РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
3.1.1. Получение и подготовка к ферментации гидролизных сред.
Гидролизаппарат. Предназначен для осуществления процесса гидролиза растительного сырья с применением в качестве катализатора разбавленной серной кислоты концентрацией 0,5¸0,8 %. На практике применяют гидролизаппараты периодического действия. При проектировании основная задача сводится к расчету числа гидролизаппаратов (n) выбранного объема:
где Q – расход абсолютно сухого сырья, т/сут.;
Т – оборот гидролизаппарата, мин (Т = 190¸240 мин);
К – коэффициент, учитывающий заполнение гидролизап-
парата сырьем (К = 0,95);
V р – рабочий объем гидролизаппарата, м3;
ρ – плотность сырья в гидролизаппарате в расчету на
сухую массу, кг/м3;
24 × 60 – переход от суток к минутам.
Число резервных гидролизаппаратов (n 1) рассчитывают по формуле:
n 1 = n × a / τ,
где а – время остановки гидролизаппарата на ремонт в течение
года (для футерованных гидролизаппаратов а = 70 сут);
τ – число рабочих дней в году.
Испаритель гидролизата. Аппарат предназначен для охлаждения питательных сред (гидролизата) методом самоиспарения.
Расчетный объем испарителя V, м3 определяют по формуле:
где G – удельный объем пара, м3/кг;
V уд – количество образующихся паров самоиспарения, кг/ч;
k – коэффициент заполнения парового пространства в
испарителе, k = 0,6;
U – допускаемое напряжение парового пространства
испарителя, U = 300¸600 м3/м3*ч.
Количество образующихся паров самоиспарения:
где G г – расход гидролизата, кг/ч;
С r – теплоемкость гидролизата, кДж/кг*°С;
t н, t к – соответственно начальная и конечная температура
гидролизата,°С;
|
r – теплота испарения гидролизата при конечной темпера-
туре, кДж/кг.
Число испарителей (n), принимаемых к установке на каждой ступени, находят из соотношения:
n = V: V т,
где V т – объем типового испарителя, м3.
Вакуум-охладительная установка (ВОУ). Предназначена для охлаждения нейтрализата путем многоступенчатого самоиспарения с последующей конденсацией паров в поверхностных конденсаторах.
В промышленности используют типовые ВОУ производительностью по охлаждаемой среде 100, 150 и 250 м3/ч.
Подбор ВОУ осуществляют исходя из требуемой производительности.
Сборник гидролизата. Необходимое количество сборников гидролизата n можно определить по формуле:
где G – расход гидролизата, м3/ч;
τ – время пребывания гидролизата в сборнике (τ = 2¸2,5 ч);
k – коэффициент заполнения аппарата (k =0,8);
V – объем (номинальный) типового сборника.
Нейтрализатор. Предназначен для нейтрализации гидролизата известковым молоком до величины рН = 3,5¸4,5, кристаллизации и выращивания кристаллов гипса. Нейтрализацию гидролизата ведут непрерывным способом в батарее из двух соединенных последовательно аппаратов – нейтрализатора и выдерживателя, имеющих, как правило, одинаковый объем.
Необходимое количество батарей нейтрализаторов:
где G – расход гидролизата, м3/ч;
τ – время пребывания гидролизата в батарее, ч (принима-
ют τ = 1 ч);
V 1, V 2 – объемы типовых нейтрализатора и выдерживателя
соответственно, м3;
k – коэффициент заполнения батареи (k = 0,8).
Отстойник горячего отстаивания радиального типа. Предназначен для осветления горячего нейтрализата и отделения образовавшегося шлама.
|
Необходимое количество отстойников (n) определят по формуле:
где G – расход нейтрализата, м3/ч;
d – диаметр типового отстойника, м;
k – коэффициент заполнения отстойника (k = 0,785);
q ср – средняя удельная нагрузка по нейтрализату на 1 м2
зеркала отстойника, м3/м2*ч.
Принимают удельную нагрузку по нейтрализату 1 м3/м2*ч при переработке древесины хвойных пород (q 1) и 0,4 м3/м2*ч при переработке древесины лиственных пород (q 2).
q ср = q 1 × а 1 + q 2 × а 2,
где а 1, а 2 – доля древесина хвойных и лиственных пород в
перерабатываемом сырье.
Аэратор. Предназначен для продувки охлажденного нейтрализата воздухом.
Необходимое количество аэраторов:
где G – расход нейтрализата, м3/ч;
τ – продолжительность аэрирования, ч (τ = 1 ч);
V р – рабочий объем аэратора, м3 (принимают равным 30 %
от геометрического объема аппарата)..
На практике в качестве аэраторов используют дрожжерастильные аппараты эрлифтного типа.
Расход воздуха для аэратора объемом 600 м3 составляет 10000 м3/ч.
Отстойник холодного отстаивания радиального типа. Предназначен для осветления охлажденного нейтрализата после продувки его воздухом.
Необходимое количество отстойников (n) рассчитывают по формуле:
где G – расход нейтрализата, м3/ч;
τ – время отстаивания, ч (τ = 3,5 ч);
V р – рабочий объем типового отстойника, м3.
Фильтр-пресс автоматический камерный (ФПАКМ). Предназначен для разделения фильтрованием тонкодисперсных суспензий с размером частиц не более 3 мм и содержанием твердой фазы от 10 до 500 кг/м3 при температуре до 80°С. Влажность шлама после ФПАКМ составляет 50¸65 %. Серийно выпускаемые фильтр-прессы ФПАКМ имеют поверхность фильтрования 2,5; 5; 10; 25 и 50 м2.
|
Требуемое число аппаратов:
где G – расход исходной суспензии, м3/ч;
F – поверхность фильтрования типового фильтра
ФПАКМ, м2;
q – удельная нагрузка по исходной суспензии на 1 м2
фильтрующей поверхности, м3/м2*ч.
Для шламовой суспензии, полученной при осветлении горячего нейтрализата, принимают q = 4,0¸4,4 м3/м2*ч.
3.1.2. Установка непрерывной стерилизации жидких питательных сред.
Исходные данные для расчета установки:
1. Производительность установки по исходной среде: G, м3/ч – 100.
2. Плотность среды r, кг/м3 – 1050¸1300.
3. Удельная теплоемкость среды с, Дж/кг*К – 4´103.
4. Динамическая вязкость среды m, Па*с – 0,035.
5. Начальная температура среды t н, °С – 70.
6. Конечная температура среды t к, °С – 130.
7. Давление среды абс. Р, МПа – 0,55.
8. Давление пара Р п, МПа – 0,60.
9. Температура пара t п, °С – 158,1.
10. Плотность насыщенного пара r п, кг/м3 – 3,104.
11. Температура конденсации пара t к.п., °С – 154,6
(при Р = 0,55 МПа).
12. Теплоемкость конденсата (при t ср = (154,6 + 130): 2 = 142,3°С)
с к, Дж/кг*К – 4,3´103.
13. Энтальпия пара при t = 158,1°С I, Дж/кг – 2768´103.
14. Энтальпия пара при t = 154,6°С I 1, Дж/кг – 2761´103.
15. Плотность конденсата при t = 130°С r к, кг/м3 – 935.
Нагреватель. Предназначен для разогрева среды острым паром.
Количество тепла, необходимое для нагревания среды:
|

где 0,85 – коэффициент, учитывающий разбавление среды
конденсатом греющего пара.
Расход тепла на стерилизацию с учетом потерь тепла в окружающую среду в размере 2-3 %:
Q ст = 1,02 ´ Q н = 6126800 Вт
Расход пара на стерилизацию (L) определяется из уравнения:
Q ст = L ´ (I 1 – I) + L ´ r + L ´ с к ´ (t к – t 2);
= 3,8 кг/с = 1,2 м3/с
Скорость истечения пара из отверстий нагревателя:
|

где j – коэффициент скорости.
Суммарная площадь отверстий в нагревателе, необходимых для ввода пара:
f = L п: w п = 1,20: 95 = 0,013 м2
С учетом запаса производительности (1,1) f = 14300 мм2.
Площадь одного отверстия диаметром 7 мм:
f о = 3,14 ´ 7: 4 = 38,46 мм
Количество отверстий диаметром 7 мм для ввода пара в среду:
n = f: f о = 14300: 38,46 = 385
Диаметр внутренней трубы нагревателя:
Принимаем w = 1 м/с, тогда
|

Принимаем D = 200 мм.
На внутренней трубе нагревателя D = 200 мм принимаем 20 рядов отверстий. Число отверстий в одном ряду:
385: 20 = 19
Принимаем длину внутренней трубы 0,6 м.
Диаметр штуцера для входа пара в нагреватель:
Принимаем w п = 40 м/с, тогда
|

Принимаем D п = 200 мм.