ZASADY techno- i biotechno- LOGICZNE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Chemiczny LABORATORIUM PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH Technologia Produktów Farmaceutycznych Ludwik Synoradzki ZASADY techno- i biotechno- LOGICZNE

2 KONCEPCJA (BIO)CHEMICZNA Wybór surowców, reakcji chemicznych lub biochemicznych i przemian fizycznych, które umożliwią otrzymanie żądanego produktu. Wybór reakcji chemicznych/biochemicznych i metod rozdziału ma zasadnicze znaczenie dla jakości opracowywanej technologii, dlatego musi być dokonany szczególnie starannie. Mówimy o badaniu reakcji chemicznej, a badamy proces chemiczny, którego tylko częścią jest reakcja. Wynik zależy też od sposobu wydzielenia produktu (destylacja, krystalizacja, ekstrakcja). Wybór koncepcji chemicznej jest etapem twórczym, musimy pamiętać o twórczym alternatywnym rozwiązywaniu problemów (TARP) O wyborze w skali przemysłowej decyduje kryterium ekonomiczne lub inne ważne w danym zakładzie.

3 KONCEPCJA TECHNOLOGICZNA określenie liczby, kolejności i rodzajów procesów podstawowych niezbędnych do prowadzenia produkcji. Powstaje w trakcie analizy i sprawdzania koncepcji chemicznej i jej uzupełniania o elementy wyboru metod rozdziału, sposobu prowadzenia procesu (okresowy lub ciągły), określenie warunków oraz głównych rozwiązań aparaturowych Nie ma ostrej granicy pomiędzy tworzeniem koncepcji chemicznej i technologicznej!!! Kolejne zmiany prowadzą do coraz to doskonalszej wizji procesu z uwzględnieniem wszystkich strumieni materiałowych.

4 KONCEPCJA TECHNOLOGICZNA Graficzne przedstawienie koncepcji technologicznej schemat ideowy. Podstawa tzw. pracy rozwojowej nad procesem, tzn. zbadania wybranych procesów podstawowych w sposób umożliwiający powiększanie skali (od laboratoryjnej do przemysłowej) i stworzenie schematu technologicznego. Dalej to gruntowne sprawdzenie, optymalizacja i uzupełnienia z uwzględnieniem warunków lokalnych i tzw. zasad technologicznych. Wstępna koncepcja technologiczna rodzi się już w fazie opracowywania laboratoryjnej metody technologicznej, czy też założeń do projektu procesowego. Pełną koncepcję technologiczną zawiera projekt procesowy.

5 Procesy podstawowe PODSTAWOWE DEFINICJE Elementarne etapy, jakie można wyróżnić w procesie produkcyjnym przemysłu chemicznego, charakteryzujące się określonym zespołem: przemian fizycznych operacje jednostkowe np. destylacja, krystalizacja Proces przemian technologiczny chemicznych procesy jednostkowe np. estryfikacja, nitrowanie Zespół odpowiednio uszeregowanych procesów podstawowych, w wyniku których z surowców i półproduktów uzyskuje się w instalacji produkcyjnej określone produkty.

6 Proces ciągły PODSTAWOWE DEFINICJE Wszystkie etapy przebiegają jednocześnie i w określonym porządku, warunki procesu nie zmieniają się w czasie, zaś doprowadzanie surowców i półproduktów oraz odbiór produktów odbywa się równocześnie i w sposób nieprzerwany. Proces periodyczny (okresowy) Etapy następują kolejno po sobie w czasie, powtarzają się cyklicznie, doprowadzenie surowców i półproduktów odbywa się w odstępach czasu wynikających z koncepcji technologicznej procesu, zaś warunki procesu cyklicznie zmieniają się w czasie. Instalacja produkcyjna Zespół aparatów i urządzeń (zwykle na jednej działce terenu) przeznaczonych do prowadzenia procesu technologicznego wg określonej koncepcji technologicznej.

7 ZASADY TECHNOLOGICZNE określają sposoby najekonomiczniejszego i najszybszego prowadzenia procesów przy maksymalnym wykorzystaniu surowców, minimalnym zużyciu energii i uzyskiwaniu dużej wydajności produktów z jednostki objętości aparatury. za prof. Bretsznajderem można wymienić następujące zasady: Najlepszego wykorzystania różnic potencjałów, Najlepszego wykorzystania surowców, Najlepszego wykorzystania energii, Najlepszego wykorzystania aparatury, Umiaru technologicznego.

8 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA RÓŻNIC POTENCJAŁÓW jak najlepsze wykorzystanie siły napędowej, gwarantującej szybki przebieg procesu. Szybkość = k siła napędowa opór szybkość np. szybkość reakcji chemicznej, wymiany ciepła, dyfuzji, czy przepływu; siła napędowa równowagi różnica potencjałów oddalenie od stanu np. różnica stężeń, temperatury, ciśnienia, siły ciężkości wynikająca z różnicy gęstości itp.; opór dyfuzyjny, termiczny, tarcia itp. Zasada główna, służąca do weryfikacji trzech Z. pozostałych (najlepszego wykorzystania surowców, energii i aparatury).

9 Z. MAKS WYKORZYSTANIA POTENCJAŁU BIOLOGICZNEGO Istotą procesów biochemicznych jest aktywny udział czynnika biologicznego: drobnoustroju, enzymu (grupy enzymów), komórek lub tkanek roślinnych lub zwierzęcych. Efektywne przeprowadzenie tych procesów wymaga stworzenia warunków do pełnego wykorzystania potencjalnych możliwości czynnika biologicznego. Zasadnicze metody realizacji tej zasady to: dostosowanie warunków hodowli do wymagań drobnoustroju (temperatura, skład pożywki, ph, napowietrzenie); stabilizacja warunków hodowli (temperatura, ph, stężenie rozpuszczonego tlenu i ditlenku węgla itp.); wykorzystanie szczepów o największej produktywności; usuwanie ze środowiska hodowli inhibitorów i związków toksycznych; optymalizacja składu pożywki.

10 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW Jak najlepsze wykorzystanie surowców jest niezwykle ważnym zagadnieniem zarówno technologicznym, jak i ekonomicznym, gdyż koszt surowców stanowi dużą część (nawet do ok. 50%) technicznego kosztu wytwarzania (TKW). Ma ono również duże znaczenie dla ochrony środowiska naturalnego, co wynika z reguł bilansu masowego.

11 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW Podstawowe wymagania dot. surowców w procesach biotechnologicznych obejmują konieczność dostarczenia źródła węgla, azotu, tlenu (w hodowlach tlenowych), składników mineralnych, czynników wzrostu. Surowce powinny być możliwie najtańsze, ale nie zawsze jest to istotne. W farmacji najważniejsza jest jakość i dostosowanie S do potrzeb drobnoustrojów. W produkcji etanolu, KS mają znaczenie pierwszorzędne.

12 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW Zorganizowanie procesu technologicznego zapewniającego maks wykorzystanie surowców: hodowle okresowe z ciągłym dozowaniem substratu uniknięcie represji katabolicznej lub zmniejszenia wydajności przy wyższym stężeniu substratu; sterylizacja pożywki eliminacja szkodliwych drobnoustrojów; sterylizacja ciągła uniknięcie rozkładu niektórych składników podłóż hodowlanych; Represja kataboliczna zahamowanie ekspresji genu wskutek dołączenia cząsteczki represora, co uniemożliwia transkrypcję; np. represja kataboliczna - polega na zahamowaniu ekspresji genów kodujących białko enzymatyczne, katalizujące rozkład substancji pokarmowych, na skutek wzrostu dostępności innego substratu, którego katabolizm jest bardziej wydajny energetycznie. Przykładem jest zahamowanie genów operonu laktozowego u pałeczki okrężnicy w obecności glukozy w pożywce.

13 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW Zorganizowanie procesu technologicznego zapewniającego, cd: zawracanie czynników do procesu technologicznego (np. ekstrahenty, regeneracja rozpuszczalników); stosowanie w nadmiarze S tanich (do stechiometrii) lepsze wykorzystanie S drogich; stosowanie przeciwprądu materiałowego, w procesach okresowych umożliwia to odpowiednia praca baterii aparatów; stosowanie tanich i dostępnych S stanowiących źródło węgla; wykorzystanie produktów ubocznych i odpadowych.

14 W myśl Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW: analizujemy bilanse materiałowe porównując teorię z wynikami badań laboratoryjnych i ½-technicznych; stosujemy odpowiedni nadmiar reagentów do stechiometrii; maksymalnie ograniczamy reakcje uboczne stosując odpowiednie katalizatory, typy reaktorów, warunki procesu; stosujemy przeciwprąd materiałowy gdy występuje granica rozdziału faz a fazy różnią się gęstościami duża szybkość przenikania masy, np. wieża absorpcyjna HCl, ekstrakcja ciecz-ciecz, ługowanie ciał stałych; regenerujemy i zawracamy reagenty (gdy uzasadnione ekonomicznie); racjonalnie wykorzystujemy produkty uboczne i odpadowe.

15 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII Analiza racjonalnego wykorzystania energii często decyduje o opłacalności koncepcji technologicznej. Wykorzystuje się różne formy energii elektryczna (różnego rodzaju maszyny, silniki mieszadeł, sprężarek, wentylatorów, przetłaczanie powietrza); para wodna (0,5 2,0 mpa) (czynnik grzejny, sterylizacja aparatów i mediów); czynniki chłodzące. Udział energii w kosztach produkcji wynosi od 10 30%. Pamiętajmy zimno jest droższe od ciepła. Dla porównania różnych rozwiązań wykonuje się wstępny bilans cieplny, np. jako wykres strumieniowy Sankeya (jak bilans materiałowy).

16 Zgodnie z Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII: wielokrotnie wykorzystujemy ciepło, wyparki wielodziałowe kolejny dział (aparat wyparny) ogrzewa się oparami wychodzącymi z aparatu poprzedniego, wykorzystując zależność temperatury wrzenia od ciśnienia i stężenia substancji rozpuszczonej; odzyskujemy ciepło (wykorzystujemy ciepło strumieni odpadowych) gdy mamy ogrzać jakiś materiał, a inny materiał należy ochłodzić, np. podgrzewa się surowiec kierowany do procesu, gorącym produktem opuszczającym reaktor; stosujemy bioreaktory z systemami intensywnego napowietrzania; wykorzystujemy efektywne systemy mieszania; stosujemy przeciwprądową wymianę ciepła; wykorzystujemy drobnoustroje termofilne (50 65 C); stosujemy właściwą izolację przewodów i aparatów. Mezofile (bakterie mezofile) bakterie, dla których optymalna temperatura wzrostu i rozwoju mieści się w granicach od 30 C do 40 C. Minimalna temperatura dla tej grupy drobnoustrojów to 10 C, a maksymalna 45 C. Mezofilami jest większość drobnoustrojów chorobotwórczych, dla których optymalną do rozwoju jest temperatura ludzkiego ciała. Termofil, organizm ciepłolubny, organizm termofilny (z gr. thermós ciepły, philéō lubię) ekstremofilny organizm

17 Sposoby odzyskiwania ciepła stosowane w procesach produkcyjnych przemysłu chemicznego a) Reagenty zimne (surowiec) Produkty reakcji (gorące) c) Surowiec np. ropa naftowa lub smoła węglowa Frakcja lekka 1 Produkty ochłodzone 4 Frakcja średnia Frakcja ciężka b) Produkty ogrzane 1 Produkty gorące 2 Para 3 Woda kotłowa Produkty ochłodzone 2 Pozostałość 1 reaktory, 2 piece rurowe, 3 kocioł utylizator, 4 kolumna rektyfikacyjna Surowiec

18 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII Szczególnie ważne wykorzystanie ciepła reakcji egzo. Dla reakcji egzotermicznych korzystne są duże aparaty, gdy trzeba utrzymać wysoką temperaturę w przestrzeni reakcyjnej. Energia wydzielana w reakcji jest proporcjonalna do objętości aparatu, natomiast wielkość strat cieplnych jest proporcjonalna do jego powierzchni zewnętrznej. Bardzo istotne jest ograniczenie strat cieplnych do otoczenia. Stosowanie niewielkiej różnicy temperatury pomiędzy przestrzenią procesową a otoczeniem oraz właściwej izolacji termicznej.

19 Bardzo istotny jest dobór względnych kierunków przepływu strumieni, czynników wymieniających ciepło, np. współprąd. Stosując przeciwprąd możemy ogrzać do wyższej temperatury, nie zawsze jest to korzystne (patrz: zasada umiaru technologicznego).

20 W układzie współprądowym wymiana ciepła zachodzi pomiędzy dwoma strumieniami biegnącymi w tym samym kierunku. Z punktu widzenia wymiany ciepła jest to najmniej wydajny układ. Charakteryzuje się stosunkowo niską średnią różnicą temperatur (która jest siłą napędową procesu). Skutkiem tego jest większa powierzchnia wymiany ciepła konieczna do realizacji procesu, a co za tym idzie, większy i droższy wymiennik. Wymiennik ten jest korzystny ze względu na rozkład naprężeń cieplnych. Ponieważ gorący i zimny strumień wpływają do wymiennika z tej samej strony średnia temperatura ścianki w wymienniku jest bardziej jednorodna na całej długości. Skutkiem tego są mniejsze naprężenia termiczne. Bardziej efektywny jest układ przeciwprądowy. Dodatkową zaletą tego układu jest możliwość podgrzania lub ochłodzenia strumienia do temperatury wlotowej drugiego strumienia. Wadą jest możliwość pojawienia się dużych naprężeń cieplnych.

21 TECHNICZNIE: wymiana ciepła przeponowa lub bezprzeponowa. Ciepło produktów reakcji wykorzystuje się do podgrzania surowców lub do produkcji pary wodnej, a ciepło frakcji z kolumn rektyfikacyjnych do podgrzania surowca. zmniejszenie zużycia gazu w palnikach pieca. wymiana przeponowa z czynnikiem pośrednim sposób specjalny, bhp Strumienie w różnych fazach, np. gazy spalinowe ogrzewają materiał nie chcąc ryzykować gwałtownej stały reakcji czy wręcz wybuchu w przypadku ładowany wystąpienia do pieca lub nieszczelności palnik zanurzeniowy i kontaktu do wody zatężania (pary wodnej) roztw. wodnych. ze związkiem podatnym na hydrolizę (chlorek tionylu, związki metaloorganiczne) czynnik pośredni ciecz obojętna chemicznie w stosunku do obu strumieni wymieniających ciepło np. olej.

22 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII Koszty mieszania fermentory przemysłowe o dużej pojemności. Dobór właściwych mieszadeł może zmniejszyć zużycie energii nawet o połowę w stosunku do standardowych turbin Rushtona (stosować tylko w lab gdy ważny standardowe porównywalne warunki hodowli).

23 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Opracowując koncepcję technologiczną, zawsze dążymy do jej zrealizowania jak najmniejszym nakładem środków inwestycyjnych. Koszty inwestycyjne obciążają koszty amortyzacji i kredytu. Obniżenie kosztów związanych z aparaturą umożliwiają: skracanie cyklów produkcyjnych procesów okresowych, właściwa organizacja (wykres Gantta), żeby najlepiej wykorzystać aparaty; stosowanie tam gdzie można procesów ciągłych; stosowanie obiegów kołowych; prowadzenie procesów przy wysokim stężeniu biomasy drobnoustrojów; stosowanie rozwiązań zapewniających intensywny ruch masy lub ciepła, w przypadkach gdy opory transportu decydują o szybkości procesu stosowanie (zwłaszcza w małej skali) aparatów uniwersalnych, do wytwarzania różnych produktów.

24 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Projektowana aparatura i urządzenia powinny być jak najlepiej wykorzystane maksymalna wydajność produktu z jednostki objętości aparatury. Podstawowy czynnik, który należy brać pod uwagę, to osiągnięcie możliwie największych szybkości procesów i operacji jednostkowych w aparatach. Szybkość reakcji chemicznej ogranicza najmniejsza szybkość jednego z trzech elementarnych procesów: właściwej przemiany chemicznej (obszar kinetyczny); dyfuzji reagentów (w układach niejednorodnych); wymiany ciepła (lub ogólnie wymiany energii). W celu osiągnięcia dużej szybkości reakcji korzystnie jest prowadzić proces w stanie oddalonym od równowagi (nadmiar substratów). Nieprzereagowane surowce wydzielamy i zawracamy do procesu. Typowa metoda technologiczna, stosowana w przemyśle (np. synteza

25 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Żeby zastosować odpowiednie rozwiązania techniczne musimy wiedzieć jakie opory limitują przebieg procesu. 1. Opór kinetyczny zmniejszamy podwyższając szybkość reakcji przez zastosowanie katalizatora lub możliwie wysokiej temperatury. 2. Opór dyfuzyjny rozwiązania konstrukcyjne i warunki, powinny zmniejszać opory przenoszenia masy i ciepła, np. zwiększenie szybkości ruchu faz względem siebie, powierzchni zetknięcia faz, burzliwości przepływu. 3. Proces wymiany ciepła dążymy do rozwinięcia powierzchni wymiany, zwiększenia różnicy temperatur (zgodnie z zasadą maksymalnego wykorzystania różnic potencjałów) lub zmniejszenia oporów wymiany (np. poprzez zwiększenie prędkości przepływów).

26 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Osiągnięcie celu, to nie tylko problemem techniczny lecz również organizacyjny. Dążenie do zapewnienia ciągłości pracy aparatów i urządzeń. W procesach periodycznych zadanie polega na odpowiednim ułożeniu harmonogramu pracy tak, aby ograniczyć do minimum przerwy w wykorzystaniu aparatury. W procesach ciągłych nie występują czynności charakterystyczne dla procesu periodycznego takich jak przygotowanie aparatury, załadunek surowców, doprowadzenie układu do warunków procesowych, czynności końcowe i wyładunek produktu. PC mają wiele zalet: brak przerw w produkcji, łatwość automatyzacji bo warunki stacjonarne, mniejsza wielkość aparatury i budynków produkcyjnych, łatwiejsza mechanizacja czynności.

27 Z. NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY Należy pamiętać, że o wyborze metody ciągłej lub periodycznej, oprócz zasady najlepszego wykorzystania aparatury, decyduje cały szereg innych czynników technologicznych i ekonomicznych. Bardzo ważnym kryterium jest tu przewidywana wielkość produkcji.

28 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Zasada kompromisu (złotego środka), która mówi, że zasady technologiczne należy stosować we wzajemnym powiązaniu, gdyż coś, co jest korzystne z jednej strony może być niekorzystne z drugiej. Między zasadami występują sprzeczności, które mogą mieć charakter fizykochemiczny, biochemiczno-fizjologiczny lub ekonomiczny. Znalezienie optymalnych warunków wymaga ujęcia ilościowego opracowania modelu matematycznego, co ze względu na złożoność procesów biochemicznych jest trudne i często rozwiązywane w dużym przybliżeniu i cząstkowo.

29 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Przykład: hodowla drożdży piekarniczych Zgodnie z Z najlepszego wykorzystania aparatury hodowlę należałoby prowadzić w dużym stężeniu cukrów wysoka szybkość przyrostu biomasy, ale Wtedy występuje efekt fermentacji tlenowej znaczne obniżenie współczynnika wydajności biomasy (R 10.4) Zgodnie zatem z Z najlepszego wykorzystania surowców hodowlę należałoby prowadzić przy niskim stężeniu cukrów. W praktyce, hodowla okresowa z ciągłym dozowaniem pożywki automatyczna regulacja stężenia i osiąganie największej szybkości przyrostu biomasy przy wysokiej wartości współczynnika wydajności biomasy.

30 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Przykład: suszenie materiałów biologicznych takie warunki, żeby zachować aktywność produktu. Nie prowadzi się suszenia gorącym powietrzem z największą szybkością (w przeciwprądzie), ale wolniej/łagodniej (we współprądzie), zachowując właściwości biologiczne materiału. Przeciwprądowy ruch materiałów jest najbardziej efektywny w suszeniu gorącymi gazami, ale gdy sucha substancja może ulegać rozkładowi bezpieczniej jest zastosować współprąd.

31 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Przykład: mieszanie materiałów biologicznych takie warunki, żeby nie zniszczyć materiału. Mieszanie mechaniczne w bioreaktorach do hodowli tlenowych powprawia intensyfikację szybkości absorpcji tlenu w płynie hodowlanym, ale nie można stosować za dużej szybkości obrotowej ze względu na możliwość uszkodzenia drobnoustrojów, szczególnie w odniesieniu do komórek roślinnych i zwierzęcych bardzo wrażliwych na naprężenia ścinające oraz w hodowli wgłębnej grzybów mikroskopowych (pleśniowych). Stosowana szybkość wynika z kompromisu obniżenie oporów ruchu a ochrona komórek przed uszkodzeniami.

32 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Przykład: sprzeczności ekonomiczne Zasada ograniczania nakładów inwestycyjnych a Zasada najlepszego wykorzystania potencjału biologicznego. Układy automatyki zwiększają koszty inwestycyjne, ale pozwalają na uzyskanie większej wydajności procesów, stabilniejszych warunków hodowli, a także zmniejszenie kosztów robocizny. Stosowanie maksymalnych prędkości przepływów, w celu zwiększenia szybkości procesów przenikania ciepła i masy, powoduje wzrost oporów i kosztów przetłaczania płynów.

33 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO Przykłady: Absorpcja gazu w cieczy połączona z reakcją silnie egzotermiczną. Za duże rozwinięcie powierzchni kontaktu międzyfazowego jest niekorzystne ze względu na ograniczenie możliwości odbioru ciepła. Należy określić optymalną wielkość powierzchni tak aby zapewnić maksymalną szybkość absorpcji w danych warunkach odbioru ciepła. Jeśli dla określonej reakcji stała równowagi chemicznej jest duża w niskiej temperaturze, to z kolei szybkość reakcji może być tak mała, że praktycznie uniemożliwi jej przebieg w racjonalnym czasie.

34 Z. UMIARU TECHNOLOGICZNEGO We wszystkich podobnych przypadkach musimy szukać optymalnego rozwiązania, zazwyczaj kompromisu pomiędzy sprzecznymi czynnikami zarówno technologicznymi, jak i ekonomicznymi. Jest to istotą zasady umiaru technologicznego. Odpowiednie uwzględnienie zasad technologicznych jest zawsze warunkiem prawidłowego zaprojektowania i późniejszej efektywnej i ekonomicznej eksploatacji instalacji produkcyjnych przemysłu chemicznego.

35 Dodatkowe informacje podstawowe

36 Proces produkcyjny Całokształt czynności technicznych i organizacyjnych wymaganych dla realizacji procesu technologicznego w odpowiedniej instalacji. Parametr technologiczny Wielkość fizyczna lub fizykochemiczna określająca warunki przebiegu procesu podstawowego. Reżim (tok) technologiczny Warunki prowadzenia procesu technologicznego wg określonej koncepcji technologicznej, charakteryzowane wartościami wszystkich parametrów technologicznych. Zdolność produkcyjna instalacji Maksymalna ilość produktu jaką można wytworzyć w instalacji w jednostce czasu [kg/h] [t/m-c] [t/rok].

37 Wydajność (produkcyjna) instalacji Ilość produktu wytwarzana w instalacji w jednostce czasu [kg/h] [t/m-c] [t/rok]. Wydajność bezwzględna A Stosunek ilości produktu m P do ilości surowca m S zużytego do wytworzenia tej ilości produktu: m p A [kg/kg] m liczba niemianowana gdy te same jednostki lub [m 3 /kg], [t/m 3 ] itp. s

38 Wydajność względna (uzysk, sprawność) W Miara doskonałości wykonania procesu stosunek ilości produktu otrzymanego m P do ilości produktu, którą można otrzymać teoretycznie, maksymalnie z tej samej ilości surowca m Pmax : W m m P Pmax A A liczba niemianowana: 1 lub 100% Wydajność względną liczy się w odniesieniu do określonego surowca, na ogół najbardziej wartościowego i występującego w niedomiarze stechiometrycznym w stosunku do pozostałych surowców. max

39 Stopień przemiany (przereagowania, konwersji) α Ilość substratu, która przereagowała n 0 n (m 0 m) do ilości wprowadzonej w tym samym czasie n 0 (m 0 ) n n 0 n 0 m m [mol/mol 0 ] m0 [kg/kg] gdzie: n 0, m 0 ilości na początku pomiaru; n, m ilości na końcu pomiaru. Jeżeli substraty użyto w stosunku stechiometrycznym, to α dla każdego substratu ma tę samą wartość; jeżeli nie, to α zależy od tego, dla którego substratu liczymy. Najważniejszy jest oczywiście stopień przereagowania α liczony dla substratu występującego w niedomiarze.

40 Przykład: 2 RCOOH + SnO (RCOO) 2 Sn + H 2 O 2 0 RCOOH 2 SnO % 2 RCH=CH 2 + Sn + 2 HCl Nadmiar (RCH 2 CH 2 ) 2 SnCl 2 substratu +10% +20% 2,2 0,2 91% 1 0 2,4 0,4 R = = Sn = = 100% HCl = = 83% 2,2 1 2,4

41 Selektywność SP S P P SX S X X gdzie: S, P, X odpowiednio surowiec, produkty pożądane i niepożądane; SP, SX, P, X liczby moli w równaniach stechiometrycznych; n S0, n P0 początkowe ilości substratu i pożądanego produktu [mol]; n S, n P końcowe ilości substratu i pożądanego produktu [mol]. Ilość pożądanego produktu, która powstała (n P n P0 )/ P do ilości substratu, która przereagowała w tym samym czasie (n S0 n S )/ SP w złożonej przemianie chemicznej: n n P S n n P0 S0 v v SP P

42 W oparciu o w/w oznaczenia stopień przemiany można określić jako: ns0 n n oraz względną wydajność reakcji jako: np n n S0 P0 v v SP P stąd widać, że wielkości te są ze sobą powiązane zależnością: S0 Stopień przemiany opisuje postęp reakcji i jest związany z określonym miejscem (w reaktorze ciągłym) czy momentem czasu (w reaktorze periodycznym), natomiast wydajność reakcji (zwana także wydajnością surowcową procesu) informuje o ostatecznym rezultacie przemian. S n n P S n n P0 S0 v v SP P

43 Szybkość reakcji chemicznej r Szybkość zmiany liczby moli dowolnie wybranego reagenta w układzie reakcyjnym, najczęściej odnosi się ją do jednostki objętości układu reagującego r i 1 dni V d gdzie: n i liczba moli składnika i znajdującego się w układzie reakcyjnym o objętości V w chwili τ (zał. układ jednorodny)