Очистка воздуха перед подачей в ферментер

Министерство Высшего Образования Российской Федерации

Московский Государственный Университет

Пищевых производств

Кафедра: «биотехноогии, экологии и

сертификации пищевых

продуктов»

«Схема очистки воздуха, подаваемого в ферментер»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

50–КП–95-ПТМ-13.Б/06.4.1

выполнил: студент

подпись

дата

преподаватель:

подпись

дата

Москва 1999г

( СОДЕРЖАНИЕ (

| |Стр. |

|Введение ……………………………………………………………………. |3 |

| |5 |

|Задание …………………………………………………….………….. | |

| |6 |

|Описание технологической схемы ………………………………. | |

| |7 |

|Расчетная часть …………………………..…………………………… | |

| |16 |

|Спецификация ……………………………….………………………. | |

| |17 |

|Список использованной литературы …………...………………. | |

| | |

( ВВЕДЕНИЕ (

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.

( ЗАДАНИЕ (

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 yн = 3,3 мг/м3, ? = 90

%, продолжительность работы фильтров.

( ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ (

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%.

( РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ (

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.

Vв = 30 м3 /мин = 1800 м3 / час

Расход воздуха на 4 ферментера:

Vв = 1800 ( 4 = 7 200 м3 /час = 120 м3/мин

Давление столба жидкости в ферментере:

Высота столба жидкости в ферментере:

Нж=(gh=9,81(6914(1,1(103=74609 кгс/м2=732000 Па

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 vф = 108 м3 /час

м2

Производительность данного фильтра – 1 836 м3 /час

Степень очистки – ? = 99,99 %

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

2. Рассчет масляного фильтра.

Коэффициент очистки воздуха масляным фильтром:

Выбираем фильтр масляный самоочищающийся типа ФШ с (ф = 4 000 м3 /час

м2 [ 3 ]

Длительность работы фильтра – 150 час при удельной

производительности фильтра

(ф = 4 000 м3 /час м2 из Таб.19 [ 5 ]

Потребная поверхность фильтра для очистки воздуха:

Гидродинамическое сопротивление масляного фильтра:

где ( - толщина фильтра, в см

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

3. Параметры воздуха, поступающего в компрессор:

Удельный вес воздуха, поступающий в компрессор при 20 (С, (0=65% и

d0=9,7 г/кг с в:

где (0 – удельный объем воздуха.

Тогда удельный вес воздуха

4. Гидродинамическое сопротивление барбатера:

5. Для данной схемы выбираем влагоотделитель объемом 60 м3

6. Потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

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:

Нвсас = Н1тр.в + Н1тр. + Нотв + Нпер + Нфил =

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:

Hнагн = Нтр.в. + Нотв + Нфил. г. оч. + 4Нфил. тон. оч. + Нбарб + Нж + Нф =

8,09 + 0,55 + 95,8 + 4 ( 274,4 + 0,78 + 732 ( 103 + 49050 ( 781000 Па

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

8.3. Общие потери давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводе.

Нпол = 1,1(Нвсас + Ннагн + Нп) = 1,1 (781000 + 98,1 + 99,5) =

859373 Па = 8,7 кгс/см2

где Нп – потери давления, Нп = 10 кг/м3 ( 9,81 = 98,1 Па

7. 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.

8. 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 ; (1=1,12 кг/м3; (1=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 (tср=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: (1=38,8 Вт/м2 град

Скорость движения воды в межтрубном пространстве:

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

При средней температуре воды

(в=998 кг/м3 и (в = 0,998 т/м3

Критерий Рейнольдса потока охлаждающей воды в межтрубном пространстве

теплообменника:

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

dэ – эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

П – смоченный периметр межтрубного пространства. Он рассчитывается как

П = ((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) (2=1604

Коэффициент теплопередачи от воздуха к охлаждающей воде:

Где ( = 0,002 м - толщина стенки труб и (=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.

( ЛИТЕРАТУРА (

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.

-----------------------

[pic]