F ВВЕДЕНИЕ F

 

     В современном  микробиологическом производстве возрастают требования к степени очистки технологического воздуха, подаваемого для аэрации при культивировании микроорганизмов-продуцентов биологически активных веществ. Даже незначительное содержание посторонней микрофлоры в воздухе может привести к инфицированию  и резкому снижению выхода продукта, так как при многосуточном цикле культивирования продуцента потребляется 50-80 тыс. м³/час воздуха.

     В воздухе промышленных городов содержится пыль в концентрации  от 5 до 100 мг/м³, что составляет 10⁶-10⁸ твердых частиц размером 5-150 мкм. Микроорганизмы осаждаются на частицах пыли, а также свободно витают в воздухе. Их содержание в воздухе зависит от времени суток, сезона и погоды и составляет до 2000 клеток в 1 м³. Свободно витающие вегетативные клетки быстро инактивируются, жизнеспособными остаются лишь споры. Состав микроорганизмов очень разнообразен, и величины микробных клеток неодинаковы. Определение размера клетки необходимо для обеспечения требуемой эффективности бактериальной очистки технического воздуха, которая осуществляется с помощью фильтрации. При фильтрации клетки микроорганизмов задерживаются на фильтрах, а очищенный воздух поступает в технологическую линию. 

     В отечественной и зарубежной промышленности применяют различные типы фильтров. . Процессы, приводящие к захвату частиц при фильтрации, делят на ситовые (с осаждением частиц при прямом касании, если размер просвета меньше диаметра частицы) и неситовые, к которым относятся инерционное осаждение, диффузия, а также электростатическое притяжение.

     Поскольку с уменьшением размеров частиц эффективность инерционного осаждения снижается, а диффузионного возрастает, но более медленно, то существует диапазон размеров фильтруемых частиц, которые особенно трудно поддаются улавливанию. Это частицы размером до 0,3 мкм. Поэтому при проектировании фильтрующих систем в микробиологическом производстве в качестве расчетного размера принимают 0,3 мкм.

     Однако до очистки воздуха от клеток микроорганизмов, наиболее трудно поддающихся улавливанию, необходимо осуществить предварительную очистку воздуха от пыли и других механических частиц размером до 150 мкм.

     Полидисперсность задерживаемых при фильтрации частиц обусловливает создание многоступенчатой системы очистки технологического воздуха, состоящей из фильтра предварительной очистки, блока компрессора и каскадов биологических фильтров.

F ЗАДАНИЕ  F

     Вариант № 7.

     Рассчитать и спроектировать установку для очистки и стерилизации воздуха, поступающего в четыре ферментера объемом 50 м³, где происходит в стерильных условиях биосинтез лизина бактериями Brevibacterium sp. 224.  Избыточное давление в ферментере – 0,5 атм

1.    Подобрать фильтр грубой очистки воздуха (масляный)

2.    Подобрать компрессор и проверить давление воздуха.

3.    Рассчитать теплообменник воздушного охлаждения.

4.    Подобрать влагоочиститель

5.    Подобрать основной и индивидуальный фильтры.

6.    Определить сопротивление фильтров при скорости воздуха W=3 м/сек

7.    Концентрацию пыли после масляного фильтра, если y_н = 3,3 мг/м³, ε = 90 %, продолжительность работы фильтров.

F  ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ   F

     Систему фильтрации в целом можно охарактеризовать микробиологической надежностью (вероятностью удельного проскока первой жизнеспособной клетки) и суммарным перепадом давления в системе.

     Многоступенчатая система очистки воздуха обеспечивает расчетную эффективность стерилизации воздуха.

     Воздух на аэрацию в посевные и производственные ферментеры подается  с помощью компрессора.  Перед сжатием воздух проходит через специальный фильтр для очистки от механических примесей.  Нагретый в процессе компреммирования сжатый воздух с давлением   4,123 МПа охлаждается в кожухотрубном теплообменнике и после него поступает в циклон. 

     Перед поступлением в ферментер воздух проходит частичную очистку от микроорганизмов в фильтре грубой очистки и полностью очищается от микроорганизмов в фильтре тонкой очистки. В ферментер очищенный воздух подается с помощью барбатера.

     В фильтре грубой очистки воздух проходит через две непрерывно движущиеся сетки, смоченные маслом. Скорость первой сетки 16, второй – 7 см/мин. Сетки натянуты между ведущими и натяжными валами. Ведущие валы приводятся в движение электроприводом. При движении сетки проходят через масляную ванну, где с них смывается осевшая пыль.

     Для тонкой бактериальной очистки воздуха применяются фильтры различных типов. Распространенными являются фильтры с тканью Петрянова. Она представляет собой сверхтонкие, беспорядочно сплетенные в виде полотен на марлевой или другой пористой основе волокна толщиной 1,5 мкм из перхлорвинила (ФПП-15). Эти синтетические материалы требуют стерилизации глухим паром, так как имеют ограниченную теплостойкость. Коэффициент проскока в этих фильтрах составляет не более 0,1 - 0,01%.

F РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ F 

1.    Расход воздуа на 4 ферментера.

 

Рабочий объем ферментера:

Выберем ферментер конструкции Гипромедпрома [  5 ] стр. 246

Диаметр ферментера  -  3215 мм

Высота ферментера  -  11 524 мм

Объем жидкости в ферментере – 30 м³

Расход воздуха найдем из расчета 1м³ на 1 м³ среды в минуту.

V_в = 30 м³ /мин = 1800 м³ / час

Расход воздуха на 4 ферментера:

V_в = 1800 * 4 = 7 200 м³ /час = 120 м³/мин

2.    Давление столба жидкости в ферментере:

Высота столба жидкости в ферментере:

Н_ж=rgh=9,81*6914*1,1*10³=74609 кгс/м²=732000 Па

3.    По скорости движения воздуха (W=3 м/сек) и производительности подберем фильтр тонкой очистки [ 5 ] стр. 284 Таб. 20.

 

      Для данной схемы выберем индивидуальный фильтр «Лайк» СП 6/17 ФПП-15

      Площадь фильтрующей поверхности: F = 14 м²

       При скорости воздуха W=3 м/сек скорость фильтрации υ_ф = 108 м³ /час  м²       

        Производительность данного фильтра – 1 836 м³ /час

      Степень очистки – ε = 99,99 % 

      Сопротивление фильтрующего слоя – 28 мм вод ст = 274,4 Па

4.    Рассчет масляного фильтра.

 

Коэффициент очистки воздуха масляным фильтром:

      Выбираем фильтр масляный самоочищающийся типа ФШ с u_ф = 4 000 м³ /час  м²   [ 3 ]

      Длительность работы фильтра – 150 час при удельной   производительности фильтра

      u_ф = 4 000 м³ /час  м²    из Таб.19 [ 5 ]

      

        Потребная поверхность фильтра для очистки воздуха:

               

Гидродинамическое сопротивление масляного фильтра:

где  d - толщина фильтра, в см

        w - скорость воздуха перед входом в фильтр, м/сек

5.    Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

       Удельный вес воздуха, поступающий в компрессор при 20 °С, j₀=65% и                                  d₀=9,7 г/кг с в:        

                                    где  u₀ – удельный объем воздуха.

                                    Тогда удельный вес воздуха

         

 

 

6.   

Гидродинамическое сопротивление барбатера:

 

 

7.    Для данной схемы выбираем влагоотделитель объемом  60 м³

8.    Потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

8.1   Потери напора во всасывающем трубопроводе.

       8.1.1.   Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках:

             Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d _в= 0,5 м – 1

             Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d _в= 0,5 м – 7 м

            

             Количество прямолинейных участков с диаметром воздуховода d _в= 0,2 м – 2

             Длина прямолинейных участков с диаметром воздуховода d _в= 0,2 м - 1 м

              Гидравлический коэффициент сопротивления воздуховода:

                     Для  прямолинейного участка с диаметром воздуховода d _в= 0,5 м:

                     Для прямолинейных участков с диаметром воздуховода d _в= 0,2 м

 

 Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d _в= 0,5 м:

Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках с d _в= 0,2 м:

                8.1.2. Потери напора в отводе диаметром 1 м всасывающего воздуховода:

Потери напора при  переходе от воздуховода с d _в= 0,5 м: к воздуховоду с d _в= 0,2 м:

 

Суммарное сопротивление всасывающего воздуховода:

                  Н_всас = Н_1тр.в + Н_1тр. +  Н_отв + Н_пер + Н_фил  = 1,37+0,83+0,78+0,78+95,8 = 99,5 Н/м²

 

8.2. Потери напора в нагнетательном трубопроводе.

       8.2.1 Потери напора на трение воздуха о стенки воздуховода на прямолинейных участках:

              

Длина и количество прямолинейных участков нагнетательного воздуховода:

                

длина, м	количество
1	7
8	1
7,330	1

7,300м – длина воздуховода, проходящего внутри ферментера к барботеру. [ 5 ] стр. 246 рис. 76               

Длина прямых участков нагнетательного воздуховода:

               L = 1+8+7,330=16,33 м.

Местные потери сопротивления:

Общие потери давления на нагнетательном трубопроводе:

H_нагн = Н_тр.в. + Н_отв + Н_{фил. г. оч.} + 4Н_{фил. тон. оч.} + Н_барб + Н_ж +  Н_ф = 8,09 + 0,55 + 95,8  + 4 * 274,4  + 0,78 + 732 * 10³ +  49050 » 781000 Па

где  Н_ф – избыточное давление в ферментере. Н_ф = 0,5 атм = 49050 Па

8.3. Общие потери давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.

       Н_пол = 1,1(Н_всас + Н_нагн + Н_п) =  1,1 (781000 + 98,1 + 99,5) = 859373 Па = 8,7 кгс/см²

где  Н_п – потери давления, Н_п = 10 кг/м³ * 9,81 = 98,1 Па

9.    Выбор компрессора по каталогу.

Компрессор «Егерь».

Производительность – 7800 м³/ч

Выходное давление – 9,0 кгс/см²

Число оборотов в мин – 8350

Потребная мощность привода машины – 700 кВт

Габаритные размеры:   длина – 6150

                                        ширина – 2000

                                        высота – 1500

Для снабжения воздухом четырех ферментеров в схему включаются четыре компрессора.

10.  Расчет теплообменника к компрессорной установке.

При сжатии воздуха до избыточного давления 9,0 кГ/см² температура его повышается от 20°С дна всасывании до 144°С на выходе из воздуходувки. Перед подачей в ферментер воздух охлаждают до 30°С. Для охлаждения воздуха примем предварительно кожухотрубный теплообменник ТН с неподвижными трубными решетками.

      диаметр  корпуса ………………………….. 426/400 мм

      диаметр и длина теплообменных труб….25/21 и 3500 мм

      количество теплообменных труб ………..121

Воздух проходит внутри трубок, охлаждающая вода – по межтрубному пространству.

Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

Р₁=1 кГ/см² ; t₁=20°C ; r₁=1,12 кг/м³; j₁=70% ; V₁=7200 м³/ч

Параметры воздуха, выходящего из компрессора:

Р₂=8,7 кГ/см² ; t₂=144°С ;

Производительность компрессора по сжатому воздуху:

Плотность сжатого воздуха на выходе из компрессора:

     

  Количество тепла, отводимого от воздуха в холодильнике:

С₂ – средняя теплоемкость воздуха при изменении его температуры от 144 до 30 °С (t_ср=87°С)

Расход воды на охлаждение воздуха

где 0,99 – коэффициент, учитывающий потерю тепла в окружающую среду излучением:

с – теплоемкость воды. 4190 Дж/кг К

Скорость движения воздуха в трубках:

где F – площадь сечения трубок теплообменника, F=0,042 м²

Объем воздуха при средней температуре 87°С:

Критерий Рейнольдса воздушного потока в трубках

Критерий Рейнольдса больше 2300 и меньше 10000, следовательно режим движения в трубках - ламинарный.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке:  a₁=38,8 Вт/м² град

Скорость движения воды в межтрубном пространстве:

Где F- проходное сечение межтрубного пространства – 0,0727 м²

При средней температуре воды

r_в=998 кг/м³ и g_в = 0,998 т/м³

Критерий Рейнольдса потока охлаждающей воды в межтрубном пространстве теплообменника:

Где m=0,001 Па с при средней температуре воды 20°С.

d_э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

 П – смоченный периметр межтрубного пространства.  Он рассчитывается как

                                            П = p(D + nd) = 3.14(0.4 + 132.0.025) = 11.65  м

В этой формуле   D – внутренний диаметр кожуха, 0,4 м;

                               d – наружный диаметр трубы, 0,025 м

                               n – количество труб., 132

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде при ламинарном потоке в теплообменнике ( так как Re=2096<2300)         a₂=1604

Коэффициент теплопередачи от  воздуха к охлаждающей воде:

Где d = 0,002 м - толщина стенки труб и l=58,15 Вт/(м² град)

11. Определим среднюю логарифмическую разность температур сред в теплообменнике при противоточном движении:

144°С                   30°С

25°С                    15°С

12. Потребная поверхность теплообмена

13. Подбираем теплообменник кожухотрубный с поверхностью теплообмена 140 м² : [ 2 ]

                                                                               число труб – 442

                                                                               длина труб – 4м

                                                                               число ходов – 2

                                                                               d труб – 25х2 мм

                                                                               d кожуха – 800 мм.

F ЛИТЕРАТУРА  F

1.    Гинзбург А. С., Гребенюк С. М. И др. Лабораорный практикум по процессам и аппаратам пищевых производств – М.:Агропромиздат, 1990. – 256 с. 

2.    Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов: химическая технология – учебник для техникумов – Л.: Химия 1991 – 352с, ил.

3.    Калунянц К. А. и др. Оборудование микробиологических производств: Агропромиздат, 1987.- 398 с.: ил.

4.    Каталог оборудования микробиологической промышленности

5.    Колосков С. П. Оборудование предприятий ферментной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1969 г.,  383 с.

Еще из раздела Остальные рефераты:

• Реферат: Виды и характеристика федеральных налогов
• Реферат: Естественные монополии в РФ и методы регулирования их деятельности
• Реферат: Рисковые договоры в гражданском праве - билеты за весенний семестр 2001 года
• Реферат: Стекло и строительные материалы на основе органических вяжущих
• Реферат: Управление персональными продажами
• Реферат: Цикличное развитие экономики
• Реферат: Для ТСУ (Ксероксы)

---