Очистка воздуха перед подачей в ферментер
Министерство Высшего
Образования Российской Федерации
Московский Государственный Университет
Пищевых производств
Кафедра:
«биотехноогии, экологии и
сертификации пищевых
продуктов»
«Схема очистки
воздуха, подаваемого в ферментер»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
50–КП–95-ПТМ-13.Б/06.4.1
выполнил: студент
подпись
дата
преподаватель:
подпись
дата
Москва 1999г
F СОДЕРЖАНИЕ F
|
Стр.
|
Введение
…………………………………………………………………….
1. Задание
…………………………………………………….…………..
2. Описание
технологической схемы ……………………………….
3. Расчетная
часть …………………………..……………………………
4. Спецификация
……………………………….……………………….
5. Список
использованной литературы …………...……………….
|
3
5
6
7
16
17
|
F ВВЕДЕНИЕ F
В
современном микробиологическом производстве возрастают требования к степени
очистки технологического воздуха, подаваемого для аэрации при культивировании
микроорганизмов-продуцентов биологически активных веществ. Даже незначительное
содержание посторонней микрофлоры в воздухе может привести к инфицированию и
резкому снижению выхода продукта, так как при многосуточном цикле
культивирования продуцента потребляется 50-80 тыс. м3/час воздуха.
В воздухе промышленных городов содержится пыль в концентрации от 5 до 100 мг/м3,
что составляет 106-108 твердых частиц размером 5-150 мкм.
Микроорганизмы осаждаются на частицах пыли, а также свободно витают в воздухе.
Их содержание в воздухе зависит от времени суток, сезона и погоды и составляет
до 2000 клеток в 1 м3. Свободно витающие вегетативные клетки быстро
инактивируются, жизнеспособными остаются лишь споры. Состав микроорганизмов
очень разнообразен, и величины микробных клеток неодинаковы. Определение
размера клетки необходимо для обеспечения требуемой эффективности бактериальной
очистки технического воздуха, которая осуществляется с помощью фильтрации. При
фильтрации клетки микроорганизмов задерживаются на фильтрах, а очищенный воздух
поступает в технологическую линию.
В отечественной и зарубежной промышленности применяют различные типы фильтров.
. Процессы, приводящие к захвату частиц при фильтрации, делят на ситовые (с
осаждением частиц при прямом касании, если размер просвета меньше диаметра
частицы) и неситовые, к которым относятся инерционное осаждение,
диффузия, а также электростатическое притяжение.
Поскольку с уменьшением размеров частиц эффективность инерционного осаждения
снижается, а диффузионного возрастает, но более медленно, то существует
диапазон размеров фильтруемых частиц, которые особенно трудно поддаются
улавливанию. Это частицы размером до 0,3 мкм. Поэтому при проектировании
фильтрующих систем в микробиологическом производстве в качестве расчетного
размера принимают 0,3 мкм.
Однако до очистки воздуха от клеток микроорганизмов, наиболее трудно
поддающихся улавливанию, необходимо осуществить предварительную очистку воздуха
от пыли и других механических частиц размером до 150 мкм.
Полидисперсность задерживаемых при фильтрации частиц обусловливает создание
многоступенчатой системы очистки технологического воздуха, состоящей из фильтра
предварительной очистки, блока компрессора и каскадов биологических фильтров.
F ЗАДАНИЕ
F
Вариант № 7.
Рассчитать и спроектировать установку для очистки и стерилизации воздуха,
поступающего в четыре ферментера объемом 50 м3, где происходит в
стерильных условиях биосинтез лизина бактериями Brevibacterium
sp. 224. Избыточное давление в
ферментере – 0,5 атм
1.
Подобрать
фильтр грубой очистки воздуха (масляный)
2.
Подобрать
компрессор и проверить давление воздуха.
3.
Рассчитать
теплообменник воздушного охлаждения.
4.
Подобрать
влагоочиститель
5.
Подобрать
основной и индивидуальный фильтры.
6.
Определить
сопротивление фильтров при скорости воздуха W=3 м/сек
7.
Концентрацию
пыли после масляного фильтра, если yн
= 3,3 мг/м3, ε = 90 %, продолжительность работы фильтров.
F
ОПИСАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ F
Систему фильтрации в целом можно охарактеризовать микробиологической
надежностью (вероятностью удельного проскока первой жизнеспособной клетки) и
суммарным перепадом давления в системе.
Многоступенчатая система очистки воздуха обеспечивает расчетную эффективность
стерилизации воздуха.
Воздух на аэрацию в посевные и производственные ферментеры подается с
помощью компрессора. Перед сжатием воздух проходит через специальный фильтр
для очистки от механических примесей. Нагретый в процессе компреммирования
сжатый воздух с давлением 4,123 МПа охлаждается в кожухотрубном
теплообменнике и после него поступает в циклон.
Перед поступлением в ферментер воздух проходит частичную очистку от
микроорганизмов в фильтре грубой очистки и полностью очищается от
микроорганизмов в фильтре тонкой очистки. В ферментер очищенный воздух подается
с помощью барбатера.
В фильтре грубой очистки воздух проходит через две непрерывно движущиеся сетки,
смоченные маслом. Скорость первой сетки 16, второй – 7 см/мин. Сетки натянуты
между ведущими и натяжными валами. Ведущие валы приводятся в движение
электроприводом. При движении сетки проходят через масляную ванну, где с них
смывается осевшая пыль.
Для тонкой бактериальной очистки воздуха применяются фильтры различных типов.
Распространенными являются фильтры с тканью Петрянова. Она представляет собой
сверхтонкие, беспорядочно сплетенные в виде полотен на марлевой или другой
пористой основе волокна толщиной 1,5 мкм из перхлорвинила (ФПП-15). Эти
синтетические материалы требуют стерилизации глухим паром, так как имеют
ограниченную теплостойкость. Коэффициент проскока в этих фильтрах составляет не
более 0,1 - 0,01%.
F
РАСЧЕТНАЯ
ЧАСТЬ F
1. Расход воздуа
на 4 ферментера.
Рабочий объем
ферментера:
Выберем ферментер конструкции Гипромедпрома [ 5 ] стр. 246
Диаметр ферментера - 3215 мм
Высота
ферментера - 11 524 мм
Объем жидкости
в ферментере – 30 м3
Расход воздуха
найдем из расчета 1м3 на 1 м3 среды в
минуту.
Vв = 30 м3
/мин = 1800 м3 / час
Расход воздуха
на 4 ферментера:
Vв = 1800 * 4 = 7 200 м3 /час
= 120 м3/мин
2.
Давление столба жидкости в ферментере:
Высота
столба жидкости в ферментере:
Нж=rgh=9,81*6914*1,1*103=74609 кгс/м2=732000
Па
3.
По скорости движения воздуха (W=3 м/сек) и производительности
подберем фильтр тонкой очистки [ 5 ] стр. 284 Таб. 20.
Для
данной схемы выберем индивидуальный фильтр «Лайк» СП 6/17 ФПП-15
Площадь фильтрующей поверхности: F = 14 м2
При скорости воздуха W=3 м/сек
скорость фильтрации υф = 108 м3 /час м2
Производительность
данного фильтра – 1 836 м3 /час
Степень очистки – ε = 99,99 %
Сопротивление фильтрующего слоя – 28 мм вод ст = 274,4 Па
4. Рассчет
масляного фильтра.
Выбираем фильтр масляный самоочищающийся типа
ФШ с uф = 4 000 м3
/час м2 [ 3 ]
Длительность работы фильтра – 150 час при
удельной производительности фильтра
uф
= 4 000 м3 /час м2 из Таб.19 [ 5 ]
Потребная
поверхность фильтра для очистки воздуха:
Гидродинамическое сопротивление
масляного фильтра:
где d - толщина фильтра, в см
w - скорость воздуха перед
входом в фильтр, м/сек
5.
Параметры воздуха, поступающего в компрессор:
Удельный
вес воздуха, поступающий в компрессор при 20 °С, j
0=65%
и d
0=9,7
г/кг с в:
где u
0
– удельный объем воздуха.
Тогда удельный вес воздуха
6.
Гидродинамическое
сопротивление барбатера:
7.
Для данной схемы выбираем влагоотделитель
объемом 60 м3
8.
Потери напора во всасывающем и нагнетательном
трубопроводах.
8.1
Потери напора во всасывающем трубопроводе.
8.1.1. Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на
прямолинейных участках:
Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,5 м – 1
Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,5 м – 7 м
Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,2 м – 2
Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d в= 0,2 м - 1 м
Гидравлический коэффициент сопротивления воздуховода:
Для прямолинейного участка с диаметром воздуховода d
в=
0,5 м:
Для прямолинейных участков с диаметром воздуховода d
в=
0,2 м
Потери
напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d
в=
0,5 м:
Потери
напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d
в=
0,2 м:
8.1.2. Потери напора в отводе диаметром 1 м всасывающего воздуховода:
Потери напора при переходе от воздуховода с d в= 0,5 м: к воздуховоду с d в=
0,2 м:
Суммарное
сопротивление всасывающего воздуховода:
Нвсас = Н1тр.в + Н1тр. + Нотв + Нпер
+ Нфил = 1,37+0,83+0,78+0,78+95,8 = 99,5 Н/м2
8.2.
Потери напора в нагнетательном трубопроводе.
8.2.1 Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных
участках:
Длина
и количество прямолинейных участков нагнетательного воздуховода:
длина, м
|
количество
|
1
|
7
|
8
|
1
|
7,330
|
1
|
7,300м
– длина воздуховода, проходящего внутри ферментера к барботеру. [
5 ]
стр. 246 рис. 76
Длина
прямых участков нагнетательного воздуховода:
L = 1+8+7,330=16,33 м.
Местные
потери сопротивления:
Общие
потери давления на нагнетательном трубопроводе:
Hнагн
= Нтр.в. + Нотв + Нфил.
г. оч. + 4Нфил. тон. оч. + Нбарб + Нж +
Нф = 8,09 + 0,55 + 95,8 + 4 * 274,4 + 0,78 + 732 *
103 + 49050 » 781000 Па
где
Нф – избыточное давление в ферментере. Нф = 0,5 атм =
49050 Па
8.3.
Общие потери давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.
Нпол = 1,1(Нвсас + Ннагн + Нп) =
1,1 (781000 + 98,1 + 99,5) = 859373 Па = 8,7 кгс/см2
где
Нп – потери давления, Нп = 10 кг/м3 *
9,81 = 98,1 Па
9.
Выбор компрессора по каталогу.
Компрессор «Егерь».
Производительность
– 7800 м3/ч
Выходное
давление – 9,0 кгс/см2
Потребная
мощность привода машины – 700 кВт
Габаритные
размеры: длина – 6150
ширина – 2000
высота – 1500
Для
снабжения воздухом четырех ферментеров в схему включаются четыре компрессора.
10.
Расчет теплообменника к компрессорной установке.
При
сжатии воздуха до избыточного давления 9,0 кГ/см2 температура его
повышается от 20°С дна всасывании до 144°С
на выходе из воздуходувки. Перед подачей в ферментер воздух охлаждают до 30°С.
Для охлаждения воздуха примем предварительно кожухотрубный теплообменник ТН с
неподвижными трубными решетками.
диаметр корпуса ………………………….. 426/400 мм
диаметр и длина теплообменных труб….25/21 и 3500 мм
количество теплообменных труб ………..121
Воздух
проходит внутри трубок, охлаждающая вода – по межтрубному пространству.
Параметры
воздуха, поступающего в компрессор:
Р1=1
кГ/см2 ; t1=20°C
;
r1=1,12
кг/м3; j1=70%
; V1=7200
м3/ч
Параметры
воздуха, выходящего из компрессора:
Р2=8,7
кГ/см2 ; t2=144°С
;
Производительность
компрессора по сжатому воздуху:
Плотность
сжатого воздуха на выходе из компрессора:
Количество тепла, отводимого от воздуха в холодильнике:
С2
– средняя теплоемкость воздуха при изменении его температуры от 144 до 30 °С
(tср=87°С)
Расход
воды на охлаждение воздуха
где
0,99 – коэффициент, учитывающий потерю тепла в окружающую среду излучением:
с
– теплоемкость воды. 4190 Дж/кг К
Скорость
движения воздуха в трубках:
где
F – площадь сечения трубок
теплообменника, F=0,042 м2
Объем
воздуха при средней температуре 87°С:
Критерий Рейнольдса воздушного потока в трубках
Критерий
Рейнольдса больше 2300 и меньше 10000, следовательно режим движения в трубках -
ламинарный.
Коэффициент
теплоотдачи от воздуха к стенке: a1=38,8
Вт/м2 град
Скорость
движения воды в межтрубном пространстве:
Где
F- проходное сечение межтрубного
пространства – 0,0727 м
2
При
средней температуре воды
rв=998
кг/м3 и gв
= 0,998 т/м3
Критерий
Рейнольдса потока охлаждающей воды в межтрубном пространстве теплообменника:
Где m=0,001 Па с
при средней температуре воды 20°С.
d
э
– эквивалентный диаметр межтрубного пространства:
П
– смоченный периметр межтрубного пространства. Он рассчитывается как
П = p(D
+ nd) = 3.14(0.4 + 132.0.025) = 11.65 м
В
этой формуле D – внутренний
диаметр кожуха, 0,4 м;
d – наружный диаметр трубы, 0,025
м
n
– количество труб., 132
Коэффициент
теплоотдачи от стенки к воде при ламинарном потоке в теплообменнике ( так как Re=2096<2300)
a2=1604
Коэффициент
теплопередачи от воздуха к охлаждающей воде:
Где
d
= 0,002 м - толщина стенки труб и l=58,15 Вт/(м
2
град)
11. Определим среднюю логарифмическую разность температур
сред в теплообменнике при противоточном движении:
144°С 30°С
25°С
15°С
12. Потребная поверхность теплообмена
13.
Подбираем теплообменник кожухотрубный с
поверхностью теплообмена 140 м2 : [
2 ]
число труб – 442
длина труб – 4м
число ходов – 2
d труб – 25х2 мм
d кожуха – 800 мм.
F
ЛИТЕРАТУРА F
1.
Гинзбург
А. С., Гребенюк С. М. И др. Лабораорный практикум по процессам и аппаратам
пищевых производств – М.:Агропромиздат, 1990. – 256 с.
2.
Иоффе
И. Л. Проектирование процессов и аппаратов: химическая технология – учебник для
техникумов – Л.: Химия 1991 – 352с, ил.
3. Калунянц К. А. и др.
Оборудование микробиологических производств: Агропромиздат, 1987.- 398 с.: ил.
4.
Каталог
оборудования микробиологической промышленности
5.
Колосков
С. П. Оборудование предприятий ферментной промышленности. М.: Пищевая
промышленность, 1969 г., 383 с.