Оценка погрешностей балансовых методов определения скорости абсорбции кислорода раствором сульфита натрия

УДК 66.063

Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ БАЛАНСОВЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ АБСОРБЦИИ КИСЛОРОДА РАСТВОРОМ СУЛЬФИТА НАТРИЯ

Ключевые слова: сульфитное число, абсорбция кислорода, удельная мощность, мешалка, аэрация.

Оценена погрешность определения сульфитного числа при использовании данных измерений различных групп параметров процесса абсорбции кислорода раствором сульфита натрия в лабораторном биореакторе. При варьировании конструктивных параметров мешалок и различных значениях режимных параметров показано, что все методы характеризуются близкими значениями погрешностей определения скорости абсорбции кислорода.

Key words: sulfite number, absorption of oxygen, power density, stirrer, aeration.

We estimated an error of determination of sulphite number using various measured parameter sets of the process of oxygen absorption by sodium sulfite solution in laboratory bioreactor. By varying design parameters of stirrers and process parameters it is shown that all methods yield similar values of errors of determination of the rate of oxygen absorption.

Введение

Модельный процесс абсорбции кислорода раствором сульфита натрия традиционно используется для сравнительных оценок массообменных характеристик биореакторов, в том числе промышленных [1 - 7]. Сульфитный метод позволяет осуществить предварительный выбор биореактора для реализации аэробного процесса биосинтеза биологически активных веществ. Задачей настоящей работы являлось сравнение погрешностей альтернативных балансовых методов определения сульфитного числа [8], реализуемых с использованием данных замеров разных групп параметров.

Эксперименты были реализованы на установке с биореактором разборной конструкции при установке различных типов мешалок с цанговыми зажимами. Геометрический объем аппарата составляет 6 л. Внутренний диаметр аппарата равен 150 мм. В реакторе установлены 4 отражательные перегородки, имеющие суммарную поверхность 25 % от площади вертикального сечения рабочего объема аппарата.

Конструкция аппарата и средств измерения описана ранее. Исследовались одно- и многоярусные мешалки ряда конструкций [5, 7]. Это диски с отогнутыми секторами и турбинная шестилопастная мешалка с противоположно наклоненными смежными лопастями. Все мешалки имели диаметр 100 мм. Рабочие поверхности всех мешалок перфорированы. Отверстия перфорации конические, с наименьшим диаметром 3 мм и углом конусности 90 градусов. Для всех многоярусных мешалок отношение расстояния между ярусами к диаметру мешалки равно 0,5.

Полные данные о геометрических параметрах ярусов мешалок приведены в работе [5].

Результаты и их обсуждение

Типы мешалок и режимные параметры для всех экспериментов приведены в таблице 1. Приняты следующие обозначения:

п - угловая скорость вращения мешалки; N - удельная мощность, снимаемая с мешалки; Уд - удельная величина аэрации;

Таблица 1 - Параметры экспериментов

№ Тип мешалки Vg n N

эксп. мин-1 мин-1 вт/л

1 1870 24,74

1 Диск, 1 ярус 17 град. 2 2000 21,81

3 2050 21,85

1 1800 23,64

2 Диск, 1 ярус 35 град. 2 1940 21,05

3 2050 21,57

1 1670 24,47

3 Диск, 1 ярус 55 град. 2 1750 22,91

3 1870 23,52

1 1330 26,39

4 Турбина 2 1470 25,03

3 1630 27,00

Диск 2 яруса 35+35 град. 1 1440 25,52

5 2 1665 22,92

3 1500 24,25

Диск 3 яруса 17+35+35 град. 1 700 5,67

6 2 700 5,33

3 700 4,65

Диск 3 яруса 17+35+35 град. 1 1200 20,11

7 2 1200 18,48

3 1200 17,68

Диск 3 яруса 17+35+35 град. 1 1700 44,36

8 2 1700 42,24

3 1700 40,40

Диск 2 яруса 10+10 град. 1 - -

9 2 1560 25,01

3 - -

Диск 3 яруса 10+10+10 град. 1 - -

10 2 1570 25,87

3 - -

В качестве модельной среды в проведенных экспериментах использовался раствор сульфита натрия в дистиллированной воде с концентрацией

37,5 г/л. В качестве катализатора реакции окисления использовался сульфат кобальта. Во всех экспериментах объем жидкой фазы был постоянен и равен 3 л [5].

Определение сульфитного числа проводилось следующими методами.

1) На основе измерения расхода газового потока (воздуха) на входе и выходе аппарата, приведенных к нормальным условиям:

Vinn = VinP-273,2/(760 (273,2+T)), Voutn = VoutP-273,2/(760 (273,2+T)),

V02 = Vinn - Voutn,

R02 = 60Vo2'32/

2) На основе баланса инертных компонентов газового потока.

Vinn = Voutn-(1 - Со2)/0,79

V02 = Vinn0,21 - Voutn'Co2 RO2 = 60VO2'32/

3) На основе времени окисления фиксированной дозы сульфита натрия.

RNa2S03 = MNa2S03/At

R02 = (16/126)-RNa2S03/VL

где: Vin - расход воздуха на входе в аппарат, измеряемый ротаметром РС3, л/мин; Vout — расход отработанного воздуха на выходе из аппарата, измеряемый газовым барабанным счетчиком РГ 7000, л/мин; Vinn и Vout — расходы газовых потоков на входе и выходе аппарата, приведенные к нормальным условиям, л/мин; V02 - расход кислорода, л/мин; VL - объем жидкой фазы в аппарате (3 л); R02 - сульфитное число, гО2/л-час; С02 - объемная доля кислорода в отработанном воздухе; MNa2S03 = 112,5 - масса навески сульфита натрия, г; At - время окисления дозы сульфита натрия, час; 16/126 - стехиометрическое соотношение масс кислорода и сульфита натрия по реакции окисления.

Эксперименты осуществлялись следующим образом: а) устанавливалась рабочая скорость вращения мешалки, б) термостабилизировалась вода в реакторе, в) включалась аэрация и по барабанному счетчику тарировался ротаметр на входе воздуха в аппарат, г) вносился катализатор и затем за минимальное время вносилась доза сульфита натрия в порошкообразном состоянии, д) производились необходимые замеры.

Концентрация кислорода в выходном газовом потоке определялась с помощью газоанализатора АК производства «Медфизприбор» (Казань). Тарировка газоанализатора осуществлялась по смесям 1 класса.

Результаты экспериментов представлены в таблице 2 и на рисунках 1 и 2.

В последней строке таблицы 2 приведены средние квадратичные отклонения по результатам экспериментов, выполненных при различных величинах удельной аэрации. С увеличением величины аэрации и, соответственно, сульфитного

Таблица 2 - Сульфитные числа и значения среднеквадратичных отклонений

№ эксп. Метод расчета Удельный расход газа, л/л мин L

1 2 3

1 8,93 14,09 15,00 0,51

1 2 8,42 14,46 16,34 0,58

3 8,16 14,27 15,29 0,30

среднее 8,50 14,27 15,54 -

1 8,19 11,98 14,27 0,35

2 2 9,06 12,08 14,18 0,27

3 8,83 11,98 14,27 0,10

среднее 8,69 12,01 14,24 -

1 10,02 10,98 14,19 0,17

3 2 9,88 11,18 14,47 0,24

3 9,51 10,57 14,15 0,33

среднее 9,81 10,91 14,27 -

1 8,80 12,11 17,59 0,18

4 2 8,76 12,02 17,76 0,28

3 8,39 12,06 16,79 0,45

среднее 8,65 12,06 17,38 -

1 9,01 11,64 11,32 0,41

5 2 8,75 11,98 11,74 0,47

3 8,27 11,98 10,32 0,60

среднее 8,51 11,87 11,12 -

1 3,34 3,32 4,44 0,14

6 2 3,39 3,77 4,47 0,21

3 3,34 3,38 4,17 0,16

среднее 3,36 3,49 4,36 -

1 8,59 11,74 10,55 0,20

7 2 8,47 11,74 10,95 0,13

3 8,31 11,49 10,84 0,16

среднее 8,46 11,66 10,78 -

1 10,43 15,42 12,14 0,48

8 2 10,44 16,39 12,59 0,31

3 10,57 16,47 12,06 0,31

среднее 10,48 16,09 12,26 -

1 - 11,94 - -

9 2 - 12,60 - -

3 - 12,15 - -

среднее - 12,23 - -

1 - 12,03 - -

10 2 - 11,93 - -

3 - 11,34 - -

среднее - 11,77 - -

L среднее 0,2432 0,242 0,359 -

числа, среднеквадратичное отклонение также возрастает. При этом относительные погрешности составили: 2,92 %, 2,08 % и 2,87 %. В целом значения погрешностей не велики, что позволяет считать результаты экспериментов корректными.

На рисунке 1 показано изменение длительности потребления дозы сульфита натрия при различных скоростях вращения мешалки (опыты 6-8, таблица 1) при удельных величинах аэрации 1 л/л-мин.

10,0

Ц

L_

Е

в 8,0 о

Q.

О

с ь,о о

5

а к

2,0

0,0

— — п=700 об/мин — — п = 1200об/мин

(С 1

1 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 t J

О 0,5 1 1,5 2

Время окисления сульфита натрия, ч

Рис. 1 - Динамика концентрации растворенного кислорода при различных скоростях вращения мешалки

Увеличение скорости вращения мешалки приводит к сокращению длительности процесса окисления дозы сульфита натрия. Однако, это сокращение зависит от интенсивности аэрации. При небольшой скорости аэрации средняя концентрация кислорода в газовых пузырьках невелика и увеличение энергии, вводимой в среду, практически не приводит к росту скорости массообмена кислорода. Поэтому с целью обеспечения максимальной энергетической эффективности процесса массопередачи кислорода необходимо параллельно с увеличением скорости вращения мешалки увеличивать и удельную величину аэрации. Изменение интенсивности процесса массообмена кислорода при варьировании величины аэрации и вводимой мощности показано на рисунке 2. Из представленных данных следует, что при любых величинах аэрации повышение мощности мещалки более 20 вт/л не целесообразно.

-е-

•С

о о. 02

1,5

0,5

1 I

4 & \ — — Аэрация 1л/л.мин — • —Аэрация 2л//1.мин

V 4 •ч Чч. t Э Пр

3 а

О 10 20 30 40 50

Удельная мощность мешалки, вт/л

Рис. 2 - Зависимость продолжительности процесса окисления дозы сульфита натрия от мощности мешалки при варьировании аэрации

Заключение

В таблице 2 в правом столбце приведены среднеквадратичные отклонения величин сульфитных чисел по трем опытам при различных величинах аэрации для каждого метода определения. Если их усреднить, то получим следующие значения для трех методов: _ = 0,305; _2 = 0,313; = 0,302. Это позволяет сделать вывод о том, что все три метода определения сульфитного числа метрологически эквивалентны.

Таким образом, наиболее простым по способам измерения и применяемым техническим средствам является первый балансовый метод, основанный на измерении расходов газового потока на входе и выходе из аппарата.

Литература

1. У. Э. Виестур, А. М. Кузнецов, В. В. Савенков, Системы ферментации, Зинатне, Рига,1986. 174 с.

2. Дж. Бейли, Д. Оллис, Основы биохимической инженерии, Т.1. Мир, Москва, 1989. 692с.

3. В. В. Бирюков, Основы промышленной биотехнологии, Колос Химия, Москва, 2004. 296 с.

4. Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Вестник Казан. технол ун-та, 15, 11, 172-174 (2012).

5. С. Г. Мухачев, Р. Б. Хабибрахманов, Вестник Казан. технол ун-та, 17, 2, 140-143 (2014).

6. Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева, Вестник Казан. технол ун-та, 17, 14, 423-425 (2014).

7. Пат. РФ 2021849 (1991).

8. Ш. Г. Еникеев, З. М. Билялова, Ю. Л. Рындовская и др., Получение микробной биомассы на основе этилового спирта. Методические указания.- КХТИ, Казань, 1983.32с.

© Р. Б. Хабибрахманов - аспирант, ассистент кафедры химической кибернетики КНИТУ, habib13@mail.ru; С. Г. Мухачев -канд. техн. наук доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, ksoes@mi.ru.

© R. B. Khabibrakhmanov - graduate student, teacher department of chemical cybernetics, KNRTU, habib13@mail.ru; S. G. Mukhachev - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics, KNRTU, ksoes@mi.ru.