, 1977.

6. Мосичев, М.С. Общая технология микробиологических производств: учебник /М.С. Мосичев, А.А. Складнеев, В.Б. Котов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 264с.

7. Кустова, Н. Уксус. Что это такое и как его делают/ Н. Кустова// Наука и жизнь. - 2002. - № 7. - С. 108 - 111.

8. Промышленная микробиология.

9. Справочник нефтехимика/ Под ред. С. К. Огородникова. Том 1. - Л.: Химия, 1978.

10. Содержание и порядок оформления самостоятельной (курсовой) работы.// Ю. В. Попов, Г. М. Бутов, Т. К. Корчагин, К. Ф. Красильникова. - ВолгГТУ, Волгоград, 1996.

11. Сборник задач к практическим занятиям по курсу «Основы инженерной химии»: Учеб. Пособие / Г. М. Бутов, К. Ф. Красильникова, Т. К. Корчагин и др. - ВолгГТУ, Волгоград, 2000

12. А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. -784с.

13. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под редакцией П.Г.Романкова. Л.: Химия, 1976. - 576с.

14. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник. Изд. 2-е испр. и доп./ В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. - Л.: Химия, 1978. - 392с.

15. Петров, А.А. Органическая химия: Учебник для вузов./ А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко; Под ред. Стадничука М.Д. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Иван Федоров, 2002. - 624с.

Страницы: 1, 2