5.2 Розрахунок потужності, що витрачається на переміщування

Вихідні дані:

Густина рідини – = 1070 кг/м³.

Динамічна в’язкість рідини – = 1,5 * 10^-3 Па*с.

Діаметр мішалки -

Частота обертання мішалки : n = 3,33 с^-1

Розрахунок

Потужність, що витрачається на перемішування визначаємо за формулою:

, (5.13)

де – критерій потужності, який визначається із співвідношення:

(5.14)

Відцентровий критерій Рейнольдса розрахуємо за формулою:

Отже,

Бачимо, що , значить приймаємо, що.

Тоді потужність, що витрачається на перемішування однією мішалкою:

Знайдемо потужність, що витрачається на перемішування трьох мішалок:

(5.17)

5.3 Розрахунок потужності електродвигуна

Потужність, що витрачається на електродвигун, розраховуємо за формулою:

– коефіцієнт, що вказує на наявність перегородок в апараті;

- коефіцієнт, що враховує наявність у ферментері внутрішніх пристроїв K_і = 1,1 при наявності гільзи термопари, труби передавлювання або рівнеміра; K_і = 2 при наявності змійовика, що розміщений вздовж стінки ферментеру;

- потужність, що витрачається безпосередньо на подолання тертя в ущільненнях валу мішалки;

η – КПД (η = 0,75-0,9).

Тоді

У ферментері встановлені такі внутрішні пристрої: труба передавлювання, гільза термометра, пристрій для вимірювання рівня, пристрій для відборі проб. Для них K_і = 1,1. Значить,

.

Для даного апарату і процесу, що буде там відбуватись – біосинтез глутамінової кислоти, необхідно забезпечити стерильність процесу. Отже, обираємо торцьове ущільнення, яке забезпечує гарну герметизацію.

Потужність, що витрачається на подолання тертя в торцьовому ущільненні, розраховуємо за формулою:

, (5.20)

де d _в = 95 мм – діаметр валу мішалки.

.

Обираємо ущільнення типу ТСФ з діаметром валу d _в = 95 мм.

КПД обираємо η = 0,9.

Отже,

За отриманими даними обираємо тип електроприводу МПО з номінальною потужністю 132 кВт.

5.4 Тепловий розрахунок.

5.4.1 Тепловий баланс

Вихідні дані:

Температура процесу: .

Час процесу: τ = 120 год.

Температура поживного середовища: .

Густина поживного середовища: .

Коефіцієнт теплопровідності поживного середовища: .

Динамічна в’язкість поживного середовища: .

Питома теплоємність поживного середовища: .

Поверхневий натяг поживного середовища: .

Температура посівного матеріалу: .

Густина посівного матеріалу: .

Коефіцієнт теплопровідності посівного матеріалу: .

Динамічна в’язкість посівного матеріалу: .

Питома теплоємність посівного матеріалу: .

Поверхневий натяг посівного матеріалу: .

Питома теплоємність повітря: .

Температура повітря: .

Прийнявши, що у ферментер вносять 10% посівного матеріалу, розрахуємо витрату посівного матеріалу:

(5.21)

.

Тоді витрата поживного середовища буде така:

. (5.22)

.

Для забезпечення процесу біосинтезу глутамінової кислоти за технологією необхідна хороша аерація середовища у ферментері. Тому приймаємо витрати повітря із розрахунку 1 м³ повітря на 1 м³ середовища за 1 хвилину.

Баланс надходжень розрахуємо за наступними формулами:

1. Теплова енергія, що надходить з посівним матеріалом:

(5.23)

2. Теплова енергія, що надходить з поживним середовищем:

(5.24)

3. Теплова енергія, що надходить з повітрям:

(5.25)

4. Дисипативна енергія, що надходить з перемішуючим пристроєм:

(5.26)

5. Дисипативна енергія, що надходить від руху повітря через рідину:

(5.27)

6. Енергія, що утворюється під час згорання цукрів:

(5.28)

Надходження теплової енергії:

(5.29)

Розрахуємо теплову енергію, що надходить з посівним матеріалом:

.

Розрахуємо теплову енергію, що надходить з поживним середовищем:

.

Для розрахунку теплової енергії, що надходить з повітрям необхідно знати витрати повітря. Витрати повітря розрахуємо за формулою:

, (5.30)

Отже, теплова енергія, що надходить з повітрям:

.

Для визначення дисипативної енергії, що надходить з перемішуючим пристроєм розрахуємо φ:

, (5.32)

с = 0,026, n = 0,26 при A > 18 і с = 0,094, n = 0,62 при A ≤ 18.

A > 18, значить с = 0,026, n = 0,26:

.

Отже, дисипативна енергія, що надходить з перемішуючим пристроєм:

Різниця тиску на поверхні рідина-газ:

(5.34)

Дисипативна енергія, що надходить від руху повітря через рідину:

Приймемо, що у поживному середовищі 10% цукрів, що повністю витрачаються мікроорганізмами Corynebacterium gtutamicum . Теплота згорання цукрів

Надходження:

Баланс витрат розрахуємо за наступними формулами.

1. Теплова енергія, що виноситься з культуральною рідиною:

(5.35)

2. Теплова енергія, що виділяється з повітрям:

(5.36)

3. Теплота, що виділяється з парою:

(5.37)

4. Втрати теплоти:

. (5.38)

.

Витрати теплової енергії:

(5.39)

Розрахуємо теплову енергію, що виноситься з культуральною рідиною:

Для розрахунку теплової енергії, що виділяється з повітрям, необхідно знати густину повітря при температурі t = 29⁰C, яку розрахуємо за формулою:

Тоді теплова енергія, що виділяється з повітрям:

Розрахуємо теплову енергію, що виділяється з парою. Питома теплота пароутворення культуральної рідини r = 2400 кДж/кг.

Втрати теплоти:

Витрати теплової енергії:

Теплоносій.

(5.40)

- теплове навантаження теплообмінних пристроїв ферментера. (5.41)

– зміна температури теплоносія. (5.42)

У даному процесі біосинтезу антибіотика необхідно охолоджувати реакційне середовище, тому теплоносій – вода – буде нагріватись, значить

Температуру кінцеву теплоносія приймаємо з розрахунку:

(5.43)

Температура початкова теплоносія:

,

де приймаємо .

.

Витрати теплоносія розрахуємо за формулою:

Об’ємні витрати теплоносія:

– густина теплоносія.

Орієнтовна поверхня теплообміну:

де – коефіцієнт теплопередачі,

.

Приймаємо ,.