- •Задание на расчетную работу 1 «Расчет ферментера»
- •1. Элементный баланс процессов микробиологического синтеза
- •2. Потребность в кислороде и тепловой эффект реакции
- •3. Выбирается геометрия аппарата, и устанавливаются его размеры.
- •4. Определяется высота жидкости в аппарате, степень утилизации кислорода.
- •5. Выполняется материальный баланс процесса, и определяются его важнейшие показатели – съем целевого продукта и расход воздуха на аэрацию
- •6. Определяется кратность аэрации и время цикла культивирования
- •7. Назначаются тип аэрирующего устройства и тип мешалки, и выполняется расчет аэрирующего устройства и расчет мощности привода.
- •8. Составляется тепловой баланс процесса и определяется тепловая нагрузка.
- •9. Назначается конструкция теплообменных устройств и выполняется расчет теплообменников.
6. Определяется кратность аэрации и время цикла культивирования
6.1. Bремя цикла культивирования :
6.2. Секундный расход газа :
6.3.Кратность аэрации :
7. Назначаются тип аэрирующего устройства и тип мешалки, и выполняется расчет аэрирующего устройства и расчет мощности привода.
Исходные данные для расчета: V - объем аппарата; - коэффициент заполнения, К - кратность аэрации (или Qс – секундный расход газа).
Последовательность расчета
7.1. Частота вращения мешалки, обеспечивающая редиспергирование подаваемого (аэрирующего) воздуха должна быть:
nс >4QC /dм3 ,
где QC - секундный расход газа, м3/с:
QC = KV/60 .
При этом окружная скорость края лопасти (v=dмnс) должна находиться в рекомендуемом диапазоне (таблица 3 приложения).
Таблица 3 - Основные параметры и условия работы мешалок
Тип мешалки |
Основные параметры |
Условия работы |
Турбинная
|
D/dм = 3 - 4; hм/dм =0,2; h/dм = 0,4 - 1,0; l/dм =0,25; b/dм = 0,1; м = 8,4 |
Перемешивание ньютоновских жидкостей, диспергирование газа в жидкости, взвешивание и растворение твердых кристаллических частиц, эмульгирование жидкостей с большой разностью плотностей; v=2,5 - 10 м/с при 10 Па*с, |
Возьмем : D/dм = 3 тогда dм = 2400/4 = 600 (мм). выбираем dм =630
nс >4QC /dм3 = (4 . 0,152)/0,633 = 1,53
Возьмем nc=2,08(c-1)
Стандартные значения частоты вращения выходного вала мотор редуктора [nс] приведены в таблице 6 приложения.
7.2. Расположение кольцевого барботера относительно открытой турбинной мешалки и их основные размеры приведены на рисунке 2.
При выборе размеров кольцевого барботера, мешалки и их элементов рекомендуются следующие соотношения: hм=0,2dм = 0,2 .630 = 126 (мм), Lл=0,25dм = 0,25.630 = 157,5 (мм), hб=0,25dм = 0,25.630 = 157,5 (мм), Dср=6dб.н .
Г азораспределительные отверстия диаметром
do = 2-5 мм рекомендуется располагать при возможности в секторе угла, обеспечивающего подачу газа вниз и внутрь барботера [4].
do = 4 мм
7.3. Внутренний диаметр трубы барботера (с учетом раздвоения трубы):
,
где v=25 м/с - скорость газа в трубе (задается).
7.4. Уточняется диаметр трубы по стандартному размеру (обычно в большую сторону) и определяются внутренний и наружный диаметры трубы барботера dб.в и dб.н (таблица 7 приложения).
Таблица 7 - Характеристики бесшовных горячекатаных труб (ГОСТ 8732-78)
Наружный диаметр, мм |
Толщина стенки, мм |
73; 76; 83 |
3,5 - 18 |
Возьмем толщина стенки = 11 (мм) то dб.нр = 73 (мм)
7.5. Скорость газа в отверстии барботера:
,
где ж и г - плотности жидкости и газа, кг/м3.
7.6. Количество отверстий в барботере:
7.7. Разметка отверстий по поверхности барботера. Расстояние между отверстиями при скорости истечения газа 20м/с должно быть не менее 25 мм для диаметров 4-7 мм. В случае невозможности размещения отверстий на поверхности барботера с указанным интервалом, задаются большим диаметром отверстия и повторяют расчет. Допустимо также увеличение скорости истечения газа vo в пределах 40 м/с.
Проверяем n1р= =
Где Dср=6dб.н = 6 . 0,073 =0,438
nрядов= n0/ n1р = 513/55 = 9,33 рядов
nрядов = 9,33< = = 10,6
Условие размещения выполнено
7.8. Газосодержание жидкостной системы (объемная доля газа в смеси):
=С Аn ,
где С=0,0094 и n=0,62 при А<18 ; C=0,026 и n=0,26 при А>18.
где - коэффициент поверхностного натяжения (для воды = 0,07 н/м).
Тогда =С Аn = 0,026 . 35,90,26=0,066
Через определяется плотность газожидкостной системы, объем и высота газожидкостной смеси в аппарате:
г-ж=ж(1-)+г = 1000 .(1-0,066)+1,29 .0,066 = 934,1 (кг/м3);
Vг-ж=Vж/(1-) = 14/(1-0,066) =15 (м3);
Нг-ж=Нж/(1-) = 3,3/(1-0,066) = 3,53 (м).
7.9. Мощность привода одноярусной мешалки при перемешивании чистой жидкости:
,
где Кн - коэффициент высоты уровня жидкости; Кн =(Hж/D)0,5=(3,3/2,4)0,5 = 1,173;
Кi и Кп - коэффициенты, учитывающие наличие в аппарате внутренних устройств: К i =1,1-1,2 - при наличии гильзы термометра, уровнемера, трубы передавливания; Кп=1,25 для аппаратов с отражательными перегородками
N - мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости:
N=KN nс3d5м ,
где КN - критерий мощности, определяемый по соответствующему данной мешалке графику (рисунок 1 приложения) - зависимости KN=f(Reц).
Reц - центробежный критерий Рейнольдса:
.
По графику КN = 4 тогда
Мощность, затрачиваемая на перемешивание газожидкостной смеси:
,
где С и а - константы, зависящие от типа мешалки (таблица 5 приложения)
Таблица 5 - Значения констант С и а при перемешивании аэрируемой жидкости
Тип мешалки |
С |
а |
Двухлопастная |
0,23 |
- 0,54 |
Nуп - мощность затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях, Вт; для торцовых уплотнений:
Nуп = 6020 dв1,3 ,
где dв=0,117dм - для турбинной мешалки,
dв = 0,117 . 0,63 = 0,074 (м)
Nуп = 6020 .0,0741,3 = 202,9 (Вт)
- К.П.Д. привода мешалки; =0,85-0,9.
7.10. По таблице 6 приложения выбирается предусмотренный ГОСТом мотор-редуктор.
N, |
Частота вращения, с-1 |
квт |
2,08 |
7,5 |
+ |
Примечание. Знаком “+” обозначены параметры мотор-редукторов, предусмотренных ГОСТ