- •Викладення технологічного процесу
- •Призначення та галузь використання виробу, що розробляється
- •4. Технічна характеристика
- •5. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції
- •5.1. Конструктивний розрахунок
- •5.2. Розрахунок потужності, що витрачається на перемішування
- •5.3. Тепловий розрахунок ферментеру
- •6. Техніка безпеки та охорона праці
4. Технічна характеристика
1. Апарат призначено для приготування поживного середовища у виробництві пропіонової кислоти.
2. Робочий об’єм, 60 м3.
3. Тип перемішуючого пристрою – мішалка турбінна, шестилопатева.
4. Кількість мішалок 3.
5. Кількість відбивних перегородок 0.
6. Частота обертання вала мішалки, 3 с-1.
7. Потужність електродвигуна 14 кВт.
8. Габаритні розміри:
- ширина 3700 мм;
- довжина ___мм;
_ висота ___мм.
9. Маса ___кг.
5. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції
5.1. Конструктивний розрахунок
За ГОСТ 20680-2002 для ферментеру з номінальним об’ємом Vн =100 м3 з кількох можливих діаметрів обираємо найменший D = 3600 мм.
Найчастіше в промисловості використовують турбінну шестилопатеву мішалку. Обчислимо об’єм робочого розчину:
Vp = Vн ⋅ Кз = 100 ⋅ 0,6 = 60 м3,
де Кз – коефіцієнт заповнення.
На кожні 20 м3 рідини рекомендовано встановлювати одну мішалку. Тож використаємо 3. Основні параметри мішалок:
dм = 0,25D= 0,25 ⋅ 3,6 = 0,9 м
hл = 0,2dм = 0,2 ⋅ 0,9 = 0,18 м
Lл = 0,25dм = 0,25 ⋅ 0,9 = 0,225 м
Далі визначаємо висоту рідини у ферментері:
Нр = Нцр + Ндн
Vц = Vн – 2Vдн = 100 – 2 ⋅ 6,69 = 86,62 м3,
де Vдн табличне значення відповідно до D, за ГОСТ 6533-78 Vдн = 6,69 м3.
Ндн = h + h1 = 0,9 + 0,06 = 0,96 м,
де h = 0,25D = 0,9 м, а h1 = 0,06 м – табличне значення відповідно до Vдн.
Нцр = = 5,24 м
Нр = 0,96 + 5,24 = 6,2 м
5.2. Розрахунок потужності, що витрачається на перемішування
Властивості культуральної рідини.
Густина розчину меляси:
ρр = 1007,3 + 4,11(СР – 0,11t) = 1007,3 + 4,11 ⋅ (0,1 – 0,11 ⋅ 30) = 1038,947 , де СР – відсоток сухих речовин (10%), t – температура розчину, ºС.
В’язкість розчину меляси:
μ ⋅ 103 = (2,7 + 0,192⋅СР) ⋅ t-m = 1,0849,
де m = 0,426 при СР = 7÷15%
μр = 1,0849 ⋅ 10-3 Па⋅с
Кінематична в’язкість:
νр = = 1,044 ⋅ 10-6
Критерій Рейнольдса:
де n – частота обертання. Рух рідини турбулентний (Re > 105).
З графіка знайдемо коефіцієнт потужності:
KN = 1
N = KN ρр n3 dм5 = 1 ⋅ 1038,947 ⋅ 27 ⋅ 0,95 = 16564,171 Вт
Розрахуємо потужність, що витрачається електродвигуном:
Nел =
де Кп = 1,25 (немає перегородки), Кн = = 0,168, Ki = 1,15, η = 0,875
Nущ = 6020 ⋅ dв1,3 = 6020 ⋅ 0,1171,3 ⋅ dм1,3 = 322,666 Вт
Nел = = 14083,895 Вт
Питома дисипація:
εN = = 276,07
5.3. Тепловий розрахунок ферментеру
Тепловий баланс
Температура культуральної рідини
Початкова: tпк = 20 оС
Кінцева: tк = 30 оС
Температура теплоносія ( вода)
Початкова: tпв = 50 оС
Кінцева: tкв = 35 оС
tпм = 30 оС – температура посівного матеріалу
tпс= 30 оС – температура поживного середовища
Vр = Vпс + Vпм
Vпс = 0,9Vр = 0,9 · 60 = 54 м3
Vпм = 0,1Vр = 0,1 · 60 = 6 м3
ρпм = ρпс = ρр
Мпс = ρпс · Vпс = 1038,947 · 54 = 56103,138 кг
Мпм = ρпм · Vпм = 1038,947 · 6 = 6233,682 кг
Мк = ρр · Vр = 1038,947 · 60 = 62336,82 кг
τпроц = 7 · 24 = 168 год
τпер = 80 год
rс = 15,7 ·106 Дж/кг
mс = 0,1 · 0,9 · Vр · ρр = 0,1 · 0,9 · 60 · 1038,947 = 5610,314 кг
cпм = cпс = cр = 3,92 · 103 ,
Надходження:
З живильним середовищем
Eпс = Мпс · cпс · tпс = 56103,138 · 3,92 · 103 · 20 = 43,985 · 108 Дж
З посівним матеріалом
Eпм = Мпм · cпм · tпм = 6233,682 · 3,92 · 103 · 20 = 4,887 · 108 Дж
Від механічного перемішування
Eдис = N · τпер = 16564,171 · 60 · 60 = 0,596 · 108 Дж
Теплота реакції
Eр = (mс · rс)/τпр = (5610,314 · 15,7 ·106)/168 = 5,243 · 108 Дж
Витрати:
З культуральною рідиною
Eк = Мк · cр · tр = 62336,82 · 3,92 · 103 · 30 = 73,308 · 108
Втрати
Eвтр = 0,02Eк = 1,466 · 108 Дж
Eвит = Eк + Eвтр = 73,308 · 108 + 1,466 · 108 = 107,47 · 108 Дж
Eнадх = Eпс+Eпм+Eдис+Eр = 43,985·108 + 4,887·108 + 0,596·108 + 5,243·108 = 54,711 · 108Дж
Eт = Eвит - E надх = 107,47 · 108 – 54,711 · 108 = 52,759 · 108 Дж – процес нагрівання
Мт = = 52,759 · 108 /(2· 4200) = 0,00628 · 108 кг
Δt = 2 ст = 4200 Дж/кгК
Визначення поверхні теплообміну
Необхідно знайти коефіцієнт тепловіддачі у ферментері і сорочці та коефіцієнт теплопередачі.
a = = = 0,04 м
b = 0,146 м
dекв = = = 0,0628 м
Dcp = Dc – a = 3,700 – 0,04 = 3,66 м,
де Dc – діаметр сорочки.
Коефіцієнт тепловіддачі від рідини у ферментері
αр = = = 2024,863
Nup = 1,35Rep0,59 ⋅ Prp0,33()0,14 ⋅ Fr-0,1 = 1,35 ⋅ 96,921 ⋅ 58,884 ⋅ 2,115 ⋅ 1 ⋅ 1,019 = 16604,795
Rep = = = 2327,073 ⋅ 103
Prp = = = 9,687
Frp = = = 0,827
Коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія (канал спіральний)
Gт = = = 1,0384
Vт = = = 0,00105
Wт = = = 0,18
Reт = = = 0,204 ⋅ 105
Reт > 10000
Nuт = 0,021 Reт0,8 Prт0,43 = 0,021 ⋅ (0,204 ⋅ 105)0,8 ⋅ 3,5740,43 = 101,808
Prт = = = 3,574
αт1 = = = 1037,534 Вт/(м2*К)
αт = αт1 (1 + 3,54) = 1037,534 ⋅ (1 + 3,54 ⋅ ) = 1100,555 Вт/(м2*К)
K = = = 493,229
Fp = = = 1,767
Fд = П D Hc = 3,14 ⋅ 3,6 ⋅ =
Fp < Fд – умови теплообміну виконуються, поверхня теплообміну рубашки апарата забезпечить заданий температурний режим протягом його роботи.