автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование процесса микрофильтрации на трубчатом керамическом элементе

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

На правах рукописи

Гусева Елена Владимировна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МИКРОФИЛЬТРАЦИИ НА ТРУБЧАТОМ КЕРАМИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТЕ (НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ)

05Л7.08 - Процессы и аппараты химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: проф., д.т.н. Гордеев Л.С., доц., к.т.н. Менынутина Н.В.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................3

1. Литературный обзор.

1.1. Керамические мембраны и их применение................................7

1.2. Математическое моделирование процессов

разделения на трубчатых керамических мембранах....................34

1.3. Технология производства лимонной кислоты...........................43

1.4. Постановка задачи.............................................................51

2. Экспериментальные исследования процесса микрофильтрации биосуспензии в системе микробиологического синтеза лимонной кислоты на трубчатом

керамическом элементе.

2.1. Исследования керамической мембраны

2.1.1. Физико-химические свойства и материал

керамической мембраны.............................................53

2.1.2. Исследование поровой структуры керамической мембраны................................................................56

2.2. Экспериментальные исследования и результаты эксперимента по изучению процесса микрофильтрации биосуспензии.

2.2.1. Описание экспериментальной установки.........................59

2.2.2. Результаты эксперимента по фильтрации биосуспензии на керамическом микрофильтрационном мембранном элементе..................................................................63

2.2.3. Экспериментальное определение распределения

частиц (микроорганизмов) по размерам в биосуспензии......71

2.2.4. Методы анализа свойств биосуспензии........................77

3. Разработка математической модели процесса микрофильтрации в трубчатом

керамическом элементе.

3.1. Исходные физические предпосылки микрофильтрационной модели............................................................................79

3.2. Основные уравнения процесса микрофильтрации.....................84

3.3. Метод расчета процесса микрофильтрации биосуспензии

на трубчатом керамическом мембранном элементе....................97

3.4. Результаты расчета трубчатого керамического мембранного элемента.........................................................................101

4. Математическое моделирование мембранного биореактора для получения лимонной кислоты

4.1. Математические модели кинетики биосинтеза........................114

4.2. Разработка модели мембранного биореактора.........................129

4.3. Результаты расчета мембранного биореактора

непрерывного действия для получения лимонной кислоты.........137

5. Динамическое моделирование и его использование для решения прикладных задач.

5.1. SpeedUp - программный пакет для динамического моделирования................................................................142

5.2. Использование SpeedUp для технологических расчетов.

5.2.1. Расчет биореактора для производства лимонной

кислоты..................................................................150

5.2.2. Расчет трубчатого керамического мембранного

элемента................................................................151

Основные результаты и выводы..........................................................157

Список использованной литературы.....................................................159

Приложение....................................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Быстрый рост потребительских способностей современного общества требует от промышленности внедрения новых высокоэффективных технологий и совершенствование старых. Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях промышленности [1]. Для осуществления этих процессов применяют такие методы как перегонку, ректификацию, дистилляцию, адсорбцию и другие. Одним из наиболее универсальных методов разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран [2].

В то же время, значительный прогресс в области синтеза и переработки минерального сырья, технологии получения сверхтонких пленок, а также быстро растущая потребность в тонком разделении высокотемпературных и агрессивных сред обусловили в последние годы интенсивное развитие и использование мембран из различных керамических материалов. Благодаря ряду существенных преимуществ перед полимерными мембранами: более высокой термической, механической, химической и биологической стойкости, регулируемой пористой структуре, пониженной засоряемости, высокой производительности и возможности регенерации обратной импульсной промывкой или выжиганием, - они все шире применяются для очистки жидкостей и газов в биотехнологии, пищевой, фармацевтической, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

В данной работе рассматриваются проблемы моделирования процесса микрофильтрации на трубчатом керамическом мембранном элементе. В качестве объекта моделирования взят процесс фильтрации биосуспензии, получающейся в результате ферментации при производстве лимонной кислоты. Лимонная кислота (Ж) - одна из важных органических кислот. Она используется в пищевой промышленности, при производстве напитков, в

фармацевтической промышленности и для технических целей - как антивспениватель, при обработке текстиля, в производстве чистых металлов, как заменитель полифосфатов в детергентах, для поглощения БОг в дымовом газе заводов [3]. В пищевой промышленности и производстве напитков лимонная кислота используется в качестве подкислителя, чему способствует ее хорошая растворимость и чрезвычайно низкая токсичность. Применение находят и побочные продукты ферментации: мицелий грибов и культуральная жидкость.

Растущая потребность в лимонной кислоте требует значительного увеличения ее производства, поиска активных штаммов и разработки новых более эффективных способов. В промышленности, как правило, используется микробиологический способ производства лимонной кислоты, который позволяет организовать безотходное, экологически безопасное производство в случае разработки эффективных методов выделения лимонной кислоты из культуральной жидкости, применении в процессе нетоксичных веществ и утилизации отходов.

Одним из способов повышения эффективности производства лимонной кислоты является переход от периодического способа к непрерывному и использование для этой цели мембранных биореакторов. Исследование процесса фильтрации биосуспензии, содержащей лимонную кислоту, на мембране есть один из важных этапов улучшения качества процесса и повышения его эффективности.

В первой главе приведен литературный обзор, раскрывающий актуальность исследуемых проблем, и сформулирована постановка задача данной диссертационной работы.

Во второй главе описаны основные экспериментальные исследования, результаты которых, в дальнейшем, используются в расчетах.

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования процесса микрофильтрации биосуспензии, содержащей лимонную кислоту, на трубчатом керамическом мембранном элементе, приведены основные результаты расчета по уравнениям модели для рассмотренного трубчатого элемента.

В четвертой главе рассмотрены вопросы систематизации кинетических моделей ферментационных процессов в биореакторе с учетом гидродинамики; возможные конструкции мембранных биореакторов; вопросы разработки математической модели мембранного биореактора с вынесенным мембранным модулем для непрерывного производства лимонной кислоты; приведены результаты расчета мембранного биореактора для непрерывного процесса получения лимонной кислоты.

В пятой главе рассматривается возможность проведения технологических расчетов не только традиционными метолами путем написания программы, но и путем использования готового программного пакета SPEEDUP для динамического моделирования; в качестве примера приводятся результаты расчета биореактора периодического действия для получения лимонной кислоты и процесса микрофильтрации на трубчатом керамическом элементе для воды.

На основе разработанных моделей и произведенных расчетов процесса микрофильтрации не трубчатом керамическом мембранном элементе были сделаны рекомендации по использованию керамического мембраны в мембранном биореакторе. Расчет мембранного биореактора показал целесообразность перехода на технологию получения лимонной кислоты непрерывным способом.

Диссертационная работа иллюстрирована блок-схемами, численными схемами, результаты расчетов представлены как в табличном, так и в графическом виде, что удобно для исследования и использования моделей.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям диссертационной работы - к.т.н. Меныпутиной Н.В., проф. Гордееву Л.С., зав. лабораторией ГосНИИСинтезбелок, где проводился эксперимент, проф. Винарову А.Ю., а также всем студентам и аспирантам научной группы.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 КЕРАМИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

1.1.1. ВВЕДЕНИЕ

Значительный прогресс в области синтеза и переработки минерального сырья, технологии получения сверхтонких пленок, а также быстро растущая потребность в тонком разделении высокотемпературных и агрессивных сред обусловили в последние годы интенсивное развитие и использование керамических мембран [4]. Благодаря ряду существенных преимуществ перед полимерными мембранами: более высокой термической, механической, химической и биологической стойкости, регулируемой пористой структуре, пониженной засоряемости, высокой производительности и возможности регенерации обратной импульсной промывкой или выжиганием, - они все шире применяются для очистки жидкостей и газов в биотехнологии, пищевой, фармацевтической, химической, металлургической и других отраслях промышленности [5].

Керамические мембраны относятся к мембранам 3-го поколения, а их производство - к высоким технологиям. В качестве материала для их получения используются различные керамические материалы на основе оксидов алюминия, кремния, циркония, титана, карбида кремния с добавлением других химических элементов, а также органических и неорганических связующих.

Различают несколько видов мембранных элементов: трубчатые, дисковые, плоскопараллельные, в том числе кассетные, а также в виде тонких пленок, губки, сот.

Керамические мембраны в 3-10 раз дороже полимерных, но их применение быстро окупается за счет более высоких эксплуатационных показателей (и, следовательно, снижения производственных затрат при

фильтрации). Например, керамические мембраны МешЬга1ох ценой 200-1000 дол. за кв. фут служат примерно в 10 раз дольше полимерных мембран аналогичного назначения [4].

Возможности применения керамических мембран можно оценить на мировом рынке следующим образом [6] тазовая сепарация (18%); пища и напитки (24%); биотехнология (24%); биомедицина (20%); обессоливание (5%); электроника (3%); другие применения (6%).

К настоящему времени керамические мембраны нашли следующее применение в промышленности:

• сепарация газов - разделение и фильтрация горячих газов [6-8]; керамические фильтры для высокотемпературной обработки газов [9, 10]; керамические газовые турбины; удаление отработанных газов из среды окислителя при работах под давлением; очистка газов при сжигании отходов в мусорной печи; удаление Н28 из топливных газов; выделение Н2, N2, СО2, СН4 из газов, получаемых при сгорании угля [6]; очистка выхлопных газов автомобилей [9, 11]; улавливание из технологического потока газа вредных оксидов азота [12]; производство специфического газа в биомедицине [13]; производство полупроводников [14];

• фильтрация жидкостей: пищевая промышленность - концентрирование, стерилизация, осветление, обессоливание в производствах молочных продуктах, вина, соков, пива, сахара, кофе; извлечение белков и лактозы из молочной сыворотки, сепарация декструзы из крахмала [6]; очистка растительных масел; извлечение пищевых красителей, дрожжей, белков из технологических потоков и сточных вод;

• биотехнология и фармацевтика - отделение альбумина, глобулина [6, 10, 14]; стерилизация холодной фильтрацией растворов медицинских препаратов и физиологических растворов; промывка, сбор клеточных культур; генная инженерия; очистка и концентрирование биологически активных веществ и лекарственных препаратов;

• биомедицина - создание искусственных органов из керамики, совместимой с живым организмом; высокочувствительные датчики [13], гемодиализ, очистка крови;

• химическая промышленность - концентрирование химикатов, регенерация растворителя; регенерация и очистка моющих растворов и масел; нефтепереработка - производство этанола, выделение и тонкая очистка продуктов реакции; разделение смесей органических веществ, таких как азеотропы типа бензол - циклогексан, спирт - вода, спирт - этилбензол; фильтрование и очистка бытовых промышленных стоков [6, 15, 16], а также стоков, содержащих ценные компоненты (например, из стоков гальванопокрытий выделение никеля, меди, хрома) [17]; использование в качестве катализаторов и теплоизоляции [18]; фильтрование высоковязких жидкостей [19]; органических жидкостей [14, 20, 21] анализ и контроль в производственных процессах;

• процессы плавки металлов - сталеплавильные процессы; удаление неметаллических включений при литье; фильтрация высокотемпературных сплавов [6].

Настоящий обзор, в какой-то мере, позволит оценить возможности применения керамических мембран в промышленности, существующие методы расчета мембранных аппаратов.

1.1.2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ ДЛЯ СЕПАРАЦИИ

ГАЗОВ

Во многих случаях для сепарации газов используются керамические мембраны [6-12, 14, 22].

Для очистки газовых потоков, получаемых при газификации угля или непосредственно при сгорании угля в турбинах, от соединений серы и азота были предложены два типа мембран: мембраны на основе алюминия в виде

раковин (Alcoa Separations Technology Division,); мембраны на основе кремния, расположенные в виде полых трубок (SRI International, Menlo Park). Очистка происходит более чем на 90% [6].

Для удаления H2S из топливных газов используется электрохимическая мембрана, состоящая из пористых керамических материалов (комбинация оксидов магния, циркония и алюмината лития LiA102, наполненная расплавленной карбонатной солью) [6]. Электрический ток, проходя через мембрану, индуцирует химическую реакцию, удаляя H2S путем превращения его в Н2 (газ) и элементарную серу. Процесс протекает при температуре 600°С. По прогнозу срок службы мембраны и электродов оценивается в 10000 часов. Степень очистки составляет 99,9% для газовой смеси, содержащей 20% H2S. Скорость удаления H2S зависит от исходной концентрации и от различных конфигураций мембраны.

Для удаления водорода Н2 из газов, полученных газификацией угля, фирмой Dak Ridge National Laboratory были разработаны мембраны на основе алюминия [6]. Значительное повышение эффективности процесса могло быть достигнуто при высокой температуре потока. Однако, для высоких температур неорганические мембраны на основе соединений алюминия существуют только с большими порами - от 30 до 40А°. Были разработаны мембраны, имеющие поры радиусом от 7 до 18А°. Тестирование проводилось при различных давлениях и температурах до 260°С.

Фирмами Industrial Filter and Pump Manufacturing Company и Universal Porosics, Inc. [6] была предложена слоевая пористая керамика для удаления газов, образующихся при газификации, и газов из камеры сгорания, работающей под давлением в режиме псевдоожиженного слоя. Слоеная конфигурация состоит из внутреннего слоя (85%) фильтрующего элемента с толщиной стенки 8.5мм, сделанного из пористой керамики со средним размером пор около 125мкм (для структурной опоры) и внешнего слоя (15%) с

толщиной стенки 1.5мм, сделанного из пористой керамики со средним размером пор от 25 до ЗОмкм.

При выборе типа керамических мембран для их изготовления необходимо изучить коррозионную устойчивость различных материалов. Так, карбид кремния, широко используемый для фильтрации горячих газов, более восприимчив к термическим всплескам и коррозии (особенно, при окислении и в реакциях с участием углерода), чем другие соединения кремния, поэтому Westinghouse Electric Corporation для фильтрования горячих газов предложила керамические фильтры из алюминия и муллитных материалов [6]. Эти материалы показали широкий интервал химической стабильности как при окислительных, так и при восстановительных условиях; они устойчивы к газофазным реакциям (щелочные, хлоридные или серные смеси). Следует отметить, что при удалении макрочастиц алюминиевые и муллитные материалы меньше подвергаются влиянию явления прилипания золы или мелких фракций угля.

Для фильтрования горячих газов в работе [7] предлагают фильтры, изготовленные из пористой керамики. Фильтры - двух типов: проточного (ПФ) и свечного (СФ). ПФ изготавливают в виде пластин от 15* 15*5см до 30.5*30.5* 10см, содержащих сквозные каналы с высоким отношением поверхности к единице объема. Жесткие трубчатые фильтры второго типа содержат керамические свечи, образова