Reaktory chemiczne i
bioreaktory
Jakub M. Gac
Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej
Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych
p. 325 (gmach IChiP), tel. (22) 234-65-08
Konsultacje: czwartek, g. 11:15-12:00
27.05.2010
Reaktory chemiczne i
bioreaktory
Jakub M. Gac
Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej
Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych
p. 325 (gmach IChiP), tel. (22) 234-65-08
Konsultacje: czwartek, g. 11:15-12:00
27.05.2010
Reaktory chemiczne
27.05.2010
•
Aparat, w którym zachodzi reakcja
chemiczna
•
Centralna część instalacji procesowej
•
Praca reaktora: okresowa, ciągła
(reaktory przepływowe), półciągła
•
Charakter fazowy reagującego układu:
– Do procesów homogenicznych
– Do procesów heterogenicznych
– Aparaty kontaktowe (reakcje w fazie
gazowej lub ciekłej w obecności
stałego katalizatora)
Reaktory chemiczne
27.05.2010
•
Warunki temperaturowe:
– Reaktor izotermiczny:
• Temperatura w każdym punkcie
reaktora – stała
• Bardzo dobre warunki wymiany ciepła
– Reaktor adiabatyczny
• Całkowity brak wymiany ciepła z
otoczeniem
• Temperatura zależy od efektu
cieplnego przemiany
– Reaktor nieizotermiczny
(politermiczny)
Reaktory chemiczne
27.05.2010
•
Podział reaktorów ze względu na
warunki konstrukcyjne:
– Reaktory zbiornikowe (z
mieszadłem)
– Reaktory rurowe
– Kolumny półkowe lub wypełnione
– Reaktory fluidyzacyjne
– Reaktory specjalne
Reaktory chemiczne
27.05.2010
•
Podział reaktorów ze względu na
połączenie sposobu pracy i konstrukcji
–
Reaktory zbiornikowe okresowe
–
Reaktory przepływowe, rurowe lub
kolumnowe, do reakcji homogenicznych
–
Reaktory przepływowe zbiornikowe lub
ich kaskady
–
Reaktory kontaktowe, kolumnowe lub
rurowe
–
Reaktory fluidyzacyjne
–
Reaktory barbotażowe lub zawiesinowe
do prowadzenia reakcji gaz-ciecz
Reaktory chemiczne
27.05.2010
•
Reakcje chemiczne zachodzą także w
innych, omówionych wcześniej
aparatach:
– Dysze
– Zgniatarki
– Przenośniki ślimakowe
– Piece
– Absorbery kolumnowe
– ...
Reaktory okresowe
27.05.2010
•
Produkcja niskotonażowa
•
Wytwarzanie różnych produktów w
tej samej aparaturze
•
Realizowanie reakcji o małej
szybkości, z dużym udziałem oporów
dyfuzyjnych
•
Możliwość uzyskania dobrego
wymieszania reagentów
•
Możliwość swobodnej kontroli czasu
przemiany
Reaktory okresowe
27.05.2010
•
Produkcja niskotonażowa
•
Wytwarzanie różnych
produktów w tej samej
aparaturze
•
Realizowanie reakcji o
małej szybkości, z dużym
udziałem oporów
dyfuzyjnych
•
Możliwość uzyskania
dobrego wymieszania
reagentów
•
Możliwość swobodnej
kontroli czasu przemiany
Reaktory
przepływowe rurowe
27.05.2010
•
Duży stosunek długości
do średnicy
•
Prowadzenie reakcji o
dużej szybkości
•
Reakcje homogeniczne
w fazie ciekłej lub
gazowej
•
Możliwość osiągnięcia
wysokich temperatur i
ciśnień
•
Produkcja
wielkotonażowa (duża
wydajność)
•
Dobre warunki wymiany
ciepła
Reaktory kolumnowe
27.05.2010
•
Prowadzenie reakcji
kontaktowych (ze stałą
warstwą katalizatora)
•
Katalizator w postaci
jednej lub kilku warstw
•
Łatwa wymiana
katalizatora
•
Wysokie temperatury i
ciśnienia
•
Absorbery
•
Prowadzenie reakcji w
fazie ciekłej (synteza
mocznika)
Reaktory
przepływowe
zbiornikowe
27.05.2010
•
Prowadzenie reakcji w
fazie ciekłej
•
Stosunkowo niskie
temperatury i ciśnienia
•
Dobre wymieszanie
•
Możliwość podziału na
sekcje
•
Możliwość łączenia w
kaskady
•
Możliwość stosowania
mieszadeł statycznych
(reakcje gaz-ciecz)
Reaktory
przepływowe
zbiornikowe
27.05.2010
•
Reaktor zbiornikowy wielosekcyjny
Reaktory
przepływowe
zbiornikowe
27.05.2010
•
Kaskada reaktorów zbiornikowych
Reaktory
przepływowe
zbiornikowe
27.05.2010
•
Reaktor z mieszadłem
statycznym
•
Funkcję mieszadła
spełnia wypełnienie
•
Mniejsze koszty pracy,
bardziej zwarta budowa
•
Reakcje heterogeniczne,
reakcje polimeryzacji, ze
zmianą fazy lub
lepkości...
Reaktory kontaktowe
27.05.2010
•
Wypełnienie – katalizator
•
Jedna lub kilka warstw
•
Chłodzenie
międzystopniowe
•
Możliwy ruch złoża
(regeneracja
katalizatora)
•
Zastosowanie
–
Wytwarzanie kwasów
nieorganicznych
–
Wytwarzanie amoniaku
–
Wytwarzanie metanolu
–
Kraking i piroliza
węglowodorów
–
Uwodarnianie tłuszczów
–
...
Reaktory kontaktowe
27.05.2010
•
Reaktor do syntezy
amoniaku
•
Wypełnienie w postaci
współśrodkowych rur
•
Zewnętrzna rura – chroni
płaszcz przed wysoką
temperaturą
•
Rura wewnętrzna –
odbiór ciepła gazów
odlotowych
•
Na osi - podgrzewacz
elektryczny
Reaktory fluidalne
27.05.2010
•
Złoże fluidalne
•
Reakcje heterogeniczne w
układach płyn-ciało stałe oraz
w układach trójfazowych
•
Reakcje kontaktowe z częstą
regeneracją kontaktu
•
Dowolna temperatura,
ciśnienie bliskie
atmosferycznemu
•
Zastosowanie
–
Kraking katalityczny ropy
naftowej
–
Kalcynacja (usuwanie wody
krystalizacyjnej) wapna, sody i
tlenku glinu
–
Spalanie odpadów stałych
Bioreaktory
27.05.2010
•
Aparat, w którym zachodzą przemiany z
udziałem mikroorganizmów, komórek
zwierzęcych lub roślinnych
•
Optymalny wzrost i fizjologia komórek
•
Na ogół – aparaty typu zbiornikowego
•
Mieszanie i aeracja
Bioreaktory
27.05.2010
Rodzaje bioprocesów
•
Fermentacja
–
Beztlenowy (rzadziej tlenowy) proces
przemian enzymatycznych, których celem jest
uzyskanie energii
–
Drobnoustroje i wytwarzane przez nie enzymy
–
Wywarzanie alkoholu i kwasów organicznych
•
Biosynteza
–
Procesy zachodzące w organizmach żywych, w
wyniku których powstają związki organiczne
–
Wytwarzanie białek, leków, enzymów
•
Biotransformacja
–
katalizowane przez enzymy reakcje
chemiczne, w których następuje
przekształcenie określonego fragmentu
substratu.
Bioreaktory
27.05.2010
Rodzaje bioprocesów c.d.
•
Biodegradacja
–
biochemiczny rozkład związków organicznych
przez organizmy żywe
–
Przyspieszona biodegradacja –
kompostowanie
–
Neutralizacja odpadów
•
Bioługowanie
–
proces, w którym stosuje się właściwości
mikroorganizmów w celu wyekstrahowania
różnych pierwiastków z ubogich rud
zazwyczaj metali
–
Wytwarzanie kwasów powoduje wzrost
rozpuszczalności ługowanych składników
–
Odzyskiwanie uranu i miedzi z hałd
Bioreaktory
27.05.2010
•
Mikroorganizmy
•
Specyfika prowadzenia bioprocesów
•
Odpowiednia pożywka i warunki tlenowe
•
Proces okresowy lub ciągły
–
Możliwość degeneracji (mutacje)
szczepu
–
Możliwość opanowania hodowli przez
populacje komórek o niekorzystnych
właściwościach
–
Niekorzystny sposób rozwoju
niektórych drobnoustrojów (skupiska
wielokomórkowe, obrastanie
przewodów...)
Bioreaktory
27.05.2010
Schemat
instalacji
bioprocesowej
(1) korpus
;
(2) płaszcz
; (3) izolacja; (4) zamocowanie;
(5) króciec do podawania inokulum
;
(6) króćce czujników
pH, temperatury i poziomu tlenu
;
(7) mieszadło
;
(8) bełkotka
; (9) uszczelka mechaniczna; (10) sprzęgło;
(11) napęd;
(12) króciec odbioru produktu
; (13) króćce
doprowadzenia czynnika chłodzącego do płaszcza;
(14) króciec do poboru próbki
z podłączeniem do
przewodu dostarczającego parę; (15) wziernik boczny;
(16) króćce przewodów podawania czynników
regulujących pH oraz środków antypieniących
;
(17) króciec wlotu powietrza; (18) pokrywa;
(19) króciec dopływu pożywki
; (20) dysza wylotowa
gazów; (21) inne podłączenia;
(22) mechaniczny
rozbijacz piany
; (23) wziernik w pokrywie i podłączenie
do przewodu odprowadzającego parę; (24) dysza
z zaworem bezpieczeństwa.
Bioreaktor
27.05.2010
Schemat postępowania podczas przygotowania
materiału posiewowego do procesu
biosyntezy
27.05.2010
Metody wyjaławiania podłoża
A – okresowa; B- ciągła przeponowa, wymienniki płytowe; C – ciągła bezprzeponowa
1- inżektor parowy, 2 – rura sterylizacyjna, 3 – komora „próżniowa”
27.05.2010
Urządzenia do mechanicznego rozbijania piany
A – dysk szybkoobrotowy (1 – wylot powietrza, 2 – doprowadzenie chemicznego środka
przeciwpianowego); B – mieszadło łapowe pomiędzy dwoma dyskami; C – fundafom CHEMAP
(1 – zasysanie piany, 2 – wylot powietrza, 3 – wyrzut cieczy); D –cyklon (1 – pompa, 2 - wylot
powietrza)
27.05.2010
Bioreaktory do tlenowych procesów wgłębnych
A – bioreaktor z mieszadłem tarczowo-turbinowym i bełkotką; B – bioreaktor z mieszadłem aeratorem;
C – bioreaktor strumienicowy z pompą zewnętrzną i eżektorowym zasysaniem powietrza; D – bioreaktor
kolumnowy z bełkotką; E – bioreaktor kolumnowy z inżektorowym doprowadzeniem powietrza i rurą
cyrkulacyjną; F – bioreaktor z mieszadłem śmigłowym, dyszą doprowadzającą powietrze i rurą cyrkulacyjną;
G – bioreaktor z hydrostatyczną cyrkulacją zewnętrzną
27.05.2010
Bioreaktor typu typu air-lift
27.05.2010
Schematy wybranych bioreaktorów do procesów z biokatalizatorami
immobilizowanymi
A – kolumna ze złożem upakowanym; B – kolumna ze złożem zraszanym; C – kolumna ze złożem fluidalnym;
D – bioreaktor z mieszadłem mechanicznym; E – bioreaktor z wkładami unieruchomionego biokatalizatora;
F – bioreaktor z krzyżowym przepływem fazy ciekłej i gazowej; G – bioreaktor rurowy z wkładami (włóknami)
z materiału półprzepuszczalnego
27.05.2010
Wybrane przykłady
instalacji
bioprocesowych
Kompostowanie
Głębokoszybowy proces oczyszczania ścieków z zastosowaniem
reaktora typu air-lift
Schemat dwustopniowego oczyszczania ścieków, umożliwiającego
przeprowadzenie nitryfikacji i denitryfikacji
Fermentacja metanowa – wytwarzanie biogazu
Bioreaktor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Ścieki wpływają do reaktora od spodu i przepływają przez
osad czynny
Bakterie beztlenowe rosnące na powierzchni ziaren nośnika
(plastik, żwir,piasek, szkło).
Mieszanina osadu czynnego, biogazu i wody jest rozdzielana
w separatorze w górnej strefie reaktora
INSTALACJA
DO WYTWARZANIA
BIOGAZU
Z ORGANICZNYCH
ODPADÓW STAŁYCH
(SALZBURG, AUSTRIA)
W instalacji przerabianych
jest rocznie 20 000 ton
odpadów w jednofazowym
procesie fermentacji beztlenowej.
Odpady rozdrobnione do 40 mm
są transportowane do dozownika,
mieszane ze szlamem fermentacyjnym.
i podgrzewane do 55 C, a następnie
wprowadzane do bioreaktora.
Wydajność 135 m
3
biogazu/T odpadów.
Przetworzenie na energię elektryczną –
250 kWh ze 135 m
3
biogazu.
Co dalej?
• Mikroreaktory i
mikrobioreaktory
• Organizmy żywe jako bioreaktory
• Nowe organizmy o pożądanych
właściwościach (inżynieria
genetyczna)
• ...
Dziękuję za uwagę
Źródła rysunków:
• A. Warych, Aparatura procesowa
• Mały poradnik mechanika
• Internet
27.05.2010