 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Матеріальний баланс
| Взято, кг | Одержано, кг |
| 1.Смола КБ-2 із сорбованим -смолаКБ-2 (12,5), -поліміксин М (25) 2. 0,5 н розчин сульфатної кислоти …….781,25 втому числі: -96%-на сульфатна кислота (19,94), -вода на розбавлення (781,25 - 19,94 = 761,31) | 1. СмолаКБ-2............ 12,50 2. Елюат..... 818,75-12,5 = 806,25 в тому числі: -сульфат поліміксину М (25 + 6,36 = 31,36) -чиста сульфатна кислота (19,14 - 6,36 = 12,78) -вода(806,25 -31,36-12,78 = 762,11) |
| Всього 818,75 | Всього 818,75 |
Приклад 10.5. Елюат з прикладу 10.4 нейтралізують за допомогою аніонообмін-ника АН-2 в ОН-формі. ПОЕ смоли 3,5 мг-екв/г, питомий об'єм -2,25 см3/г. Розрахувати діаметр колонки нейтралізації і висоту шару іоніту при їх співвідношенні 1:5. Скласти матеріальний баланс.
Розв 'язання
1. Схема іонообміну: 2 -N+R3 ОН- + H2S04 ↔ (-N+R3)2 SO42-.
Оскільки зв'язок між антибіотиком і сульфатною кислотою сильніший, ніж зв'язок між іонітом і цією кислотою, то в процесі іонообміну сульфатнокисла сіль поліміксину М не руйнується.
2. Молекулярна маса сульфат-іона - 96. Отже, 1 г смоли захоплює (3,5*96)/2 = 168мг сульфат-іонів. При цьому віддає 3,5*17 = 59,5 мг ОН-іонів. Після насичення маса смоли стає 1000 + 168 - 59,5 = 1108,5 мг (1,1085 г).
3.3 1г іоніту реагує 3,5*49 = 171,5 мг чистої сульфатної кислоти. Оскільки в процес взято 12,78 кг кислоти, то потрібно взяти 12,78 10е/171,5 = 74519 г (74,52 кг) смоли. Об'єм смоли 74,52 103*2,25 = 1,68 105 см3 = 0,168 м3.
4. Згідно з умовами (pD2*5D)/4 = 0,168. Звідси діаметр колонки D = 0,35 м, висота шару іоніту- 1,75 м.
| Взято, кг | , Одержано, кг |
| 1.Елюат 806,25 2. Смола АН-2 74,52 | 1. Іонітзадсорбованим сульфат-іонами 74,52*1,1085 = 82,60 2. Нейтральний елюат 880,77 - 82,6 = 798,17 в тому числі: -поліміксин сульфатний (31,36) -вода (766,81) |
| Разом 880,77 | Разом 880,77 |
Усі попередні приклади були наведені без урахування тривалості процесу іонообміну; передбачалось, що процес відбувається миттєво, фронт насичення смоли пересувається різко окреслено зверху донизу, рівновага процесу повністю зсунута праворуч. У такому випадку не має значення, з якою витратою подається в колонку нативний розчин і скільки часу він контактує зі смолою. Вищенаведені приклади можна розглядати як розрахунок першої колони в батареї колон у статиці: на початку і наприкінці процесу з невідомою кількістю колон в батареї.
Насправді кінетика процесу є дуже складною і абсолютно не відповідає прийнятій умовності. Іонообмін складається з п'яти послідовних стадій: пересування іона, що сорбується, до поверхні зерна сорбенту (І) і усередині його (II), власне іонообмін (III), пересування протиіона сорбенту усередині зерна сорбенту (IV) і від його поверхні у розчині (V). Усі стадії, крім хімічної (III), мають дифузійний характер і ніяк не відбуваються миттєво. Вистачить сказати, що насичення іоніту, наприклад, стрептоміцином відбувається протягом 48... 120 годин. Лімітуючу стадію визначають експериментально. Розрахунки дифузійних стадій базуються на законах Фіка. Коефіцієнти дифузії визначають теж експериментально, їх значення для зовнішньої дифузії близько 105 см2/с, а для внутрішньої- 106...10-11 см2/с. Коефіцієнт внутрішньої дифузії органічних іонів на 1-2 порядки менше, ніж для неорганічних. Особливо великі органічні іони, наприклад, деякі антибіотики взагалі не можуть увійти усередину зерна іоніту.
Іонообмін розглядають як гетерогенну хімічну реакцію і кількісно характеризують константою рівноваги (рівняння Нікольського):
де а, та а2 - концентрації або активності протиіона та іона у рівноваговій фазі іоніту; с, та с2- концентрації або активності протиіона та іона у рівноваговому розчині; z, та z2 - зарядові числа іонів.
У найпростішому випадку іонообмінна система містить два типи іонів, які беруть участь у процесі: протиіон сорбенту та іон зовнішнього середовища, відтак характеризується чотирма рівноваговими концентраціями (для кожного іона в іоніті та в розчині). Усі задачі розв'язуються на основі системи чотирьох рівнянь: балансу, ізотерми іонного обміну, еквівалентності обміну та електронейтральності. Задачу знаходження К зводять до експериментального визначення рівновагової концентрації одного компонента с у розчині. У випадку обміну однозарядних іонів справедливим є рівняння:
де а -рівновагова концентрація іона у фазі іоніту; а0- обмінна ємність іоніту; сд- концентрація вихідного розчину.
Це рівняння ілюструє зв'язок виду ізотерми зі значенням К (рис. 10.5).
Для характеристики сорбційної здатності іоніту в динамічних умовах використовують рівняння Шилова:
де 9 - час захисної дії сорбенту; k - коефіцієнт захисної дії шару, який залежить від величини рівновагової адсорбції, концентрації іона в розчині і швидкості потоку розчину; X - довжина шару сорбенту; т - втрата часу захисної дії сорбенту.
Спрощене рівняння балансу, яке не враховує повздовжньої дифузії і зміну концентрації в розчині, має вигляд:
де V - лінійна швидкість потоку; t - час від початку процесу до "проскоку" -появи компонента, що видаляється, за шаром сорбенту.
Детальні відомості про іонообмін і методи розрахунків процесів містяться у літературі [4-17].
Сорбція та десорбція масивних органічних іонів в апаратах періодичної дії пов'язана зі швидким накопиченням відпрацьованої смоли, якає стає баластом. Крім того, для періодичних процесів сорбції та десорбції потрібні відносно великі кількості смоли в обороті, що унеможливлює одержання висококонцентрованих розчинів елюатів, а довготривалість процесів сприяє розкладанню нестійких продуктів біосинтезу.
Саме тому в мікробіологічній промисловості з'явилась тенденція до переходу від апаратів періодичної дії до апаратів безперервного типу. Далі у прикладі подано результати розрахунку стадій сорбції та десорбції тетрацикліну з використанням іонообмінного апарата безперервної дії. Розрахунок проведений за методикою [3].
7 0.2.4. Технологічний розрахунок сорбції та десорбції тетрацикліну із застосуванням іонообмінних смол у безперервному процесі
Хімізм процесу.
Тетрациклін є амфотерною речовиною: в його молекулі є диметиламіногрупа, яка здатна утворювати солі з кислотами, і також єнольна група, гідроксил якої подібний до гідроксильної групи в кислотах. Реакції тетрацикліну з кислотами та лугами пояснюються схемою:
NaOH НС1
Н20 + NaO-TЦ-N(CH3)2 ← HO-TЦ-N(CH3)2 → HO-TU.-N+H(CH3)2 Сl
де ТЦ-залишок молекули тетрацикліну.
У кислих розчинах катіони HO-TLJ-N+H(CH3)2 здатні заміщувати катіони водню молекул іоніту:
HO-TЦ-N+H(CH3)2 + H03S-R ↔ HO-TЦ-N+H(CH3)2 03S-R + H+
Десорбцію проводять розчином аміаку:
HO-TЦ-N+H(CH3)2 03S-R + 2NH4OH → NH40-TU-N(CH3)2 + NH403S-R
Технологічно процес проводять так [17]:
Нативний розчин обробляють оксалатною кислотою, осаджують оксалат кальцію, фільтрують, підкислюють хлоридною кислотою до рН 1,8...2,2, охолоджують до 7°С і подають на сорбцію. Як іоніт використовують сульфокатіоніт СБС або СДВ (полімерна основа- полістирол, зашитий дивінілбензолом. У цьому процесі іоніт використовують і у водневій формі. Після набрякання насипна густина іоніту 250...300 кг/м3. 1 г смоли здатен сорбувати 0,7... 1 г тетрацикліну). Смолу промивають водою, а потім розчином хлориду натрію для заміщення випадкових іонів кальцію та магнію. Десорбцію ведуть розчином аміаку. Елюат нейтралізують хлоридною кислотою і при рН 7,5...7,7 осаджують основу тетрацикліну, яку відфільтровують і передають на подальше очищення.
Вихідні дані для розрахунку процесу сорбції.
1. Об'єм розчину тетрацикліну, який передають на сорбцію, - 120 м3 за три доби (V = 1667 дм3/год).
2.Початкова концентрація тетрацикліну хлоридгідрату в розчині
С1 = 1600 Од/см3 = 3,33 мг-екв/дм3.
3. Вихід на стадії сорбції становить 90-95% [18]. Приймемо 93%. Отже, кінцева концентрація ТЦ на виході з апарата
С2 = 0,07*3,33 = 0,23 мг-екв/дм3.
4. Експериментально встановлено, що константа рівноваги К = 0,2 мг-екв
ТЦ/[г*год(мг-екв ТЦ/дм3)].
Розрахунок процесу сорбції
1. Оскільки іони однозарядні, то рівняння (10.3) набере вигляд3:
2. 
3.Будуємо графік цієї функції (рис. 10.6).
4.Маса тетрацикліну, яка буде сорбована смолою за годину:
1667(3,33 - 0,23) = 5167,7 мг-екв/год.
4. Приймемо, що вміст ТЦ у смолі після її регенерації становить
Х2 = 0,2 мг-екв/дм3.
5. На графіку відкладаємо точку (С2, X2). Через цю точку пройде робоча лінія.
 |
Рис. 10.6. Ізотерма та робоча лінія для розрахунку сорбції тетрацикліну
6. Від осі ординат проводимо лінію з точки С, == 3,33 мг-екв/дм3 до перетинання з ізотермою. Через точку перетинання повинна проходити робоча лінія, тобто Х: = = 3,27 мг-екв ТЦ/г.
7. Мінімальна швидкість руху твердої маси іоніту дорівнює 5167,7/(3,23 - 0,23) = = 1723 г/год = 1,72 кг/год.
8. Приймемо надлишок смоли 20%. Тоді дійсна швидкість іоніту на стрічці становить 1,72* 1,2 = 2,06 кг/год.
9. З балансу ТЦ 5167,7 = 2060(Х, - 0,23) знаходимо дійсне значення X, = = 2,74 мг-екв ТЦ/г.
10.З'єднуємо точки (С,, Х,)та(С2, Х2) прямою лінією, яка при низьких концентраціях є робочою лінією.
11.Кількість іоніту на стрічці визначають за допомогою кінетичного рівняння:
де SZpHac - маса іоніту на стрічці, кг; S - площа, яку займає стрічка; Z - висота шару смоли на стрічці; рнас - насипна густина смоли у набряклому стані.
Для будь-якої концентрації С між С, та С2 на робочій лінії є відповідне рівновагове значення С*, яке визначають при тому ж значенні X (рис. 10.6).
| с | 0,23 | 0,5 | 0,7 | 1,0 | 1,3 | 1,6 | 2,0 | 2,3 | 2,6 | 3,0 | 3,33 3,33 | |
| с* | 0,08 | 0,13 | 0,2 | 0,28 | 0,38 | 0,48 | 0,66 | 0,83 | 1,08 | 1,5 | 2,00 | |
| 1/с-с* | 6,67 | 2,67 | 2,0 | 1,38 | 0,93 | 0,89 | 0,75 | 0,68 | 0,66 | 0,67 | 0,75 | |
12. Будуємо криву в координатах С-1/(С-С*) і вираховуємо графічно інтеграл в межах від С1 до С2. Площа під кривою (рис. 10.7) становить 4,47. Отже, кількість ступенів чля стрічкового апарата в зоні сорбції дорівнює 5.
Кількість смоли, яка повинна постійно знаходитись на стрічковому апараті в зоні сорбції, дорівнює
SZpHac = (1667*5)/0,2 = 41675 г = 41,7 кг.
13.Приймемо середню густину іоніту 275 кг/м3. Тоді потрібний об'єм смоли становить 41,7/275 = 0,152 м3.
14.Приймемо висоту шару іоніту 0,1 м. Тоді площа стрічки в зоні сорбції повинна бути 0,152/0,1 = 1,52 м2.
Рис. 10.7. Діаграма для графічного інтегрування в розрахунках сорбції тетрацикліну
15. Якщо ширина стрічки 0,4 м, то довжина стрічки в зоні сорбпії становить 1,52/0,4 = 3,8 м.
16.Об'ємна швидкість руху смоли 2,06/275 = 0,0075 м3/год.
17.Лінійна швидкість руху смоли (стрічки) W = 0,075/(0,1 *0,4) = 1,875 м/год.
18.Довжина стрічки для дренажу між ступенями стрічкового апарата в зоні
сорбції
nWτ= 4* 1,875*0,25 = 1,05 м,
де n= 5 - 1 = 4 - число проміжків для ступенів апарата; τ - час дренування розчину на кожному ступені (приймемо 0,25 год).
19. Отже, загальна довжина стрічки в зоні сорбції ТЦ становить 3,8+1,05 = 4,85 м.
Довжина фільтра кожного ступеня дорівнює 4,85/5 = 0,97 м.
Десорбція тетрацикліну
Інтегрування кінетичного рівняння (10.6) у випадку, коли робоча і рівновагові лінії є прямими, дає
V(C1 - С2) = RSZpHac (С - С*)ср, (10.7)
при цьому (С - С*)ср - середня логарифмічна різниця рушійних сил на кінцях апарата в зоні десорбції, тобто
1. Для обміну 5167,7 мг-екв тетрацикліну потрібно вдвічі більше іонівNH+, тобто 10335,4 мг-екв/год, або 10335,4/2000 = 5,17 дм3/год 2 н. розчину гідроксиду амонію.
2. Вихідна концентрація ТЦ в елюаті С, = 0, а кінцева С2 = 5167,7/5,17 = = 999,6 мг-еквТЦ/дм3. Крім того, X, = 0,23, а Х2 =2,74 мг-еквТЦ/г.
3. Через точки (С1, X1) і (С2, Х2) проводимо пряму (робочу) лінію (рис. 10.8).
4. Експериментально встановлено, що в процесі десорбції рівноваговий стан встановлюється при концентрації ТЦ в іоніті 3,33 мг-екв ТЦ/г, а в розчині -1560 мг-екв ТЦ/дм3. Відмічаємо цю точку на графіку, з'єднуємо її з початком координат і одержуємо рівновагову лінію (ізотерму).
5. З графіка знаходимо, що С1* -С2 = 120 -0 = 120 мг-екв ТЦ/дм3, а
С2*-С2= 1350-999,7 = 350.
Отже,
6. Експериментально встановлено, що константа масопередачі процесу становить 0,003 мг-екв ТЦ/[ггод(мг-екв ТЦ/дм3)]. Після підставляння знайдених значеннь у рівняння (3.7), одержуємо:
1667(3,33 - 0,23) = 0,003 (SZpHac)215
Рис. 10.8. Ізотерма і робоча лінія процесу десорбції тетрацикліну
7. Маса смоли на стрічці на стадії десорбції повинна бути
8. Кількість ступенів в зоні десорбції має бути (350- 120)/215 = 1,069. Приймаємо з запасом два ступені, які за розмірами, швидкістю пересування ідентичні ступеням на стадії сорбції.
Поиск по сайту: