4. Технічна характеристика

1. Апарат призначено для приготування поживного середовища у виробництві пропіонової кислоти.

2. Робочий об’єм, 60 м³.

3. Тип перемішуючого пристрою – мішалка турбінна, шестилопатева.

4. Кількість мішалок 3.

5. Кількість відбивних перегородок 0.

6. Частота обертання вала мішалки, 3 с^-1.

7. Потужність електродвигуна 14 кВт.

8. Габаритні розміри:

- ширина 3700 мм;

- довжина ___мм;

_ висота ___мм.

9. Маса ___кг.

5. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції

5.1. Конструктивний розрахунок

За ГОСТ 20680-2002 для ферментеру з номінальним об’ємом V_н =100 м³ з кількох можливих діаметрів обираємо найменший D = 3600 мм.

Найчастіше в промисловості використовують турбінну шестилопатеву мішалку. Обчислимо об’єм робочого розчину:

V_p = V_н ⋅ К_з = 100 ⋅ 0,6 = 60 м³,

де К_з – коефіцієнт заповнення.

На кожні 20 м³ рідини рекомендовано встановлювати одну мішалку. Тож використаємо 3. Основні параметри мішалок:

d_м = 0,25D= 0,25 ⋅ 3,6 = 0,9 м

h_л = 0,2d_м = 0,2 ⋅ 0,9 = 0,18 м

L_л = 0,25d_м = 0,25 ⋅ 0,9 = 0,225 м

Далі визначаємо висоту рідини у ферментері:

Н_р = Н_цр + Н_дн

V_ц = V_н – 2V_дн = 100 – 2 ⋅ 6,69 = 86,62 м³,

де V_дн табличне значення відповідно до D, за ГОСТ 6533-78 V_дн = 6,69 м³.

Н_дн = h + h₁ = 0,9 + 0,06 = 0,96 м,

де h = 0,25D = 0,9 м, а h₁ = 0,06 м – табличне значення відповідно до V_дн.

Н_цр = = 5,24 м

Н_р = 0,96 + 5,24 = 6,2 м

5.2. Розрахунок потужності, що витрачається на перемішування

Властивості культуральної рідини.

Густина розчину меляси:

ρ_р = 1007,3 + 4,11(СР – 0,11t) = 1007,3 + 4,11 ⋅ (0,1 – 0,11 ⋅ 30) = 1038,947 , де СР – відсоток сухих речовин (10%), t – температура розчину, ºС.

В’язкість розчину меляси:

μ ⋅ 10³ = (2,7 + 0,192⋅СР) ⋅ t^-m = 1,0849,

де m = 0,426 при СР = 7÷15%

μ_р = 1,0849 ⋅ 10^-3 Па⋅с

Кінематична в’язкість:

ν_р = = 1,044 ⋅ 10^-6

Критерій Рейнольдса:

де n – частота обертання. Рух рідини турбулентний (Re > 10⁵).

З графіка знайдемо коефіцієнт потужності:

K_N = 1

N = K_N ρ_р n³ d_м⁵ = 1 ⋅ 1038,947 ⋅ 27 ⋅ 0,9⁵ = 16564,171 Вт

Розрахуємо потужність, що витрачається електродвигуном:

N_ел =

де К_п = 1,25 (немає перегородки), Кн = = 0,168, Ki = 1,15, η = 0,875

N_ущ = 6020 ⋅ d_в^1,3 = 6020 ⋅ 0,117^1,3 ⋅ d_м^1,3 = 322,666 Вт

N_ел = = 14083,895 Вт

Питома дисипація:

ε_N = = 276,07

5.3. Тепловий розрахунок ферментеру

Тепловий баланс

Температура культуральної рідини

Початкова: t_пк = 20 ^оС

Кінцева: t_к = 30 ^оС

Температура теплоносія ( вода)

Початкова: t_пв = 50 ^оС

Кінцева: t_кв = 35 ^оС

t_пм = 30 ^оС – температура посівного матеріалу

t_пс= 30 ^оС – температура поживного середовища

V_р = V_пс + V_пм

V_пс = 0,9V_р = 0,9 · 60 = 54 м³

V_пм = 0,1V_р = 0,1 · 60 = 6 м³

ρ_пм = ρ_пс = ρ_р

М_пс = ρ_пс · V_пс = 1038,947 · 54 = 56103,138 кг

М_пм = ρ_пм · V_пм = 1038,947 · 6 = 6233,682 кг

М_к = ρ_р · V_р = 1038,947 · 60 = 62336,82 кг

τ_проц = 7 · 24 = 168 год

τ_пер = 80 год

r_с = 15,7 ·10⁶ Дж/кг

m_с = 0,1 · 0,9 · V_р · ρ_р = 0,1 · 0,9 · 60 · 1038,947 = 5610,314 кг

c_пм = c_пс = c_р = 3,92 · 10³ ,

Надходження:

З живильним середовищем

E_пс = М_пс · c_пс · t_пс = 56103,138 · 3,92 · 10³ · 20 = 43,985 · 10⁸ Дж

З посівним матеріалом

E_пм = М_пм · c_пм · t_пм = 6233,682 · 3,92 · 10³ · 20 = 4,887 · 10⁸ Дж

Від механічного перемішування

E_дис = N · τ_пер = 16564,171 · 60 · 60 = 0,596 · 10⁸ Дж

Теплота реакції

E_р = (m_с · r_с)/τ_пр = (5610,314 · 15,7 ·10⁶)/168 = 5,243 · 10⁸ Дж

Витрати:

З культуральною рідиною

E_к = М_к · c_р · t_р = 62336,82 · 3,92 · 10³ · 30 = 73,308 · 10⁸

Втрати

E_втр = 0,02E_к = 1,466 · 10⁸ Дж

E_вит = E_к + E_втр = 73,308 · 10⁸ + 1,466 · 10⁸ = 107,47 · 10⁸ Дж

E_надх = E_пс+E_пм+E_дис+E_р = 43,985·10⁸ + 4,887·10⁸ + 0,596·10⁸ + 5,243·10⁸ = 54,711 · 10⁸Дж

E_т = E_вит - E _надх = 107,47 · 10⁸ – 54,711 · 10⁸ = 52,759 · 10⁸ Дж – процес нагрівання

М_т = = 52,759 · 10⁸ /(2· 4200) = 0,00628 · 10⁸ кг

Δt = 2 с_т = 4200 Дж/кгК

Визначення поверхні теплообміну

Необхідно знайти коефіцієнт тепловіддачі у ферментері і сорочці та коефіцієнт теплопередачі.

a = = = 0,04 м

b = 0,146 м

d_екв = = = 0,0628 м

D_cp = D_c – a = 3,700 – 0,04 = 3,66 м,

де D_c – діаметр сорочки.

Коефіцієнт тепловіддачі від рідини у ферментері

α_р = = = 2024,863

Nu_p = 1,35Re_p^0,59 ⋅ Pr_p^0,33()^0,14 ⋅ Fr^-0,1 = 1,35 ⋅ 96,921 ⋅ 58,884 ⋅ 2,115 ⋅ 1 ⋅ 1,019 = 16604,795

Re_p = = = 2327,073 ⋅ 10³

Pr_p = = = 9,687

Fr_p = = = 0,827

Коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія (канал спіральний)

G_т = = = 1,0384

V_т = = = 0,00105

W_т = = = 0,18

Re_т = = = 0,204 ⋅ 10⁵

Re_т > 10000

Nu_т = 0,021 Re_т^0,8 Pr_т^0,43 = 0,021 ⋅ (0,204 ⋅ 10⁵)^0,8 ⋅ 3,574^0,43 = 101,808

Pr_т = = = 3,574

α_т1 = = = 1037,534 Вт/(м²*К)

α_т = α_т1 (1 + 3,54) = 1037,534 ⋅ (1 + 3,54 ⋅ ) = 1100,555 Вт/(м²*К)

K = = = 493,229

F_p = = = 1,767

F_д = П D H_c = 3,14 ⋅ 3,6 ⋅ =

F_p < F_д – умови теплообміну виконуються, поверхня теплообміну рубашки апарата забезпечить заданий температурний режим протягом його роботи.