Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология проектирования биотехнологических производств. Учебное пособие.pdf
81
Рис. 3.16. К примеру 7
Для реагента на выходе из аппарата можно записать
,
причем характеризует все элементы жидкости, выходящие из реактора.
Запишем выражение в интегральной форме:
.
Для реакций первого порядка, описываемых кинетическим уравнением
и при условии неизменной плотности реакционной массы, имеем
или
.
Следовательно, уравнение
можно переписать в виде
82
Таким образом, зная распределение из экспериментально найденных или -кривых и располагая данными о кинетике изучаемого процесса, можно чис-
ленно определить степень превращения исходного вещества в реальном аппарате
для тех реакций, скорость которых выражается линейными уравнениями.
Для реакций с нелинейными кинетическими уравнениями недостаточно располагать только данными исследования реактора с неидеальным потоком жидкости
с помощью трассирующего вещества, чтобы рассчитать степень превращения ис-
ходных веществ в аппарате. Однако по уравнению
всегда мо-
жет быть вычислена верхняя или нижняя границы степени превращения в данной
системе.
Поскольку при выводе уравнения
допускалось отсутствие
взаимного смешения элементов жидкости и, следовательно, концентрация реагентов в каждой точке по ходу потока принималась максимальной, выход, рассчитанный по указанному уравнению, соответствует верхней границе степени превращения для реакции с порядком больше единицы и нижней границе ее для реакций с
порядком меньше единицы.
Модели структуры потока жидкости. Для описания характера потока внутри
реактора пользуются различными типами моделей.
Диффузионная модель. Представим себе, что поток идеального вытеснения
имеет зону осевого смешения; при этом предполагается, что в аппарате отсутствуют застойные зоны и струйный перенос жидкости (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Общий вид диффузионной модели
(поток идеального вытеснения с продольной диффузией):
а – поток идеального вытеснения; б – поток идеального вытеснения с продольной
диффузией; 1 – профиль скоростей при потоке идеального вытеснения; 2 – флуктуации
скорости потока, вызванные молекулярной или турбулентной диффузиями
83
Процесс осевого смешения жидкости в направлении оси при постоянной ин-
тенсивности перемешивания можно описать законом Фика:
,
где параметр называется эффективным коэффициентом продольного или осевого
перемешивания в потоке.
Термин «продольный», или «осевой», перенос применен, чтобы отличить смешение в направлении движения потока от смешения в поперечном или радиальном
направлении, которое условимся первоначально не учитывать. Продольное и поперечное смешение могут значительно различаться по величине; например, при протекании жидкости в трубе вследствие градиента скоростей основную роль играет
осевое смешение, в то время как радиальное смешение осуществляется только за
счет молекулярной диффузии.
В случае импульсной формы возмущения по подаче трассера в поток вытеснения с продольной диффузией решение уравнения
дает семейство -кривых. Параметром, однозначно характеризующим осевое сме-
шение, является комплекс
безразмерный параметр реактора. Значение этого
параметра изменяется от нуля для реактора идеального вытеснения до бесконечно
большого числа – для проточного реактора идеального смешения. Обратная вели-
чина параметра
аналогична эффективному критерию Пекле для массопередачи.
Графически соответствующие кривые представлены на рис. 3.18.
Для описания гидродинамики потока в данном реальном аппарате необходимо
из семейства теоретических кривых выбрать такую, которая в наибольшей степени
отвечает экспериментально найденной -кривой. После этого можно рассчитать
характеристики реактора, пользуясь значением параметра
для подобранной
теоретической кривой.
84
Рис. 3.18. -кривые, рассчитанные по диффузионной модели при различной
интенсивности перемешивания в проточном реакторе смешения:
1 – режим практически идеального вытеснения; 2 – незначительное продольное
смешение; 3 – режим идеального смешения; 4 – промежуточная величина продольного
смешения; 5 – интенсивное продольное смешение
По мере увеличения параметра
соответствующие -кривые становятся
более пологими. Теперь продемонстрируем, как пользоваться безразмерным
параметром
. Рассмотрим химичесий реактор длиной , через который жидкость
проходит с постоянной скоростью в режиме установившегося потока. Пусть в
реакторе наблюдается осевое смешение веществ с эффективным коэффициентом
диффузии , а протекающая реакция описывается уравнением
и может быть отнесена к реакциям -го порядка:
Для элементарного участка реактора (рис. 3.19) уравнение материального
баланса можно записать в виде:
– по одному из компонентов
;
85
– по компоненту
.
Выразим слагаемые последнего уравнения через количество вещества (в
моль) в единицу времени:
(3.17)
Аналогично
.
Рис. 3.19. Переменные, характеризующие процесс химического превращения
в потоке с продольным смешением:
1 – компонент , вносимый со сплошным потоком; 2 – компонент , вносимый
продольной диффузией; 3 – компонент , выносимый со сплошным потоком;
4 – компонент , выносимый продольной диффузией; 5 – поперечное сечение
элемента потока; 6 – расходование компонента в элементе потока вследствие
химической реакции; 7 – накопление компонента в элементе потока
(равно нулю в установившихся условиях)
86
Вход вещества в элемент путем продольной диффузии:
Точно так же, выход вещества из аппарата за счет продольной диффузии:
Расходование вещества в результате реакции
.
Отметим, что отличие приведенного уравнения материального баланса от
того, которое было записано для реактора с идеальным потоком жидкости, заключается в добавлении двух членов, характеризующих диффузию, поскольку вещество вносится в элементарный объем аппарата и выносится из него не только со
сплошным потоком, но и путем продольной диффузии.
Подставим перечисленные выражения в уравнение (3.17) и разделим получен-
ное выражение на произведение :
Если далее устремить , получим
Приведем это уравнение к безразмерной форме:
,
:
Переходя от концентрации к степени превращения исходного вещества, получаем
Таким образом, степень превращения вещества при прохождении его через
реактор определяется тремя безразмерными величинами: комплексом
,
характеризующим скорость реакции, безразмерным параметром
и порядком ре-
акции .
87
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
4.1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Иерархическая схема биотехнологического производства включает следующие уровни [16, 18]. Первый (нижний) уровень иерархии представляют процессы
внутри клетки, в результате которых происходит рост клетки, метаболическое превращение субстрата в целевой продукт биосинтеза. В свою очередь данный уровень
допускает и более глубокую детализацию, например описание отдельных ферментативных реакций, взаимодействия молекул фермента и субстрата и т.д.
Второй уровень иерархии составляют массообменные процессы в элементарном объеме, процессы переноса питательных веществ к клетке, отвод из нее продуктов метаболизма. Кинетическая составляющая этого уровня включает описание
динамики утилизации субстрата клеткой, скорости ее роста и образования продукта; гидродинамическая составляющая – процессы микросмешения, диспергиро-
вания, коалесценции, сегрегации, характеризующие гидродинамическую обстановку в элементарном объеме.
Третий уровень – уровень макросоставляющих элементов биотехнологического производства – включает процессы массо- и теплопередачи, гидродинамики
и, соответственно, макрокинетику роста популяции микроорганизмов в объеме
биореактора.
Элементы производства, составляющие четвертый иерархический уровень,
представлены технологическими аппаратами, в которых осуществляются типовые
процессы биотехнологии.
Пятый уровень иерархии характеризуется отдельными технологическими стадиями биотехнологического производства и включает несколько технологических
элементов – аппаратов, связанных между собой материальными и энергетическими
потоками.
Верхний шестой уровень иерархии представляет биотехнологическое производство в целом и формируется из взаимосвязанных подсистем (стадий) биотехнологического производства.
88
Проект биотехнологического производства – это комплекс технической документации, необходимый для сооружения промышленного объекта. В проект входят пояснительные записки, инженерно-технические расчеты, чертежи, технологические регламенты, сведения о поставке сырья и удалении отходов производства,
информация об организации труда, сметы на все производственные и культурнобытовые сооружения будущего предприятия.
В разработке и реализации проекта кроме проектной организации (генераль-
ный подрядчик) принимают участие специализированные предприятия: строительные, монтажные, пусконаладочные и другие, которые называются субподряд-
чиками.
Отношения между заказчиком и подрядчиками регламентируются инструкциями о порядке разработки, согласовании, утверждении и составе проектной документации на строительство предприятий, например Строительные Нормы и Правила (СНиП) 11-01-95 [19].
Отправным пунктом разработки проектной документации является утвержденное обоснование инвестиций в строительство предприятия. Это техникоэкономическое доказательство необходимости создания промышленного объекта.
Обоснование инвестиций делает заказчик, а точнее служба маркетинга организациизаказчика.
Проектная документация разрабатывается после утверждения инвестиций, как
правило, на конкурсной основе через торги подряда (тендер). В проекте детализируются принятые в обосновании инвестиций решения и уточняются основные технико-экономические показатели проектируемого объекта. Проектировщик в своей
деятельности руководствуется законодательными нормативными актами Российской Федерации и ее субъектов.
После конкурсных торгов заказчик и проектировщик заключают договор (кон-
тракт), регулирующий правовые и финансовые отношения, взаимные обязательства и ответственность сторон. Неотъемлемой частью договора является задание
на проектирование и исходные материалы.
Предварительно заказчик с проектировщиком и другими заинтересованными
организациями выбирают площадку строительства, т.е. место расположения будущего предприятия.
89
Современные биотехнологические производства отличаются многостадийностью получения целевых продуктов, сложностью технологических решений, высокой энергонасыщенностью и материалоемкостью, большой протяженностью и
сложностью трубопроводных и кабельных коммуникаций, глубокой функциональной взаимозависимостью по материальным, энергетическим и информационным
потокам отдельных стадий. Для размещения таких сложных производств, коммуникаций и всех служб возникает необходимость в создании специализированных
зданий, подземных сооружений и эстакад.
Строительство и пуск промышленных производств связаны со значительными
затратами денежных средств, материальных и трудовых ресурсов и поэтому они
должны вестись по проектам, обеспечивающим:
реализацию последних достижений науки и техники, передового отечественного и зарубежного опыта;
внедрение высокопроизводительного энергосберегающего оборудования,
установок и агрегатов большой единичной мощности;
рациональное использование природных ресурсов, комплексное использование сырья и материалов, организацию безотходной энергосберегающей технологии
производства;
автоматизацию и механизацию производственных процессов, отдельных
технологических машин и аппаратов.
В проектировании биотехнологических производств ведущая роль принадлежит биотехнологу, который выбирает метод (биотехнологию) получения продукта,
рассчитывает и выбирает оборудование, разрабатывает технологическую схему производства, выдает задания специалистам-смежникам проектной организации на
разработку общеинженерных разделов проекта (строительного, монтажного, электротехнического, КИП и А, сантехнического и т.д.), согласовывает результаты выполнения этих заданий с основными решениями по технологическому разделу. Для
координации и увязки всех разделов назначается главный инженер проекта. Он является техническим руководителем проекта в период разработки и реализации его
(авторский надзор) и несет ответственность за правильность решений, сроки выпол-
нения и технико-экономические показатели.
90
Главный
инженер
проекта
(технолог)
Экологический
Строительный
Монтажно-
технологический
Электро-
технический
КИП и А
Водопровод и
канализация
Сметный
Теплотехнический
Технико-
экономический
Технический
Генплан и
транспорт
Нестандартное
оборудование
Отопление и
вентиляция
Рис. 4.1. Схема взаимосвязей отделов
проектной организации
Взаимосвязь отделов проектной организации и главного инженера проекта
можно проиллюстрировать схемой, представленной на рис. 4.1.
Как показывает эта блок-схема, проектирование является итерационным процессом. Принятые решения при обосновании инвестиций не только уточняются, но
и могут измениться, например в процессе подготовки задания на проектирование:
обосновывается принятый метод (биотехнология) производства, уточняется ассортимент и мощность будущего промышленного объекта.
В целом методику разработки проектной документации можно иллюстрировать блок-схемой, представленной на рис. 4.2.
В свою очередь решения, принятые при подготовке задания на проектирование, корректируются при разработке проекта и рабочей документации.