Анализ исполнения социально-правовых запросов архива кадровой документации западного административно...
Расчет
ферментера для выращивания дрожжей
на углеводном субстрате
Исходные данные для расчета:
Субстрат - сахароза
|
C12H22O11
|
Значение
|
выход биомассы от
субстрата
|
YX/S
|
0,5
|
Начальная концентрация
субстрата, кг/м3
|
СSН
|
60
|
начальная (посевная ) конц
дрожжей, кг/м3
|
СХН
|
3
|
константа скорости роста
дрожжей, 1/час
|
μ
|
0,15
|
Объем аппарата, м3
|
V
|
10
|
Коэффициент заполнения,
|
φ
|
0,75
|
расходный коэффициент по
кислороду, кг/кг
|
|
0,83
|
Плотность кислорода, кг/м3
|
|
1,43
|
Объемная
доля кислорода в воздухе
|
|
0,21
|
Коэффициент
использования кислорода воздуха
|
|
0,1
|
Конечная концентрация дрожжей в
микробной суспензии
= 3+ 0,5·60 = 33 кг/м3
Время ферментации
= = 18,05 час = 57549,5
с
Объем суспензии с аппарата
VЖ=V·j = 10·0,75= 7,5 м3
Производительность аппарата по
биомассе
АХ=VЖ = 7,5 · 33 = 247,5 кг
Требуемый расход воздуха (через
расходные коэффициенты)
= =0,11887 м3/с
1.
Расчет узла аэрации и мощности привода ферментера
Последовательность
расчета
1.
Выбираем в соответствии с ГОСТ 9931-79 тип конструкции корпуса ВЭЭ и размеры D и L (табл. 1 приложения). Размеры днищ (ГОСТ 6533-78)
приведены в табл. 2 приложения.
Объем
аппарата, м3
|
V
|
10
|
Диаметр
аппарата, мм
|
D
|
2000
|
Длина цилиндрической части, мм
|
l
|
2550
|
Полная поверхность аппарата, м
|
Fв
|
24,5
|
Толщина стенки, мм
|
S
|
6
|
Высота днища, мм
|
HД
|
540
|
Объем днища, м3
|
VД
|
1,168
|
2.
Выбираем тип мешалки (табл. 3 Приложения) и ее стандартный размер (табл. 4
приложения). Соотношения dм/D для различных типов мешалки приведены в таблице 3
приложения.
Тип - турбинная дисковая
6-лопастная (табл. 3 Прил.)
|
|
|
Диаметр
мешалки (табл.4 Прил), мм (dм
/D = 1/3 - 1/4)
|
500
|
3. Частота вращения мешалки,
обеспечивающая редиспергирование подаваемого (аэрирующего) воздуха должна быть:
nс >4Q /dм3 = 4·0,11887/(0,5)3=
3,804 с-1
Стандартные значения частоты
вращения выходного вала мотор редуктора [nс] находим по таблице 6
приложения. [nс]= 4,17
Окружная скорость края лопасти
vл=pdмnс = 3,14 · 0,5 ·4,17 = 6,55 м/с
находится в рекомендуемом диапазоне [2,5 м/с < vл <10 м/с] (табл. 3 прил.).
4. Расположение кольцевого
барботера относительно открытой турбинной мешалки и их основные размеры
приведены на рисунке 1.
При определении размеров кольцевого барботера
(рис.1), мешалки и их элементов используем рекомендуемые соотношения :
hм=0,2dм= 0,1м; Lл=0,25dм = 0,125 м; hб=0,25dм = 0,125 м; Dср=6dб.н
Газораспределительные отверстия
обычно имеют диаметр do = 3-5 мм, назначим do = 4 мм
5.
Внутренний диаметр трубы барботера (с учетом раздвоения трубы):
= =
0,07783 (или )
где v=25 м/с - скорость газа в трубе
(рекомендуемая).
6.
Уточняем диаметр трубы по стандартному размеру и определяем внутренний и
наружный диаметры трубы барботера dб.в и dб.н (табл. 7 прил.):
dб.в = 0,076 м; dб.н = 0,083 м.
Средний диаметр барботера
Dср=6dб.н = 6· 0,083 = 0,5 м
7.
Скорость газа в отверстии барботера:
= =
27,87 м/с
где rж и rг - плотности жидкости и газа при
температуре культивирования, кг/м3, rж
=1000 кг/м3; rг = 1,165 кг/м3
(табл.12 Прил.)
8.
Количество отверстий в барботере:
=. = 339,57
9.
Разметка отверстий по поверхности барботера.
Количество отверстий в ряду
nо.р=p Dср /0,025 = 3,14 ·0,5 /0,025 = 62,8
отв (62 в ряду)
Для отверстий диаметром 4-7 мм рекомендованный шаг равен 25 мм.
Число рядов отверстий на
барботере
nр= nо / nо.р= 339,57/ 62=5,41
Предельное допустимое число рядов
на трубе барботера
nр.пред. = p dб.н /0,025= 3,14 ·0,083/0,025 = 10
Таким образом, размещение
отверстий на барботере возможно.
10.
Объем жидкости в аппарате:
Vж=V·j
= 10 ·0,75 = 75 м3
где j
- коэффициент заполнения аппарата.
11.
Высота уровня жидкости Нж вычисляется по формуле
= . 2,56
м
12.
Газосодержание жидкостной системы (объемная доля газа в смеси):
y =С
Аn ,
где С=0,0094 и n=0,62 при А<18 ; C=0,026 и n=0,26
при А>18.
==
453,67
где s - коэффициент поверхностного
натяжения (для воды s = 0,07 н/м).
А >18, поэтому С=0,026 и n = 0,26
y =С
Аn = 0,026·(134,95)0,26
= 0,128
Через y
определяется:
- плотность газожидкостной
системы
rг-ж= rж(1- y)+ rг
y = 1030·(1-0,128)+ 1,165·0,128 = 898,76 кг/м3
- объем газожидкостной смеси в
аппарат (должен быть менее 0,9V)
Vг-ж=Vж/(1- y).
= 7,5/(1-0,128) = 8,6 м3
- высота газожидкостной смеси в
аппарате:
Нг-ж=Нж/(1- y)
= 2,56/(1-0,128) = 2,93
13.
Мощность привода одноярусной мешалки при перемешивании чистой жидкости:
,
где Кн - коэффициент высоты уровня
жидкости;
Кн = (Hж/D)0,5
= (2,56/2)0,5 = 1,131;
Кп - коэффициент,
учитывающий наличие в аппарате отражательных перегородок, для аппаратов с
отражательными перегородками Кп=1,25;
Кi - коэффициент, учитывающие
наличие в аппарате внутренних устройств: К i =1,05 -1,2 - при наличии гильзы
термометра, уровнемера, трубы передавливания.
N - мощность, затрачиваемая на
перемешивание жидкости:
N=KN r n3d5м ,
где КN
- критерий мощности, определяемый по соответствующему данной мешалке графику -
зависимости KN=f(Reц) (рис. 1 приложения).
Reц - центробежный
критерий Рейнольдса:
= = 536887,5.
где μк.ж - вязкость культуральной
жидкости, 2·10-3Па·с (табл.9 приложений)
Для мешалки заданного типа при
указанном Reц коэффициент мощности KN = 3.
N=KN r n3d5м = 3·1030 ·4,173 ·0,55
= 7001,91 Вт,
Мощность,
затрачиваемая на перемешивание газожидкостной смеси:
= =
4607,2 Вт
где С и а - константы, зависящие от типа мешалки
(табл. 5 приложения), для данног типа мешалки С= 0,41, а =-0,32
Nуп - мощность
затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях, Вт; для торцовых уплотнений:
где dв=0,117dм - для турбинной
мешалки, dв=0,117·0,5 = 0,0585 м
Принимаем
стандартное значеие диаметра вала dв=0,065 м.
h - К.П.Д. привода мешалки; h=0,9.
= 8149,6 Вт
Мощность стандартного
электродвигателя 11 кВт. По табл. 6 приложения выбирается предусмотренный
ГОСТом мотор-редуктор.
2 Тепловой баланс процесса
ферментации
Если допустить
постоянство тепловыделения в аппарате, то тепловой баланс процесса ферментации
будет следующим:
Qб + Qм
+ Qв + Qпс + Qп + Qохл = 0 ,
где Qб - тепло,
выделяющееся в процессе биосинтеза; Qм - тепло, выделяющееся при
работе мешалки; Qв - тепло уносимое с аэрирующим воздухом; Qпс
- тепло, вносимое с питательной средой; Qп - потери тепла в
окружающую среду через стенки аппарата; Qохл - тепло, отводимое с
охлаждающей водой.
Для удобства будем
считать тепловые потоки в удельных величинах, отнесенных на 1 м3 культуральной жидкости в аппарате.
Тепловой
эффект биосинтеза определяется расчетом через расходные коэффициенты:
= =
6,25 кВт/м3.
(qб = Qб
/Vж ),
где qб - удельное
тепловыделение на (кВт/м3); 14,45 - удельное тепло биоокисления
(кДж/г О2); - расходный коэффициент по
кислороду; - конечная и начальная концентрации
биомассы; t - время
культивирования.
Превращение механической
энергии в тепловую:
qм = Nуд
= N/ Vж = 8149,6/7,5 = 1086,6 Вт/м3=1,086 кВт/м3.
где Nуд - удельная
мощность на перемешивание; N - мощность привода мешалки.
Удельное
количество тепла выносимое с аэрирующим воздухом
qв = mв·(I1 - I2) ,
где mв = rв·К /60 - удельный массовый расход
воздуха, кг/(с·м3);
rв - плотность воздуха; К - кратность аэрации; I1
и I2 - теплосодержание входящего и выходящего газа:
Ii
= cв·ti + (r + cп·ti)·xi ,
где св = 1,01 кДж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость
сухого воздуха;
сп = 1,97
кДж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость
водяного пара;
r = 2493 кДж/кг -
удельная теплота парообразования воды при 0 ОС;
ti - температура входящего и выходящего
воздуха (обычно одинаковы и равны температуре культивирования);
хi - влагосодержание воздуха, кг/кг;
(значениями х обычно задаются соответствующими относительной влажности 60% на
входе и 90% на выходе, что при 30 ОС примерно составляет: х1
= 0,017, х2 = 0,024).
I1 = cв·tк + (r + cп·tк)·x1 = 1,01·30+(2493 + 1,97·30)·0,017
=73,68 кДж/кг
I2 = cв·tк + (r + cп·tк)·x2 = 1,01·30+(2493+1,97·30)·0,024 = 91,55
кДж/кг
qв = (rв·Qс\Vж)·( I1 - I2
)=1,165·0,1188/7,5)·(73,68-91,55)=-0,33 кВт/м3.
Тепло, вносимое с
питательной средой = 0, т.к. температуры питательной среды tпс и
культуральной жидкости tк одинаковы (30 ОС)
Потери тепла через стенки
аппарата:
qп = Fап·qуд / Vж =
24,5 · 0,1/ 7,5 = - 0,32 кВт/м3.
где Fап - площадь
поверхности аппарата; qуд - удельные потери тепла с 1 м2
поверхности аппарата (зависят от разницы температур стенки аппарата и
окружающей cреды).
Тепло,
отводимое охлаждающей водой находим из уравнения баланса:
qохл = qб
+ qм + qв + qп = =6,25 + 1,09 -0,33
- 0,32 = 6,68 кВт/м3
Общее
отводимое тепло, кВт
Qохл = qохл·Vж = 50,11
Расход
хладагента (воды) максссовый:
W = Qохл /c·(tк - tн) = 50,11/(4,19·(23-13))=
1,19 кг/с
и объемный: = W / ρв=
1,19/1030 = 0,00119 м3/с.
где c - удельная теплоемкость воды,
4,19 кДж/кг·К; tк и tн - начальная и конечная температуры охлаждающей воды
(13 и 23 °С ).
Расчет теплообменных устройств ферментера
В случае прямого расчета
определяется площадь теплообмена
F = Qохл /(K·Dtср ) .
В случае поверочного -
устанавливается достаточность стандартных теплообменников в аппарате
сопоставлением Qохл с действительной способностью теплообменников,
определяемой уравнением
Q = K·F·Dtср ,
где K - коэффициент теплопередачи; F
- поверхность теплообмена;
Теплообменная поверхность
рубашки аппарата
Fруб = (2/3) Fап = 0,67·24,5 = 16,3 м2.
Средняя разность
температур среды и теплоносителя Dtср :
=
Коэффициент теплопередачи
определяют по формуле
,
где a1 и a2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны среды и со
стороны хладагента (воды); lст -
коэффициент теплопроводности материала аппарата, lст = 17 Вт/м·К; d - толщина стенки, d = 0,006 м; r1 и r2
- термические сопротивления загрязнений на стенке со стороны охлаждающей воды и
культуральной жидкости.
Коэффициент
теплоотдачи a1 для рубашки. Коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке
аппарата определяется зависимостью вида
где D - внутренний диаметр аппарата.
Значения коэффициентов С и а для различных случаев перемешивания приведены ниже
в таблице 3 уч. пособия
Для турбинной
открытой мешалки С = 0,76, а = 0,67
Reц = = 536887,5
Pr = сμ/λ = 4000·0,002/0,59 =
13,55,
где с, μ, ρ - теплоемкость,
вязкость и плотность культуральной жидкости при температуре культивирования 30 °С (табл. 9 приложения)
= =
3658 Вт/м2·К
Коэффициент теплоотдачи a2 со стороны воды (для простой цилиндрической рубашки)
Теплоотдача внутри
простой цилиндрической рубашки происходит в условиях естественной конвекции и
рассчитывается по формуле
Nu = aHр/l = С(Gr
Pr)a ,
где С=0,76 и а=0,25 при 103<
GrPr <109; С=0,15 и а=0,33 при >109.
- критерий Прандтля; -
критерий Грасгофа,
Если в качестве
теплоносителя используется вода, произведение GrPr рассчитывается по упрощенной
зависимости
,
где Нр - высота стенки
сосуда, заключенной в рубашку (примерно равна высоте цилиндрической части
аппарата, L= 2,55 м), м; tст -
температура стенки сосуда, оС; tср - средняя температура
теплоносителя (воды) в рубашке, оС., а все физические константы
комплекса GrPr сведены в величину В
tст=(tк
+ tср)/2 = (30 + 18) = 24
Коэффициент
В зависит от tср и при 18 оС В = 14·109.
= 1,39·1012
a2 = = = 356
Вт/м2·К
Термическое
сопротивление загрязнений со стороны культуральной жидкости ориентировочно
можно принять 0,001 м2·К/Вт. Термическое сопротивление загрязнений
со стороны охлаждающей воды для оборотной воды r=2,3·10-4 м2·К/Вт;
= 214, 38 Вт/м2·К
Расчетное отводимое тепло
Q = K·F·Dtср =
0,214·16,3·11,27 =59,194 кВт
Q > Qохл
, следовательно рубашка справляется с отводом тепла.
1. www.engineer-oht.ru
– материал по расчетам пищевых аппаратов
2. Общая химическая
технология / под ред. А.Г. Амелина. – М. : Химия, 1977. – 400 с.
3. Бондаренко, А.А.
Технология химической промышленности / А.А. Бондаренко. – Киев : Вища школа,
1982. – 152 с.
4. Практикум по общей
химической технологии : учебное пособие / под ред. И.П. Мухленова. – М. :
Высшая школа, 1979. – 421 с.
5. Мухленов, И.П. Основы
химической технологии / И.П. Мухленов, В.Д. Тамбовцева, А.Е. Горштейн. – М. :
Высшая школа, 1975. – 344 с.