12. Тепловые расчеты

13.1.Тепловой баланс процесса ферментации леворина

Технологические процессы протекают при определенных температурах, что требует для их поддержания подвода или отвода тепла.

Целью теплового расчета является определение количества теплоты, подводимой теплоносителем или отводимой хладоагентом, а также вычисление необходимой поверхности теплообмена аппарата.

Тепловой баланс процесса ферментации рассчитывается по уравнению:

Q_ферм. = Q_б/за + Q_пер. + Q_возд. – Q_вл. – Q_пот., кДж,

где: Q_б/за – количество теплоты, выделяемое в процессе жизнедеятельности микроорганизма-продуцента, кДж;

Q_пер. – количество теплоты, выделяемое за счет работы мешалки, кДж;

Q_возд. – количество теплоты, приносимое в ферментатор с поступающим воздухом, кДж;

Q _вл. – количество теплоты, уносимое из ферментатора за счет испарения культуральной жидкости, кДж;

Q_пот. – количество теплоты, теряемое в окружающую среду за счет лучеиспускания и конвекции, кДж.

1. Количество теплоты, выделяемое в процессе жизнедеятельности микроорганизма, кДж:

Q_б/за = 11,18 ∙ 10⁶ кДж (стр., из материального баланса ферментации леворина стадии ТП).

Увеличиваем количество выделяемого тепла на 30% из-за неравномерности тепловыделения:

1,3Q_б/за = 1,3∙11,18 ∙10⁶ = 14,53 ∙10⁶ кДж

2. Количество теплоты, выделяемое за счет работы мешалки, кДж:

В процессе ферментации перемешивание должно обеспечивать диспергирование газовых пузырей, выходящих из барботера, воздействие на пузыри и колонии с помощью турбулентных пульсаций, уменьшающих диффузионные сопротивления, и равномерное распределение в жидкости газовых пузырей, биомассы, твердых взвешенных компонентов питательной среды. Создаваемое мешалкой турбулентное движение способствует массопередаче кислорода и питательных веществ внутрь колоний и выводу из колоний продуктов метаболизма.

Q_пер. = N_г-ж ∙ τ_пер. ∙3600,

где: N_г-ж – мощность, затрачиваемая на перемешивание аэрируемой культуральной жидкости, Вт;

τ_пер. – время перемешивания культуральной жидкости, ч;

τ_пер. = τ_ферм. = 115 ч – время работы мешалки, равно времени ферментации, т. к. мешалка в аэробных процессах работает постоянно.

3600 – перевод часов в секунды.

1. Принимаем диаметр мешалки, м:

2. Принимаем число оборотов мешалки, об/с:

n_об/мин = 60-140 об/мин (по каталогу);

Выбираем n_об/мин = 120 об/мин.

n_об/с =об/с

3. Проверяем окружную линейную скорость мешалки, м/с:

V_л = π ∙ ∙ n_об/с

V_л = = 3,14 ∙ 0,7 ∙ 2,17 = 5,11 м/с подходит в пределы окружной скорости V_окр = 6-8 м/с

4. Определяем критерий расхода воздуха, м³/с:

где: средний расход воздуха в процессе ферментации, м³/с;

V_возд. – весь объём воздуха, подаваемый в ферментатор, м³;

V_возд. = 182700 м³ (стр. ,из материального баланса ферментации леворина стадии ТП).

м³/с

где: локальное газосодержание аэрируемой культуральной жидкости в зоне движения мешалки (процент газовой фазы по отношению к жидкой фазе и зависит от частоты вращения мешалки, ее конструкции и от критерия расхода газа.)

Аэрирование культуральной жидкости приводит к уменьшению ее плотности, что сопровождается уменьшением потребляемой мощности на перемешивание. Для оценки величины этого снижения представлена эмпирическая зависимость вида:

при ;

5. Мощность, потребляемая i-м ярусом мешалки на перемешивание неаэрируемой жидкости, Вт:

N_ж = K_N∙ ρ_ж ∙ n³ ∙ ,

где: K_N – критерий мощности, безразмерная величина, зависит от типа мешалки;

K_N = 5,5 – для турбинных мешалок;

ρ_ж – плотность насыщенной воздухом культуральной жидкости, кг/м³.

ρ_ж = 1040 кг/м³ [по д.з.]

N_ж = 5,5 ∙1040 ∙(2,17)³ ∙(0,7)⁵ = 13870,16 Вт

6. Мощность, затрачиваемая на перемешивание неаэрируемой жидкости многоярусной мешалкой, Вт:

N_ж = ,

где: n – число ярусов мешалки.

n = 2

N_ж = Вт;

N_г-ж = 0,845 ∙ N_ж = 0,845 ∙ 27740,32 = 23440,58 Вт = 23,44 кВт

7. Количественно интенсивность перемешивания оценивается показателем удельного вклада мощности на перемешивание, кВт/м³:

N_уд. =

где: V_ж – объём жидкости в ферментаторе, м³.

V_ж. = V_ф ∙

V_ж. = 10 ∙ 0,8 = 8 м³

N_уд. = Вт/м³ = 2,93 кВт/м³

По таблице N_уд полученное по расчетам и равное 2,93 кВт/м³ подходит к N_{уд. орt} = 3,0 кВт/м³ (для стрептомицетов). [2,стр.]

8. Проверяем мощность электродвигателя, кВт:

N_эл/дв. – N_хх. ≥ N_г-ж.

N_хх = 0,1 N_эл/дв.

N_эл/дв.= 22 кВт

N_эл/дв. – 0,1 N_эл/дв. ≥ 23440,58 Вт

0,9N_эл/дв ≥ 23,44 кВт

N_эл/дв. ≥ 26,05 кВт

Q_пер. = 23,44 ∙ 115 ∙3600 = 9,7 ∙ 10⁶ кДж

3. Количество теплоты, приносимое в ферментатор с аэрирующим воздухом, кДж:

Q_возд. = V_возд. ∙ρ_возд ∙ C_возд. ∙ (t_вх – t_вых),

где: V_возд. – объём вносимого воздуха в ферментатор, м³;

V_возд. = 46860 м³ (стр. № ,из материального баланса ферментации леворина стадии ТП);

ρ_возд =1,293 кг/м³ – плотность воздуха; [1, cтр. 513]

C_возд. = 1,011 ∙10³ – теплоемкость воздуха, Дж/кг ∙ К; [1, cтр. 513]

t_нач = 55 ^оС – температура воздуха, подаваемого в ферментатор; [по д.з.]

t_кон = 28 ^оС – температура воздуха на выходе из ферментатора, равна температуре ферментации (28). [по д.з.]

Q_возд. = 46860 ∙1,293 ∙1,011 ∙ (55 – 28) = 1,65 ∙ 10⁶ кДж

4. Количество тепла, затраченное при испарении жидкости в ферментаторе и выносимое отработанным воздухом, кДж:

Q_вл. = m_вл ∙ r,

где: m_вл – масса влаги, унесенной воздухом, кг;

m_вл = 713,14 кг (стр. , из материального баланса ферментации леворина);

r – удельная теплота парообразования при температуре ферментации равной 28 ^оС, кДж/кг;

r = 2430,12 кДж/кг). [1, cтр. 549]

Q_вл = 713,14 ∙ 2430,12 = 1,73 ∙ 10⁶ кДж.

5. Q_пот. = 0 – пренебрегаем,т.к. оно незначительно.

Тогда:

Q_ферм. = 14,53 ∙10⁶ + 9,7 ∙ 10⁶ + 1,65 – 1,73 ∙ 10⁶ – 0 = 24,15 ∙ 10⁶ кДж

Определение количества охлаждающей воды

Принемаем Q_ферм = Q_охл – теплота охлаждения.

6. Масса воды на охлаждение, кг:

где: 4,19 – теплоемкость воды; [1,cтр. 537]

температура воды на выходе из ферментатора; [по д.з.]

температура воды на входе в ферментатор ( пода питьевая).

[по д.з.]

Вода, выходящая из рубашки нагревается на 3 ^оС.

кг

Объем воды

Среднечасовой объем воды

Рассчитываем скорость течения воды в рубашке:

W

где: n – число секций в рубашке; принимаем n = 3;

S – площадь живого сечения секций рубашки, м².

Wм/c

Следовательно, Wподходит в пределы W = 0,3-0,8 м/с

Определение поверхности теплообмена

6. Расчетная поверхность теплообмена определяется из основного уравнения теплопередачи, м²:

где: Q_охл – количество отводимого тепла, кДж;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м² ∙ К; принимаем К = 360 Вт/м² ∙ К;

_охл =_ферм =115ч – время охлаждения, сек; [по д.з.]

средняя разность температур между теплоносителем и охлаждающим агентом, ^оС;

3600 – перевод часов в секунды.

Схема температурного режима (установившийся)

t_ф = 28 ^оС t_ф = 28 ^оС

м²

F_{т/о кат.} = 18,5 м² < 21,6 м² поверхности теплообмена не хватает.

Возьмем более холодную воду (артезианскую) c t = 10-15 ^оС

Схема температурного режима (установившийся)

t_ф = 28 ^оС t_ф = 28 ^оС

м²

F_т/о =9,8 м² < F_{т/о кат.} = 18,5 м²

Вывод: Для охлаждения ферментатора следует использовать артезианскую воду с