2.1.4. Розрахунок перемішуючого пристрою

Розрахунок включає визначення розмірів мішалки, частоти її обертання і вибір приводу, що забезпечує необхідну інтенсивність перемішування.

Вибравши зі стандарту (ОСТ 26-01-1245-75) частоту обертання мішалки

n = 2,25 с^-1 і визначивши діаметр мішалки знаючи, що дорівнює від 3 до 4

м.

По таблиці 1.2 визначаємо інші розміри мішалки (тип 03):

b = 180 мм, d = 80 мм, s = 10 мм.

Для подальших розрахунків необхідно уточнити потужність перемішування газорідинної системи N_р-г і неаерованої рідини N_р. Перш за все уточнимо значення Eu_м. Проектована мішалка відрізняється від дослідженої параметрами Г_D, Г_H і Г_B. Тому, відповідно до рівняння (2.15),

, (2.15)

де ;

;

…

– симплекси геометричної подібності;

Eu_Мо – критерій Ейлера для дослідження мішалки, при

(2.16)

Наближено за графіком залежності критерія Ейлера від критерія Рейнольдса Eu_Мо = 6 [17].

Для однієї проектованої мішалки:

Більш точне значення цієї величини можна розрахувати за методикою ЛенНДІхіммаша. Визначивши за таблицею 1.4 коефіцієнт опору ξ_м = 8,4, розраховуємо, виходячи з параметрів мішалки (Г_D =3,1; b= 0,18 м), при трьох мішалках (z_м = 3) в апараті з чотирма відбивними перегородками (z_п = 4) допоміжний параметр θ:

(2.17)

За значенням θ за допомогою графіка (рис.2.1) визначимо параметр

К_м = 0,12 і за рівнянням (18) розрахуємо Eu_м:

(2.18)

Рис.2.1. Залежність параметра К_м від θ:

1 – для лопатевих і турбінних мішалок; 2 – для клітьових і рамних мішалок

Це значення приймаємо для подальших розрахунків, тому що воно враховує кількість мішалок.

Уточнимо потужність перемішування газорідинної системи:

Вихідним розрахунковим рівнянням є (2.19),

(2.19)

яке після підстановки N_р з рівняння (2.20)

(2.20)

набуде вигляду:

(2.21)

кВт

і потужність перемішування при відсутності аерації:

кВт. (2.22)

Таким чином, питома потужність перемішування газорідинної системи

кВт/м³ (2.23)

Для забезпечення необхідною швидкістю масообміну обраною мішалкою обираємо найбільше розраховане значення питомої потужності перемішування, яке дорівнює 15,42 кВт/м³.

За значенням N_р вибираємо привід перемішуючого пристрою. Розрахункова потужність на валу мішалки N_в, знайдена за рівнянням (2.19), практично не відрізняється від потужності N_р, так як при перемішуванні малов’язких середовищ A₁ = 1, а впливом допоміжних пристроїв на потужність можна нехтувати (∑A₂ = 0). Номінальна потужність електродвигуна приводу з урахуванням ККД редуктора (η = 0,9)

кВт. (2.24)

Вибираємо нормований вертикальний привід 3-100-14,1, 8 МН 5857-66 з редуктором типу МПО2 і електродвигуном A02 потужністю 100 кВт. [10]

2.2 Тепловий розрахунок ферментеру з перемішуючим пристроєм

Для підтримки необхідної температури процесу (t = 35°С) при культивуванні мікроорганізмів необхідно відводити не тільки теплоту біохімічних процесів, але і теплоту, що утворюється в результаті дисипації механічної енергії при перемішуванні з питомою потужністю N_V = 15,42 кВт/м³. При об’ємі рідини V_р = 15 м³ теплове навантаження поверхні охолодження

Вт. (2.25)

При вибраних раніше параметрах охолоджуючої води середній температурний напір

°C (2.26)

Для розрахунку поверхні охолодження необхідно знайти коефіцієнт теплопередачі:

(2.27)

де α₁ – коефіцієнт тепловіддачі від рідини, що перемішується до стінки апарату, Вт/(м²∙К);

α₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарату до води, що охолоджує, Вт/(м²∙К);

δ_ст – товщина стінки апарату; δ_ст = 0,01 м;

λ_ст – теплопровідність стінки, для нержавіючої сталі марки 12Х18Н10Т приймаємо λ_ст = 17,5 Вт/(м∙К);.

Розрахунок α₁ проводимо з урахуванням відхилення проектованого апарата від дослідженої типової конструкції по Г_D і Г_H (впливом відхилення Г_B нехтуємо):

(2.28)

(2.29)

За значенням Nu визначаємо

Вт/(м²∙К). (2.30)

При розрахунку температура стінки умовно прийнята середньою між температурою середовища, що перемішується і води, що охолоджує

(t_сер = 27°С).

Охолоджуюча вода протікає по спіральному каналу прямокутного перерізу (n_{сп Х} b_сп = 0,25м _Х 0,03м), площа якого f = 0,0075 м², а еквівалентний діаметр

м. (2.31)

Витрата охолоджуючої води, розрахована за рівнянням теплового балансу,

кг/с, (2.32)

а швидкість течії води в каналі

м/с. (2.33)

При такій швидкості критерій Рейнольдса

, (2.34)

режим руху турбулентний, і для розрахунку α₂ можна використовувати критеріальне рівняння [14]:

(2.35)

де ε_l – поправочний коефіцієнт, що враховує вплив довжини каналу на коефіцієнт тепловіддачі; оскільки в нашому випадку відношення довжини каналу до еквівалентного діаметру каналу більше 50, впливом довжини каналу нехтуємо: ε_l = 1; X – коефіцієнт, що враховує кривизну спіралі:

Прийнявши критерій Pr_ст = 5,93 при t_ст = 27°С, визначаємо критерій Нуссельта:

а потім коефіцієнт α₂:

Вт/(м²∙К)

Далі визначаємо коефіцієнт теплопередачі К₀:

Вт/(м²∙К)

З урахуванням забруднення поверхні (φ_н = 0,9) коефіцієнт теплопередачі

К = К₀φ_н = Вт/(м²∙К). (2.36)

Поверхня охолодження

м² (2.37)

і розміститься на висоті, тобто на бічній поверхні апарату в його робочій зоні:

м. (2.38)