МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до курсового проектування з дисципліни

“Устаткування виробництва та основи проектування”

для студентів спеціальності 7.091607 “Біотехнологія”

Затверджено редакційно-видавничою

секцією науково-методичної ради ДДТУ

«__»_______2001 р., протокол №____

Дніпродзержинськ

2001

УДК 663.11.075

Методичні вказівки до курсового проектування для студентів спеціальності 7.091607 «Біотехнологія» Укладач Гуляєв В.М., Дніпродзержинськ, 2001, 38 стор.

Укладач - канд.техн.наук, доцент Гуляєв Віталій Михайлович

Відповідальний за випуск – голова секції “Біотехнологія” Гуляєв В.М.

Методичні вказівки укладені для студентів спеціальності

7.091607 «Біотехнологія»

Розглянуто основні розділи та прийоми виконання курсового проекту при вивченні дисципліни «Устаткування виробництва та основи проектування» для студентів спеціальності «Біотехнологія», приведена методика розрахунку деяких розділів проекту.

Затверджено на засіданні кафедри ЕНБТ,

протокол № 3 від 30 жовтня 2001 р.

Рецензент: доктор техн.наук, професор,

зав. кафедри ЕНБТ ДзДТУ М.Д. Волошин

1. Загальні положення

Курсовий проект виконується у відповідності до навчального плану спеціальності 7.091607 «Біотехнологія» і повинен відповідати вимогам Стандарту підприємства СТП 1-98 «Дипломні, курсові проекти і роботи. Загальні вимоги і правила оформлення».

Основна задача курсового проектування – систематизація, практичне закріплення та поглиблення знань, отриманих студентами при вивченні спецкурсу «Устаткування виробництва та основи проектування», розвиток навичок самостійної проектної і конструкторської роботи, використання набутих знань.

Зміст курсового проекту – розробка і розрахунок технологічної схеми і обладнання лінії, відділення, цеху біотехнологічного виробництва, зв’язаного як безпосередньо з біосинтезом, так і з процесами підготовки сировини, засівного матеріалу, виділення та очищення продуктів біосинтезу, переробкою промислових відходів.

В курсовому проекті повинні бути відображені новітні досягнення науки і техніки, нові технологічні рішення, що приводять до підвищення техніко-економічних показників виробництва, покращання якості продукції та умов праці. В основу проекту можуть бути покладені принципово нові способи та пристрої, які ще не отримали широкого вжитку на виробництві.

В завданні на курсовий проект ( додаток 2 ) вказується:

• тема проекту;

• потужність виробництва;

• тип основного обладнання;

• завдання на графічну частину проекту;

• додаткові завдання, характеристики, властивості;

• керівник проекту.

Первинним документом є бланк завдання , який підписується керівником проекту, виконавцем проекту і затверджується завідувачам кафедри. Бланк завдання додається до виконаного проекту як обов’язковий додаток.

Керівник курсового проекту виконує поточний контроль за ходом роботи студента, проводить передбачені навчальним планом консультації, перевіряє окремі частини і розділи проекту та весь проект в цілому.

Захист курсового проекту проводиться прилюдно. Приймає захист керівник курсового проекту. Під час захисту студент коротко доповідає про зміст проекту, основні техніко-економічні показники процесу, підкреслює новизну та ефективність запропонованих рішень. Під час захисту виявляється, наскільки студентом засвоєна методика розрахунку, ступінь володіння представленим матеріалом, вміння аналізувати результати і робити висновки.

Оцінка виставляється з урахуванням якості захисту, виконання розрахункової і графічної частини проекту.

2. Зміст розрахунково-пояснювальної

ЗАПИСКИ ТА МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ПО

ВИКОНАННЮ ОКРЕМИХ ЇЇ РОЗДІЛІВ

Розрахунково-пояснювальна записка ( РПЗ ) починається з титульного листа ( додаток 1 ). Вся записка оформлюється на листах формату А-4. Графіки, схеми, рисунки виконуються на таких же листах, як і основний текст РПЗ. Дозволяється виконання графіків на міліметрівці в виді вклейок. Після титульного листа йде завдання на курсовий проект проект (додаток 2) і зміст РПЗ. Бажано, щоб РПЗ виконувалась з використанням ПЕОМ.

Далі викладаються в певній послідовності наступні розділи:

1. Вступ.

2. Обгрунтування методу виробництва, прийнятого в проекті, його переваги й недоліки в порівнянні з іншими відомими.

3. Мікробіологічні та фізико-хімічні основи закладеного в проект процесу.

4. Опис технологічної схеми, обгрунтування вибору обладнання.

5. Технологічні розрахунки.

6. Механічні розрахунки.

7. Розрахунок допоміжного обладнання.

8. Вибір вузлів автоматичного регулювання та КВП.

9. Економічні розрахунки.

10. Заходи з техніки безпеки та охорони праці, охорони середовища.

11. Перелік використаної літератури.

Вказівки по виконанню окремих розділів наводяться нижче.

1. Вступ

У вступі коротко викладається значення виробництва, що проектується, в загальному виробничому циклі заводу, підкреслюється значення продукції даного виробництва для потреб народного господарства.

2. Обгрунтування методу виробництва

В цьому розділі порівнюються інші методи виробництва основного продукту, що випускається в виробництві, що проектується. При цьому слід керуватися такими критеріями ефективності виробництва, як доступність та дешевизна сировини, вихід готового продукту, стадійність, ступінь складності основного обладнання, енерговитрати, кількість відходів. В результаті аналізу необхідно обгрунтувати доцільність обраного методу виробництва, його новину, на основі критичної оцінки обгрунтувати нові рішення та зміни. Всі дані розділу повинні мати відповідні літературні посилання.

2.3 Мікробіологічні та фізико-хімічні

основи процесу

В розділі приводяться літературні дані про фізико-хімічні та інші властивості вихідних речовин та сполук : склад та вміст домішок, токсичність, пожежо-вибухонебезпечність, корозійність, токсичність, щільність, в’язкість, теплоємність, і т.д. Дається коротка характеристика штаму – продуценту : систематичне положення, морфологічні і фізиологічні ознаки, умови зберігання та розмноження.

Основна ціль цього розділу – детальна аргументація технологічних параметрів обраного методу виробництва. Необхідно викласти біохімічні основи мікробіологічного синтезу, його кінетику, вплив основних параметрів процесу. Розгляд впливу кожного фактору необхідно закінчувати аргументованим висновком про його оптимальне значення або інтервал.

Тут же необхідно обгрунтувати запропоновані в проекті заходи інтенсифікації процесу або підвищення якості продукту.

2.4 Опис технологічної схеми

Опис технологічної схеми являє собою опис стадій виробничого процесу в послідовності, що відповідає рухові основного матеріального потоку з одного апарату в інший. При описові кожної стадії процесу треба вказувати режими роботи апаратів та параметри ( температура, тиск, склад потоків). Коротко приводиться принцип дії та устрій основних апаратів, їх конструктивні особливості, способи нагрівання та охолодження, теплоізоляція. Необхідно перерахувати всі наявні в технологічній схемі апарати.

2.5 Технологічні розрахунки.

Основою технологічного розрахунку є матеріальний баланс, котрий відображає співвідношення кількості речовин, що взаємодіють, продуктів виробництва, відходів та втрат. Матеріальний баланс складається на основі закону збереження речовини. Технологічні розрахунки дозволяють визначити основні розміри апаратів та їх кількість, що необхідно для заданої продуктивності.

1. Матеріальний баланс виробництва

Первинним параметром розрахунку матеріального балансу є задана в проекті річна потужність виробництва по основному продукту.

При розрахунках користуються значеннями складу продуктів та потоків на різних стадіях переробки, величинами виходу реакцій, економічним коефіцієнтом біосинтезу, видатковими коефіцієнтами по субстрату і кисню, коефіцієнтами утилізації компонентів, практичними значеннями коефіцієнтів втрат продукту на різних стадіях виробництва, котрі повинні бути зібрані студентами під час проходження технологічної практики.

Укладання і вирішення рівнянь матеріального балансу слід починати з зображення процесуальної блок – схеми ділянки, що проектується. Вона може бути накреслена від руки без масштабу, але повинна включати в себе всі без виключення матеріальні потоки. Порядок нумерації апаратів повинен відповідати направленню основного матеріального потоку. При наявності циркулюючих потоків необхідно показати апарати і потоки , без яких неможливо скласти матеріальний баланс.

На стрілки, що з’єднують прямокутники блок – схеми, наноситься діаграма матеріального балансу. При означенні потоків зручно користуватися буквами з двома індексами, наприклад: Wⁱ_1-2 - об’ємний потік i – го компонента, що надходить із апарату 1 в апарат 2 ; М^і_2-3 - масовий потік і – го компонента , що надходить з апарату 2 в апарат 3.

Діаграма матеріального балансу в значній мірі полегшує укладання рівнянь матеріального балансу. Аналіз її дозволяє легко встановити невідомі величини, що характеризують потоки, котрі і є предметом розрахунку.

При відсутності рециркулюючих потоків розрахунок зручно вести послідовно, від одного апарату до іншого, починаючи з того, потужність якого відома. Для технологічної схеми з рециркуляцією послідовний розрахунок неможливий, тому необхідно робити розрахунок зразу для групи апаратів, об’єднаних загальним циркуляційним потоком.

Безперервний процес, що встановився. Кількість речовини (сума всіх матеріальних потоків), що надходить за визначений проміжок часу в апарат (установку, цех), дорівнює кількості речовини ( сумі потоків), що виходить з апарату. Рівняння матеріального балансу для любої ділянки діаграми представляється по всій речовині, по окремим компонентам потоків з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів та співвідношень при участі компонентів в хімічних або мікробіологічних перетвореннях. При неможливості укласти рівняння з одним невідомим слід укласти систему рівнянь з різними в кожному рівнянні відомим величинами. В кінці розрахунку результати його доречно представити у вигляді зведеної таблиці по кожному компоненту:

Компонент	Об’ємна витрата, м3/год	Щільність, кг/м3	Масова витрата, кг/год

Періодичний процес. Матеріальний баланс розраховують на одне завантаження апарату. Для визначення тривалості робочого циклу одного апарату необхідно скласти баланс часу. Тривалість кожної операції або задається технологічним умовами, або приймається по досвіду роботи діючого аналогічного апарату.

Якщо розрахункові розміри апарату виходять занадто великими, слід взяти декілька паралельно працюючих апаратів, кількість яких забезпечить задану потужність. Це слід робити і в випадку, коли треба суміщати в єдиному технологічному ланцюгові роботу апаратів періодичної дії з апаратами безперервної дії. Кількість апаратів обирають з практичних міркувань.

Для забезпечення ритмічної роботи час початку окремих операцій для кожного наступного по часу вступу в роботу апарату мусить буди зсунуте на величину _ц /n , де: _ц - тривалість робочого циклу, n – число працюючих апаратів. При паралельній роботі декількох апаратів необхідно укласти графік, на якому для кожного апарату вказується час початку кожної операції _i :

0 ₁ ₂ ₃ ₄

    

₃ 0 ₁ ₂

₃ 0 ₁ ₂

₂ ₃ 0 ₁

Рисунок 1. Графік паралельної роботи чотирьох апаратів.

2.5.2. Тепловий баланс

Тепловий баланс, як правило, розраховують окремо для кожного апарату. Основою розрахунку є матеріальний баланс апарату і задані параметри його роботи. Для апаратів безперервної дії розрахунок відносять до одиниці часу.

Прибутковими статтями теплового балансу є:

1. Тепловміст матеріальних потоків, що надходять в апарат.

2. Теплота реакції біосинтезу (або любого іншого хімічного або фізико-хімічного процесу).

3. Теплота, що виділяється при роботі мішалки ( або любого іншого рухомого робочого органу).

4. Тепловміст теплоносія.

Видатковими статтями теплового балансу є:

1. Тепловміст матеріальних потоків, що виходять з апарату.

2. Тепловміст теплоносія, що виходить з апарату із зміненою температурою.

3. Теплові втрати.

Ціллю розрахунку є визначення величини видатку теплоносія, теплового навантаження апарату, поверхні теплообміну.

В апаратах періодичної дії розрахунок потрібно вести для кожної операції робочого циклу, враховуючи теплоту, що витрачається на нагрівання або охолодження самого апарату.

2.5.3. Визначення розмірів апарату

В тих курсових проектах, де в основних апаратах ділянки виробництва, що проектується, не протікає будь-яких хімічних, біохімічних, мікробіологічних перетворень з компонентами, що в них надходять, розрахунок розмірів апарату та іх кількості проводиться по методикам, що вивчаються в курсі “Процеси і апарати хімічних виробництв”.

Розрахунок ферментерів та інших біохімічних реакторів можна розділити на два послідовних етапи.

Перший етап - визначення загального, необхідного для забезпечення заданої потужності об’єму реакційного середовища на підставі співвідношень, що описують кінетику росту мікроорганізмів і їх метаболізм без урахування можливих лімітуючих факторів, і, по-перше, масопереносу кисню із потоку повітря, що подається в апарат, до клітин.

Другий етап пов’язаний із створенням в обраних апаратах таких умов масопереносу, які забезпечать швидкість споживання кисню, що не лімітує швидкість біохімічних процесів. На другому етапі визначаються також енергетичні характеристики апарату.

6. Механічні розрахунки

В цьому розділі розраховуються основні конструктивні елементи основних апаратів – обечайка, донце, кришка, опори, фундаментні болти, вітрова стійкість ( обсяг задає керівник проекту ).

2.7 Розрахунок і вибір допоміжного обладнання

Масообмінна апаратура. В курсовому проекті немає потреби проводити детальний розрахунок масообмінних апаратів. Достатньо визначити загальну потужність апаратів по матеріальному балансові і кількість апаратів для забезпечення цієї потужності. При цьому потужність одного апарату слід брати таку ж, як і в працюючому апараті на заводі або взяти по аналогії з інших виробництв.

Теплообмінна апаратура. З теплового балансу кожного теплообмінника треба визначити теплове навантаження, задатися або ж взяти такі ж, як і на виробництві, температури теплоносіїв, обрати найбільш достовірний коефіцієнт теплопередачі, розрахувати поверхню теплообміну та підібрати підходящий теплообмінник у відповідності до стандартів та з урахуванням специфіки виробництва. В разі потреби (за дорученням керівника проекту) коефіцієнт теплопередачі розраховується в повному обсязі.

Ємностна апаратура. Розрахунок включає в себе визначення номінальної ємності апарату по заданому часу перебування в ньому продукту і допустимому коефіцієнту заповнення ( для апаратів з мішалкою К_з=0,750,8 , для інших апаратів К_з =0,850,9 ). По номінальному об’єму у відповідності до Держстандартів обирають апарат та визначають його геометричні розміри.

Насоси. Вибір насосів проводиться по каталогам та визначеними заздалегідь потужністю, напором та висотою всмоктування. Необхідно при цьому враховувати розмір та концентрацію змулених часточок, корозійні властивості рідини, інші особливі вимоги до насосів.

Компресори та газодувки. Вибір виконується по каталогам на підставі потужності при умовах всмоктування, початкового та кінцевого тиску, характеристик газу по корозійних властивостях та взаємодії з мастилом, максимально допустимою температурою стиснення.