ludwik synoradzki - startlpt.ch.pw.edu.pl/wp-content/uploads/2016/06/2-zasady-bio... · jak...
TRANSCRIPT
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY
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).
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY
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.
Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY
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. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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.
Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO
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)