Оборудование процессы микробиологических производств

                           V_{ж max} = S _A = π ;  = 0,785                           (23)

Зададим значение D_A = 2,06 м, тогда (по результатам выбора из таблицы 3)

                                                                  =                                                   (24)

Для того чтобы рассчитать Q_г, , неодходимо вычислить приведенную скорости газа ω_г в аппарате. Под приведенной скоростью ω_г понимается отношение объемного расхода газа  к площади поперечного сечения ферментатора S_A. Отсюда находим требуемый расход воздуха для подачи его в ферментатор

                                                              Q_г = ω_г •S_А                                                          (25)

                                                      S_A = 0,785 * (2,06)² = 3,331 (м²)

                                                        Q_г = 0,238 * 3,331 = 0,793 (м³/с)

      Таким образом,  предварительные размеры рабочего  объема ферментатора известны.

Находим высоту газожидкостной смеси Н_см в рабочем объеме ферментатора по   уравнению:

                                           

                                                                 H_см =                                                               (26)

 

Геометрическая высота рабочего объема ферментатора определяется с  учетом пенообразования на свободной  поверхности газожидкостной смеси. К_п - коэффициент, учитывающий увеличение рабочего объема за счет пенообразования, К_п лежит в пределах от 0,5-0,8 и зависит от эффективности применяемого способа пеногашения. Чем эффективнее способ, тем выше берется значение К_п. Примем К_п =0,7.

                                                                             H_r =    , м                                                                        (27)

После определения геометрических размеров рабочего объема ферментатора делаем проверку соотношения геометрической высоты Н_r и выбранного диаметра D_A. Рекомендуемое соотношение этих параметров

                   ≥ 1,5 ÷ 6¹                                                           (28)   

 

Определив значение приведенной  скорости газа в аппарате ω_r, переходим к тепловым расчетам ферментатора.

Таблица 3

DА , м	HЖ , м	НСМ , м	НГ , м	НГ/DА
2	6,37	7,87	13,12	6,56
2,06	6,00	7,42	12,37	6,00
2,5	4,08	5,04	8,40	3,36
3	2,83	3,50	5,83	1,94
3,5	2,08	2,57	4,29	1,22

3. Тепловой расчет ферментатора

Тепловой расчет ферментатора состоит из нескольких этапов:

1. составление теплового баланса;
2. определение величины тепловой нагрузки на теплопередающие поверхности и выбор конструкции охлаждающих устройств;
3. определения величины площади теплопередающей поверхности охлаждающих устройств;

После проведения тепловых расчетов осуществляется компоновка основных элементов теплообменного устройства, т.е. собственно его конструирование.

1. Составление теплового баланса

Назначение теплообменных  устройств заключается в обеспечении  поддержания оптимальной температуры  культивирования в течении всего процесса. В производственных условиях ее обычно поддерживают с точностью ±1 °С.

При рассмотрении теплового  баланса ферментатора для условий  установившегося процесса проектировщика интересует та ситуация, при которой  нагрузка на теплообменные устройства максимальна.

В общем случае схема тепловых потоков определяющих температуру  культуральной жидкости будет следующей:

Рис. 2. Схема тепловых потоков, определяющих температуру  культуральной жидкости.

Из рассмотрения основных тепловых потоков, возникающих в  ферментаторе, и которые необходимо учитывать при расчете теплообменных устройств и аппаратов следует обратить внимание на следующие:

Q_б - количество тепла выделяемое клетками (биологическое тепло), Вт;

Q₁ - количество теплоты поступающее с субстратом, солями и ростовыми растворами, Вт; Q₂- количество тепла поступающее с газовой фазой, Вт; Q₃ - тепло, выделяющееся в результате механического трения культуральной жидкости при перемешивании, диспергировании и движении жидкости через ферментатор, Bт; Q₄ - тепло отводимое при испарении жидкости, Вт; Q₅- тепло отводимое с отработанным воздухом, Вт; Q₆ - тепло отводимое через теплопередающую поверхность, Вт; Q₇ - тепло отводимое через стенки аппарата и трубопроводы в окружающую среду, Вт.

      Тепловой  баланс с учетом всех вычисленных  притоков будет выглядеть следующим  образом

                                        Q_б+ Q₁ ± Q₂ ± Qз⁼ Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇                                 (29)

Биологическое тепло  Q_б.

Количество биологического тепла выделяемого в процессе культивирования в настоящее  время осуществляют из экспериментальных  данных полученных для соответствующих видов микроорганизмов и субстратов, а также скоростей. Величина Q_{б была} рассчитана в разделе 3.1 (см. таблицу2 ).

Количество тепла поступающего в культуральную жидкость с субстратом, солями и ростовыми растворами Q₁ за расчетный час, в общем случае определяется по уравнению

                                                            Q_i=G_i*i _i                                                                 (30)

Однако, в нашем случае в технологической схеме предусмотрено, что подаваемый раствор охлаждается до температуры культивирования. Следовательно Q₁=0.

 

Количество тепла Q₂ поступающего с воздухом можно определить по уравнению

                                                                  Q₂ = G_2*i₂,                                                        (31)

где G₂ - массовый расход воздуха, кг/с; G₂ =ρ_r • Q_r;

 ρ_r - плотность сухого воздуха при заданных температуре Т и давлении Р_с.в. кг/м³

                                                 (32)

Значение давления подаваемого  в ферментатор сухого воздуха Р_с.в. берется в Па, а температура в °К. Значение температуры подаваемого воздуха принимаем равной t₂ = 50 ... 60°С ( принимаем t₂ = 50^o C, i₂ = 59 кДж/кг )

Р_св. = ρ_ж•g•H_ж•0,1 = 1001,34*9,81*6*0,1= 5897,59 Па

Q₂ =

Количество тепла Q₃, выделяющегося в результате трения культуральной жидкости, в барботажных колоннах рассчитывают по уравнению

                                                                         Q₃ = △P*Q_r                                                       (33)

где Q_r - расход воздуха через газораспределительное устройство, м³/с; △Р - потеря давления воздуха при прохождении его через слой жидкости Н_ж, Па;

                                                                      △Р = ρ_г•g•H_ж                                                              (34)

ρ_г - плотность воздуха при данной температуре и давлении, кг/м³

Q₃ = ρ_г•g•H_ж• Q_r = 0.064*9.81*6*0.793 = 2.97 Вт = 0,00297 кВт

Количество тепла, отводимое  с испаренной жидкостью Q₄, определяется по уравнению:

Q₄=G_ж i_ж                                                                                     (35)

где j_ж - энтальпия (теплосодержание) жидкости в реакторе (j_ж = 96 кДж/кг по диаграмме Рамзина, при t = 30^о С и φ = 100%) 

G_ж  - массовый расход испаренной воды с поверхности культуральной жидкости в воздух, кг/с

G_ж =       ( принимаем равным 0,5)    (36)

Q₄ = = 267 Вт = 0,267 кВт

 

Количество тепла, отводимое  с отработанным воздухом, Q₅ определяется из допущений, что в ферментатор поступает сухой воздух, а удаляется насыщенный влагой. В этом случае расчет Q₅ ведется по уравнению (30), но только для насыщенного влагой воздуха.

Q₅₌G_5*i₅                                                                                           (37)

G₅ = G₂ = 0.0504 кг/с, при t₅ = 50^o C и φ = 100%,  i₅ = 132,5 кДж/кг следовательно :

Q₅ = 0,0504 * 132,5 *10³ = 6682 Вт = 6,7 кВт

Количество тепла Q₇, отводимое через стенки аппарата в окружающую среду, обычно принимают равным

                                                                    Q₇ = ( 0,1-0,15)Q_б                                              (38)

в зависимости от наличия  наружной изоляции стенок корпуса аппарата.

Принимаем:  Q₇ = 0,1*Q_б = 0,1 * 194,31 = 19,4 кВт

Определив все тепловые потоки, из уравнения (29) определяем тепловую нагрузку Q₆ на теплопередающие устройства ферментатора (если конструкция предполагает встроенные теплообменные устройства) или подбирают стандартный выносной теплообменник.

                                                          Q_{6= +}Q_б+Q₂ +Q₃-Q₄-Q₅-Q₇ (Вт)                                         (37)

                               Q₆ = 194,31 + 3 + 0,00297 - 0,267 – 6,7 – 19,4 = 170,91 кВт

Для того чтобы определиться с конструкцией теплообменного устройства необходимо выполнить предварительный  расчет теплопередающей поверхности  F встроенных теплообменников. Это требуется для того, чтобы убедиться в возможности размещения их в рабочем объеме ферментатора.

        Мы  используем тепловую рубашку.

 

 

2. Определение площади теплопередающей поверхности

 

Подбор стандартных пластинчатых теплообменных аппаратов, осуществляется по значениям F, которые приведены в каталогах теплообменного оборудования. Требуемое значение F необходимо определить из основного уравнения теплопередачи

                                                     Q₆=kF  t_{ср лог}                                                       (38)

где Q₆ - значение теплового потока, получаемое из теплового баланса; к - коэффициент теплопередачи, Вт/м² К, (для тепловой рубашки к=300Вт/м² К); t _Срлог - логарифмическая разность температур, °К.

      Средняя  логарифмическая разность температур  рассчитывается по уравнению

 

∆t _{ср лог} =                                                        (39)

Для расчета∆ t _б и ∆ t _м необходимо построить температурный график (рис. 3)

Рис. 3. График для  определения ∆ t _б и ∆ t _м

      Чтобы построить  температурный график надо задать  начальную t_x1 и конечную t_x2 температуры хладоносителя. Примем t_xl = 10°С ,а t_x2 = 23°С.

        В  качестве хладоносителя берем воду из Артезианской скважины. Значит t₆ = 20°С , a t_M =7°С.

                                                     ∆t _{ср лог} = = 12,4 ^o C

                                             F = = = 45,9 м ²

 

 

Максимально возможная поверхность  теплопередачи для тепловой рубашки  F_г м².