Тепловой расчет ферментатора

Тепловой расчет ферментатора состоит из нескольких этапов:

1. Составления теплового баланса;

2. Определения величины тепловой нагрузки на теплопередающие поверхности и выбор конструкции охлаждающих устройств;

3. Определения величины площади теплопередающей поверхности охлаждающих устройств;

Составление теплового баланса

Тепловой баланс с учетом всех вычисленных притоков будет выглядеть следующим образом:

Q_б+Q₁+Q₃=Q₄+Q₆+Q₇

Биологическое тепло Qб

Qб=3952(D₂-D₁)/3600=3952(4905-4378)/3600=578,6 кДж

Количество тепла поступающего в культуральную жидкость с субстратом, солями и ростовыми растворами Q₁:

Q₁ =G₁i₁= G₁c₁t₁ = *4,18*30=170,8 кДж

Количества тепла Q₃, выделяющего в результате трения культуральной жидкости, в барботажных колоннах рассчитывают по уравнению

Q₃=∆PQг=ρ_гgH_жQ_г=1000*9,81*5,16*3,23=163 кДж

Количество тепла, отводимое с испаренной жидкостью Q₄, определяют по уравнению

Q₄ =G_жi_ж =G_ж c_жt_ж = *4,18*30=1,0173 кДж

Количество тепла, отводимое с отработанным воздухом, Q₅ определяется из допущений, что в ферментатор поступает сухой воздух, а удаляется насыщенный влагой.

Q₅ = G₅i₅ =ρ_г Q_г i₅ =1,205*(293/303)*1*3,23*95=357,5 кДж

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

Q₇ =0,125Q_б =0,125*578,6=72,28 кДж

Определение тепловой нагрузки Q₆

Q₆ =Q_б+Q₁+Q₃-Q₄-Q₅-Q₇=578,6+170,8+163-1,0173-357-72,28=481,2 кДж

Выбор конструкции теплообменных устройств.

Для поддержания температуры культивирования в пределах заданных значений и отведения излишнего тепла от культуральной жидкости используются следующие теплообменные устройства, которые могут быть включены непосредственно в конструкцию ферментатора, а могут быть вынесены отдельно, как отдельный теплообменник.

К встроенным теплообменным устройствам относят:

1. тепловые рубашки;

2. трубчатые устройства;

3. змеевиковые устройства.

К выносным теплообменным устройствам относятся:

1. пластинчатые теплообменники;

2. вертикальные и горизонтальные кожухотрубные теплообменники;

3. спиральные теплообменники;

4. спирально - кожухотрубные теплообменники.

Определение площади теплопередающей поверхности.

F_г=πD_aH_см = 3,14*4*7,38=92,19 м²

Требуемое значение F необходимо определить из основного уравнения теплопередачи

Q₆=k_TF∆t_лог

Средняя логарифмическая разность температур рассчитывается по уравнению

∆t_{ср лог} =

Для расчета ∆t_б и ∆t_м необходимо построить температурный график

t_кж = 30

∆t_м

∆t_б

t_хлад

∆t_б = 20 ^○С, ∆t_м = 8 ^○С ∆t_{ср лог} = = 13,11 ^○С

Определим требуемое значение F

F = => меняя коэффициент теплопередачи определяем F.

В результате расчетов при K_T =(1000 10000) Вт/(м²*К) требуемое значение F будет равно

F= м²

Уточним значение Кт , выразив его из формулы F = и подставим значение F = 92,188 м² . В итоге получим Кт= 1433,35 Вт/(м²*К)

Разработка и расчет трубчатого газораспределителя для пустотелых барботражных аппаратов.

Для подачи воздуха в ферментатор, диспергирования и распределения его равномерно по всему поперечному сечению ферментатора применяются трубчатые перфорированные газораспределители (ТПГ). ТПГ состоит из центрального коллектора и симметрично расположенных перфорированных аэрационных трубок.

Расчет диаметра описываемой окружности трубчатой аэрационной системы D_а.с принимается равным:

D_а.с =D_A-2b = 4-2*0,02= 3,96 м.

Площадь поперечного сечения коллектора определяют задаваясь скоростью движения воздуха в коллекторе. Рекомендуемые значения выбирают из диапазона ν = 10 50 м/с

S_к = = = 0,092 м²

Диаметра коллектора трубчатого газораспределителя

d_к = = = 0,34 м

Суммарная площадь проходного сечения аэрационных трубок равна

_тр = S_{к ,} а суммарная площадь всех отверстий, размещенных в аэрационных трубках _отв = S_к

Число отверстий, размещенных на всех аэрационных трубках газораспределительной системы, находят задавшись диаметром отверстия d_отв . Рекомендуемый диапазон d_отв = 0,8 3 мм. Выбрав из указанного диапазона значение d_отв рассчитывают число отверстий

_отв = = = =29299,4

Суммарное количество аэрационных трубок, размещенных по обе стороны коллектора, находят задавшись значением d_тр. Рекомендуемое значение d_тр следует выбирать из диапазона d_тр = = = 0,068 м , примем d_тр= м

Количество аэрационных трубок газораспределителя будет равно

_тр = = = = 24

Размещение аэрационных трубок по длине коллектора осуществляется от центральной аэрационной трубки равномерно с межосевым шагом t к концам коллектора.

Длина отдельно взятой боковой трубки зависит от ее расположения на коллекторе. Для центральной трубки ее длина будет равна

L_T =0,5 D_a.c – 0,5d_к – l_м.п = 0,5*3,96 – 0,5*0,34 – 0,1 = 1,71 м

Межосевой шаг t определяется по уравнению

t = = = 0,33 м

Число отверстий, размещенных на 1 погонном метре длины аэрационной трубки, определяется по уравнению

n₁ = z*m = 19*12 =228

Суммарная длина всех аэрационных трубок газораспределителя

= = = 128,5 м.