Доклад на тему «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 Нужна помощь в написании доклада? Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно. Заказать доклад	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 Нужна помощь в написании доклада? Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно. Цена доклада
Объемная доля кислорода в воздухе		0,21
Коэффициент использования кислорода воздуха		0,1

Конечная концентрация дрожжей в
микробной суспензии

Время ферментации

=  18,05 час = 57549,5
с

Объем суспензии с аппарата

V_Ж=V·j = 10·0,75= 7,5 м³

Производительность аппарата по
биомассе

А_Х=V_Ж = 7,5 · 33 = 247,5 кг

Требуемый расход воздуха (через
расходные коэффициенты)

/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 d_м/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:

n_с >4Q /d_м³  = 4·0,11887/(0,5)³=
3,804 с^-1

Стандартные значения частоты
вращения выходного вала мотор редуктора [n_с] находим по таблице 6
приложения.      [n_с]= 4,17

Окружная скорость края лопасти

v_л=pd_мn_с = 3,14 · 0,5 ·4,17 = 6,55 м/с 

находится в рекомендуемом диапазоне [2,5 м/с < v_л <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 :

h_м=0,2d_м= 0,1м;      L_л=0,25d_м = 0,125 м;    h_б=0,25d_м = 0,125 м;       D_ср=6d_б.н

Газораспределительные отверстия
обычно имеют диаметр  d_o = 3-5 мм, назначим d_o = 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 d_б.в и d_б.н (табл. 7 прил.):

d_б.в = 0,076 м;    d_б.н = 0,083 м.

Средний диаметр барботера  

D_ср=6d_б.н  = 6· 0,083 = 0,5 м

7.
Скорость газа в отверстии барботера:

=
27,87 м/с

где r_ж  и r_г — плотности жидкости и газа при
температуре культивирования, кг/м³,        r_ж
 =1000 кг/м³;  r_г = 1,165 кг/м³
(табл.12 Прил.)

8.
Количество отверстий в барботере:

.   = 339,57

9.
Разметка отверстий по поверхности барботера.

Количество отверстий в ряду

n_о.р=p D_ср /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

n_р= n_о / n_о.р= 339,57/ 62=5,41

Предельное допустимое число рядов
на трубе барботера

n_р.пред. = p d_б.н /0,025= 3,14 ·0,083/0,025 = 10

Таким образом, размещение
отверстий на барботере возможно.

10.
Объем  жидкости в аппарате:

V_ж=V·j
= 10 ·0,75 = 75 м³

где j
— коэффициент заполнения аппарата.

11.
Высота уровня жидкости Н_ж 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

 r_г-ж= r_ж(1- y)+ r_г
y = 1030·(1-0,128)+ 1,165·0,128 = 898,76 кг/м³

—  объем газожидкостной смеси в
аппарат (должен быть менее 0,9V)

V_г-ж=V_ж/(1- y).
= 7,5/(1-0,128) = 8,6 м³

— высота газожидкостной смеси в
аппарате:

Н_г-ж=Н_ж/(1- y)
= 2,56/(1-0,128) = 2,93

13.
Мощность привода одноярусной мешалки при перемешивании чистой жидкости:

,

где К_н — коэффициент высоты уровня
жидкости;

К_н = (H_ж/D)^0,5
= (2,56/2)^0,5 = 1,131;

К_п — коэффициент,
учитывающий наличие в аппарате отражательных перегородок, для аппаратов с
отражательными перегородками К_п=1,25;

К_i  — 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=K_N r n³d⁵_{м   ,}

где К_N
— критерий мощности, определяемый по соответствующему данной мешалке графику —
зависимости K_N=f(Re_ц) (рис. 1 приложения).

Re_ц — центробежный
критерий Рейнольдса:

= 536887,5.

где μ_к.ж — вязкость культуральной
жидкости, 2·10^-3Па·с (табл.9 приложений)

Для мешалки заданного типа при
указанном Re_ц коэффициент мощности K_N = 3.

N=K_N r n³d⁵_м = 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

N_уп — мощность
затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях, Вт; для торцовых уплотнений:

где d_в=0,117d_м — для турбинной
мешалки, d_в=0,117·0,5 = 0,0585 м

Принимаем
стандартное значеие диаметра вала d_в=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:

Q_б + Q_м
+ Q_в + Q_пс + Q_п + Q_охл = 0 ,

где Q_б — тепло,
выделяющееся в процессе биосинтеза; Q_м — тепло, выделяющееся при
работе мешалки; Q_в — тепло уносимое с аэрирующим воздухом; Q_пс
— тепло, вносимое с питательной средой; Q_п — потери тепла в
окружающую среду через стенки аппарата; Q_охл — 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.

(q_б = Q_б
/V_{ж )},

где q_б — 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:

q_м = N_уд
= N/ V_ж = 8149,6/7,5 = 1086,6 Вт/м³=1,086 кВт/м³.

где N_уд — удельная
мощность на перемешивание; N — мощность привода мешалки.

Удельное
количество тепла выносимое с аэрирующим воздухом

q_в = m_в·(I₁ — I₂) ,

где m_в = r_в·К /60 — удельный массовый расход
воздуха, кг/(с·м³);
r_в — плотность воздуха; К — кратность аэрации; I₁
и I₂  — теплосодержание входящего и выходящего газа:

I_i
= c_в·t_i + (r + c_п·t_i)·x_i ,

где с_в = 1,01 кДж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость
сухого воздуха;

с_п  = 1,97
кДж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость
водяного пара;

r = 2493 кДж/кг —
удельная теплота парообразования воды при 0 ^ОС;

t_i — температура входящего и выходящего
воздуха (обычно одинаковы и равны температуре культивирования);

х_i — 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 = c_в·t_к + (r + c_п·t_к)·x₁ = 1,01·30+(2493 + 1,97·30)·0,017
=73,68 кДж/кг

I₂ = c_в·t_к + (r + c_п·t_к)·x₂ = 1,01·30+(2493+1,97·30)·0,024 = 91,55
кДж/кг

q_в = (r_в·Q_сV_ж)·( 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 t_пс и
культуральной жидкости t_к одинаковы (30 ^ОС)

Потери тепла через стенки
аппарата:

q_п = F_ап·q_уд / V_ж  =
24,5 · 0,1/ 7,5 = — 0,32 кВт/м³.

где F_ап — площадь
поверхности аппарата; q_уд — 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:

q_охл = q_б
+ q_м + q_в + q_п = =6,25 + 1,09 -0,33
— 0,32 = 6,68 кВт/м³

Общее
отводимое тепло, кВт

Q_охл  = q_охл·V_ж  = 50,11

Расход
хладагента (воды) максссовый:

W = Q_охл /c·(t_к — t_н) = 50,11/(4,19·(23-13))=
1,19 кг/с

и объемный: = W / ρ_в=
1,19/1030 = 0,00119 м³/с.

где c — удельная теплоемкость воды,
4,19 кДж/кг·К; t_к и t_н — начальная и конечная температуры охлаждающей воды
(13 и 23 °С ).

Расчет теплообменных устройств ферментера

В случае прямого расчета
определяется площадь теплообмена

F = Q_охл /(K·Dt_ср ) .

В случае поверочного —
устанавливается достаточность стандартных теплообменников в аппарате
сопоставлением Q_охл с действительной способностью теплообменников,
определяемой уравнением

Q = K·F·Dt_ср ,

где K — коэффициент теплопередачи; F
— поверхность теплообмена;

Теплообменная поверхность
рубашки аппарата

F_руб = (2/3) F_ап = 0,67·24,5 = 16,3 м².

Средняя разность
температур среды и теплоносителя Dt_ср :

 

Коэффициент теплопередачи
определяют по формуле

 ,

где a₁  и a₂ — коэффициенты теплоотдачи со стороны среды и со
стороны хладагента (воды); l_ст —
коэффициент теплопроводности материала аппарата, l_ст = 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

Re_ц = = 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 = aH_р/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 Грасгофа,

Если в качестве
теплоносителя используется вода, произведение GrPr рассчитывается по упрощенной
зависимости

 ,

где Н_р — высота стенки
сосуда, заключенной в рубашку (примерно равна высоте цилиндрической части
аппарата, L= 2,55 м), м; t_ст —
температура стенки сосуда, ^оС; t_ср — средняя температура
теплоносителя (воды) в рубашке, ^оС., а все физические константы
комплекса GrPr сведены в величину В

t_ст=(t_к
+ t_ср)/2  = (30 + 18) = 24

Коэффициент
В зависит от t_ср и при 18 ^оС  В = 14·10⁹.

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;

·К

Расчетное отводимое тепло

Q = K·F·Dt_ср =
0,214·16,3·11,27 =59,194 кВт

Q > Q_охл
, 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.