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