Бакалаврская работа на тему:

Сырьем для современных способов быстрого уксусного брожения служит в настоящее время почти исключительно дешевый спирт, который обычно поступает из спиртовой промышленности (картофельный или зерновой), однако может применяться и синтетический этиловый спирт. Он применяется в виде водного раствора с концентрацией 4—11% об. Так как уксуснокислые бактерии не могут размножаться в чистом водно-спиртовом растворе, добавляются в качестве органических углеводных источников мелассы тростниковый сахар или глюкоза, в качестве неорганических питательных солей — фосфат аммония и калия, сульфат магния, а в качестве микроэлементов— ионы марганца. В качестве биологически активного вещества служит солодовый или дрожжевой экстракт [3, 5].

1.6.2. Быстрый способ уксусного брожения

Рис. 2. Аппарат Фрингса: 1 – корпус; 2 – ложное перфорированное днище; 3 – слой буковых стружек; 4 – циркуляционный насос; 5 – змеевик системы термостатирования; 6 – распределительное устройство.

Генераторы Фрингса, также могут быть изготовлены из древесины (рис. 3.). Как правило, это древесина лиственницы или дуба. Они работают с выходом этилового спирта до 80—95% от теоретически возможного. Из затора с 11% об. спирта и 8 г уксусной кислоты на 1 л образуется уксус со 107 г уксусной кислоты и 0,3% спирта. Уксус из сборной емкости у днища генератора отводится в танк и выдерживается [2, 5].

Но и у этого метода есть существенные недостатки, главным из которых размер аппарата. В начале шестидесятых годов 20 века появилась технология, при которой уксуснокислые бактерии стали культивировать в специальных аппаратах – ферментерах в жидкости, - так называемый метод периодического глубинного культивирования [7].

1.6.3 Глубинный способ с использованием ацетатора

Краткое описание свойств уксусной кислоты и ее констант.

Уксусная кислота СН3СООН – является типичным представителем органических кислород содержащих кислот. Она является бесцветной прозрачной жидкостью, более вязкой, чем вода (1,22 мПа*С) с характерным резким запахом. Данная кислота имеет плотность 1,05 г/см3 при 20 0С, поверхностное натяжение 27,8*103 Н/м, теплоемкость 0,49 ккал/кг*0С. СН3СООН смешивается в любых соотношениях с водой, эфиром благодаря своей природе и способности диссоциировать на ионы. Она хорошо растворяет серу, фосфор, галлоидоводороды. Безводная уксусная кислота (ледяная) является хорошим растворителем для многих органических соединений, но может вступать с ними в химическое взаимодействие и соответственно изменять их свойства.

СН3СООН является устойчивым к действию температур соединением: в газообразном состоянии она не разлагается при температуре около 400 0С. Имеет теплоту сгорания 3490 ккал/кг.

Уксусная кислота с химической точки зрения является типичной органической кислотой с соответствующими свойствами. Она реагирует с основаниями, спиртами, аминами. Вступает в реакции замещения атома водорода в СН3-группе на галоген, может образовывать ангидриды как внутри, так и межмолекулярные.

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= ΔCa/ Δτ

3. Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения.

τсм = (Са 0 - Са к) / Vrк

4. Объем реакционной массы.

Vp= qvτсм / 3600

6. Тепловая мощность реактора.

7.

Q= qv[qtСа 0 Ха к – Cpρ (tk– tн)] / 3600

6. Расход хладагента

Gw= 3600 * Q/ [Gw(twk– tw)]

7. Диаметр реактора

Da= 3√Vр

8. Высота стенки

На ≈ Da

9. Площадь смоченной стенки.

Fc= πНа Da

10. Площадь элиптического днища.

FD= 1.35 Da2

11. Общая смоченная поверхность.

Fa= Fc+ FD

12. Средняя движущая сила.

Δtc= (twk– twн) / ln[(tk- twн) / (tk- twk)]

13. Средняя температура хладагента в режиме вытеснения.

txc= tk- Δtc

14. Вязкость реакционной массы при средней температуре.

μ = μ0 e-βtk

15. Вязкость хладагента.

μw= μw0 e-βxtkc

16. Коэффициент Ренольдса в аппарате с мешалкой.

Re= ρwDм , где Dм = d0t* Dа

17. Коэффициент Прандтля в аппарате с мешалкой.

Pr= 1000 Ср μ / λ

18. Объемный расход воды.

Qw= Gw/ 3600 ρw

19. Средняя скорость воды.

Vx= Qw/ Sp

20. Коэффициент Ренольдса для хладагента в рубашке.

Reх = Vxdэρw/ μw

21. Коэффициент Прандтля для хладагента в рубашке.

Prх = 1000Cwμw/ λw

22. Коэффициент Нуссельта для аппарата с мешалкой.

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

23. Коэффициент теплоотдачи

α = Nuλ/ Dм

24. Удельная тепловая мощность реакционной массы.

qг = α(tx– x)

25. Температура ржавчины со стороны воды.

tw= х - qг(rc+ δc/λc)

26. Коэффициент Нуссельта для хладагента в рубашке.

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

27. Коэффициент теплоотдачи воды.

αх = Nuхλх / Dэ, где Dэ = 2δр

28. Удельная тепловая мощность от стенки к воде.

qx= αx(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/ πDa

32. Коэффициент теплопередачи.

Кt= qc/ Δtc.

Рис. 9. Схема экзотермического реактора идеального смешения.

3 4 q_k , C_{a 0} , t_н

1 – корпус реактора,

2 – рубашка,

3 – крышка реактора,

4 – мешалка.

G_x , t_{w н} 1

2

q_v , C_{a k} , t_k

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/πdср = 1,72/(3,14*0,0275) = 19,9 м.

dср = dв + δ= 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/πDв = 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 ÷ 60ºC(283 ÷ 333 К)

Шаг изменения температуры 10ºC

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

Т, К	, Дж/моль	, Дж/К	,Дж	lnKP	KP
283	- 439077,993	- 17,06	- 434250,01	184,56	1,42*1080
293	- 439026,14	- 16,54	- 434180	178,24	2,56*1077
303	- 438973,79	- 16,05	- 434110,64	172,33	6,95*1074
313	- 438921,22	- 15,59	- 434041,55	166,79	2,73*1072
323	- 438868,69	- 15,16	- 433972,01	161,60	1,52*1070
333	- 438816,4	- 14,77	- 433897,99	156,72	1,16*1068

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…………….10ºC= 283 К

Температура конечных продуктов……………30ºC= 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…30ºCвещества 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

Приход			Расход
Qi	кДж/ч	%	Qi	кДж/ч	%
QРЕАГ	2164.28	12.22	QПР	2357.18	13.31
QR	15552.2	87.78	QНАГР.СМ	152.95	0.86
QПОТ	708.66	4.00
QF	14497.7	81.83
	17716.48	100.00		17716.48	100.00

13) Выводы расчетов теплового баланса.

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

·тепловые потоки на выходе из реактора (РАСХОД тепла) – 3218,79кДж/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.

содержание   ..  532  533  534   ..