1. Призначення та область використання ферментера

   1. Опис технологічного процесу виготовлення кормових дрiжжiв

Схема ферментера для вирощування дріжджів

1 - корпус ферментера; 2 - вихід повітря в атмосферу через очисний фільтр; 3 - подача повітря для аерації і перемішування живильного середовища; 4 - охолоджуюча сорочка; 5 - теплообмінник; 6 - вихід дріжджової суспензії після закінчення ферментації; 7 - кювета для направлення потоку повітря у внутрішню порожнину теплообмінника; 8 - подача холодної води в теплообмінник; 9 - висновок теплої води з теплообмінника; 10 - подача посівної культури; 11 - подача рідкого живильного середовища.

Ферментер - це досить складне технічне спорудження, тому необхідно витратити якийсь час для вивчення його пристрою. Вміст ферментерiв під час роботи, як правило, тим чи іншим способом перемішується. Продуктом є або самі клітини (біомаса), або якийсь корисний клітинний метаболіт. Всі операції повинні проводитися в стерильних умовах, щоб уникнути забруднення культури. Крім того, необхідно забезпечити можливість підтримання в стерильному стані всіх вступних і вивідних отворів ферментера. Ферментер і середу стерилізують перед використанням разом або окремо. Вихідні культури організму, який повинен використовуватися в процесі ферментації, зберігають у неактивній формі (наприклад, у замороженому стані). пробу активують, нарощують в достатньому обсязі з використанням асептичних методів (нарощування) і потім додають в ферментер (інокуляція). У ферментерi організм росте і розмножується, використовуючи живильне середовище.

Зазвичай ферментер виготовляють з високоякісної нержавіючої сталі, так що він не схильний до корозії і не виділяє в середовище токсичні солі металів. Все використовуване обладнання, матеріали та повітря повинні бути стерильними. Устаткування стерилізують парою під тиском. Пара повинна мати доступ до всіх поверхонь, які в свою чергу повинні бути гладкими і відполірованими, наскільки це можливо, і не мати тріщин і нерівностей, в яких можуть накопичуватися мікроорганізми. Середовище стерилізують перед інокуляцією, пропускаючи пар через систему охолодження. Повітря стерилізують шляхом фільтрації. З міркувань безпеки повітря, яке виходить з ферментера, теж потрібно стерилізувати, хоча б для того, щоб уникнути розповсюдження мікроорганізмів, сконструйованих методами генної інженерії. якщо мікроорганізми будуть постійно потрапляти в повітря - екологічна катастрофа буде страшніше, ніж якщо все одноразово заведуть свої автомобілі б.у. і не будуть вимикати їх протягом року. тому ферментери в обов'язковому порядку необхідно піддавати чищенню.

Обираємо апарат відповідно до ГОСТ 15122 – 79. Як аналог вибираємо апарат даної технологічної схеми.

2. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкцій

1. Мета розрахунку.

1.1 Вибір конструкції апаратів схем установок, визначення оптимальних параметрів установок;  1.2 Визначення оптимальних режимів роботи діючий установок, які забезпечують необхідну продуктивність, якість продукту.

2. Вхідні дані :

- продуктивність по сировині G=0,579 кг/с

- початкова концентрація – bH=30%

- кінцева концентрація – bK=80%

- тип апарата – плівковий трубчастий апарат з низхідною плівкою.

3. Розрахунок.

Матеріальний баланс.

Кількість випареної рідини:

кг/с .

Кількість упареного розчину :

кг/с.

Тепловий розрахунок

Визначення температури кипіння розчину.

Температура вторинної пари, що надходить з випарного апарату в барометричний конденсатор при дорівнює .

На основі практичних рекомендацій приймаємо гідравлічну депресію Тоді температура вторинної пари в випарному апараті буде дорівнювати :

Цій температурі відповідає тиск теплота пароутворення .

Гідростатичну депресію Δ’’ знаходимо наступним чином.

Визначаємо висоту оптимального рівня розчину в кип’ятильних трубах . Для вибору значення висоти труби , орієнтовно визначається площа поверхні теплопередачі випарного апарату При кипінні водних розчинів солей питоме теплове навантаження для апаратів з природною циркуляцією Тоді

.

За ГОСТ 11987-81приймаємо випарний апарат з такою характеристикою : поверхність теплообміну 40 , довжина труб 4 м, діаметр труб 38х2 мм, крок між трубами 48 мм, матеріал труб — сталь Х18Н10Т.

Орієнтовно приймаємо температуру кипіння розчину в апараті на більше за температуру вторинної пари, Отже,

де 1223 та 972 кг/ густина відповідно розчину і води при

Збільшення тиску в середньому шарі розчину :

Таким чином, тиск в середньому шарі кип’ятильних труб :

Цьому тиску відповідає температура кипіння води і теплота пароутворення .

Отже, гідростатична депресія дорівнює :

Температурна депресія визначається за формулою :

де – температурна депресія 60 % розчину при атмосферному тиску.

Температура кипіння розчину :

Корисна різниця температур :

Витрата гріючої пари визначаємо із рівняння теплового балансу :

де кДж/кг – ентальпія вторинної пари, Дж/(кг ) – питома теплоємність 10 % розчину, Дж/(кг ) – питома теплоємність упареного розчину, кДж/кг – питома теплота пароутворення води при МПа, 0,95 – коефіцієнт, враховуючий 5% втрат теплоти.

Теплове навантаження гріючої камери :

Вт.

Розрахунок коефіцієнта теплопередачі.

Число труб гріючої камери визначається за формулою :

Густина стікання конденсату по зовнішній поверхні труб визначається з формули :

Критерій для плівки конденсату визначається за формулою :

де Па – динамічний коефіцієнт в’язкості води при температурі конденсації .

Приведена товщина плівки :

де - густина води при температурі конденсації

Так як то значення визначаємо з формули :

де – критерій Прандтля для води при температурі

Коефіцієнт тепловіддачі від конденсуючої водяної пари до стінок труб :

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину визначаємо у середньому шарі розчину.

Константи розчину при температурі кипіння :

кг/ ,

Па

Вт/(м ),

Дж/(кг ),

Н/м.

Властивості водяної пари при МПа :

Дж/кг,

кг/

Густина водяної пари при , кг/ Отже,

5,634 .

Коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою :

Вт/( ),

де – товщина стінки труб, Вт/(м ) – коефіцієнт теплопровідності сталі Х18Н10Т, 1/ Вт/( ) – теплопровідність забруднень з боку пари.

Питоме теплове навантаження

Вт/

звідси

.

З графіка видно, що для попередньо визначеного значення питоме теплове навантаження Вт/ .

Коефіцієнт теплопередачі :

Вт/( ).

Необхідна площа поверхні теплообміну :

.

За ГОСТ 11987-81 вибираємо номінальну поверхню теплообміну

Так як розрахована площа поверхні теплообміну не відрізняється від раніше обрахованої , тоді не потрібно робити перерахунок

За ГОСТ 11987-81 вибираємо номінальну поверхню теплообміну

1. Конструктивний розрахунок.

   1. Внутрішній діаметр гріючої камери при розміщенні труб по вершинам рівносторонніх трикутників :

.

Приймаємо м

2. Внутрішній діаметр циркуляційної труби розраховуємо за формулою :

= 0,699 м.

Приймаємо

3. Розрахунок діаметра обичайки сепаратора.

Допустиме напруження парового простору :

кг/( ),

Де 0,85 – коефіцієнт, що залежить від тиску в апараті, 1,0 – коефіцієнт, що залежить від рівня розчину над точкою введення парорідинної суміші у парове середовище. – допустиме напруження парового середовища при для розчинів кислот .

Об’єм сепаратора :

Допустима швидкість пари у сепараторі .

Діаметр обичайки сепаратора :

де - питомий об’єм пари при МПа.

Приймаємо м.

Уточнюємо швидкість пару в сепараторі:

Критерій Рейнольдса :

де - діаметр краплі, – густина пари при МПа, Па – в’язкість пари при МПа.

Так як коефіцієнт опору .

Швидкість витання краплі :

Як ми бачимо швидкість руху пари в паровому просторі менше за швидкість витання краплі.

4. Висота парового простору :

5. Діаметр вхідної труби , по якій парорідинна суміш потрапляє з гріючої камери в сепаратор, визначається із співвідношення . Таким чином,

м.

4. Визначення товщини теплоізоляції

Приймаємо, що випарний апарат знаходиться в закритому приміщенні, температору повітря 20 ˚С. Приймаємо температуру ізоляції з боку оточуючого середовища 40 ˚С.

Коефіцієнт тепловіддачі:

Товщине теплової ізоляції:

5. Розрахунок барометричного конденсатора змішвання

По ГОСТ 26716-73 обираємо конденсатор діаметром 1600 мм. У відповідності з прийнятим діаметром обираємо основні розміри барометричного конденсатора.

Вакуум барометричний:

B = p_атм – p_б.к = 1.013*10⁵ – 0.0196 * 10⁵ = 0,817 10⁵ Па

Коефіцієнти місцевих опорів: на вході в трубу ξ_вх = 0.5; на виході із труби ξ_вих = 1.0

Коефіцієнт тертя λ залежить від режиму течії рідини, який визначається велечиною критерію Рейнольдса.

Визначимо режим течії води в барометричній трубі

.

Для гладких труб при коефіцієнт тертя

Отже,

Звідси знаходимо =10,3 м.

6. Розрахунок продуктивності вакуум-насоса.

Кількість повітря, що відбирається із конденсатора:

Температура повітря:

Парціальний тиск сухого повітря в барометричному конденсаторі:

Об'ємна продуктивність вакуум-насоса:

2.1. Визначення геометричних розмірів апарату

За ГОСТ 11987-81приймаємо випарний апарат з такою характеристикою : поверхність теплообміну 40 , довжина труб 4 м, діаметр труб 38х2 мм, крок між трубами 48 мм, матеріал труб — сталь Х18Н10Т.

4. Висновок за розрахунками :

Було спроектовано випарний апарат для виготовлення молочної кислоти.

В проекті обґрунтовано вибір типу апарата . Проведені розрахунки, що підтверджують надійність конструкцій вибраного апарату, а саме технологічний, конструктивний.