ГЛАВА 7. МЕТОДИКИ РАСЧЕТА БАРБОТАЖНЫХ АППАРАТОВ БЛОКОВ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Единые блоки барботажных аппаратов для биотехнологических процессов
Результаты исследования, приведенные в третьей, четвертой, пятой и шестой главах настоящей работы, показали, что оптимальное ведение биотехнологического процесса обеспечивают барботажные биореакторы (газлифтные или с механическими перемешивающими устройствами) в совокупности с барботажными аппаратами газоочистки. Определены оптимальные конструкции барботажных аппаратов.
Качественное ведение биотехнологического процесса требует создания крупных блоков барботажных аппаратов, объединяющих реакторы и аппараты газоочистки [8].
В соответствии с [5,6] технологический блок – это комплекс или сборочная единица, предназначенный для осуществления гидродинамических, массо- и теплообменных процессов. По составу блоки можно представить в виде набора узлов. Узел – составная часть блока, включающая группу оборудования с трубопроводами для проведения элементарного процесса. Узел основного аппарата – узел, выполняющий основную функцию блока (непосредственное проведение процесса, изменение основного параметра процесса). Узел вспомогательного оборудования – узел, выполняющий вспомогательную функцию в блоке (нагрев, перекачка, охлаждение продукта, фильтрация, очистка отходящих газов) после проведения процесса в узле основного аппарата.
Предлагаемые в настоящей работе технологические блоки для биотехнологических процессов представлены на ниже приведенной схеме, где основными аппаратами являются реакторы барботажные газлифтные или с механическим перемешиванием, а вспомогательными – аппараты газоочистки (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема блока:
1 – основной барботажный реактор для биотехнологического процесса (газлифтный или с механическим перемешиванием); 2 – вспомогательный
барботажный реактор газоочистки; 3 – фильтр воздуха; 4 – компрессор.
На рис. 7.2 показана структура возможного объединения основных газожидкостных реакторов (классификация В.Н. Соколова и И.В. Доманского) и вспомогательных аппаратов газоочистки для создания блока биопроцесса.
Блочная поставка оборудования позволит сократить трудозатраты при проектировании промышленных объектов, повысить качество проектных решений, выполнить все требования заказчика по массообменной способности основных реакторов и степени очистки отходящих от основных реакторов газов во вспомогательных аппаратах газоочистки.
Рис. 7.2. Технологические блоки в классификации газожидкостных реакторов.
Создание основных реакторов и вспомогательных аппаратов газоочистки таких блоков должно базироваться на научно обоснованных методиках расчета, разработанных на основе изучения взаимосвязи гидродинамических, массообменных, конструктивных и режимных параметров с применением пригодных для целей масштабирования несложных и не громоздких расчетных зависимостей и экспериментально установленных условий надежного масштабного перехода от моделей аппаратов на промышленные аппараты и обратно [9].
Методика расчета основных аппаратов блока - газлифтных реакторов РБГ
Масштабирование и основные положения методики расчета
Достоинством газлифтных аппаратов является возможность применения при исследованиях принципа элементного моделирования [2], когда результаты, полученные на одном циркуляционном элементе, распространяются на группу параллельно работающих элементов таких же размеров при сохранении в них гидродинамической обстановки эксперимента. Это дает возможность проводить исследования гидродинамики и массообмена модели одного циркуляционного элемента, а затем находить условия переноса экспериментальных данных с модели на промышленные аппараты. При этом надежность масштабного перехода будет значительно выше при использовании крупномасштабной модели [9].
Исходя из принципов элементного моделирования на первом этапе работы на созданной крупномасштабной модели V = 7 м3 многозонного газлифтного биореактора V = 1250 м3 (масштабирование в сторону уменьшения) было проведено исследование гидродинамики и массообменна на модельных системах по отработке конструкции и режимов работы аппарата, что позволило установить наилучшую конструктивную схему и режимы его работы. Это аппарат, оснащенный аэратором с торцовой перфорацией и плавающим зонтом над циркуляционной трубой [24] (глава 3).
На втором этапе работ было выполнено [9, 28, 43, 48] исследование гидродинамики и массообмена промышленных аппаратов на реальных средах, включая аппараты с конструктивной схемой, определенной в процессе исследования на модели (Хакасский гидролизный завод (ХГЗ) – аппараты №№ 1, 4, 6, 8 по заводской индексации) – масштабирование в сторону увеличения.
Такой принцип масштабирования в сторону уменьшения и увеличения масштаба аппарата был обоснован и применен также при определении масштабного перехода в производстве экстракционной фосфорной кислоты профессором Беспаловым А.В. [79].
Анализ и обобщение результатов проведенных исследований показал, что требованиям по интенсификации массообмена удовлетворяет аппарат, оснащенный аэраторами с торцовой перфорацией и плавающими зонтами над циркуляционными стаканами (аппарат № 4 ХГЗ, рис. 7.3). В таком аппарате при стационарном режиме процесса значения М соответствовали 1,58 кгО2/м3ч, f = 14,4% и рО 2 = 1,78мг/л.
Рис. 7.3. Конструктивная схема аппарата № 4 ХГЗ:
1 – теплообменно-циркуляционный стакан; 2 – воздухораспределительное устройство; 3 – воздушный коллектор; 4 – каплеотделитель; 5 – плавающий зонт.
Этот вывод подтверждается сопоставлением показателей М и f при одинаковых режимах работы (W г, уровень заполнения и т.д.) с аппаратами, имеющими боковую перфорацию на аэраторах и без зонтов (аппарат № 12 БЛХЗ, рис. 2.19), где значения М = 1,24 кгО2/м3ч и f = 10%. Результаты сопоставлений массообменной способности промышленных аппаратов хорошо согласуются с результатами, полученными на их крупномасштабной модели [9]. Кроме того в аппарате № 12 БЛХЗ зафиксирована неравномерность распределения воздуха по аэраторам, вводимого на аэрацию рабочей среды (рис. 7.4), что вызывало нежелательную раскачку верхних слоев рабочей среды и совпадает с мнением [13].
На аппаратах ХГЗ с установленными над циркуляционными стаканами зонтами, раскачка верхних слоев рабочей жидкости была незначительной из-за более равномерного распределения воздуха по отдельным аэраторам.
Характер распределения локального газосодержания j по зонам сохранялся одинаковым в модели и промышленных аппаратах и свидетельствовал о более высоких значениях j в восходящих газожидкостных потоках по отношению к нисходящим потокам.
На рис. 7.4 (линия 2) представлены значения скоростей восходящего газожидкостного потока, рассчитанные по ранее полученному на модели уравнению (3.6) (раздел 3.2) U в = 3,15 W г0,6 м/с и измеренные экспериментальные на промышленном аппарате № 12 БЛХЗ (линия 1). Близость линий 1 и 2 подтверждает корректность применения уравнения для практических расчетов.
Скорости сорбции кислорода М проиллюстрированы на рис. 7.5 (линия 2), рассчитанные по зависимости (3.16) (раздел 3.2) М = 4,36 W г0,8 кгО2/м3ч, ранее полученной на модели и экспериментально определенные на промышленных биореакторах (линия 1). Как следует из рис. 7.5 линии 1 и 2 близки, что подтверждает пригодность уравнения (3.16) для масштабирования процессов массопередачи в многозонных газлифтных аппаратах исследованных конструкций.
На основании детального анализа результатов проведенного широкого спектра исследований с учетом разработанного раздела по расчету барботажно-эрлифтных ферментаторов нормативного руководящего документа [80] предлагается в качестве масштабирующего параметра для таких аппаратов скорость сорбции кислорода М кг О2/м3ч, рассчитываемая по уравнению (3.16). При этом весь процесс масштабирования должен состоять из следующих этапов и условий [9].
| 
|
| Рис. 7.4. Рассчитанные и экспериментальные значения U в в реакторе № 12 БЛХЗ: ○ – рассчитанные; ● – экспериментальные. | Рис. 7.5. Рассчитанные и экспериментальные значения М на промышленных реакторах: ○ – рассчитанные; × - аппарат № 12 БЛХЗ; аппараты ХГЗ: ■ - № 1; ● - № 4; ∆ - № 6; □ - № 8. |
1. Рабочий объем проектируемого промышленного аппарата разбивается на условные модули, прорабатываемые одним циркуляционным контуром (стаканом) (рис. 7.3).
V ру = V р/ n ц, м3, (7.1)
где V р – рабочий объем аппарата, м3; n ц - число циркуляционных элементов; при этом V ру £ 63 м3.
2. Конструктивная схема и режим работы аппарата должны соответствовать конструкции аппарата на рис. 7.3:
а) газораспределитель с торцовой перфорацией;
б) соотношение диаметров газораспределителя и циркуляционного стакана: d г/ d ст @ 0,4; где d г – диаметр газораспределителя, м; d ст – диаметр циркуляционного стакана, м;
в) соотношение высот заполнения аппарата жидкостью и циркуляционного стакана: Н ж/ Н ст @ 0,65 ¸ 0,7;
г) соотношение площадей барботажной (восходящей) и циркуляционной (нисходящей) зон условного модуля: j б/ j ц = 0,2 ¸ 0,27, где j б – площадь барботажной зоны, м2; j ц – площадь циркуляционной зоны, м2;
д) соотношение диаметров “плавающих” зонтов и циркуляционных стаканов: d з/ d ст @ 1,3; где d з – диаметр зонта, м;
е) приведенная скорость воздуха в барботажных зонах: U = 0,2 ¸ 0,7 м/с.
3. Рассчитывается скорость газожидкостных потоков по уравнению (3.6).
4. Определяется скорость массопередачи по уравнению (3.16).
При проектировании любого реактора, и в частности газлифтного, одной из главных задач является определение основных конструктивных параметров и режимов работы аппарата.
Известно, что производительность газожидкостного реактора независимо от его конструкции определяется совокупностью гидродинамических, массообменных, тепловых и технологических условий. Под последним условием понимается соблюдение технологического регламента, материальных и тепловых балансов, качества исходных компонентов и т.п.
Проведенный в настоящей работе комплекс исследований позволил разработать методику расчета газлифтных биореакторов, как основных реакторов технологических блоков. Методика обеспечивает создание необходимых по интенсивности процессов перемешивания и массообмена, что в совокупности со стабильными технологическими параметрами процесса гарантирует получение проектной производительности газлифтных реакторов.
Методика расчета применима для следующих газлифтных реакторов:
- с рабочим объемом до 63 м3 с одним циркуляционным элементом (теплообменно-циркуляционным стаканом);
- с рабочим объемом до 500 м3 с многозонными циркуляционными элементами (рис.3.5).
Разработанная методика расчета основана на учете физической взаимосвязи между определяющими характеристиками процесса перемешивания и массообмена и основными режимными и конструктивными параметрами реактора.
Под термином “определяющие характеристики процессов перемешивания и массообмена” понимается удельная мощность, вкладываемая на перемешивание NV; удельный расход газа VV; скорость сорбции кислорода М и объемный коэффициент массопередачи KLa. Под основными конструктивными элементами и режимами работы понимаются: диаметр аппарата D а, газораспределителя D г, циркуляционного элемента D ц,, плавающего зонта D з,, рабочая высота слоя жидкости в аппарате H ж и т.д.
В качестве основных исходных данных, выдаваемых заказчиком для расчета, используются рабочий объем аппарата V р, коэффициент заполнения K и скорость сорбции кислорода М.
Расчет основных конструктивных элементов и режимов работы осуществляют, исходя из условий достижения необходимого значения М в рабочем объеме аппарата. При этом предполагается, что проектная производительность реактора будет обеспечена при выполнении всех требований технологического регламента и технических условий на качество исходного сырья.
Методика расчета базируется на ранее полученных уравнениях (разделы 3.2 и 3.1, уравнения (3.16) и (3.6)):
М = 4,36 W г0,8;
U в = 3,15 W г0,6.
Разработанная методика расчета позволяет решать две задачи:
1 – по исходным данным рассчитать необходимые для технического проектирования основные конструктивные элементы и режимы работы реактора и определить его конструктивную схему с учетом технических возможностей машиностроительной промышленности.
2 – исходя из заданной конструкции аппарата, рассчитать определяющие гидродинамические и массообменные характеристики и оценить его производительность.
Конечной целью расчета является определение размеров основных конструктивных элементов и режимов работы реактора, обеспечивающих его заданную массообменную способность.
Методика расчета позволяет рассчитать следующие режимные и конструктивные параметры реактора: удельную мощность, вносимую газовой фазой NV г; номинальный объем аппарата V ф; диаметр аппарата D а; высота заполнения аппарата Н ж; площадь сечения аппарата F; площадь циркуляционной зоны F ц; площадь барботажной зоны F б; диаметр циркуляционного элемента D ц; диаметр газораспределителя D г; диаметр плавающего зонта D з; расход воздуха V г; скорость газожидкостного потока в барботажной зоне U в; расчетную скорость сорбции кислорода М р.
Методика позволяет производить расчет, исходя из экономически выгодных значений показателя удельных затрат на растворение газа 
, что достигается варьированием V г в заданных пределах.
Оптимальной конструктивной схемой аппарата является реактор, оснащенный аэраторами с торцовой перфорацией и плавающими зонтами над циркуляционными стаканами (рис 7.3).
Расчет многозонных реакторов проводится по принципу элементного моделирования [9]. Рабочий объем реактора разбивается на n условных модулей, прорабатываемых одним циркуляционным элементом (стаканом). Рабочий объем одного условного модуля принимается не более 63 м3.
Исходные данные, расчетные уравнения и форма выполнения расчета аналогичны расчету реакторов с единичным циркуляционным элементом.