Карачун В.В., Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

ГЕТЕРОГЕННО – КАТАЛІТИЧНІ БІОРЕАКТОРИ

Відмінною рисою гетерогенно-каталітичних реакторів слугує наявність твердого каталізатора. Розрізняють реактори з нерухомим, рухомим та з киплячим шаром каталізатора. Як ті, так і інші реактори можуть бути двофазними або трифазними. Двофазні реактори розділяються на газофазні й рідиннофазні. За цих умов, процес протікає відповідно в системі газ – тверда фаза, або рідина – тверда фаза. У трифазних реакторах процес звичайно відбувається в системі газ - рідина – тверда фаза.

Існує два типи гетерогенно-каталітичних реакторів з нерухомим шаром каталізатора: реактори зі зрошуємим каталізатором і реактори із затопленим каталізатором.

Робота хімічних реакторів і опис методів їхнього розрахунку є змістом численних підручників і монографій. Проте, якщо взяти за вихідне класифікацію хімічних реакторів, наведену вище, легко переконатися, що в усіх без винятку підручниках і монографіях розглядається лише кілька типів хімічних реакторів. Основна увага звичайно приділяється гомогенним і двофазним гетерогенно-каталітичним реакторам. Слід також зазначити, що, хоча деякі автори і окреслюють різницю між газофазними й рідинними реакторами, особливості гомогенних і гетерогенно-каталітичних рідиннофазних реакторів на теперішній час спеціально не обумовлюється.

Рідше за інші розглядаються гетерогенні й трифазні гетерогенно-каталітичні реактори. Апарати цих типів у загальній номенклатурі хімічних реакторів зустрічаються досить часто. Звернутися, наприклад, до процесів гідроформилювання, гідродесульфування, рідиннофазного окислення, рідиннофазного гідрирування, синтезу багатоатомних спиртів, синтезу ізопрена тощо. Цей перелік можна було б значно розширити. Однак в підручниках і монографіях методам розрахунку реакторів для проведення реакцій у двофазних системах рідина - рідина або рідина - газ і в трифазних системах газ - рідина - тверда фаза приділяється неприпустимо мала увага.

Проаналізуємо специфічні особливості реакторів розглянутих типів і зіставимо їх з відмітними ознаками інших типів реакторів. Насамперед, очевидним стає наявність принципових розходжень між гетерогенними й гетерогенно-каталітичними реакторами. При цьому трифазні гетерогенно-каталітичні реактори в певній мірі сполучають властивості гетерогенного й гетерогенно-каталітичного реакторів за деякої переваги властивостей останніх. Які ж основні відмінні риси гетерогенного процесу.

По-перше, у гетерогенному рідиннофазному реакторі процес проходить в рідинній фазі, що найчастіше слугує необхідності врахування особливості кінетики реакцій цього класу.

По-друге, у гетерогенному реакторі одна із транспортних фаз є одночасно й реакційною фазою, що обмежує час перебування цієї фази в апараті.

По-третє, в реакторах для проведення гетерогенних і гетерогенно-каталітичних процесів має місце відмінний характер границі поділу фаз, тип масопередачі й, отже, її механізм, хоча у всіх випадках хімічній реакції передує перенос речовини крізь границю поділу фаз.

Роботу гетерогенного хімічного реактора можна охарактеризувати в такий спосіб. В апарат надходять дві фази: суцільна й диспергована, кожна з яких містить один або кілька реагентів. Для того щоб вступити в хімічну взаємодію, реагенти, які надходять в апарат із транспортною фазою, повинні спочатку перейти в реакційну фазу. Продукти, що утворюються в ході реакції, розподіляються між фазами.

Якщо проаналізувати різні фактори, які впливають на роботу гетерогенного реактора, то можна їх об'єднати в п'ять груп:

-термодинамічні фактори. До них належать сталі хімічної й фазової рівноваги. Термодинамічні фактори окреслюють напрямок реакції, технологічні параметри її проведення, впливають на швидкість і селективність процесу;

- кінетичні фактори. Ця група включає сталі швидкості й енергії активації всіх основних та побічних реакцій, що протікають в системі, а також дійсні й уявні порядки реакції;

- масообмінні фактори. До цієї групи належать коефіцієнти масопередачі вихідних і проміжних речовин, а також кінцевих продуктів реакції;

-теплообмінні фактори. Дана група складається з коефіцієнтів теплопередачі між фазами й коефіцієнта теплопередачі між середовищем і теплообмінними пристроями. Крім того, до цієї групи можна віднести також площу поверхні зовнішнього теплообміну;

-гідродинамічні фактори. Формально до цієї групи входять характеристики міжфазної поверхні й перемішування у суцільній та дисперсній фазах. Однак роль гідродинамічних факторів значно ширша, бо гідродинамічна обстановка в реакторі визначає остаточно не тільки інтегральну швидкість тепло- і масообміну, але й інтегральну швидкість хімічної реакції.

Можна було б виділити в особливу групу конструктивні фактори, але, як вже відзначалося, вони не грають самостійної ролі. Конструктивні особливості апарату є лише знаряддям впливу на фізичні процеси в реакторі. В першу чергу, на гідродинамічні фактори.

Основною стадією у виробництві будь-якого продукту мікробного синтезу, від якої багато в чому залежить ефективність технології, є стадія культивування мікроорганізмів в аеробних або анаеробних умовах. В промисловості використовуються глибинні й рідше поверхневі способи культивування. Відповідно до умов і способів культивування, всі промислові ферментери й установки можна розділити на три групи: ферментери для глибинного аеробного культивування, ферментери для глибинного анаеробного культивування, установки і апарати для поверхневого культивування.

Принцип глибинного культивування популяцій мікроорганізмів в аеробних умовах полягає в постійному надходженні у ферментаційне середовище вмістилища кисню - повітря за одночасного інтенсивного перемішування живильного середовища При цьому у ферментері протікають процеси на мікро- і макрорівнях. До макрорівня умовно відносять біохімічні і фізико-хімічні явища, що протікають на рівні кліток і залежать від морфологічних і фізіологічних особливостей мікроорганізмів. До макрорівня належать гідродинамічні, теплові й інші явища, які багато в чому визначають конструктивні особливості ферментерів. Однак такий поділ умовний, бо процеси, що протікають у ферментері, мають тісний взаємозв'язок. Явища, які мають місце на мікро- і макрорівнях, мають велику вагу при моделюванні, масштабуванні й створенні високоінтенсивних ферментерів.

Ферментаційне середовище являє собою складну багатофазну систему, стан якої залежить від природи мікроорганізмів, їх морфологічних і фізіологічних особливостей, субстратів, ступеню та інтенсивності аерації, перемішування тощо. Складність математичного опису протікаючих у ферментері процесів заважає створенню строгої математичної моделі. Означення близьких до реальних моделей, дозволила б з найменшими затратами обчислювати на ЕОМ оптимальні промислові зразки.

В той же час, масштабний перехід від лабораторного до промислового ферментатору без проміжних етапів на теперішній час став можливим лише для окремих його вузлів. Створена безліч спрощених і складних структурних математичних моделей ферментерів.

Існує значна кількість монографій і навчальних посібників, присвячених фізико-хімічним основам розрахунку хімічних реакторів та їхньому математичному моделюванню. Однак питання розрахунку реакторів для рідиннофазних процесів освітлені в них або фрагментарно, або зовсім не порушені. У першу чергу це стосується гетерогенних реакторів для проведення реакцій у двофазних системах рідина - рідина або рідина - газ, а також у трифазних системах газ - рідина - твердий каталізатор. Тим часом, розрахунок подібних реакторів досить специфічний і в більшості випадків істотно відрізняється від обчислення апаратів для гомогенних процесів.

Незважаючи на зростаючу роль багатофазних рідинних реакторів у хімічній і нафтохімічній промисловості, ступінь розробки питання залишається поки недостатньою. Це пояснюється не тільки загальною складністю завдання, але й певними недоліками в методах вивчення й опису окремих сторін процесу, таких як закономірності формування та гідродинаміка двофазних систем, умови масообміну між фазами тощо. Отже, ступінь обґрунтованості й надійності розрахунку виявляється різною для відмінних варіантів процесів і конструкцій реакторів.