Расчет пфр: Пример расчета страховых взносов в ПФР — Контур.Экстерн

Содержание

Индивидуальный лицевой счет в ПФР – отвечаем на самые актуальные вопросы – Администрация Янегского сельского поселения

Главная » Новости » Индивидуальный лицевой счет в ПФР – отвечаем на самые актуальные вопросы

Вопрос: После назначения пенсии в сведениях о состоянии индивидуального лицевого счета «исчезли» все данные о стаже, взносах и размер ИПК.

Как получить справку о стаже, учтенном при исчислении размера пенсии?

Ответ: Данные Сведения (форма СЗИ-6) служат исключительно для целей информирования застрахованных лиц об их пенсионных правах (в том числе, о наличии соответствующих сведений на индивидуальном лицевом счете).

У лиц, уже являющихся получателями пенсий, при формировании Сведений по форме СЗИ-6 в Разделе 2 «Сведения (пенсионные права застрахованного лица), на основании которых рассчитана величина индивидуального пенсионного коэффициента за периоды до 2015 года» не заполняются.

В Разделе 1 «Сведения о величине индивидуального пенсионного коэффициента (ИПК) и его составляющих» Сведений по форме СЗИ-6 указываются только сведения о страховых взносах, не включенных в ИПК при назначении пенсии или при последнем перерасчете страховой пенсии (при наличии таких сведений).

Информация о стаже и страховых взносах за 2017 год отсутствует, поскольку эти данные уже учтены при исчислении ИПК для расчета размера пенсии по состоянию на 01.08.2018.

Получить информацию о периодах и величине стажа, заработной плате, страховых взносах, учтенных при исчислении размера страховой пенсии, можно обратившись в территориальное Управление ПФР по месту нахождения выплатного (пенсионного) дела с соответствующим заявлением.

Вопрос: В сведениях о состоянии индивидуального лицевого счета отсутствует информация о стаже за 2018 год (указана только сумма страховых взносов).

Ответ: Сведения о периодах деятельности в течение отчетного периода на каждого работающего у него застрахованного лица страхователь представляет в органы Пенсионного фонда Российской Федерации по месту регистрации не позднее 1 марта года, следующего за отчетным годом.

Таким образом, сведения о продолжительности периода работы в 2018 году будут отражены на индивидуальном лицевом счете после 01. 03.2019 года.

Вопрос: Запросил Сведения о состоянии индивидуального лицевого счета. Почему уменьшились ИПК и стаж работы?

Ответ: Пенсионным фондом Российской Федерации в программно-техническом комплексе могут проводиться технологические работы, что приводит к некорректному отображению данных в «Сведениях о состоянии индивидуального лицевого счета» по форме СЗИ-6.

Рекомендуем Вам сформировать Сведения по форме СЗИ-6 позже.

Обращаем Ваше внимание, что Сведения по форме СЗИ-6 служат исключительно для целей информирования застрахованных лиц. Оценка пенсионных прав граждан при назначении и расчете застрахованному лицу пенсии производится территориальным Управлением ПФР на основе всестороннего, полного и объективного рассмотрения всех документов, имеющихся в его распоряжении, а также сведений, содержащихся на индивидуальном лицевом счете застрахованного лица на момент назначения пенсии.

Вопрос: В Сведениях о состоянии индивидуального лицевого счета нет данных о работе (службе в армии), учебе. Как занести эти сведения?

Ответ: Для дополнения (уточнения) сведений индивидуального (персонифицированного) учета за периоды до даты регистрации в системе обязательного пенсионного страхования, Вам необходимо обратиться в территориальное (районное) Управление ПФР по месту жительства (или работы), представив лично или через своего работодателя паспорт, СНИЛС и подтверждающие стаж документы (трудовую книжку и другие документы о стаже, документы об учебе, документы о службе в армии, свидетельства о рождении детей).

При отсутствии сведений о каких-либо периодах работы после даты регистрации в системе обязательного пенсионного страхования (дата оформления СНИЛС) и по вопросу отсутствия страховых взносов за периоды после 01.01.2002 гражданам необходимо обращаться к работодателю.

Обращаем Ваше внимание, что в Сведениях о состоянии индивидуального лицевого счета застрахованного лица (форма СЗИ-6) периоды обучения не отражаются. Данная форма служит исключительно для целей информирования застрахованных лиц об их пенсионных правах. Оценка пенсионных прав граждан при назначении и расчете пенсии производится территориальным Управлением ПФР на основе всестороннего, полного и объективного рассмотрения всех документов, имеющихся в его распоряжении (в том числе дополнительно представленных гражданином документов личного хранения), а также сведений, содержащихся на индивидуальном лицевом счете застрахованного лица на момент назначения пенсии.

Калькулятор фиксированного платежа ИП в ПФР: налоги и вычеты

В калькуляторе, для расчета взносов в ПФР, первый день (день регистрации) включается в расчет. Данный калькулятор позволяет произвести расчет страховых взносов в ПФР в 2014, для расчета нужно указать возраст и даты, за которые необходим расчет. ИП на УСН (доходы 6%), могут уменьшить налог: на сумму фиксированного взноса ИП, страховых взносов в ПФР на работников и сумму больничных пособий. Эти вычеты разрешено сделать только из того, что вы перечислили в пенсионный фонд до уплаты налога.

Платеж за год может быть использован: за 1 квартал — не более 1/4, за полугодие — не более 1/2, за 9 месяцев — не более 3/4 годовой суммы взносов, за год — всю сумму страховых взносов ИП.

ИП на УСН (доходы -расходы 15%), уменьшать налог не могут, но могут учесть платежи в составе расходов. С 2012 года ИП не производящие выплат другим физ.лицам (не работодатели), могут уменьшать налог УСН (доходы) на всю сумму страховых взносов (на 100%) уплачиваемых за себя. Ранее было не более 50%.  При этом сумма налога (авансовых платежей) не может быть уменьшена более чем на 50%. За 1 квартал — не более чем 1/4 всей суммы годовых страховых взносов ИП.

КБК

Для платежей с 2013 года:

  • В ПФР на страховую часть(КБК — 3921 02 02100 06 1000 160)
  • В ПФР на накопительную (КБК — 3921 02 02110 06 1000 160)
  • В ТФОМС: (КБК — 3921 02 02101 08 1012 160)(для платежей, до 2012 года)
  • В ФФОМС: (КБК — 3921 02 02101 08 1011 160)(новый с 2012 года(и для платежей до 2013 года теперь он тоже)(с 2012 платим только ФФОМС))

Для платежей с 2014 года: С 2014 года в ПФР платится одной платежкой и на страховую и на накопительную — КБК — 3921 02 02140 06 1000 160(ст. 22.2 № 167-ФЗ). в ФФОМС: (КБК — 3921 02 02101 08 1011 160)(новый с 2012 года(и для платежей до 2012 года теперь он тоже)(с 2012 платим только ФФОМС)).

Законопроект 2013

Законопроект № 143350-6 предполагает поднятие фиксированного платежа ИП до 35 664,66 р. в 2013 году(при МРОТ — 5205). Фиксированный размер страхового взноса в 2013 году по обязательному пенсионному страхованию рассчитывается следующим образом: 2 х МРОТ х тариф страховых взносов х 12. Для расчета взносов в ФОМС будет браться один МРОТ. Президент РФ пообещал что в 2014 году взносы будут снижены.

Юрий Муранов

Главный редактор #ВЗО. Работает на сайте с момента основания. Через Юрия проходят все тексты перед размещением на сайте. Быстро вникает в темы, на которые пишут авторы, включая финансовую, и следит за качеством публикуемых материалов.

[email protected]

(19 оценок, среднее: 4.8 из 5)

Пенсионерам положены дополнительные выплаты за «советский» стаж

Людям, у которых есть «советский» стаж, при назначении пенсии за эти трудовые годы устанавливаются дополнительные проценты к пенсионному расчетному капиталу.

Об этом сообщает Пенсионный фонд России по Новосибирской области.

Процесс «валоризации» (установление дополнительных коэффициентов при расчете пенсии за стаж до 2002 года) начался с 1 января 2010 года. Валоризация специалистами ПФР была произведена в отношении всех «действующих» на тот момент пенсионеров. Но она касается и тех, кто сейчас достиг пенсионного возраста, оформляет страховую пенсию и имеет «советский» стаж.

Валоризация подразумевает увеличение расчетного пенсионного капитала (он рассчитывается путем оценки пенсионных прав) на 10% всем, у кого есть трудовой стаж до 2002 года, а также дополнительно по 1% за каждый год стажа до 1991 года. Например, если у человека продолжительность стажа до 1 января 1991 года составляет 15 лет, то сумма валоризации составит 25% величины расчетного пенсионного капитала (10% + 15%).

Специалисты Пенсионного фонда делают расчет самостоятельно на основании документов, имеющихся в распоряжении ПФР, которые представлены работодателями. При этом никаких ограничений по учету «советского» стажа нет – учитывается ВЕСЬ трудовой стаж. Механизм валоризации применяется ко всем страховым пенсиям, независимо от вида.

«Информация о трудовом стаже поступает в Пенсионный фонд от работодателей. Вы можете проверить, добросовестно ли Ваши работодатели представляли сведения в ПФР, ознакомившись со своим «пенсионным» счетом. Для этого достаточно зайти в Личный кабинет на сайте ПФР или заказать выписку из лицевого счета на портале госуслуг. Там Вы увидите не только периоды трудового стажа, но и отчисления страхователей за Вас в рамках обязательного пенсионного страхования
», – говорится в сообщении Пенсионного фонда России по Новосибирской области.

Если вы, проверяя свой пенсионный счет, обнаружили, что работодатель представил на вас сведения не в полном объеме, Вы можете скорректировать эти сведения, обратившись за данными к работодателю. Потом эти сведения необходимо представить в ПФР для внесения в Ваш лицевой счет. Подтверждающими документами также может служить трудовая книжка, трудовые договоры, справки из архивов и так далее. При необходимости специалисты ПФР помогут осуществить необходимые запросы, особенно в тех случаях, если речь идет о трудовых периодах до 2002 года.

Лучше воспользоваться этим советом до наступления пенсионного возраста, чтобы к моменту выхода на пенсию у специалистов ПФР были все необходимые для установления Вам пенсии данные, в том числе и по «советскому» стажу.

Верховный суд отказался считать срок давности от постановления КС

Индивидуальный предприниматель Алексей Канищев уплатил страховые взносы за 2014 год без учета произведенных расходов, связанных с извлечением доходов. В августе 2018 года он обратился в ПФР с заявлением о возврате переплаты, но ему отказали.

В ноябре 2019 года Канищев обратился в суд (дело № А50-36354/2019). Предприниматель настаивал, что узнал о своем праве на возврат переплаты только в декабре 2016 года. Тогда Конституционный суд вынес свое постановление № 27-П, в котором указал на необходимость при расчете доходов в целях исчисления страховых взносов учитывать, что ИП вправе получить профессиональный налоговый вычет в сумме фактически произведенных расходов от осуществления предпринимательской деятельности.

Процесс

Суды решили, что о наличии спорной переплаты страховых взносов предприниматель мог узнать не раньше момента официального опубликования постановления КС. А значит, он не пропустил трехлетний срок на обращение в суд. Три инстанции вернули Канищеву переплату.

Верховный суд признал их выводы неправомерными. Экономколлегия напомнила, что КС в своем постановлении не признал нормы права неконституционными, а лишь дал им толкование и установил их конституционно-правовой смысл. 

Поэтому вне зависимости от постановления КС переплата по страховым взносам у предпринимателя возникла в момент перечисления в бюджет пенсионного фонда страховых взносов за спорный расчетный период. О ее наличии предприниматель должен был знать с момента ее образования, то есть не позднее 1 апреля 2015 года применительно к платежам за 2014 год, так как расчет сумм страховых взносов он производил самостоятельно.

Таким образом, Канищев пропустил как трехлетний срок на обращение в ПФР, так и трехлетний срок на судебное обжалование. Из-за этого ВС принял решение отказать предпринимателю в иске. Переплату страховых платежей ему не вернут.

Сводные примечания к главе 2

Сводные примечания к главе 2

Темы

  1. Преобразование
  2. Расчетные уравнения
  3. Размер реактора
  4. Численное вычисление интегралов
  5. Реакторы серии
  6. Пространство-время
  7. Полезные ссылки

Рассмотрим общее уравнение

В основе расчета всегда лежит ограничивающий реагент. Мы выберем A в качестве основы для расчета и разделим на стехиометрический коэффициент, чтобы рассчитать все на основе «на моль A».

В конверсия X вида A в реакции равна количеству молей прореагировавшего A на моль подаваемого A, т.е.

Партия Поток

Какая максимальная ценность конверсии?

Для необратимых реакций максимальное значение конверсии X равно таковому для полное преобразование, т.е.е. Х = 1,0.

Для обратимых реакций максимальное значение конверсии X является равновесным преобразование, то есть X = X e .

Партия : оставшиеся моли A = N A = моли A вначале — моли A прореагировали
N A = N A0 — исходные моли A x (моль A прореагировала) / (моль A подана)

Поток : Скорость молей A на выходе из F A = Скорость молей A поданного — Скорость прореагировавших молей A =

F A = F A0 — Скорость подачи молей A x (моль А прореагировал) / (моль А накормили)
Расчетные уравнения (стр.34-41) вершина

Расчетные уравнения, представленные в главе 1, также могут быть записаны в терминах преобразования. Следующие расчетные уравнения предназначены только для одиночных реакций. Расчетные уравнения для множественных реакций будут обсуждены позже.

Баланс молей реактора с точки зрения конверсии (нажмите Reactor, чтобы см.
картинку)
Определение размеров реактора (стр.41-56) вершина

Под определением размера химического реактора мы подразумеваем, что мы либо определяем объем реактора для достижения заданной конверсии. или определяет конверсию, которая может быть достигнута в данном типе и размере реактора. Здесь мы предположим, что нам будут даны -r A = f (X) и F A0 . В главе 3 мы покажем, как найти -r A = f (X).

Дано -r A как функция преобразования, -r A = f (X), можно рассчитать любой тип реактора.Мы делаем это, строя Сюжет Левеншпиля. Здесь мы строим график зависимости от X. Forvs. X, объем CSTR и объем PFR может быть представлен как заштрихованные области в Графики Левеншпиля показаны ниже:

Использование закона идеального газа для расчета C A0 и F A0 Графики Левеншпиля по концентрациям
Численное вычисление интегралов (Приложение А. 4) вершина

Интеграл для расчета объема PFR можно вычислить с помощью такой метод, как правило одной трети Симпсона (стр. 1014):


ПРИМЕЧАНИЕ: интервалы () показанные на эскизе, нарисованы не в масштабе. Они должны быть равны.

Правило одной трети Симпсона — одно из наиболее распространенных числовых методы. Он использует три точки данных. Другие численные методы (см. Приложение A, стр. 1009-1015) для вычисления интегралов:

  1. Правило трапеции (использует две точки данных)
  2. Правило Симпсона трех восьмых (использует четыре точки данных)
  3. Квадратурная формула из пяти пунктов
Численное вычисление интеграла

Учитывая -r A как функцию преобразования, можно также спроектировать любая последовательность реакторов:

Действует только при отсутствии побочных потоков

Рассмотрим PFR между двумя CSTR

Используйте графики Левеншпиля для расчета конверсии из известных объемов реактора. Одна из целей курса — помочь читателям развить навыки критического мышления.Один из способов достичь этой цели — через сократовское вопрошание. На протяжении всего курса студентам будет предложено написать вопросы по критическому мышлению, опираясь на информацию из раздела «Предисловие» B2. Ниже приведены некоторые примеры вопросов критического мышления (CTQ), которые либо являются поверхностными, либо не используют шесть типов сократических вопросов Р. У. Пола. Реакторы серии CSTR-PFR-CSTR Что, если …? Старые экзаменационные вопросы

Пространственное время , тау, получается делением объема реактора на объемный расход, поступающий в реактор:

Пространство-время — это время, необходимое для обработки одного объема реакционной жидкости при входных условиях.Это время, необходимое количеству жидкости, которая занимает весь объем реактора, чтобы полностью войти или полностью выйти из реактора.

Пример промышленного космического времени
Реакция
Реактор Температура Давление атм Пространство-время
(1) C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2
ПФР 860 ° С 2 1 с
(2) CH 3 CH 2 OH + HCH 3 COOH → CH 3 CH 2 COOCH 3 + H 2 O
CSTR 100 ° С 1 2 ч
(3) Каталитический крекинг PBR 490 ° С 20 1 с
(4) C 6 H 5 CH 2 CH 3 → C 6 H 5 CH = CH 2 + H 2 PBR 600 ° С 1 0.2 с
(5) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 PBR 300 ° С 26 4,5 с
(6) C 6 H 6 + HNO 3 → C 6 H 5 НЕТ 2 + H 2 O CSTR 50 ° С 1 20 мин.
Веб-модуль Hippo Получите доступ к своему стилю обучения.Как CDROM / WWW могут помочь вашему стилю обучения. Подробнее о стилях обучения. Что не так с этим решением? Объективная оценка главы 2

* Все ссылки на главы относятся к 4-му изданию текста Elements of Chemical Reaction Engineering .

вершина

Лекция 25: Реакторы с поршневым потоком и сравнение с реакторами с непрерывным перемешиванием

Пример: Адиабатические CSTR

Задача: рассмотрим следующую необратимую реакцию первого порядка, имеющую место в адиабатической CSTR:

\ [\ text {A} \ overset {k} {\ longrightarrow} \ text {B} + \ text {C} \ tag {25.{-E_a \ left (\ frac {1} {RT} — \ frac {1} {350 \: \ text {K}} \ right)}} \ tag {25.4} \]

Энергетический баланс для CSTR можно записать как

\ [0 = F _ {\ text {A} 0} C_ {p, \ text {A}} \ left (T_0 — T \ right) — \ left [\ Delta H_ \ text {rxn} \ left (350 \ : \ text {K} \ right) + \ Delta C_p \ left (T — 350 \: \ text {K} \ right) \ right] F _ {\ text {A} 0} X \ tag {25.5} \]

, где \ (\ Delta C_p = C_ {p, \ text {C}} + C_ {p, \ text {B}} — C_ {p, \ text {A}} \). Перестановка в терминах \ (X \) дает

\ [X = \ frac {C_ {p, \ text {A}} \ left (T_0 — T \ right)} {\ Delta H_ \ text {rxn} \ left (350 \: \ text {K} \ right ) + \ Delta C_p \ left (T — 350 \: \ text {K} \ right)} \ tag {25.6} \]

Уравнения 25.4 и 25.6 могут быть решены одновременно для \ (X \) и \ (T \). На рисунке 25.1 показаны графики зависимости \ (X \) от \ (T \) из уравнения 25.4 (сплошная линия) и уравнения 25.6 (пунктирная линия). Как видно из рисунка, существуют три комбинации \ (X \) и \ (T \), которые удовлетворяют двум уравнениям, что указывает на то, что существует несколько стационарных состояний, в которых может работать реактор. \ text {(out)} \).

РИС. 25.2: Схема PFR.

PFR

характеризуются своей длиной \ (L \), площадью поперечного сечения \ (A \) и линейным расходом жидкости через реактор \ (u \). Для целей нашего анализа мы предположим, что PFR имеют цилиндрическую форму, что нет радиальных изменений скорости, концентрации, температуры или скорости реакции вдоль реактора, и что нет перепада давления или изменения плотности вдоль реактора.Основываясь на этих предположениях, мы можем определить линейный расход жидкости \ (u \) через трубку как

\ [u = \ frac {v} {A} \ tag {25.7} \]

где \ (v \) — объемный расход, а \ (A \) — площадь поперечного сечения трубки. Молярный расход частиц \ (j \) по длине реактора может быть определен в терминах \ (u \) как

\ [F_j \ left (x, t \ right) = v \ left [j \ right] \ left (x, t \ right) = u A \ left [j \ right] \ left (x, t \ right) \ tag {25.8} \]

где \ (\ left [j \ right] \) является функцией \ (x \) и \ (t \).\ text {(out)} \ end {align} \ tag {25.9} \]

Весы для PFR

Как и в случае CSTR, мы можем записать баланс массы для видов \ (j \) в PFR как

\ [\ left [\ text {скопление видов} \: j \ right] = \ left [\ text {поток видов} \: j \: \ text {in} \ right] — \ left [\ text { поток видов} \: j \: \ text {out} \ right] + \ left [\ text {поколение видов} \: j \ right] \]

Поскольку концентрация видов \ (j \) изменяется по длине PFR, давайте сначала рассмотрим участок PFR, \ (\ Delta x \).Если \ (\ Delta x \) достаточно мало, мы можем сделать приближение, что скорость реакции \ (r \) постоянна в пределах \ (\ Delta x \). Мы можем записать баланс массы как

\ [\ frac {d N_j} {dt} = F_j \ left (x, t \ right) — F_j \ left (x + \ Delta x, t \ right) + V \ nu_j r_j \ tag {25.10} \]

, где \ (F_j \ left (x, t \ right) \) — расход в малый объем, а \ (F_j \ left (x + \ Delta x, t \ right) \) — расход из малый объем. Поскольку \ (F_j \ left (x, t \ right) = u A \ left [j \ right] \ left (x, t \ right) \) и \ (F_j \ left (x + \ Delta x, t \ right) ) = u A \ left [j \ right] \ left (x + \ Delta x, t \ right) \), мы можем записать условие баланса массы как

\ [\ frac {d N_j} {dt} = V \ frac {\ partial \ left [j \ right]} {\ partial t} = A \ Delta x \ frac {\ partial \ left [j \ right]} {\ partial t} = -A u \ left (\ left [j \ right] \ left (x + \ Delta x, t \ right) — \ left [j \ right] \ left (x, t \ right) \ right ) + A \ Delta x \ nu_j r_j \ tag {25.11} \]

Теперь разделим на \ (A \ Delta x \), что даст

\ [\ frac {\ partial \ left [j \ right]} {\ partial t} = -u \ left (\ frac {\ left [j \ right] \ left (x + \ Delta x, t \ right) — \ left [j \ right] \ left (x, t \ right)} {\ Delta x} \ right) + \ nu_j r_j \ tag {25.12} \]

и если мы возьмем предел \ (\ Delta x \ rightarrow 0 \), то первый член справа станет пространственной производной, так что

\ [\ frac {\ partial \ left [j \ right]} {\ partial t} + u \ frac {\ partial \ left [j \ right]} {\ partial x} = \ nu_j r_j \ tag {25.{\ nu_j} \) или включать несколько компонентов, как это происходит в сложных механизмах реакции, тогда уравнения становятся довольно сложными, и их необходимо решать численно.

Однако, давайте предположим, что мы можем использовать стационарное приближение, так что \ (\ partial \ left [j \ right] / \ partial t = 0 \). Тогда уравнение принимает вид

\ [\ frac {d \ left [j \ right]} {dx} = \ frac {\ nu_j} {u} r_j \ tag {25.14} \]

Изучая уравнение 25.14, мы видим, что степень превращения реагентов будет зависеть от длины реактора, линейной скорости потока \ (u \) и скорости реакции.{-k \ tau} \ tag {25.23} \]

На рис. 25.3 показан профиль концентрации частиц \ (\ text {A} \) по длине реактора. Как видно из рисунка, профиль концентрации частиц \ (\ text {A} \) в PFR идентичен профилю в реакторе периодического действия, за исключением того, что ось \ (x \) представляет собой длину реактор вместо времени. Фактически, PFR — это реактор периодического действия, в котором мы переключаемся с неподвижной системы координат как функции времени на подвижную систему координат как функцию расстояния, так что \ (dt \ rightarrow dx / u \).2} & = — \ frac {2k} {u} dx \\ — \ frac {1} {\ left [\ text {A} \ right]} & = — \ frac {2kx} {u} — C \\ \ frac {1} {\ left [\ text {A} \ right]} & = \ frac {2kx} {u} + C \\ \ left [\ text {A} \ right] \ left (x \ right) & = \ frac {1} {\ frac {2kx} {u} + C} \\ \ left [\ text {A} \ right] \ left (0 \ right) & = \ left [\ text {A} \ right] _0 = \ frac {1} {C} \\ C & = \ frac {1} {\ left [\ text {A} \ right] _0} \\ \ left [\ text {A} \ right] \ left (x \ right) & = \ frac {\ left [\ text {A} \ right] _0} {1 + \ frac {2kx} {u} \ left [\ text {A} \ right] _0} \ end {align} \ tag {25.27} \]

Таким образом, на выходе из потока

\ [\ left [\ text {A} \ right] \ left (L \ right) = \ frac {\ left [\ text {A} \ right] _0} {1 + \ frac {2kL} {u} \ left [\ text {A} \ right] _0} = \ left [\ text {A} \ right] _0 \ left (1 — X \ right) \ tag {25.28} \]

Это дает коэффициент преобразования как

\ [X = \ frac {2k \ tau \ left [\ text {A} \ right] _0} {1 + 2k \ tau \ left [\ text {A} \ right] _0} \ tag {25.29} \]

где \ (\ tau = L / u \) — время пребывания.

Сравнение CSTR и PFR

Для необратимой реакции первого порядка напомним, что время пребывания, \ (\ tau \), для CSTR составляет

\ [\ tau_ \ text {CSTR} = \ frac {V_ \ text {CSTR}} {v} = \ frac {\ left [\ text {A} \ right] _0 — \ left [\ text {A} \ right]} {k \ left [\ text {A} \ right]} \ tag {25.30} \]

, а для PFR мы можем переписать уравнение 25.21 в виде \ (\ tau \):

\ [\ tau_ \ text {PFR} = \ frac {L_ \ text {PFR}} {u} = \ frac {V_ \ text {PFR}} {v} = \ frac {1} {k} \: \ текст {ln} \: \ frac {\ left [\ text {A} \ right] _0} {\ left [\ text {A} \ right]} \ tag {25.31} \]

Для равных объемных расходов в реакторы и из реакторов отношение времени пребывания CSTR и PFR равно отношению объемов реакторов

\ [\ frac {\ tau_ \ text {CSTR}} {\ tau_ \ text {PFR}} = \ frac {V_ \ text {CSTR}} {V_ \ text {PFR}} = \ frac {\ left [\ текст {A} \ right] _0 — \ left [\ text {A} \ right]} {\ left [\ text {A} \ right] \: \ text {ln} \ left (\ frac {\ left [\ текст {A} \ right] _0} {\ left [\ text {A} \ right]} \ right)} = \ frac {X} {\ left (1 — X \ right) \: \ text {ln} \ слева (\ frac {1} {1 — X} \ right)} \ tag {25.32} \]

На рисунке 25.4 показан график \ (V_ \ text {CSTR} / V_ \ text {PFR} \) как функции дробного преобразования \ (X \). Как видно из рисунка, соотношение всегда положительное, что указывает на то, что для достижения такого же дробного преобразования объем CSTR должен быть больше, чем объем PFR. При высоких значениях дробного преобразования объем, необходимый для CSTR, быстро увеличивается по сравнению с объемом PFR. Если объем реактора является единственным критерием для выбора типа используемого реактора, очевидно, что оптимальным выбором являются PFR. n} \ tag {25 .{1 / n} \: \ text {ln} \ left (1 / \ left (1 — X \ right) \ right)} \ tag {25.35} \]

Если теперь построить график этого отношения для различных значений \ (n \), мы получим следующий рисунок:

РИС. 25.5: Отношение объема CSTR к объему PFR как функция дробной конверсии для необратимой реакции первого порядка с последовательно включенными CSTR.

6.7: ODE и Excel модель адиабатического PFR

Введение

Реактор с поршневым потоком (PFR) — трубчатый реактор, используемый в химических реакциях.Реагенты входят в один конец фильтра PFR, а продукты выходят из другого конца трубки. PFR полезен из-за высокой объемной конверсии и хорошей теплопередачи. PFR осуществляют степенные реакции быстрее, чем CSTR, и обычно требуют меньшего объема. Моделирование в Excel для реактора с адиабатическим поршневым потоком полезно для оценки конверсии как функции объема. Путем ввода значений констант и итеративного изменения объема можно определить преобразование для определенного объема. Это устраняет необходимость в сложных ручных вычислениях и помогает пользователю визуализировать реакцию и замечать тенденции с помощью PFR.В качестве альтернативы моделирование в Excel также может определять температуру внутри реактора как функцию объема. Интегрирование Эйлера используется для оценки конверсии или температуры через PFR. Обеспечивая небольшие интервалы объема, полученные значения преобразования или температуры должны быть достаточно точными. Обратитесь к разделу метода Эйлера для получения дополнительной информации о его реализации.

Базовый алгоритм для моделирования адиабатического PFR

Представленная модель будет включать следующие допущения:

  1. Незначительный перепад давления
  2. Простая элементарная реакция
  3. Кинетика степенного закона
  4. Постоянные свойства жидкости (т.е.е. теплоемкость)

Для описания основного алгоритма адиабатического PFR будет рассмотрен простой случай, когда чистый A входит в реактор:

\ [\ ce {aA <=> aB} \]

1. Реактор типа

ПФР

2. Ограничивающий реагент

Расчетные уравнения и уравнения расхода должны быть выражены в терминах ограничивающего реагента. Здесь А — ограничивающий реагент.

3. Расчетное уравнение

Расчетное уравнение для PFR может быть выражено через несколько переменных, включая конверсию, моль и концентрацию.Важно отметить, что расчетное уравнение с точки зрения конверсии может использоваться только в том случае, если происходит одна реакция. В противном случае это должно быть выражено в молях или концентрации. Уравнение для описания преобразования как функции объема, полученное из простого мольного баланса, показано ниже в уравнении 1.

\ [\ frac {d X} {d V} = \ frac {-r_ {A}} {F_ {A} O} \ label {1} ​​\]

  • X = преобразование
  • V = объем
  • r A = скорость реакции A
  • F Ao = начальные моли A

4.{b}} {K_ {c}} \ right) \ label {3} \ end {align} \]

где

  • k = константа скорости
  • = концентрация \ (A \) со стехиометрическим коэффициентом \ (a \)
  • = концентрация \ (B \) со стехиометрическим коэффициентом \ (b \)
  • K C = константа равновесия

Если реакция не является изотермической, константу скорости и константу равновесия следует записать в единицах температуры, как показано в уравнениях 4 и 5.

\ [k = k_ {0} \ exp \ left (\ frac {E} {R} \ left (\ frac {1} {T_ {0}} — \ frac {1} {T} \ right) \ right) \ right ) \ label {4} \]

\ [K_ {C} = K_ {C 1} \ exp \ left (\ frac {\ Delta H_ {RX}} {R} \ left (\ frac {1} {T_ {1}} — \ frac {1 } {T} \ right) \ right) \ label {5} \]

где

  • k 0 = константа скорости при T 0
  • E = энергия активации
  • R = постоянная идеального газа
  • T = температура
  • K C 1 = константа равновесия при T 1
  • Δ H RX = стандартная теплота реакции

5.Стехиометрия

Стехиометрия используется для выражения концентрации вещества через концентрацию ограничивающего реагента. Уравнение стехиометрии зависит от того, происходит ли реакция в жидкой или газовой фазе. Если это происходит в газовой фазе, используются уравнения 6 и 7. Для жидкой фазы ε становится равным нулю, и корреляция сводится к уравнению 8. Член давления не включен, потому что предполагается, что перепад давления незначителен, а начальное давление равно конечному давлению.

\ [C_ {A} = C_ {A o} * \ frac {(1-X)} {(1+ \ epsilon X)} \ frac {T_ {0}} {T} \ label {6} \]

\ [C_ {B} = C_ {A o} * \ frac {\ left (\ theta_ {B} + \ frac {b} {a} X \ right)} {(1+ \ epsilon X)} \ frac {T_ {0}} {T} \ label {7} \]

\ [C_ {A} = C_ {A O} * (1-X) \ label {8} \]

\ [C_ {B} = C_ {A o} * \ left (\ theta_ {B} + \ frac {b} {a} X \ right) \ label {9} \]

где

  • ε = y Ao * (стехиометрические коэффициенты продуктов — коэффициенты реагентов)
  • y Ao = начальная мольная доля A
  • θ i = отношение начальных молей (или концентрации) разновидностей i к начальным молям (или концентрации) A

6.{a}} {F_ {A 0}} \ label {10} \]

7. Энергетический баланс

Энергетический баланс может использоваться для связи температуры и преобразования. Это предполагает отсутствие теплового потока и работы вала.

\ [T = \ frac {X \ left (- \ Delta H_ {RX} \ right) + \ Sigma \ Theta_ {i} C_ {pi} T_ {o} + X \ Delta C_ {p} T_ {r} » } {\ Sigma \ Theta_ {i} C_ {pi} + X \ Delta C_ {p}} \ label {11} \]

с

  • C pi = теплоемкость вида i
  • Δ Cp = продукты Cp — реагенты Cp

Если \ (Δ C_p = 0 \), баланс энергии сводится к следующему:

\ [T = \ frac {X \ left (- \ Delta H_ {RX} \ right) + \ Sigma \ Theta_ {i} C_ {pi} T_ {o}} {\ Sigma \ Theta_ {i} C_ {pi }} \ label {12} \]

8.Решить

Решите систему уравнений в Excel. ОДУ аппроксимируется методом Эйлера. См. Прилагаемую электронную таблицу для моделирования адиабатического PFR в ODE / Excel.

Использование модели Excel

В рабочий лист «Схема реакции» введите различные стехиометрические значения для вашей реакции, удельную теплоемкость различных реагентов и продуктов, а также теплоту реакции и эталонную температуру, при которой берется теплота реакции.

Рабочий лист «Условия ввода» довольно прост.Если реакция протекает в газовой фазе, убедитесь, что в соответствующей ячейке введена цифра «1», а в случае жидкой фазы — «0».

Лист «Закон о тарифах» содержит определения значений, которые вам нужно будет ввести на этом листе. Обратите внимание, что T1 — это эталонная температура для вашей постоянной скорости. Обязательно введите «1» в ячейку, если ваша реакция обратима, и «0», если она необратима.

Убедитесь, что вы не изменили рабочий лист «Численные расчеты»! Однако вы можете прокрутить вниз, чтобы извлечь точные значения объема, конверсии и температуры вниз по PFR.

Множественные реакции не включены в эту модель. Наличие нескольких реакций потребует отдельного листа схемы реакций для каждой реакции и потребует множества различных корректировок, чтобы гарантировать учет всех сценариев.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Завод в ETF (Центр тестирования оборудования) был приобретен в результате враждебного поглощения компанией Brown Industries, в которой вы работаете инженером-технологом. Технический менеджер Фил Сэвидж поручил вам работать над PFR, расположенным на этом новом заводе.Рассматриваемый конкретный PFR используется для проведения следующей реакции:

\ [\ ce {A -> B} \]

Он хочет, чтобы вы предоставили ему две части информации. Во-первых, он хочет знать, насколько глубоко в реакторе должна пройти реакция, чтобы достичь 80% конверсии. Во-вторых, он хочет знать температуру в этот момент.

Вы решаете, что сначала было бы лучше выяснить все термодинамические и кинетические свойства, присущие этой реакции. Однако вместо того, чтобы искать их в книгах Перри или в своих старых книгах по ChemE, вы решаете спросить у ведущего инженера завода Пабло ЛаВалля.Пабло сообщает вам следующее:

«Слушайте с умом то, что я говорю, молодой кузнечик. Эта реакция необратима, жидкофазна и элементарна. Мы будем подавать реагенты в трубчатый реактор диаметром 50 см при 273 К. Начнем с начальной концентрации А при температуре 273 К. 1,6 моль / л и начальный молярный расход A при 2 моль / мин. Теплота реакции при 300 K составляет -20 кДж / моль A. Константа скорости при 300 K составляет 0,2 моль / л * мин. Энергия активации при 300K составляет 15,2 кДж / моль. Значения Cp для продуктов и реагентов следующие.

  • Cp A = 200 Дж / моль K
  • Cp B = 100 Дж / моль K

«Идите вперед и воспользуйтесь таблицей Excel, созданной группой B, и ваша работа будет очень простой».

Решение

Модель для этого примера можно найти здесь.

Пабло предоставил все данные, необходимые для завершения модели. После ввода данных последняя страница таблицы использовалась для определения желаемых Сэвиджем условий в реакторе.

Х = 0.8 при длине реактора 33,4 метра. Температура в этой точке реактора 388,4К

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Вы только что завершили свое посвящение в сверхсекретное элитное общество, известное как Лига инженеров-химиков, штаб-квартира которого находится высоко в Гималаях. У них есть адиабатический PFR (диаметр = 10 см), который они используют для получения двух газов, известных как B и C, из газофазного реагента, известного как A. Обратимая газовая реакция показана ниже:

\ [\ ce {A <= -> B + C} \]

Ваш сенсей хочет знать, какова максимальная возможная конверсия, а также какая длина реактора потребуется для достижения конверсии 15%.Однако сначала он приказывает вам подняться на К2, где данные о реакции хранятся в обществе. После опасного 5-дневного путешествия вы обнаружите следующую информацию:

  • Cp A = 40 кДж / моль K
  • Cp B = 25 кДж / моль K
  • Cp C = 15 кДж / моль K
  • C AO = 0,271 моль / л
  • F AO = 5 моль / мин
  • Начальная температура = 450K
  • Теплота реакции при 300 К = -20 кДж / моль A
  • Энергия активации = 31.4 кДж / моль
  • К экв при 300 К = 0,01 моль / л
  • k_forward при 300K = 0,133 моль / (л * мин)

Решение

После спуска вниз по К2 и нахождения компьютера полученные данные можно ввести в адиабатическую модель. Решение можно найти здесь.

Обязательно установите значения для газовой фазы и обратимой реакции на 1.

Используя таблицу данных, находящуюся на последней странице электронной таблицы, можно извлечь желаемую информацию.

Максимальное преобразование, которое может быть достигнуто, составляет X = 0,187

Для достижения конверсии 15% реактору требуется 64,8 метра.

Влияние диаметра трубы PFR — LearnChemE


Экзотермическая реакция первого порядка протекает в реакторе с поршневым потоком (PFR), в котором наблюдается перепад давления и теплопередача через стенки. Используйте ползунок, чтобы наблюдать эффекты изменения диаметра реактора; общий расход исходного материала поддерживается постоянным путем изменения количества параллельных реакторов (количества эквивалентных реакторов), так что общее поперечное сечение реактора не изменяется.Используйте кнопки, чтобы наблюдать, как молярный расход реагента, температура и давление зависят от длины реактора. Для реакторов малого диаметра перепад давления выше, что увеличивает объемный расход и сокращает время пребывания; это снижает конверсию. Поскольку теплопередача более эффективна для реакторов меньшего диаметра, поскольку площадь поверхности на единицу объема больше, температура увеличивается меньше; это также снижает конверсию.

Загрузите файл CDF, чтобы просмотреть симуляцию в автономном режиме с помощью бесплатного проигрывателя Wolfram CDF.


Подробности:

Уравнение Эргуна для падения давления в реакторе с поршневым потоком:

где P — давление (Н / м

2

), z — расстояние до реактора (м), ρ — плотность жидкости (кг / м

3

), f — коэффициент трения, D

h

— гидравлический диаметр, равный диаметру реактора в отсутствие нагрева или охлаждения (м), v — объемный расход (м

3

/ с), A

c

— поперечное сечение площадь реактора (м

2

), F

A

— молярный расход A (моль / с), T — температура (K), R — постоянная идеального газа (Дж / [моль K] ), а индекс 0 относится к входу.

Предполагается, что труба изготовлена ​​из технической стали. Для ламинарного потока для расчета коэффициента трения Дарси используется следующее уравнение. Для турбулентного и переходного течения используется явное решение Сергида уравнения Коулбрука:

где N

Re

— число Рейнольдса, ϵ — шероховатость стенки (м), μ — динамическая вязкость (кг / [м · с]), а D

r

— диаметр реактора (м).

Массовый баланс:

где C

A

— концентрация реагента (моль / м

3

), а k — константа закона скорости (1 / с).

Энергетический баланс:

где U a — коэффициент теплопередачи по времени площадь / объем (Дж / [м 3 с K]), T a — температура хладагента (K), ΔH — теплота реакции (Дж / моль), c P — теплоемкость реагентов (Дж / [моль K]).

Реактор с поршневым потоком — обзор

5.2 Реактор с поршневым потоком

PFR — это идеализированный проточный реактор, в котором по направлению потока вся реакционная смесь движется с одинаковой скоростью; нет смешивания или обратного потока.Содержимое PFR течет, как пробки, от входа к выходу. С другой стороны, реакционная смесь хорошо перемешивается, как и в реакторе периодического действия, внутри каждой пробки или в плоскости поперечного сечения PFR. Эта идеализация значительно упрощает анализ проточного реактора, поскольку теперь можно рассматривать PFR как одномерный проточный реактор.

На рис. 5.1 показана схема PFR. Баланс молей для данного вида j в дифференциальном объеме между V и V + dV приводит к

(5.5) FjV − FjV + dV + rjdV = ∂CjdV∂t

, что приводит к

(5.6) −dFj + rjdV = ∂CjdV∂t

или

(5.7) ∂Cj∂t = rj − ∂QCj ∂V

, которое является общим уравнением баланса молей для PFR.

Поскольку общее количество массы не может быть создано или разрушено во время химических и биореакций, мы получаем через баланс массы по разному объему, как показано на рис. 5.3,

рис. 5.3. Принципиальная схема PFR, показывающая дифференциальный контрольный объем ( V , V + dV ).

(5,8) −ΔρQ = ∂ρΔV∂t

, которое сокращается до

(5,9) ∂ρ∂t = −∂ρQ∂V

В общем случае

(5,10) ρ = ∑j = 1NSCjMj

В общем случае уравнение. (5.7) необходимо написать для каждого компонента (вида), кроме одного задействованного. Таким образом, у нас будет N S уравнений в частных производных, которые нужно решить даже для изотермического изобарного реактора. Если температура изменяется, уравнение баланса энергии также должно решаться одновременно. Падение давления или баланс количества движения требует еще одного дополнения к уравнениям.

При промышленных операциях мы бы предпочли, чтобы реактор постоянно работал на максимальной мощности, чтобы максимизировать производительность и минимизировать удельные затраты на производство продукта. Поэтому часто желательны операции в установившемся режиме. Когда достигается установившееся состояние, каждая количественная мера в реакторе не зависит от времени; то есть производные по времени равны нулю. Уравнение (5.7) сокращается до

(5.11) rj = dFjdV

Для одной реакции, которая проводится в постоянном PFR, существует только одна независимая концентрация или переменная содержания реакционной смеси, а все остальные концентрации могут быть связаны через стехиометрию. как показано в главе 3.Не умаляя общности, давайте использовать компонент А в качестве ключевого компонента рассмотрения. Уравнение (5.11), примененное к типу A, дает

(5.12) rA = dFAdV

обыкновенное дифференциальное уравнение.

Обычно скорость реакции зависит от концентрации и температуры. Из главы 3 мы узнали, что стехиометрия может применяться для определения количества каждого вида в реакционной смеси. Изменение количества компонента, участвующего в реакции, деленное на его стехиометрический коэффициент, является универсальной степенью реакции для одной реакции.Стехиометрия в проточном реакторе может быть записана как

(5.13) dFjνj = dFAνA = rdV

Когда нет бокового потока подачи или выхода, уравнение. (5.13) можно проинтегрировать, чтобы получить

(5.14) Fj − Fj0νj = FA − FA0νA = FA0 − νAfA

Общий молярный расход может быть вычислен путем суммирования расходов всех компонентов (видов). То есть

(5.15) F = ∑j = 1NSFj = ∑j = 1NSFj0 + νjFA − FA0νA = F0 + FA − FA0νA∑j = 1NSνj

Полные стехиометрические коэффициенты равны ν Σ , т. Е.

(5.16) νΣ = ∑j = 1NSνj

получаем

(5.17) F = F0 + νΣνAFA − FA0 = F0 − νΣνAFA0fA

Хотя предыдущий вывод является кратким, мы часто табулируем стехиометрию, чтобы получить полное представление о стехиометрии. для каждого вида, для тех, кто участвует в реакции, или для тех, кто не участвует в действительной реакции. Стехиометрия представлена ​​в таблице 5.1. Концентрация может быть связана с молярным расходом через

Таблица 5.1. Стехиометрия реакционной системы с боковыми входами или выходами

Виды Исходные Изменение при V
A F A0 F — F A0 F A
J F j 0 Fj − Fj0 = νjFA − FA0νA FjνAj FjνAj0 + FjνAj
Всего F 0 ∑j = 1NSFj − Fj0 = νΣFA − FA0νA ∑j = 1NSFj = F0 + FA0νA

(5.18) Cj = FjQ = Fj0 + νjνAFA − FA0Q = Fj0 − νjνAFA0fAQ

Объемный расход Q может быть функцией температуры и давления (изменение плотности). Поскольку массовый расход не меняется, если нет боковых впускных или выпускных отверстий, мы имеем

(5.19) Cj = ρρ0Fj0 + νjνAFA − FA0Q0 = ρρ0Fj0 − νjνAFA0fAQ0

Для изотермических операций Q является постоянным для реакций с участием конденсированных сред ( жидкое или твердое) только. Для идеального газа объемный расход может быть связан с молярным расходом через закон идеального газа:

(5.20) PQ = FRT

, что приводит к

(5,21) Q = P0TPT0FF0Q0 = P0TPT01 + νΣνAFA − FA0F0Q0 = P0TPT01 − νΣνAFA0F0fAQ0

и

(5.22) Cj = FjνΣν0A2 преобразование f A , уравнение. (5.12) сводится к

(5.23) dV = FA0dfA − rA

Интегрирующее уравнение. (5.23) дает требуемый объем установившегося PFR для желаемого дробного преобразования f Ae ,

(5.24) V = FA0∫0fAedfA − rA

Соответственно, пространство-время (без боковых входов или выходов) для PFR —

(5.25) τ = VQ0 = CA0∫0fAedfA − rA

Сравнение уравнения. (5.25) с формулой. (4.8), мы видим, что поведение PFR очень похоже на поведение реактора периодического действия. Фактически, можно показать, что время t для реактора периодического действия и время пребывания t¯ для установившегося PFR взаимозаменяемы. Таблица 5.2 показывает список решений для некоторых одиночных реакций с простой кинетикой.

Таблица 5.2. Требуемое время для реакции и профиль концентрации для одиночных реакций в изотермическом реакторе с поршневым потоком постоянной плотности с простыми кинетическими моделями

1. Нулевой порядок: A → Продукты, r = k τ = CA0 – CA / k; CA = CA0 – kτ
2. Первый порядок: A → Товары, r = kC A τ = lnCA0 / CA / k; CA = CA0exp – kτ
3. Степенная кинетика: A → Продукты, r = kC A n τ = CA01-n-CA1-n1-nk; CA = CA01 − n − 1 − nkτ11 − n
4. Бимолекуляр: A + B → Продукты, r = kC A C B τ = 1k1CA − 1CA0; CA = CB = CA01 + kCA0τ, если C A0 = C B0 τ = 1kCB0 − CA0lnCA0CA + CB0 − CA0CACB0; CA = CA0CB0-CA0CB0expkCB0-CA0τ-CA0; CB = CB0-CA0 + CA
5. Автокаталитический: продукты A + R → 2R +, r = k C A C R τ = 1kCA0 + CR0lnCA0CA0 + CR0 − CACACR0; CA = CA0CA0 + CR0CA0 + CR0expkCA0 + CR0τ; CR = CA0 + CR0 − CA
6. Мономолекулярный катализатор: A → Продукты, r = kCAKA + CAτ = 1kKAlnCA0CA + CA0 − CA
7. Мономолекулярный катализатор: A → Продукты, r = kCA2KA + CAτ = 1klnCA0CA + KACA − KACA0
8. Реверсивный первый порядок: A ,B, r = k f C A k b C B τ = 1kf + kblnkfCA0 − kbCB0kf + kbCA − kbCA0 + CB0; CA = kfCA0 − kbCB0exp − kf + kbτ + kbCA0 + CB0kf + kb
CB = CA0 + CB0 − CA
9. Каталитический обратимый первого порядка: A⇄B, r = kCA − CB / KC1 + KACA + KBCBτ = KCk1 + KCKA − KBCA0 − CA + 1 + CA0 + CB0KB + KA − KBKCln1 + KCCA0 − CA0 + CB01 + KCCA− CA0 + CB0CB = CA0 + CB0 − CA
10. Обратимое разложение: A⇄B + C, r = k f C A k b C B C C
a, b = kf + kb2CA0 + CB0 + CC0 ± kf + kb2CA0 + CB0 + CC02−4kb2CA0 + CB0CA0 + CC0τ = 2a − bln2kbCA0 − a2kbCAC − a2kbCAC − a2kbCAC − a2kbCAC; CA = 12kba2kbCA0 − bexpa − b2τ − b2kbCA0 − a2kbCA0 − bexpa − b2τ − 2kbCA0 − a C B = C A0 + C B0 C B0 C C = C A0 + C C0 C A
11. Обратимая содимеризация: A + B⇄C, r = k f C A C B k b C C a, b = kfCA0 − CB0 − kb ± kfCA0 − CB0 − kb2 + 4kfkbCA0 + CC0
τ = 2b − aln2kfCA0 − a2kfCA − b2kfCA0 − b2kfCA − a; CA = 12kfa2kfCA0 − bexp − a − b2τ − b2kfCA0 − a2kfCA0 − bexp − a − b2τ − 2kfCA0 − a
CB = CB0 − CA0 + CA; CC = CA0 + CC0 − CA
12. Реверсивный бимол. A + B⇄C + D, r = k ( C A C B C C C D / K C ) α = KCCA0 − CB0−2CA0 − CC0 − CD0; a, b = α ± α2 + 4KC − 1CA0 + CC0CA0 + CD0τ = 2KCkb − aln2KC − 1CA0 − a] [2KC − 1CA − b2KC − 1CA0 − b] [2KC − 1CA −a; CA = 12KC − 1a2KC − 1CA0 − bexp − a − b2KCkτ − b2KC − 1CA0 − a2KC − 1CA0 − b] exp − a − b2KCkτ− [2KC − 1CA0 − aCB = CB0 − CA0 + CA; CC = CA0 + CC0 − CA ; CD = CA0 + CD0 − CA

% PDF-1.4 % 20 0 объект > эндобдж 23 0 объект (Содержание) эндобдж 24 0 объект > эндобдж 27 0 объект (Список рисунков) эндобдж 28 0 объект > эндобдж 31 0 объект (Номенклатура) эндобдж 32 0 объект > эндобдж 35 0 объект (Молярный баланс для реакторов) эндобдж 36 0 объект > эндобдж 39 0 объект (Вступление) эндобдж 40 0 объект > эндобдж 43 0 объект (Определения скорости реакции) эндобдж 44 0 объект > эндобдж 47 0 объект (Уравнение реакции или закон скорости) эндобдж 48 0 объект > эндобдж 51 0 объект (Молярный баланс для реакторов) эндобдж 52 0 объект > эндобдж 55 0 объект (Молярный баланс применительно к реакторам периодического действия) эндобдж 56 0 объект > эндобдж 59 0 объект (Баланс молей применительно к CSTR) эндобдж 60 0 объект > эндобдж 63 0 объект (Молярный баланс, применяемый к реактору с поршневым потоком \ (PFR \)) эндобдж 64 0 объект > эндобдж 67 0 объект (Резюме) эндобдж 68 0 объект > эндобдж 71 0 объект (Проблемы) эндобдж 72 0 объект > эндобдж 75 0 объект (Конверсия в реакторах) эндобдж 76 0 объект > эндобдж 79 0 объект (Вступление) эндобдж 80 0 объект > эндобдж 83 0 объект (Определение конверсии) эндобдж 84 0 объект > эндобдж 87 0 объект (Конверсия в реакторах периодического действия) эндобдж 88 0 объект > эндобдж 91 0 объект (Конверсия в проточные реакторы) эндобдж 92 0 объект > эндобдж 95 0 объект (Расчетные уравнения CSTR для преобразования) эндобдж 96 0 объект > эндобдж 99 0 объект (Расчетные уравнения PFR для преобразования) эндобдж 100 0 объект > эндобдж 103 0 объект (Применение расчетных уравнений для проточных реакторов) эндобдж 104 0 объект > эндобдж 107 0 объект (Расчетные уравнения для CSTR и PFR и график Левеншпиля) эндобдж 108 0 объект > эндобдж 111 0 объект (CSTR) эндобдж 112 0 объект > эндобдж 115 0 объект (PFR) эндобдж 116 0 объект > эндобдж 119 0 объект (Сравнение PFR и CSTR) эндобдж 120 0 объект > эндобдж 123 0 объект (Последовательные реакторы) эндобдж 124 0 объект > эндобдж 127 0 объект (Сводка расчетных уравнений для идеальных реакторов) эндобдж 128 0 объект > эндобдж 131 0 объект (Проблемы) эндобдж 132 0 объект > эндобдж 135 0 объект (Тарифные законы и стехиометрия) эндобдж 136 0 объект > эндобдж 139 0 объект (Вступление) эндобдж 140 0 объект > эндобдж 143 0 объект (Относительная скорость реакции) эндобдж 144 0 объект > эндобдж 147 0 объект (Стехиометрические таблицы для пересчета) эндобдж 148 0 объект > эндобдж 151 0 объект (Изменение давления для газофазной реакции в реакторе периодического действия постоянного объема) эндобдж 152 0 объект > эндобдж 155 0 объект (Изменение объемного расхода в PFR) эндобдж 156 0 объект > эндобдж 159 0 объект (Уравнение скорости реакции или закон скорости) эндобдж 160 0 объект > эндобдж 163 0 объект (Проблемы) эндобдж 164 0 объект > эндобдж 167 0 объект (Определение параметров тарифного закона) эндобдж 168 0 объект > эндобдж 171 0 объект (Вступление) эндобдж 172 0 объект > эндобдж 175 0 объект (Экспериментальное определение ставок) эндобдж 176 0 объект > эндобдж 179 0 объект (Определение порядка реагирования инспекцией) эндобдж 180 0 объект > эндобдж 183 0 объект (Дифференциальные методы анализа) эндобдж 184 0 объект > эндобдж 187 0 объект (Для норм, зависящих от концентрации только одного вида) эндобдж 188 0 объект > эндобдж 191 0 объект (Для более сложных реакций \ (зависимость от CA и CB \)) эндобдж 192 0 объект > эндобдж 195 0 объект (Метод начальных ставок) эндобдж 196 0 объект > эндобдж 199 0 объект (Интегральные методы) эндобдж 200 0 объект > эндобдж 203 0 объект (Реакция нулевого порядка интегральным методом) эндобдж 204 0 объект > эндобдж 207 0 объект (Необратимая реакция первого порядка интегральным методом) эндобдж 208 0 объект > эндобдж 211 0 объект (Реакция второго порядка интегральным методом) эндобдж 212 0 объект > эндобдж 215 0 объект (Метод полужизни) эндобдж 216 0 объект > эндобдж 219 0 объект (Проблемы) эндобдж 220 0 объект > эндобдж 223 0 объект (Температурная зависимость скорости реакции) эндобдж 224 0 объект > эндобдж 227 0 объект (Вступление) эндобдж 228 0 объект > эндобдж 231 0 объект (Уравнение Аррениуса) эндобдж 232 0 объект > эндобдж 235 0 объект (Пример расчета параметров Аррениуса) эндобдж 236 0 объект > эндобдж 239 0 объект (Проблемы) эндобдж 240 0 объект > эндобдж 243 0 объект (Множественные реакции) эндобдж 244 0 объект > эндобдж 247 0 объект (Вступление) эндобдж 248 0 объект > эндобдж 251 0 объект (Урожайность и селективность) эндобдж 252 0 объект > эндобдж 255 0 объект (Обратимые реакции) эндобдж 256 0 объект > эндобдж 259 0 объект (Параллельные реакции) эндобдж 260 0 объект > эндобдж 263 0 объект (Серийные реакции) эндобдж 264 0 объект > эндобдж 267 0 объект (Проблемы) эндобдж 268 0 объект > эндобдж 271 0 объект (Проектная структура изотермических реакторов) эндобдж 272 0 объект > эндобдж 275 0 объект (Проектная структура изотермических реакторов) эндобдж 276 0 объект > эндобдж 279 0 объект (Проблемы) эндобдж 280 0 объект > эндобдж 289 0 obj> поток x3T0

Reactors — processdesign

Название: Реакторы

Авторы:

Шон Кабанисс, Дэвид Парк, Максим Сливинский и Джулианна Вагонер [Зима 2014 г.]

Нил Далви, К.С. Андерсон, Наталья Маевска [Зима 2016]

Стюард: Дэвид Чен, Фэнци Ю

Дата представления: 4 февраля 2014 г.

Центром любого химического процесса является реактор, в котором происходят химические реакции, превращающие сырье в продукты.Проектирование реактора — жизненно важный шаг в общем дизайне процесса. Важно убедиться, что указанное оборудование будет способно достичь желаемых выходов и селективности.

Идеальные реакторы

Реакторы периодического действия

В реакторе периодического действия реагенты добавляют вместе и дают возможность реагировать в течение заданного времени. Составы меняются со временем, но в процессе нет потока. Дополнительные реагенты могут быть добавлены по мере протекания реакции, а также могут быть сделаны изменения температуры.Продукты удаляются из реактора после завершения реакции.

Периодические процессы подходят для мелкосерийного производства (менее 1 000 000 фунтов в год) и для процессов, в которых на одном оборудовании должны производиться несколько различных продуктов или сортов (Douglas, 1988). Когда объемы производства относительно малы и / или химический состав относительно сложен, периодическая обработка является важным средством контроля качества.

Реактор с поршневым потоком (PFR)

PFR с трубчатой ​​геометрией имеет идеальное радиальное перемешивание, но без осевого перемешивания.Все материалы имеют одинаковое время пребывания τ и одинаковые профили температуры и концентрации вдоль реактора. Уравнение для PFR определяется следующим образом:

где M = молярная скорость потока, dV — дополнительный объем, а — скорость реакции на единицу объема.

Это уравнение можно интегрировать по длине реактора, чтобы получить зависимости между временем пребывания в реакторе и концентрацией или конверсией.

Реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR)

Реактор с мешалкой моделирует крупномасштабную обычную лабораторную колбу и может считаться основным химическим реактором.В CSTR, показанном на рисунке 1, нет пространственных изменений — все содержимое емкости находится при одинаковой температуре, давлении и концентрации. Следовательно, жидкость, покидающая реактор, имеет ту же температуру и концентрацию, что и жидкость внутри реактора.

Материальный баланс по CSTR определяется по:

Часть материала, попадающего в реактор, может уйти немедленно, а часть — намного позже, поэтому время нахождения распределяется в широких пределах, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1. Реактор с непрерывным перемешиванием (Towler and Sinnott, 2013)

Более подробную информацию о резервуарах с мешалкой можно найти в разделе «Смешивание».

Проектирование реактора не должно выполняться отдельно от общего проекта технологического процесса из-за значительного влияния на капитальные и эксплуатационные затраты на другие части процесса (Towler and Sinnott, 2013).

Шаг 1. Сбор необходимых данных

Из всего технологического оборудования для проектирования реактора требуется наибольшее количество исходных данных: энтальпии реакции, константы фазового равновесия, коэффициенты тепло- и массообмена, а также константы скорости реакции.Все вышеупомянутые параметры могут быть оценены с использованием имитационных моделей или литературных корреляций, за исключением констант скорости реакции, которые необходимо определять экспериментально (Towler and Sinnott, 2013).

Энтальпия реакции

Тепло, выделяемое при химической реакции, основано на энтальпиях составляющих химических реакций, которые указаны для стандартных температуры и давления (1 атм, 25 C). Значения стандартных теплот реакции можно найти в таблицах в литературе или их можно рассчитать по теплотам образования или сгорания.Необходимо соблюдать осторожность, чтобы указать основу для теплоты реакции и состояния реагентов и продуктов.
Следующее уравнение используется для преобразования энтальпий из стандартных условий в условия процесса:
Если влияние давления незначительно и необходимо учитывать только температуру, следует использовать следующее уравнение:

Константа равновесия и свободная энергия Гиббса

Где — изменение свободной энергии Гиббса в результате реакции при температуре, — постоянная идеального газа и — константа равновесия реакции, определяемая по формуле:
где — активность компонента i, — стехиометрический коэффициент компонента, — общее количество компонентов.
Константы равновесия можно найти в литературе, и они полезны для оценки скорости прямых и обратных реакций. Необходимо внимательно отнестись к экспериментальному плану, используемому для констант равновесия в литературе, чтобы убедиться, что они соответствуют условиям реального технологического реактора. Для более сложных реакций, состоящих из нескольких последовательных или одновременных реакций, равновесие находится путем минимизации свободной энергии Гиббса (Towler and Sinnott, 2013).Таким образом, коммерческие программы моделирования процесса используют модель реактора Гиббса.

Механизмы реакций, уравнения скорости и константы скорости

В большинстве случаев уравнения скорости реакции основного процесса и константы скорости не могут быть предсказаны из первых принципов и должны быть аппроксимированы (Towler and Sinnott, 2013). Это связано со следующим:
  • Использование гетерогенного катализа или ферментов, которые приводят к кинетике Ленгмюра-Хиншелвуда-Хугена-Ватсона или Михаэлиса-Ментен
  • Массообмен между паром и жидкостью или двумя жидкими фазами
  • Многоступенчатые механизмы, скоростные выражения которых не соответствуют общей стехиометрии реакции
  • Конкурирующие побочные реакции
В результате реакция основного процесса обычно аппроксимируется как реакция первого или второго порядка в узком диапазоне условий процесса (температура, давление, концентрации веществ) для оценки времени пребывания, необходимого для целевой конверсии.Скоростные уравнения всегда подходят для экспериментальных данных и поэтому должны использоваться для интерполяции в пределах данных. При экстраполяции важно собрать больше данных, особенно для экзотермических реакций, которые могут привести к неконтролируемым последствиям (Towler and Sinnott, 2013).

Тепломассообменные свойства

Теплопередача
Конструкцию внутренних нагревательных или охлаждающих устройств можно найти в разделе «Оборудование для теплопередачи». Соотношения для коэффициентов теплопередачи со стороны трубок для трубок теплообменника, заполненных катализатором, приведены ниже:
Для нагрева:
и для охлаждения:
где — коэффициент теплопередачи со стороны трубы для набивной трубы, диаметр трубы с набивкой — теплопроводность жидкости, — плотность жидкости, — приведенная скорость, — эффективный диаметр частиц, — это вязкость жидкости.
Коэффициенты диффузии
Коэффициенты диффузии необходимы, когда массоперенос может ограничивать скорость реакции, например, в каталитических реакциях или реакциях, включающих процессы массопереноса, такие как абсорбция газа, дистилляция и экстракция жидкость-жидкость.
Коэффициент диффузии для газов можно оценить по следующей корреляции (Фуллер, Шеттлер, Гиддингс):
где — коэффициент диффузии, — температура, — молекулярные массы компонентов и, — полное давление, — сумма специальных объемных коэффициентов диффузии для компонентов и, приведено в таблице ниже:
(таблица объемных коэффициентов от Towler)
Уилке и Чанг разработали корреляцию для оценки коэффициента диффузии компонентов в жидкой фазе:
где — коэффициент диффузии жидкости, — коэффициент ассоциации для растворителя, — молекулярная масса растворителя, — вязкость растворителя, — температура, — молярный объем растворенного вещества при его температуре кипения.Эта корреляция сохраняется для органических соединений в воде, но не для воды в органических растворителях.
Массообмен
Для многофазных реакторов необходимо оценить коэффициент массообмена.
Уравнение Гупты и Тодоса предсказывает коэффициент массопереноса для уплотненного слоя частиц:
где — коэффициент массопереноса, — диаметр частицы, — коэффициент диффузии, — число Рейнольдса, рассчитанное с использованием приведенной скорости через слой, — это число Шмидта, и — паросодержание слоя.
Массоперенос между паром и жидкостью в сосуде с мешалкой можно описать уравнениями Вант Рита:
Для воздух-вода:
и для воздух-вода-электролит:
где — коэффициент межфазной границы, объем, — объемный расход газа, — объем жидкости, — потребляемая мощность мешалки.
Метод Фейра для расчета коэффициента массопереноса для систем с низкой вязкостью определяется следующим образом:
где — коэффициент диффузии жидкой фазы.
Корреляции массопереноса для парожидкостных систем следует использовать с осторожностью при наличии поверхностно-активных веществ (Towler and Sinnott, 2013).

Шаг 2: Выберите условия реакции

Основным определяющим фактором при выборе типа реактора является выбор условий эксплуатации. Оптимальная работа процесса обычно включает оптимизацию выхода процесса, но не обязательно выхода реактора. На основании предварительного экономического анализа можно выбрать целевой диапазон урожайности и селективности. Условия окончательной реакции должны быть проверены экспериментально, чтобы гарантировать достижение целевых выходов и селективности (Towler and Sinnott, 2013).

Химическая или биохимическая реакция

Если желаемый продукт должен быть получен путем биохимической реакции, выбранные условия должны поддерживать жизнеспособность биологического агента (например, микроорганизмов или ферментов). Белки денатурируют за пределами их определенных диапазонов температуры и pH, в то время как живые организмы требуют определенных концентраций кислорода и других растворенных веществ для выживания и не могут выдерживать высокие скорости сдвига. См. Биореакторы для получения дополнительной информации об их конструкции.

Катализатор

Катализатор используется для увеличения скорости реакции за счет снижения энергии активации без потребления в реакции. Использование катализатора накладывает ограничения на рабочие условия, поскольку катализатор должен сохранять активность в течение определенного периода времени между регенерациями катализатора. Дезактивация катализатора может быть ускорена высокими температурами, а также загрязнителями в потоках сырья или рециркуляции.

Температура

Повышение температуры реакции увеличит скорость реакции, коэффициент диффузии и скорость массообмена.Температура также влияет на константу равновесия: более высокая температура увеличивает константу равновесия для эндотермических реакций и снижает ее для экзотермических реакций — см. Рисунок ниже.

Рисунок 2 . Влияние температуры на константу равновесия (Towler and Sinnott, 2013)


Повышенная температура реакции снизит стоимость конструкции реактора, за исключением следующих сценариев / соображений (Towler and Sinnott, 2013):

  • Биохимические реакции, при которых живые организмы могут погибнуть при высоких температурах
  • Наличие органических соединений, подвергающихся термической деструкции
  • Нежелательные побочные реакции, которые ускоряются с повышением температуры, такие как полимеризация или автоокисление
  • Реакции окисления, в которых селективность снижается при более высоких температурах, поскольку окисление продукта имеет тенденцию к увеличению
  • Экзотермические реакции, так как температуру труднее контролировать и есть риск выхода реакции
  • Стоимость строительства реактора может стать непомерно высокой при очень высоких температурах.

Давление

Основным соображением при выборе давления в реакторе является поддержание реакции на желаемой фазе для выбранной температуры.Давление также может быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить испарение компонента, облегчить разделение продукта, сдвинуть реакционное равновесие или отвести тепло из реактора. Повышение давления для реакций, протекающих в газовой фазе, увеличивает активность реагента и, следовательно, скорость реакции. Выходы реактора следуют принципу Ле-Шателье: для реакций, которые увеличивают количество молей, более низкое давление увеличивает равновесную конверсию, для реакций, которые уменьшают количество молей, более низкое давление снижает равновесную конверсию.Повышение давления в газожидкостных реакциях увеличивает растворимость газа в жидкости, что увеличивает скорость реакции.

Фаза реакции

Реакции обычно проводят в жидкой или газовой фазах, поскольку с жидкостями легче обращаться, нагревать, охлаждать и транспортировать, чем с твердыми телами. Для реагентов или продуктов в твердой фазе обычно используется суспензия в жидкости или газе. Фаза реакции обычно определяется температурой и давлением в реакторе. Работа в жидкой фазе обычно предпочтительна из-за самых высоких концентраций и максимальной компактности.Однако при температурах выше критической не может быть жидкой фазы. Иногда давление можно регулировать, чтобы все реагенты оставались в жидкой фазе, однако, когда это невозможно, потребуется многофазный реактор. Если ограничения массопереноса становятся слишком значительными, может быть полезно снизить давление так, чтобы температура реакции была выше точки росы и реакция проводилась в паровой фазе.

Растворитель

Растворители используются для жидкофазных реакций и могут быть использованы для следующего:

  • Разбавление корма для повышения селективности
  • Повышение растворимости газофазных компонентов
  • Растворение твердых частиц в реакционной фазе
  • Увеличение тепловой массы, что снижает изменение температуры на единицу объема в результате реакции
  • Улучшение смешиваемости взаимно нерастворимых компонентов

Растворители должны быть инертными в основной реакции и не должны вступать в реакцию с продуктами или загрязнителями кормов.Растворители также должны быть недорогими и легко отделяться от продуктов реакции. Некоторые широко используемые технологические растворители и их свойства приведены в таблице ниже:

Обычно используемые технологические растворители (Towler and Sinnott, 2013)

Концентрации

Более высокие концентрации сырья могут привести к более высокой скорости реакции, однако для экзотермических реакций следует избегать высоких концентраций сырья.Исходные соединения обычно не поставляются в стехиометрическом соотношении, поскольку использование более высокой концентрации одного исходного материала может привести к повышению селективности по отношению к желаемому продукту.

Понимание влияния загрязняющих веществ в сырье и побочных продуктов имеет важное значение при проектировании реактора; они могут играть важную роль в селективности и производительности реактора. При переработке необходимо обращать внимание на побочные продукты; те, которые образуются в результате обратимых реакций, могут быть переработаны, что приводит к повышению общей селективности.Загрязняющие вещества корма обычно представляют большую проблему, чем побочные продукты, из-за их способности отравлять катализаторы или убивать биологические организмы. Если загрязняющие примеси в сырье особенно вредны для работы реактора, их следует удалять перед реактором.

Инертные соединения обычно увеличивают стоимость реактора из-за требуемого большего объема, а также увеличивают затраты на последующее разделение; они могут быть полезны при следующих обстоятельствах:

  • Инертные вещества в газофазных реакциях снижают парциальное давление реагентов, что может увеличить равновесное превращение в реакциях, приводящих к увеличению числа молей
  • Сырье, реагирующее с самим собой или продуктами, может быть уменьшено путем разбавления с использованием инертных веществ
  • Inerts могут работать за пределами диапазона воспламеняемости
  • Реакционные растворы могут быть забуферены для контроля pH

Шаг 3: Определение материалов конструкции

Предварительный анализ материалов конструкции реактора может быть проведен после определения условий реакции.Особенно важны в этом анализе температуры и давления, при которых будет протекать процесс. В экстремальных условиях может потребоваться использование дорогих сплавов. Кроме того, проектировщик должен гарантировать, что технологические потоки не будут вступать в реакцию с материалами, используемыми в технологическом оборудовании.

Шаг 4: определение шага ограничения скорости и критических параметров определения размера

Ключевые параметры, определяющие степень реакции, должны быть определены путем выполнения плана эксперимента с широким диапазоном условий.Обычно скорость реакции ограничивается следующими фундаментальными процессами. Первые три обсуждались в предыдущих разделах. Более подробно о микшировании будет рассказано в отдельном разделе.

  • Внутренняя кинетика: Обычно будет один самый медленный шаг, который определяет общую скорость.
  • Скорость массопереноса: В многофазных реакциях и процессах, использующих пористый гетерогенный катализ, массоперенос может быть особенно важным.Часто требуется тщательное экспериментирование, чтобы разделить эффекты массопереноса и скорости реакции, чтобы определить, какая стадия ограничивает скорость.
  • Скорость теплопередачи: Скорость подводимого тепла может стать определяющим параметром для эндотермических реакций. Может потребоваться использование теплопередающих устройств, таких как теплообменники или огневые обогреватели.
  • Смешивание: Время, необходимое для смешивания реагентов, может быть ограничивающим шагом для очень быстрых реакций.

После сбора данных о скорости разработчик может подобрать подходящую модель кинетики реакции. Затем для реактора может быть указан критический параметр размера. Обычно это один из параметров, представленных на рисунке 1.

Рисунок 1 . Параметры размера реактора (Towler and Sinnott, 2013)

Шаг 5: Предварительный выбор размеров, компоновка и калькуляция реактора

Разработчик может оценить объем реактора и катализатора по параметру размера.Этот расчет даст значение необходимого активного реактивного объема. Очевидно, что на самом реакторе потребуется дополнительное пространство. Геометрия реактора будет зависеть от желаемой схемы потока и требований к перемешиванию (Towler and Sinnott, 2013). Стоимость большинства реакторов может быть оценена путем определения стоимости сосуда высокого давления с такими же размерами и добавления стоимости внутренних устройств (Towler and Sinnott, 2013).

Шаг 6: оценка производительности реактора

На этом этапе процесса проектирования важно убедиться, что предлагаемый реактор будет обеспечивать целевые конверсии и селективность.Комбинация экспериментальных методов, таких как пилотные установки, и компьютерного моделирования может использоваться для прогнозирования полномасштабных характеристик реактора.

Шаг 7. Оптимизация дизайна

Реактор обычно составляет относительно небольшую часть общих капитальных затрат (Towler and Sinnott, 2013), поэтому минимальное время следует уделять оптимизации, чтобы снизить стоимость реактора. Однако, если целевые конверсия, выходы и селективность не будут достигнуты, это может существенно повлиять на экономику процесса.Поэтому шаги 2–6 следует повторять, по крайней мере, до тех пор, пока не будут выполнены минимальные требования (Towler and Sinnott, 2013).

Перемешивание играет важную роль на многих стадиях обработки, включая работу реактора. Крайне важно выбрать соответствующий метод смешивания, чтобы гарантировать получение желаемых выходов, чистоты продукта и рентабельности.

Корреляции, такие как число Рейнольдса, можно использовать для определения степени перемешивания и соотнесения энергопотребления и теплопередачи к оболочке реактора (Towler, 2012).В некоторых случаях простых корреляций может быть недостаточно:

  • Если мертвые зоны недопустимы по причинам чистоты продукта, безопасности и т. Д.
  • Если внутренние устройства реактора сложные
  • Если селективность реакции очень чувствительна к перемешиванию

В этих случаях обычно необходимо провести более сложный анализ смешения:

  • Использование вычислительной гидродинамики для моделирования реактора
  • Использовать эксперименты по физическому моделированию («холодный поток»)
  • Используйте методы томографии, чтобы посмотреть на характеристики реального реактора

Газосмеситель

Газы легко смешиваются из-за их низкой вязкости.Перемешивание, создаваемое турбулентным потоком на длине трубы, обычно достаточно для большинства целей (Towler and Sinnott, 2013). Для увеличения турбулентности можно использовать отверстия, лопатки и перегородки.

Смешивание жидкостей

  • Встроенное смешивание Встроенные смесители могут использоваться для непрерывного смешивания жидкостей с низкой вязкостью. Один недорогой метод предполагает использование статических устройств, которые способствуют турбулентному перемешиванию в трубопроводах. Некоторые типовые конструкции показаны на рисунках 2 (a), (b) и (c).
Рисунок 2. Линейные смесители : (а) тройник; (б) инъекция; (в) кольцевой (Towler, Sinnott, 2013)
При смешивании жидкостей с низкой вязкостью (<50 мНс / м 2 ) с аналогичными плотностями и расходами простой смесительный тройник, рисунок 2 (а), за которым следует труба длиной 10 до 20 диаметров трубы, подходит (Towler, Sinnott, 2013).
Если один поток намного ниже другого, следует использовать смеситель для впрыска, рис. 2 (b и c).Удовлетворительная смесь будет достигнута примерно на 80 диаметрах трубы (Towler and Sinnott, 2013). Для уменьшения необходимой длины смешивания можно использовать перегородки или другие ограничения потока. Эти смесители работают, вводя одну жидкость в текущий поток другой через концентрическую трубу или кольцевой массив форсунок (Towler and Sinnott, 2013).
  • Резервуары с перемешиванием Резервуары с перемешиванием обсуждались в разделе «Идеальные реакторы». Смешивание осуществляется крыльчаткой, установленной на валу с приводом от двигателя.Реактор обычно содержит перегородки или другие внутренние устройства для создания турбулентности и предотвращения завихрения содержимого и создания вихря. Обычно перегородки имеют диаметр 1/10 диаметра и расположены на расстоянии 1/20 диаметра от стены (Towler, 2012). Типичное расположение мешалки и перегородок в резервуаре с мешалкой, а также генерируемая структура потока показаны на рисунке 3. Смешивание происходит за счет объемного потока жидкости и за счет движения турбулентных завихрений, создаваемых мешалкой. Объемный поток — это преобладающий механизм перемешивания, необходимый для смешивания смешиваемых жидкостей и суспензий твердых частиц.Турбулентное перемешивание важно в операциях, связанных с переносом массы и тепла, которые можно рассматривать как процессы, контролируемые сдвигом (Towler and Sinnott, 2013).
Рис. 3. Устройство мешалки и схемы потока (Towler and Sinnott, 2013)
При высоких числах Рейнольдса (низкая вязкость) следует использовать один из трех основных типов рабочего колеса, показанных на рисунке 4.Для процессов, управляемых турбулентным перемешиванием, подходят турбины с плоскими лопастями (Раштона). Для объемного перемешивания подходят гребной винт и турбины с наклонными лопастями (Towler and Sinnott, 2013).
Рис. 4. Основные типы крыльчатки (Towler and Sinnott, 2013)
Для более вязких жидкостей используются лопастные, якорные и спиральные ленточные мешалки (рисунки 5 (а), (б) и (в)) (Towler and Sinnott, 2013).Таблица выбора, приведенная на рисунке 6, может использоваться для предварительного выбора типа мешалки на основе вязкости жидкости и объема резервуара (Towler and Sinnott, 2013).
Рис. 5. Низкоскоростные мешалки (Towler and Sinnott, 2013)
Рис. 6. Руководство по выбору мешалки (Towler and Sinnott, 2013)

Газожидкостное смешение

Газы можно смешивать с жидкостями, используя методы встроенного смешивания или перемешивающего резервуара, описанные ранее.Также можно использовать специальный тип газового инжектора, называемый разбрызгивателем (показан на рис. 7). Это длинная инъекционная трубка, в которой просверлено множество отверстий.

Рис. 7. Распределитель газа (Towler and Sinnott, 2013)

Небольшой поток жидкости можно диспергировать в поток газа с помощью распылительной насадки (рис. 8).

Рис. 8. Закачка жидкости в газ (Towler and Sinnott, 2013)

Смешивание твердого вещества и жидкости

Твердые вещества обычно добавляют к жидкости в резервуаре с мешалкой при атмосферном давлении.Чтобы обеспечить более точный контроль концентрации растворенных твердых веществ, смешивание твердых веществ и жидкостей часто выполняется как периодическая операция (Towler and Sinnott, 2013).

Большинство реакторов, используемых в промышленности, приблизительно соответствуют идеальному реактору периодического действия, PFR или CSTR. Фактически, реальные реакторы могут быть смоделированы как сети или комбинации нескольких реакторов с поршневым потоком и реакторов с мешалкой (Towler and Sinnott, 2013). Примеры реальных реакторов, которые приблизительно соответствуют схеме потока идеальных реакторов, показаны на рисунке 10.Эти реакторы будут обсуждаться более подробно в следующих разделах.

Рис. 10. Идеальные реакторы и некоторые реальные реакторы, которые примерно одинаковы по схеме потока (Towler and Sinnott, 2013)

Парожидкостные реакторы

Парожидкостные реакции важны во многих химических процессах. Например, реакции оксигенации и гидрирования обычно проводят с органическим компонентом в жидкой фазе (Towler and Sinnott, 2013).Сводка общих целей парожидкостных реакторов и реакторов, используемых для достижения этих целей, приведена в таблице 1.

Гол Типы парожидкостных реакторов Примеры
Поддерживать низкую концентрацию газового компонента в жидкости
  • Реактор с барботажной мешалкой
  • Барботажный трубчатый реактор
  • Жидкофазное окисление с использованием воздуха
  • Ферментеры
Контакт газа и жидкости над катализатором
  • Реактор с струйным слоем
  • Реактор суспензионной фазы
Реагировать на компонент вне газовой фазы до высокой конверсии
  • Многоступенчатый контактор V / L (реактивная абсорбционная колонна)
  • Скруббер Вентури
  • Хемосорбция
  • Очистка кислых газов

Таблица 1. Краткое описание парожидкостных реакторов (Towler, 2012)

Если время пребывания достаточно короткое, предпочтительны колонны парожидкостного контактирования из-за большой площади для массообмена. Тарельчатые или насадочные колонны могут использоваться для контакта пара и жидкости для реакции. Насадка колонки может быть каталитически активной или может быть инертной (Towler, 2012). См. Раздел «Процессы разделения» на этом веб-сайте для получения дополнительной информации о типах процессов, используемых для достижения третьей из перечисленных целей.

Баки с перемешиванием или трубчатые реакторы используются, когда требуется длительное время пребывания жидкой фазы (Towler and Sinnott, 2013). Эти и другие типы реакторов будут обсуждаться в разделе каталитических процессов на этой странице.

Реакторы, перечисленные под первой целью в таблице, являются уникальными для парожидкостных процессов. Основная концепция разбрызгивателя обсуждалась в разделе смешивания. Барботажные реакторы показаны на рисунке 11.

Рисунок 11. Барботажный резервуар с мешалкой и трубчатые реакторы (Towler, 2012)

Газ барботируется через жидкость в барботажном реакторе. Для пузырьков меньшего размера можно использовать диффузор из пористой трубы (Towler, 2012). Разработчик должен предусмотреть некоторое пространство для отсоединения в верхней части реактора, иначе унос будет чрезмерным. Если расход газа велик, поток газа можно использовать в качестве основного средства перемешивания. Справочник Perry предлагает следующие скорости воздуха (фут 3 / фут 2 мин) для перемешивания открытого резервуара, полного воды, при давлении 1 атм:

Степень перемешивания Глубина жидкости 9 футов Глубина жидкости 3 фута
Умеренная 0.65 1,3
Завершить 1,3 2,6
Насилие 3,1 6,2

Таблица 2. Сводка предлагаемых скоростей потока газа при перемешивании (Towler, 2012)

Каталитические процессы

Катализатор увеличивает скорость химической реакции, не подвергаясь ее постоянному изменению. Катализаторы позволяют проводить реакции в реакторах меньшего размера, работать при более низких температурах и улучшать селективность.Следовательно, катализаторы почти всегда приводят к более экономически привлекательному процессу, чем некаталитический путь (Towler and Sinnott, 2013). Катализаторы обычно выбираются на основе производительности, а не цены, поскольку повышение селективности катализатора почти всегда быстро окупает любую ценовую надбавку, ожидаемую производителем. Важно протестировать катализаторы в условиях, которые являются репрезентативными для условий процесса (Towler and Sinnott, 2013).

Активность катализатора со временем часто ухудшается (Towler, 2012).Общие причины деактивации включают:

  • Отравление компонентами сырья (например, основание разрушает кислотный катализатор)
  • Забивание пор или активных центров побочными продуктами, такими как кокс
  • Термическая или гидротермальная модификация структуры катализатора

Потеря медленной активности может быть компенсирована:

  • Добавление катализатора (меньшая объемная скорость)
  • Медленное повышение температуры в реакторе

Быстрая потеря активности может потребовать перемещения катализатора в зону непрерывной регенерации (Towler, 2012).

Каталитические реакции могут быть либо гомогенными (катализатор находится в той же фазе, что и реагенты), либо гетерогенными (катализатор не находится в той же фазе, что и реагенты).

Гомогенный катализ

Гомогенный катализ можно проводить в базовых реакторах периодического действия, PFR или CSTR, которые уже обсуждались. Однако, когда катализатор находится в той же фазе, что и реагент, восстановление этого катализатора после реакции может быть трудным и дорогостоящим, особенно если катализатор чувствителен к высоким температурам (Towler, 2012).Обеспечение адекватной межфазной поверхности также является проблемой гомогенного катализа. Реакция часто происходит только на границе раздела или в пограничном слое между катализатором и реагентами. Более интенсивное перемешивание может увеличить скорость и селективность реакции, но для этого может потребоваться подробное и дорогостоящее оборудование для перемешивания (Towler, 2012). По этим причинам реакции, требующие гомогенных катализаторов, обычно не используются, если не будет найдено легкое разделение для извлечения катализатора.

Гетерогенный катализ

Восстановление катализатора в процессах, включающих гетерогенный катализ, намного проще.Однако скорость реакции ограничена доступной межфазной площадью поверхности и массопереносом реагентов и продуктов к поверхности раздела и от него (Towler, 2012). Следовательно, реакторы для этих процессов спроектированы таким образом, чтобы уменьшить эти ограничения.
В реакторе с неподвижным слоем реагент протекает над неподвижным слоем уплотненного катализатора (Towler and Sinnott, 2013). Это наиболее распространенный тип реакторов, используемых для гетерогенного катализа, если катализатор не требует непрерывной регенерации, а реакционная смесь не требует сильного перемешивания (Towler, 2012).Необходимое количество катализатора можно найти с помощью следующих уравнений:
Отношение высоты слоя (L) к диаметру (D) определяет распределение реагентов и падение давления в слое. Повышенное соотношение L / D создает более равномерное распределение и меньшее изменение локальной деактивации или «горячих точек». Однако увеличение отношения L / D увеличивает падение давления, что требует более высоких затрат на сжатие и перекачку (Towler, 2012).Уравнение Эргуна можно использовать для расчета падения давления в уплотненных слоях.
Где V — приведенная скорость (объемный расход, деленный на площадь поперечного сечения), μ — вязкость, D p — диаметр частицы, а ε — пористость уплотненного слоя (Towler, 2012). Учитывая эти компромиссы, может иметь смысл разделить катализатор на несколько слоев (Towler, 2012).
При очень небольшом перепаде давления отношение L / D должно быть намного меньше единицы (Towler, 2012).Обычным решением этой проблемы является использование реактора с радиальным потоком, в котором катализатор содержится в кольцевом пространстве между вертикальными перфорированными или щелевыми экранами. Жидкость проходит через слой в радиальном направлении, и направление потока может быть как внутрь, так и наружу (Towler and Sinnott, 2013). Пример реактора с радиальным потоком показан на рисунке 12.
Рис. 12. Реактор с радиальным потоком (Towler, 2012)
Реактор с подвижным слоем похож на реактор с радиальным потоком, но катализатор перемещается через кольцевое пространство (Towler, 2012).
Если поток жидкости идет вверх через слой катализатора, то слой может стать псевдоожиженным, если падение давления достаточно велико, чтобы выдержать вес катализатора. Псевдоожиженные слои обычно имеют меньшее падение давления, чем нисходящий поток при высоких расходах (Towler, 2012). Кроме того, псевдоожижение катализатора облегчает переход из одной реакционной зоны в другую.
Слой катализатора псевдоожижается с помощью распределителя для впрыскивания псевдоожижающей жидкости, которая не обязательно является сырьем.Псевдоожижение происходит, когда падение давления в слое уравновешивает вес частиц или
Где ∆P — перепад давления, ρ p и ρ г — плотности частицы и газа соответственно, ε м — пористость при минимальном псевдоожижении, а L — высота кровати (Towler, 2012). Псевдоожижение можно использовать только с частицами относительно небольшого размера (<300 микрометров с газами).Твердый материал должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять истиранию в псевдоожиженном слое, и достаточно дешевым, чтобы можно было восполнить потери при истирании (Towler and Sinnott, 2013). В реакторах с псевдоожиженным слоем также необходимо учитывать отделение жидкофазного продукта от увлеченных твердых частиц, чтобы твердые частицы не выносились из реактора (Towler and Sinnott, 2013).
Реакторы с струйным слоем используются, когда в реакции участвуют все три фазы.Они должны обеспечивать хорошее распределение как пара, так и жидкости, без образования каналов какой-либо фазы (Towler, 2012). В реакторе с тонким струйным слоем жидкость стекает по поверхности неподвижного слоя твердых частиц. Газовая фаза обычно также течет вниз вместе с жидкостью, но противоток возможен, если не допускаются условия затопления (Towler and Sinnott, 2013). Это требует более сложного распределителя, такого как те, которые используются для насадочных ректификационных колонн (Towler, 2012). Пример реактора с тонким струйным слоем показан на рисунке 13.
Рис. 13. Пример реактора с струйным слоем (Towler, 2012)
Жидкость смешивается с жидкостью в реакциях суспензионной фазы. Шламовые реакторы склонны к истиранию твердых частиц, вызванному перекачкой или перемешиванием жидкости (Towler and Sinnott, 2013). Работа в суспензионной фазе обычно не является предпочтительной для процессов, в которых используются гетерогенные катализаторы, поскольку катализатор имеет тенденцию к эрозии и его трудно восстановить из жидкости (Towler and Sinnott, 2013).

Биореакторы

Биореакторы предъявляют повышенные требования к сложности по сравнению с более простыми химическими реакторами. Эти реакции часто бывают трехфазными (клетки, вода и воздух), требуют стерильной операции и отвода тепла (Towler, 2012). Однако биологические системы обладают следующими преимуществами:

  • Некоторые продукты можно производить только биологическим путем
  • Можно производить большие молекулы, такие как белки
  • Избирательность по желаемому продукту может быть очень высокой
  • Продукция часто бывает очень ценной

Ферментный катализ

Ферменты являются биологическим эквивалентом катализаторов.Иногда их можно выделить из клеток-хозяев. Обычно это белки, поэтому большинство из них термически нестабильны при температуре выше ~ 60 градусов Цельсия и активны только в воде при ограниченном pH (Towler, 2012). Иногда ферменты могут абсорбироваться на твердом теле или инкапсулироваться в гель без потери своей структуры. В этом случае их можно использовать в обычном реакторе с неподвижным слоем. Обычно гомогенные реакции проводят в реакторах периодического действия.

Дизайн и отбор микроорганизмов

В качестве альтернативы ферментному катализатору можно использовать сконструированные микроорганизмы для производства интересующего химического вещества.Этим продуктом могут быть сложные биологические соединения, терапевтические белки или товарные пластмассы и топливо (Westfall 2011). Клетки-хозяева в качестве платформы для модификации до сих пор включали клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих (Schmidt 2005). Эффективность биореактора сильно зависит от эффективности используемого микроорганизма. Неэффективная клетка-хозяин, которая плохо справляется с производством желаемого продукта, всегда приводит к плохо спроектированному биореактору, независимо от используемого оборудования или условий.Кроме того, конструкция биореактора во многом основана на идеальных условиях роста микроорганизма. Как показано в этом разделе, конструкция и / или выбор микробного хозяина тесно связаны с конструкцией биореактора. Выбор хозяина требует определенных условий в реакторе, и в случае генно-инженерных микробов клетки должны быть спроектированы для работы в условиях, которые возможны и доступны с современной технологией биореакторов. Этот процесс может включать в себя тщательную конструирование нового микроорганизма, большой скрининг высокопродуктивных штаммов или, что наиболее вероятно, сочетание того и другого.Этот этап процесса проектирования биореактора требует тесного сотрудничества между технологическими инженерами и микробиологами.

Цели ферментации

Ферментация в качестве общей практики осуществляется для следующих целей, многие из которых напрямую связаны с выбором микроорганизмов (Shuler 2002).

Стоимость, доходность и производительность

Цель эффективного микробного хозяина приводит к четырем параметрам, которые связывают производительность микробов с общей производительностью реактора.Общая производительность ферментации для периодического процесса и периодического процесса с подпиткой может быть оценена как

где представляет концентрацию желаемого продукта, концентрацию клеток и удельную продуктивность клеток по массе продукта. за раз. Рост клеток можно смоделировать уравнением

где — удельная скорость роста за раз.Желательными значениями этих параметров для масштабированного бактериального процесса являются производительность 0,1 г / л-час и скорость роста 0,2-0,7 л / час. Как обсуждается ниже, эти параметры специфичны для клеточных линий, и их сложно подобрать ортогонально.

Помимо роста и образования продукта, при выборе эффективного микроорганизма важно учитывать потребление субстрата. Часто высокие титры продукта могут быть получены с чрезмерным расходом субстрата, что приводит к большим затратам и нереалистичным размерам реактора.Чтобы лучше понять использование субстрата, проще всего просмотреть состав организма и продукта в целом для определения требований к субстрату, как показано в следующих таблицах.

Таблица 1. Примерный состав обычных типов ячеек.

Таблица 2. Примерные требования к элементам.

Хотя требуется много элементов, нет необходимости моделировать их все. Для оценки потребления корма полезно смоделировать потребление химикатов организмом на элементном уровне только для первых четырех.

где w, x, y, z обозначают состав субстрата, r, s, t обозначают относительный состав клеток, а j, k, l, m обозначают состав продукта. В одиночку это расчетное уравнение не может быть решено для единственного решения. Вместо этого требуются два дополнительных параметра, специфичных для клетки-хозяина. и представляют выход клеточной массы и массы продукта на массу подаваемого субстрата.Эти параметры характеризуют, как клетка-хозяин использует свой корм, и, опять же, их сложно ортогонально спроектировать. Используя это стехиометрическое уравнение дизайна и желаемую скорость образования продукта, можно рассчитать степень использования субстрата. Таким образом, общий выход ферментации в значительной степени зависит от этих четырех параметров конструкции организма, а.

Для непрерывной ферментации процесс имеет ту же зависимость от этих параметров, которые находятся в следующем расчетном балансе массы.

Выделение и очистка продукта

Последующая переработка продукта в первую очередь зависит от природы и химических свойств самого продукта. Например, отдельный внутриклеточный белок может быть очень трудно отделить от других внутренних органов клетки. Однако выбор микроорганизма может оказать значительное влияние на ранние стадии разделения, в частности, на отделение продукта от клеточной массы.Главное — выводится ли продукт из клеток. Бактерии, такие как E. coli , не имеют многих механизмов, необходимых для выделения желаемого продукта в ферментационный бульон. Это требует лизиса клеток на ранней стадии последующей обработки и отделения продукта от внутренних органов клеток. Этот процесс будет выполняться партиями, которые можно оптимально спланировать по времени, чтобы максимально использовать оборудование для ферментации и разделения (Biegler 1997). С другой стороны, клетки млекопитающих и дрожжи могут быть сконструированы или подвергнуты скринингу для выделения интересующего продукта в ферментационный бульон.Этот процесс устраняет необходимость стадии лизиса и значительно упрощает очистку продукта. Это также делает реактор особенно пригодным для непрерывной ферментации (Huang 2008). Кроме того, эукариотические клетки могут производить более сложные продукты, такие как гликозилированный белок. Гликозилирование белков — это механизм, который только недавно был реализован у бактерий (Nothaft, 2010). В таблице ниже указаны преимущества и недостатки различных типов организмов.

Таблица 3.Сравнение типов ячеек.

Условия эксплуатации, оборудование и масштабирование

Инженеру-технологу важно выбрать микроорганизм, который может работать в разумных условиях реактора.

  • Корм: микроб должен демонстрировать желаемые конструктивные параметры при выращивании на корме, который не является ограничивающим с коммерческой или экономической точки зрения. Ниже приведены несколько распространенных источников питания биореакторов.

Таблица 4. Обычные доступные микробные корма.

  • Тепло: микроб должен демонстрировать желаемые конструктивные параметры при температуре, которую разумно поддерживать в биореакторе.Поскольку при ферментации выделяется чрезмерное тепло из-за разрушения субстрата, это обычно включает охлаждение реактора до температуры от комнатной до 37 ° C (Towler 2012). Микробный хозяин, которому требуются слишком высокие или низкие температуры, не поддается контролируемой ферментации. Это особенно заметно в случае экстремофилов — микробов, которые живут в экстремальных условиях и часто демонстрируют от природы высокие титры ценных продуктов. В этом случае необходимо сконструировать экстремофила или выбрать более разумную клетку-хозяина.
  • Кислород: Микробы обычно могут расти в аэробных или анаробных условиях. Часто образование и рост продукта будут благоприятными в аэробных условиях. В этом случае важно учитывать потребность в кислороде для поддержания аэробных условий и гарантировать, что спроектированный биореактор может удовлетворить потребности организма при желаемых скоростях роста и концентрациях. При разработке микроорганизма важно не требовать, чтобы скорость использования кислорода превышала то, что может обеспечить разумный биореактор.
Проблемы конструирования микроорганизмов

Клетки должны быть сконструированы так, чтобы производить гетерологичный продукт через рекомбинантную ДНК. Для терапевтического белка это включает идентификацию последовательности ДНК, кодирующей белок, и экспрессию этой ДНК в клетке-хозяине (Seider 2004). Для товарной молекулы ферменты, катализирующие синтез этой молекулы, должны быть идентифицированы и экспрессированы в клетке-хозяине. Конструирование микроорганизмов представляет собой ряд серьезных проблем.Многие компании избегают этой проблемы, проверяя известные микроорганизмы на наличие штаммов, которые естественным образом производят высокие титры продукта, или близких предшественников. Экспрессия гетерологичных генов в клетках вызывает сильный стресс и нарушает естественный метаболический баланс.

Есть много методов, используемых для конструирования микроорганизмов. В основном они включали манипулирование и доставку гетерологичной ДНК в линию клеток-хозяев для генетического манипулирования ее фенотипом. Однако, поскольку эта вики посвящена проектированию для инженера-технолога, эти методы не обсуждаются.Вместо этого будут разъяснены аспекты дизайна организма, которые влияют на параметры процесса, демонстрируемые организмом. Это в основном включает в себя балансирование наблюдаемого и поддержание высокой производительности и темпов роста.

Метаболическая инженерия изучает способы снятия этих стрессов путем «перепрограммирования» сетей синтеза внутри клеток (Stephanopoulos 1998). Он состоит в основном из двух частей. Первый включает построение в клетках чужеродных биохимических путей. Это необходимо, если хост еще не производит желаемый продукт.В хозяине экспрессируются ферменты, которые катализируют правильные реакции синтеза продукта. Это часто создает нагрузку на клетки, поскольку отвлекает ресурсы клетки на продукт, который обычно используется где-то еще, например, для роста. Второй аспект метаболической инженерии включает манипулирование и балансирование метаболических потоков внутри клетки. Это включает в себя контроль экспрессии ферментов, чтобы клетка производила достаточно продукта, но при этом имела достаточно ресурсов для роста до приемлемого уровня.Иногда может быть выгодным стимулировать выработку продукта только после того, как клетки вырастут до высокой концентрации. Это требует, чтобы гетерологичная ДНК экспрессировалась индуцибельным промотором. Например, производство продукта может быть вызвано переключением сырья на метанол (Yurimoto 2000).

Одной из стратегий метаболической инженерии является белковая инженерия. Это просто включает в себя разработку или случайное тестирование белков, обычно ферментов, для улучшения или изменения их функции.Это используется в сочетании с метаболической инженерией, чтобы либо создать новые пути, либо сбалансировать существующие пути.

Примеры из практики

В этом разделе рассматриваются два тематических исследования. Производство пенициллина является первым крупным промышленным микроорганизмом. Более современное производство артемизинина из бактерий служит каноническим примером дизайна микроорганизмов.

Производство пенициллина

В 1928 году Александр Флеминг обнаружил, что плесень Penicillium notatum производит вещество, убивающее бактерии.Продукт получил название пенициллин и не изучался почти 10 лет. С началом Второй мировой войны потребность в эффективных антибиотиках стала причиной характеристики пенициллина. Он был очищен для изучения биохимиками и оказался чрезвычайно эффективным. Теперь существовал спрос на массовое производство лекарства, которое в то время традиционно осуществлялось путем химического синтеза. Однако хрупкость и сложность пенициллина вынудили американские фармацевтические компании продолжить процесс ферментации, используя преимущества биологических механизмов, уже существующих для производства молекулы.Разработка этого нового промышленного процесса включает две основные задачи, обе из которых связаны с выбором оптимального микроорганизма. Во-первых, продукт производился в небольших количествах, а для промышленного производства требовались повышенные концентрации продукта. Во-вторых, организм должен был работать на воспроизводимом, определяемом уровне в больших масштабах с большими, часто анаэробными резервуарами. Были выделены и охарактеризованы сотни штаммов Penicillium, из которых было отобрано Penicillium chrysogenum , которые продуцировали пенициллин на два порядка выше, чем другие протестированные штаммы.Это позволило получить концентрацию продукта в масштабных биореакторах 0,001 г / л. Это число чрезвычайно мало по сегодняшним стандартам и представляет собой серьезную проблему очистки. Очистке способствует выведение пенициллина плесенью, что является основным преимуществом эукариотической ферментации. Сегодня, после бесчисленных итераций модификации штаммов, концентрация продукта превышает 50 г / л (Shuler 2002).

Артемизинин Производство
Артемизинин

является эффективным противомалярийным препаратом и препаратом выбора от паразита Plasmodium falciparum .Еще десять лет назад доступ к этому важному лекарству был ограничен в нескольких частях мира. С тех пор биоинженеры успешно разработали микроорганизмы, которые могут продуцировать артемизинин на достаточно высоких уровнях, чтобы обеспечить значительный рост доступности во всем мире.

Артемизинин получают из травы Artemisia annua . К сожалению, на заводе он производится в следовых количествах. Очистка сложна и требует невозможного количества растительной биомассы. Попытки разработать естественный путь синтеза артемизинина не увенчались успехом.Путь синтеза артемизинина in vivo в значительной степени неизвестен. Хотя генетическая манипуляция экспрессией нескольких ферментов увеличила урожайность, производство не находится на уровне, доступном для биореактора. Параллельно стратегии производства артемизинина посредством химического синтеза или биохимических путей in vitro столкнулись с аналогичными проблемами.

Успех в производстве артемизинина достигается за счет искусственно созданных микроорганизмов. Наивысшие титры продукции на сегодняшний день являются результатом гетерологичной экспрессии ферментных путей у растений как в бактериях Escherichia coli , так и в дрожжах Saccharomyces cerevisiae с E.coli видит больший успех. В настоящее время E. coli может достичь 450 мг / л продукта через 60 часов, а S. cerevisiae может достичь 153 мг / л за 16 дней. Эти успехи были достигнуты с помощью трех методов. Во-первых, метаболические пути предшественников артемизинина были собраны в микроорганизмах из ряда источников. Во-вторых, несколько ферментов были мутированы, чтобы улучшить или немного изменить их функцию. В-третьих, экспрессия гена каждого фермента была настроена для оптимизации количества фермента, необходимого для каждой стадии синтеза.Эти методы позволили продуктивности клеток оставаться высокой, сохраняя при этом стабильную скорость роста. Микроорганизмы, которые демонстрируют этот баланс выхода клеток и выхода продукта, идеально подходят для биореакторов (Arsenault 2010).

Рост клеток

Рост клеток проходит несколько фаз в течение партии, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15. Рост клеток и образование продукта при периодической ферментации (Towler and Sinnott, 2013)

  • I: Инокуляция: медленный рост, пока клетки адаптируются к новой среде.
  • II: Экспоненциальный рост: скорость роста пропорциональна клеточной массе
  • III: Медленный рост субстрата или другие факторы начинают ограничивать скорость
  • IV: Стационарная фаза: скорость роста клеток и смертность равны
  • V: Фаза упадка: клетки отмирают или образуют споры, часто из-за накопления продукта.

Инокуляция

Иннокуляция, или лаг-фаза — это первая стадия роста клеток в процессе периодической ферментации.Наблюдается минимальное увеличение плотности клеток. Эта фаза наименее изучена учеными, но была замечена с конца 19 века. Отсутствуют данные, которые могли бы адекватно объяснить физиологические и молекулярные процессы, происходящие на этом этапе.

Экспоненциальный рост

Экспоненциальная фаза, также известная как фаза логарифмического роста, возникает, когда клетки приспосабливаются к своим новым условиям. Они ныряют с постоянной скоростью, что приводит к экспоненциальному увеличению количества клеток в соответствии с кинетикой первого порядка.Уравнение ниже иллюстрирует этот процесс:

Рост клеток часто ограничивается субстратом, что означает, что рост будет плато, когда субстрат станет менее доступным. Скорость роста клеток можно измерить с помощью различных форм ингибирования. Эти формы включают ингибирование субстратом, ингибирование продукта и ингибирование токсичных соединений.

Стационарная фаза

Стационарная фаза наступает, когда количество умирающих и делящихся клеток достигает равновесия. Это может быть вызвано истощением одного или нескольких питательных веществ для роста, накоплением токсичных побочных продуктов, индукцией гена.Индукция создает стрессовую среду для клеток и увеличивает уровень смертности. На этом этапе производство первичного метаболита прекращается, но производство вторичного метаболита может продолжаться.

Фаза спада

Фаза упадка, или фазы смерти, наступает, когда скорость гибели клеток превышает скорость образования клеток. Он представлен следующим уравнением кинетики первого порядка:


Измерение роста

Один из простых способов быстро построить кривую роста — это измерить оптическую плотность с помощью спектрофотометра.Берется образец ферментационной жидкости, и оптическая плотность образца измеряется спектрофотометром. Затем измеренное значение объединяется с предыдущими измерениями и может быть построена кривая. Одним из недостатков этого метода является то, что измеряются и учитываются как жизнеспособные, так и нежизнеспособные клетки.

Накопление внутриклеточного продукта сначала происходит медленно, потому что количество клеток ограничено (Towler, 2012). Однако важно отметить, что накопление продукта продолжается даже после того, как количество живых клеток падает, поскольку мертвые клетки все еще содержат продукт.

Скорость роста клеток может быть ограничена такими факторами, как:

  • Наличие первичного субтрата
    • Обычно глюкоза, фруктоза, сахароза или другие углеводы
  • Доступность других метаболитов
    • Витамины, минералы, гормоны или кофакторы ферментов
  • Наличие кислорода
  • Массообменные свойства реакционной системы
  • Ингибирование или отравление продуктами или побочными продуктами
  • Высокая температура из-за недостаточного отвода тепла

Все эти факторы усугубляются при более высоких концентрациях клеток (Towler, 2012).Очевидно, что биологические реакции необходимо тщательно контролировать. Дополнительная сложность при работе с биологическими реакциями заключается в том, что образование продукта часто не связано напрямую со скоростью потребления субстрата (Towler, 2012). Это связано с тем, что продукт может производиться клетками в относительно низкой концентрации, и тем фактом, что некоторые метаболические процессы клетки могут не участвовать в образовании желаемого продукта (Towler, 2012).

Пакетный или непрерывный

Партия

Биореакторы периодического действия представляют собой большинство промышленных процессов.Для этого требуется фаза стерилизации и инокуляция питательной среды микроорганизмами до того, как реакция может произойти. Некоторые преимущества пакетных систем включают (William, 2002):

  • Сниженный риск загрязнения из-за короткого времени роста
  • Меньшие капитальные вложения
  • Больше гибкости для биологических систем

К недостаткам можно отнести:

  • Промежуточные шаги, вызывающие снижение уровня производительности
  • Высокие затраты при подготовке культуры к посеву
  • Повышенные гигиенические риски из-за тесного контакта с микроорганизмами

Непрерывный

Для непрерывного процесса среда, которая либо стерильна, либо содержит бактерии, непрерывно подается в биореактор для поддержания устойчивого состояния.Некоторые преимущества непрерывных систем включают (William, 2002):

  • Возможности автоматизации
  • Снижение затрат на рабочую силу
  • Меньше времени, затрачиваемого на стерилизацию и подготовку
  • Постоянное качество продукции

К недостаткам можно отнести:

  • Допускаются только небольшие изменения в процессе
  • Необходимо указать и поддерживать качество кормов
  • Более высокие инвестиционные затраты
  • Риск мутации клеток из-за непродолжительного культивирования

Практический пример: партия по сравнению с непрерывной

Исследовательская группа сравнила скорость производства фермента ксиланазы.Нитчатые грибы выделяют этот фермент в среду во время ферментации и обладают гораздо большей активностью, чем дрожжи и бактерии. Этот фермент увеличивает прирост массы тела животных. Он также используется для предварительного отбеливания в бумажной промышленности, а также помогает регулировать вязкость теста в хлебопекарной промышленности. Наконец, его можно использовать для производства топлива и химического сырья (Бакри, 2012).

Из-за характера постоянного состояния, группа предсказала, что этот вариант должен дать более высокие результаты.Непрерывное брожение не требует времени на очистку и стерилизацию новых партий. Клетки выращивали в 3-литровом ферментере Electro-lab с гидролазной средой из соломы ячменя. Для порционной части эксперимента реактор был заполнен 1,5 литрами среды и засеян концентрацией миллиона спор на миллилитр. Для непрерывной части эксперимента среду закачивали в биореактор с помощью перистальтического насоса со скоростью 75 миллилитров в час. Скорость была выбрана с учетом сохранения 1.5 литров культуры во время процесса (Бакри, 2012).

Результаты как для периодического, так и для непрерывного методов показаны ниже:

Рисунок 16: Производство ксиланазы периодическим методом

Рисунок 17: Производство ксиланазы непрерывным методом

Рисунок 18: Сравнение продуктивности ксиланазы при периодическом и непрерывном методах

Это тематическое исследование показывает, что, хотя концентрация ксиланазы была выше в периодическом режиме, самая высокая продуктивность наблюдалась в непрерывном методе.Урожайность увеличилась почти в восемь раз, что свидетельствует о том, что непрерывное культивирование является лучшим методом производства (Бакри, 2012).

Массообмен для биореакторов

Важно помнить о массопереносе, поскольку он часто становится ограничивающим этапом всего процесса. Для точного проектирования и масштабирования биореакторов необходимо знать объемный коэффициент переноса кислорода. Следующее уравнение показывает баланс массы растворенного кислорода в хорошо перемешанном реакторе при отсутствии биомассы:

Переменные, влияющие на значения, в основном зависят от конфигурации крыльчатки, скорости и аэрации.Увеличение расхода газа приводит к увеличению значений (Карими, 2013).

Типы биореакторов

Ферментер с мешалкой является наиболее распространенным реактором, используемым для биологических реакций (Towler, 2012), и аналогичен упомянутым ранее резервуарам с мешалкой. Его можно использовать как в пакетном, так и в непрерывном режиме. На рисунке 14 показан ферментер с мешалкой.
Рисунок 14. Ферментационный реактор (Towler and Sinnott, 2013)
Безвальные биореакторы используются, когда уплотнение вала насоса считается недопустимым источником загрязнения. В этих реакторах для перемешивания жидкости используется поток газа. Конструкция требует особого внимания к гидравлике (Towler, 2012). Примеры безвальных биореакторов показаны на рисунке 15.
Рисунок 15. Примеры биореакторов без вала (Towler, 2012)
Биореакторы WAVE представляют собой альтернативу стандартным биореакторам из нержавеющей стали. Эти реакторы являются гибкими и одноразовыми, что сокращает время между партиями и обеспечивает более стерильную среду. Эти одноразовые реакторы в основном используются в культуре клеток млекопитающих. Три слоя пластика — это минимум, необходимый для строительства. Первый — это структурный слой, за которым следует барьерный слой, обеспечивающий проницаемость.Последний слой, слой, контактирующий с жидкостью, разработан с учетом инертности и поддержания хорошей герметичности (Bioprocess, 2013).
Рис. 16. Пример биореактора WAVE (GE Health, 2016).
Биореакторы с насадочным слоем устроены таким образом, что клетки иммобилизуются и помещаются на крупные частицы. Хотя они относительно просты в изготовлении, они могут иметь проблемы с закупоркой или плохой транспортировкой кислорода.Существует три типа потока: нисходящий поток, восходящий поток и метод рециркуляции. В промышленности предпочтительным является восходящий поток, особенно когда во время ферментации выделяется газ (Prieto, 2003).
Рис. 17. Пример биореактора с уплотненным слоем (Kang, 2000).
Анаэробные реакции используются в производстве этанола, виноделии, пивоварении и очистке сточных вод.Благодаря своей давней истории, эти процессы стали хорошо известными, и улучшения включают снижение стоимости производства за счет новых технологий. Хотя непрерывное производство пива было запатентовано в больших масштабах, большая часть инвестиций по-прежнему сосредоточена на серийном производстве (William, 2002).

Предотвращение загрязнения

Поскольку клетки легко подвергаются воздействию как нежелательных химикатов, так и других веществ в реакторе, биореакторы должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать загрязнения (Towler 2013).Бактериальные споры представляют собой наиболее сложную задачу стерилизации биореактора. Споры бактерий — это спящие и не репродуктивные структуры, продуцируемые небольшим количеством бактерий. Поскольку они предназначены для обеспечения выживания бактерий во время стресса окружающей среды, они термостойкие. Чтобы гарантировать уничтожение всех спор в среде, среду необходимо стерилизовать (Shuler 2002). Существует множество методов стерилизации, в том числе фильтрующая, химическая, термическая и радиационная. Термическая стерилизация паром является наиболее распространенным методом, так как это наиболее экономичный метод для крупномасштабных реакторов.Химические вещества не могут быть токсичными для продукта, а УФ-излучение не может легко проникать в жидкости. Стерилизация паром происходит либо в резервуаре для ферментации в виде периодической стерилизации, либо в аппарате непрерывного действия перед резервуаром для ферментации (Seider 2004).

Кинетика смерти
Кинетика гибели, связанная с стерилизацией, обычно может быть описана кинетикой первого порядка, но, поскольку необходимо удалить практически все загрязнители, это обычно описывается в вероятностных терминах (Towler 2013).Удельную смертность организма от тепловой инактивации можно описать как
где — удельная смертность, — постоянная Преаррениуса, — энергия активации индивидуальной смерти, а T — температура. Стерилизация обычно предназначена для Bacillus stearothermophilus, поскольку это один из наиболее термостойких потенциальных загрязнителей. При проектировании стерилизации необходимо также учитывать уровень смертности от витаминов в питательной среде, поскольку может быть нарушена пищевая ценность питательной среды.-1 для спор и витаминов соответственно. Типичные значения энергии активации для индивидуальной смерти составляют 65 и 10 ккал / моль для спор и витаминов соответственно (Jewett 2016).
Число жизнеспособных особей после стерилизации можно описать как
где N — количество жизнеспособных особей, — количество изначально присутствующих загрязнителей, а t — время.Вероятность заражения культурой тогда может быть описана как
Эту вероятность также можно определить с помощью таблицы стерилизации, используя споры () и, как показано на рис. 16. Для обеих партий используются одни и те же уравнения. и непрерывная стерилизация, но заражение спор будет рассчитываться по-другому, что будет обсуждаться в следующих разделах (Shuler 2002).
Рис.18. Таблица стерилизации (Shuler 2002).
Стерилизация жидкостей
Партия
Стерилизация партии используется для небольших ферментеров (Biegler 1997). Обычно это выполняется при 121˚C. Это более широко используемый метод, поскольку это более простая операция, чем непрерывная стерилизация, и в среду не добавляются дополнительные материалы. Недостатками периодической стерилизации являются тепловые задержки и неполное перемешивание. Требования к отоплению также выше.(DiLeo 2000). Время нагрева и охлаждения от 121 ° C до 37 ° C обычно больше, чем время при температуре стерилизации, и может повредить витамины и белок в среде (Shuelr 2002). Пробу спор для стерилизации партии можно рассчитать с помощью следующего уравнения
где — исходная концентрация спор в среде, а — общий объем среды (Shuler 2002).
Непрерывный
Кратковременное воздействие и высокая температура непрерывной стерилизации легче контролировать, они меньше повреждают среду и сокращают время простоя ферментера. Он также более эффективен, поскольку нагревает небольшие части входящего потока за один раз, а не использует энергию для одновременного нагрева, удержания и охлаждения всего объема среды. (DiLeo 2000). Однако недостатками являются разбавление среды за счет впрыска пара и вспенивания.(Шулер 2002). Обычный процесс непрерывной стерилизации состоит из подачи пара в среду для ее нагрева, прохождения среды через секцию выдержки для достижения желаемого времени пребывания и последующего мгновенного охлаждения среды. Мгновенное охлаждение предотвращает загрязнение охлаждающей водой (Towler 2013). Диаграммы и температурные профили периодической и непрерывной стерилизации показаны на рис. 19. Пробу спор при непрерывной стерилизации можно рассчитать с помощью следующего уравнения
где — удерживаемый объем в реакторе, — время пребывания, а t — время, проведенное в непрерывном режиме (Jewett 2016).
Рис. 19. Диаграммы и температурные профили периодической и непрерывной стерилизации (Shuler 2002).
Проблемы, связанные со стерилизацией, значительно возрастают с увеличением масштаба, поскольку методы стерилизации, используемые для реакций лабораторного уровня, неприемлемы для реакций промышленного масштаба. При той же самой среде температура и время стерилизации могут быть достаточными для небольшого реактора, но не для более крупного.4 спор / л вероятность заражения в реакторе объемом 1 л будет 0,003, а в реакторе объемом 10 000 л будет примерно 1.
Прочие соображения
Поскольку споры прорастают во влажной среде, что облегчает их уничтожение, как вегетативные клетки, для стерилизации предпочтительнее влажное тепло. Соединения в стерилизационном оборудовании должны быть стерилизованы паром, и следует избегать образования воздушных карманов. Трубы должны иметь наклон во избежание образования конденсатных скоплений, а оборудование следует испытывать под давлением на предмет утечек.Следует убедиться, что жизнеспособные клетки-хозяева не попадают в потоки отходов и не попадают в окружающую среду, а выходящие газовые потоки также необходимо фильтровать, чтобы предотвратить утечку микробов в окружающую среду (Jewett, 2016).
Если стерилизуемая среда содержит термочувствительные материалы, следует использовать стерилизацию фильтром вместо пара. Фильтрация также используется для стерилизации технологического воздуха, используемого в системе. Используются микропористые фильтры, поэтому среду необходимо предварительно фильтровать от более крупных частиц, чтобы микропористый фильтр не засорялся.-1 и 10 ккал / моль (Jewett, 2016).

  • Для расчета времени, необходимого для стерилизации среды:
Воспользуйтесь таблицей стерилизации (рис.18), с помощью и, чтобы получить
Использование
и
найдите
  • Чтобы найти концентрацию активного витамина после стерилизации,
Первая находка
, г.
Затем используйте уравнение,
Стерилизация газов
Практически все процессы производства биофармацевтических препаратов включают аэрацию и, следовательно, требуют огромных объемов воздуха.Для пятидневной ферментации может потребоваться до 200000000 л воздуха, и, поскольку он закачивается в среду, воздух должен быть полностью стерильным. В воздухе обычно содержится около 1-10 микробов на литр.
Компрессоры необходимы для таких больших объемов воздуха, а адиабатическое сжатие воздуха увеличивает температуру примерно до 150-220 ° C, а для уничтожения спор воздух должен иметь температуру примерно 220 ° C для около тридцати секунд.Таким образом, сжатие помогает стерилизовать воздух, но поскольку воздух быстро охлаждается на выходе из компрессора, а трубы трудно поддерживать в стерильном состоянии, необходима фильтрация для обеспечения стерильности поступающего воздуха после его выхода из компрессора и попадает в реактор.
Фильтрация газов осуществляется глубинными или поверхностными фильтрами. В прошлом угольные слои со стекловатой использовались в качестве глубинного фильтра, но если фильтр намокнет, он больше не будет работать, поскольку влажный фильтр обеспечивает легкий путь для проникновения загрязняющих веществ.Загрязнитель также должен был вступить в контакт со стекловатой и остановить прилипание. Эти фильтры повреждаются при стерилизации паром, так как со временем они затвердевают и усаживаются. Мембранные картриджные фильтры в качестве поверхностных фильтров в настоящее время чаще используются в промышленности, поскольку они могут намокать и продолжать задерживать загрязнения. Эти фильтры используют просеивающий эффект для удаления частиц, так как мембраны имеют равномерно мелкие поры, которые препятствуют прохождению частиц с большим радиусом. Эти фильтры также можно стерилизовать паром, не повредив их.Оба типа фильтров увеличивают падение давления в реакторе, поскольку стоимость энергии, необходимой для сжатого воздуха для этих процессов, велика, а на обработку воздуха может приходиться четверть производственных затрат. Однако, поскольку высокие затраты связаны с потерей партии из-за загрязнения, необходимо сбалансировать стерильность, обеспечиваемую данным фильтром, с минимизацией падения давления в реакторе (Shuler 2002).
Стерильный отбор проб
Отбор пробы среды из реактора необходим для обеспечения качества продукта, но он также несет риск загрязнения среды.Отбор проб для биореактора обычно производится примерно пять раз в день. Типичное устройство для отбора проб показано на рис. 20. Клапан для отбора проб на реакторе соединен с конденсатоотводчиком для поддержания парового барьера между реактором и окружающей средой. К реактору присоединяют стерилизованное устройство для отбора проб, а к устройству для отбора проб присоединяют клапан. Пар проходит через систему в течение примерно тридцати минут, а затем клапаны на реакторе и устройстве для отбора проб открываются, чтобы удалить пробу (Chisti 1992).
Рис. 20. Схема типичного пробоотборного устройства с фильтром (Чисти, 1992).
Очистка
Очистка емкости для ферментации в конце производственного цикла необходима для удаления остаточных субстратов, которые могут привести к загрязнению будущих партий. Очистка состоит из следующих этапов стирки:
1.Мойка струей воды под высоким давлением
2. Промыть щелочным чистящим раствором, обычно 1M NaOH.
3. Промыть водопроводной водой.
4. Промыть кислотным чистящим раствором, обычно 1M азотной или фосфорной кислотой.
5. Промыть водопроводной водой.
6. Промойте деионизированной водой.
Сосуд опорожняется после каждого из этих шагов. По этой причине в емкости не должно быть внутренних мертвых зон, где мог бы скапливаться материал.Кроме того, из-за многократного опорожнения и наполнения емкости очистка приводит к значительному времени простоя между партиями (Towler 2013). Система очистки на месте (CIP) с перекачивающей проточной пластиной может облегчить очистку, поскольку она соединяет все биореакторы и перекачивающие трубы на установке в одну систему очистки, как показано на рисунках 21 и 22. Перемещающая пластина имеет съемную конструкцию. секции трубопровода, обеспечивающие защиту от смешивания различного содержимого биореактора (Чисти, 1994).
Рисунок 21. Пример системы очистки на месте с тремя биореакторами и резервуаром CIP (Чисти, 1992).
Рис. 22. Доставка жидкостей CIP в биореактор (Чисти, 1994).

Для экзотермических и эндотермических реакций потребуются реакторы с системами терморегулирования для предотвращения выхода рабочих условий за пределы желаемого диапазона. Производительность реактора часто ограничивается способностью добавлять или отводить тепло.Недостаточный отвод тепла может вызвать неконтролируемые реакции, особенно опасные ситуации при химической обработке (Turton et al., 2012). Прежде чем рассматривать дизайн системы нагрева или охлаждения для соединения с реактором, следует задать несколько важных вопросов (Towler and Sinnott, 2013).

1. Может ли реакция протекать адиабатически?

2. Могут ли корма обеспечить необходимый нагрев или охлаждение? Поэтапное добавление корма может помочь снизить затраты на добавление сети теплообмена или рубашки теплопередачи.Также подумайте о добавлении инертного разбавителя или горячих / холодных порций (Seider et al., 2004).

3. Будет ли более рентабельным проводить теплообмен вне реактора?

4. Было бы более эффективно проводить реакцию внутри теплопередающего устройства? Если для реакции требуется только небольшой объем или небольшие количества катализатора, можно использовать теплообменник в качестве регулятора температуры и в качестве места проведения реакции.

5. Позволяет ли предложенная конструкция плавно запускать и останавливать процесс?

6.Есть ли проблемы безопасности при нагревании или охлаждении реактора?

После рассмотрения этих аспектов проектирования можно использовать коммерческое программное обеспечение для проектирования, такое как HYSYS или UniSim, для оценки требований к обогреву / охлаждению. Как только это будет сделано, можно начинать проектирование системы теплообмена с различными типами реакторов и реакциями, требующими различных подходов к проектированию (Towler and Sinnott, 2013).

Реакторы с мешалкой

Нагревание и охлаждение реактора с мешалкой выполняется для обеспечения однородной температуры реакции, так что внутри реактора не существует горячих или холодных точек, которые могут отрицательно повлиять на селективность (Towler and Sinnott, 2013).

Для косвенной теплопередачи есть три основных альтернативы: теплопередающая рубашка, внутренний змеевик и внешний контур теплопередачи. Рубашка используется до тех пор, пока имеется достаточная площадь теплопередачи для теплообмена. Если это не так, используются змеевики, хотя включение нагревательного змеевика значительно увеличит объем реактора и потребности в коммунальных услугах, что приведет к значительному удорожанию реактора. Внешние контуры содержат теплообменник, который будет нагревать или охлаждать поток продукта по мере необходимости и возвращать этот материал в реактор для регулирования температуры.Внешние схемы полезны, потому что они могут быть спроектированы независимо от реактора; Подбор необходимых насосов и теплообменников принципиально не изменит работу реактора. Для любого из этих вариантов следует гарантировать, что не произойдет коррозии задействованных трубопроводов, поскольку потоки технических средств, поступающие в реактор, могут иметь очень негативное влияние на селективность реакции и на работу реактора в целом ( Таулер и Синнотт, 2013).

Существуют также некоторые альтернативы прямой теплопередачи, если рассматриваемая реакция совместима с добавлением дополнительной воды.В реактор можно закачивать пар для поддержания температуры, что устраняет необходимость в проектировании поверхностей теплопередачи. Однако пар, впрыснутый в систему, не может быть восстановлен, поэтому это приведет к увеличению годовых затрат на коммунальные услуги. Кроме того, будет производиться пар, если он не существовал ранее, поэтому реакторы необходимо будет перепроектировать для размещения системы удаления паров (Towler and Sinnott, 2013).

Каталитические реакторы

Шламовые реакторы

Поскольку в суспензионных реакторах уже используется смесь твердого катализатора и жидких реагентов, любой из методов, описанных в разделе «Реакторы с перемешивающим резервуаром», может быть применен к суспензионным реакторам.Не рекомендуется использовать внутренние змеевики в такой конструкции, поскольку суспензия реактора часто очень легко вызывает коррозию теплообменного материала (Towler and Sinnott, 2013).

Реакторы с неподвижным слоем катализатора

Косвенная теплопередача не часто используется для регулирования температуры в реакторах с неподвижным слоем катализатора, так как трудно поддерживать однородную температуру в радиальном сечении слоя катализатора. В случаях, когда требуется регулирование температуры, реактор будет разделен на более мелкие секции. После каждого слоя будет стадия теплопередачи, на которой поток продукта нагревается или охлаждается по мере необходимости и возвращается в следующий каталитический сегмент (Towler and Sinnott, 2013).

Реакторы с псевдоожиженным слоем

Реакторы с псевдоожиженным слоем имеют высокие коэффициенты теплопередачи, поэтому косвенная теплопередача очень эффективна. Теплоемкость твердых частиц катализатора может быть использована в качестве теплоносителя; нагретый катализатор содержит место реакции и необходимое тепло для поддержания требуемой температуры. Деактивированный катализатор нагревается во время реактивации и рециркуляции (Towler and Sinnott, 2013).

Теплообменники как реакторы

Иногда необходимо спроектировать реактор как устройство для теплопередачи, например, когда необходимо работать в реакторе изотермически и при этом возникает большое количество теплоты реакции.Некоторые распространенные ситуации включают высокотемпературные эндотермические реакции, которые быстро гасятся без непрерывного ввода тепла, и низкотемпературные экзотермические реакции, которые необходимо поддерживать при постоянной температуре для сохранения селективности. Наиболее распространенным оборудованием для передачи тепла, используемым для реакций, являются кожухотрубные теплообменники и огневые нагреватели (Towler and Sinnott, 2013).

Гомогенные реакции

Если для реакции не требуется катализатор, то конструкция теплопередачи такая же, как у обычного теплопередающего устройства, с некоторыми важными изменениями в тепловой конструкции.Обычные уравнения теплообменника неприменимы к конструкции реактора-теплообменника из-за нелинейного поведения скорости реакции в зависимости от температуры. В этих случаях обычная практика консервативных оценок температуры не поможет при проектировании теплопередачи, поскольку для обеспечения надлежащей работы реактора потребуется более подробная информация. Детальные кинетические модели должны быть разработаны до проектирования внутренних частей устройства теплопередачи (Towler and Sinnott, 2013).

Гетерогенные реакции

Проблемы проектирования гомогенных реакций все еще сохраняются для гетерогенных, с дополнительным усложнением твердых слоев катализатора.Катализатор может быть загружен в трубки кожухотрубного теплообменника, если теплообменник установлен вертикально и подходящая удерживающая сетка включена на обоих концах конструкции. В этом случае горячий катализатор может быть надежно переработан и подвергнут термообработке для реактивации катализаторов и уменьшения наличия горячих точек в реакторе. Спроектировать высокотемпературные эндотермические реакции будет еще труднее, поскольку их потребность в тепле часто превышает количество, обеспечиваемое нагретым катализатором. В этих случаях используется конструкция «труба в трубе», где сырье и катализатор нагреваются одновременно с помощью внешнего огневого нагревателя.Это может быть сделано до тех пор, пока тепловое расширение не вызовет повреждения трубок, иначе может произойти значительное отравление катализатора. Те же проблемы, что подробно описаны для гомогенных реакций, будут по-прежнему применяться к любой конструкции, используемой для гетерогенных, поэтому снова рекомендуется разработать подробную кинетическую модель перед определением количества теплопередачи, необходимого для поддержания надлежащей селективности (Towler and Sinnott, 2013).

Реакторы

требуют особого внимания к деталям безопасности в процессе проектирования из-за опасностей, которые они создают.Они часто являются самой высокой температурой в процессе, может выделяться тепло реакции, а время пребывания может быть долгим, что приводит к появлению большого количества химикатов. Существуют руководящие принципы для изначально более безопасных принципов проектирования, которые стремятся устранить или уменьшить технологические риски, ограничивая влияние непредвиденных событий. Эти методы проектирования следует применять на протяжении всего процесса проектирования как часть надлежащей инженерной практики; они не могут быть добавлены задним числом специалистом по технологической безопасности. Некоторые примеры приведены в таблице ниже:

Некоторые применения принципиально более безопасных подходов к проектированию при проектировании реакторов (Towler and Sinnott, 2013)


Экзотермические реакции требуют особого внимания из-за их способности к ускорению (повышение температуры из-за выделяемого тепла реакции, увеличения скорости реакции, выделения большего количества тепла и т. Д.).Реактор должен быть спроектирован таким образом, чтобы можно было точно контролировать температуру и останавливать реакцию в случае потери контроля температуры. Использование растворителей или инертных частиц также позволяет регулировать температуру путем регулирования скорости потока теплоемкости относительно скорости выделения тепла из реакции. Дополнительная функция безопасности позволит заполнить реактор холодным растворителем или разбавителем.

Если есть система охлаждения, она должна быть спроектирована так, чтобы возвращать процесс до желаемой температуры, если достигается максимальная температура.

Удаление воздуха из реакторов и сброса давления затруднено из-за возможности продолжения реакции в случае потери защитной оболочки или выброса материала в систему сброса давления. Система разгрузки должна быть спроектирована в соответствии с руководящими принципами, изложенными в методологии Проектного института систем аварийной помощи (DIERS). Группа разработчиков реактора должна понимать механизм и кинетику реакции, включая роль любых соединений, которые могут ускорить реакцию. Подробности можно найти на сайте Айше здесь.

Реакторы

классифицируются как сосуды высокого давления, и поэтому методы проектирования сосудов высокого давления могут использоваться для оценки толщины стенок и, таким образом, определения капитальных затрат. Дополнительные затраты связаны с внутренними устройствами реактора или другим оборудованием. Реакторы с мешалкой и рубашкой требуют более глубокого анализа, чем тот, который предусмотрен конструкцией сосуда высокого давления. Стенка реакционного сосуда может сжиматься из-за рубашки. Для предварительной оценки затрат можно использовать соотношение для реакторов с рубашкой и мешалкой, работающих при давлениях ниже 20 бар:

где — стоимость приобретенного оборудования на U.S. Gulf Coast Basis — это константы стоимости, параметр размера и показатель степени для этого типа оборудования. Значения приведены в таблице ниже:

Коэффициенты затрат на приобретенное оборудование (Towler and Sinnott, 2013)

Преобразование сырья в продукты — это суть химического процесса, и, таким образом, реактор является сердцем химического завода. При проектировании реактора инженер должен сначала собрать данные о химической реакции, а затем выбрать соответствующие условия реакции, которые помогут определить подходящие материалы для конструкции.Затем разработчик должен определить шаг ограничения скорости и, исходя из этого, критический параметр определения размера. Затем можно провести предварительный расчет размеров, компоновку и расчет стоимости реактора. На этом этапе можно провести моделирование и эксперименты, чтобы убедиться, что предлагаемый реактор будет соответствовать желаемым спецификациям. Дизайн оптимизируется до тех пор, пока эти цели не будут достигнуты. На протяжении всего процесса проектирования инженеру важно учитывать наиболее подходящий тип реактора для использования, любое смесительное или теплопередающее оборудование, которое необходимо добавить, а также соображения безопасности.

Дуглас Дж. М.. Концептуальное проектирование химических процессов. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл; 1988 г.

Seider WD, Seader JD, Lewin DR. Принципы проектирования процессов: синтез, анализ и оценка. 3-е изд. Нью-Йорк: Уайли; 2004 г.

Таулер Г. Дизайн химической инженерии. Презентация PowerPoint; 2012 г.

Таулер Г., Синнотт Р. Проектирование химической инженерии: принципы, практика и экономика проектирования предприятий и процессов. 2-е изд. Бостон: Эльзевир; 2013.

Turton R, Bailie RC, Whiting WB, Shaewitz JA, Bhattacharyya D.Анализ, синтез и дизайн химических процессов. 4-е изд. Верхняя Седл-Ривер: Прентис-Холл; 2012 г.

Вестфол, Патрик Дж. И Тимоти С. Гарднер. «Промышленная ферментация возобновляемого дизельного топлива». Текущее мнение в области биотехнологии 22.3 (2011): 344-350.

Шмидт, Ф. Р. «Оптимизация и масштабирование промышленных процессов ферментации». Прикладная микробиология и биотехнология 68.4 (2005): 425-435.

Юримото, Хироя и др. «Регулирование и оценка пяти индуцируемых метанолом промоторов в метилотрофных дрожжах Candida boidinii.»Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Gene Structure and Expression 1493.1 (2000): 56-63.

Хуанг, Хуа-Цзян и др. «Обзор технологий разделения на существующих и будущих заводах по переработке биопереработки». Технология разделения и очистки 62.1 (2008): 1-21.

Стефанопулос, Джордж, Аристос А. Аристиду и Йенс Нильсен. Метаболическая инженерия: принципы и методики. Академическая пресса, 1998.

Нотафт, Харальд и Кристина М. Шимански. «Гликозилирование белков в бактериях: слаще, чем когда-либо.»Nature Reviews Microbiology 8.11 (2010): 765-778.

Шулер, М.Л., Карги, Ф. Основные концепции биотехнологической инженерии. 2-е изд. Река Верхнее Седл: Прентис-Холл. 2002: 315-320

L.T. Биглер, И. Гроссманн, А. Вестерберг, Систематические методы проектирования химических процессов, Prentice-Hall: Upper Saddle River, 1997.

Шулер, Майкл Л. и Фикрет Карги. Биопроцессная инженерия. Нью-Йорк: Прентис Холл, 2002.

Арсено, Патрик Р., Кристин К. Воббе и Памела Дж.Погода. «Последние достижения в производстве артемизинина с помощью гетерологичной экспрессии». Текущая медицинская химия 15.27 (2008): 2886.

Карими, Али, Голбабей, Фариде, Пурманд, Мохаммад. «Кислородный массоперенос в биореакторе с мешалкой с использованием различных конфигураций крыльчатки в экологических целях». Иранский журнал гигиены окружающей среды, науки и техники, 2013 г.

«Система биореактора WAVE 500/1000». Биопроцесс Онлайн, 2013.

«Биореакторы WAVE.”GE Healthcare Life Sciences, 2016 г.

Прието, Г., Окумото, М., Гей, К.Р. «Нетепловые плазменные реакторы для производства легких углеводородных олефинов из тяжелой нефти». Бразильский журнал химической инженерии, 2003 г.

Кан, Сюэчжэнь. «Биореактор с набивным слоем». 2000 г.

Ю. Чисти, Обеспечение стерильности биореактора, Химико-технологический процесс. 1992: 88 (9): 80-85.

М. Джуэтт. Медиа-дизайн. ChBE 375: Примечания к классу биохимической инженерии. 12 января 2016 г.

г.Чисти, М. Му-Ён. Системы очистки на месте для промышленных биореакторов: проектирование, валидация и эксплуатация.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *