71125

Количество и конструктивный расчет аппаратуры

Лекция

Производство и промышленные технологии

Целью этих расчетов является определение оптимальных объемов и производительности основной и вспомогательной аппаратуры и количества аппаратов, необходимых для заданной производительности. Расчет основан на тех материальных потоках, которые должны проходить через аппараты за определенный...

Русский

2014-11-02

80.5 KB

17 чел.

Лекция 5

Количество и конструктивный расчет аппаратуры

Общая часть

Целью этих расчетов является определение оптимальных объемов и производительности основной и вспомогательной аппаратуры и количества аппаратов, необходимых для заданной производительности.

Расчет основан на тех материальных потоках, которые должны проходить через аппараты за определенный промежуток времени:

- при периодическом ведении процесса – за время одной операции;

- при непрерывном ведении процесса – в единицу времени (с, час).

Исходными данными для расчета аппаратуры на какой-либо стадии являются данные материального баланса этой стадии и время проведения данной операции (процесса).

Кроме того, исходные данные включают годовую мощность производства, количество рабочих дней в году, стандартные объемы аппаратов и другие материалы, определяющие специфику процесса.

Принятые обозначения:

1. Gг – годовая мощность производства, кг.

2. Nсут – число рабочих дней в году.

3. V – объем реагентов (реакционной массы), перерабатываемых на данной стадии в расчёте на 1 т готового продукта (из МБ), л/кг, м3/т.

4. Vа – полный объем аппарата, м3, обычно стандартный.

5. Vр – рабочий объем аппарата, м3.

6. Ф=Vp/Va – коэффициент заполнения аппарата, б/р. Для реакционных аппаратов он меняется от 0,5 до 0,9. При сильном вспенивании или фонтанировании турбинной мешалки коэффициент К может быть принят 0,5. При средней интенсивности перемешивания      Ф=0,7-0,75. При слабом перемешивании Ф=1. Во многих процессах культивирования наблюдается сильное вспенивание. Сочетание механического и химического пеногашения позволяет увеличить Ф до 0,7.

7. τ – время проведения процесса, ч. В аппаратах периодического действия оно включает время «занятости». Например, для ферментатора это время подготовки аппарата к работе (осмотр, мойка, слесарная подготовка) посева, времени культивирования и разгрузки (слива). Для удобства значение τ принимают из данных технологического регламента или по расчету, исходя из кинетики процесса и практических данных о времени вспомогательных процессов.

8. α – суточная мощность производства, выраженная числом операций, проводимых на данной стадии в течение суток, б/р.

9. β – мощность одного аппарата, выраженная числом операций, проводимых в течение суток, б/р.

10. mр – необходимое число рабочих аппаратов, шт.

11. m – число устанавливаемых аппаратов, шт.

12. σ – резерв мощности аппаратуры, %. Резерв зависит от вида и сложности установки, и в общем случае принимается равным 10-15%.

Расчет объема периодически действующего аппарата обычно начинают с определения суточного объема перерабатываемых реагентов на конкретной стадии, обозначаемого как Vсут. Зная годовую производительность по готовому продукту – Gг, число рабочих суток в течение года Nсут и объем перерабатываемых реагентов на одну тонну V (из материального баланса данной стадии) определяют суточный объем производства по уравнению:

Vсут=(Gг·V)/Nсут                                             (1)

Расчет ведут по одному из альтернативных вариантов, описанных ниже, в зависимости от особенностей конкретного технологического процесса и наличия исходных данных для расчета. Необходимо помнить, что рассчитать одновременно объем аппаратов и их количество невозможно в принципе, так как в конечном итоге такой расчет свелся бы к решению одного уравнения  с двумя неизвестными.

Поэтому, как правило, задаются стандартным объемом одного из важнейших видов оборудования (ферментатора), рассчитывают их количество и далее рассчитывают все остальное оборудование (в том числе вспомогательные). При этом придерживаются правила сохранения поточности производства, то есть α=const для всех стадий и операций.

По второму варианту удобнее задаваться числом единиц оборудования и находить их рабочий объем или производительность с последующим выбором стандартной аппаратуры.

Расчет и выбор ферментаторов

Расчет оборудования для процесса ферментации начинается с выбора оптимальной емкости ферментатора. Отечественная промышленность выпускает ферментаторы объемом 10, 16, 20, 32, 50, 63 и 100 м3. За рубежом – 120, 150 и 200 м3. В производстве антибиотиков наблюдается тенденция роста единичного объема биореакторов с 50-60 м3 до 120-200 м3. Выбор оптимального объема реактора в основном зависит от годовой мощности производства и приведенных затрат на ферментацию и связанных с ней других стадий производства. По расчетам суммарные затраты снижаются с увеличением емкости ферментера и определяются чаще всего заработной платой, износом аппарата (амортизационные отчисления) и энергозатратами. Для Vсут=400 м3 культуральной жидкости оптимальная емкость ферментера составляет Vа=100 м3. При Vсут=20 м3, выгодной емкостью является Vа=10 м3, а в производстве эубиотиков (биоспорин, бифидумбактерин), где Vсут=2 м3 и меньше, применяют аппараты емкостью 0,1-2 м3.

После выбора оптимальной емкости основного аппарата Vа определяют количество операций в сутки (α), которые необходимо осуществить для обеспечения заданной мощности производства Gг.

α=Vсут/Vр=Vсут/Vа·Ф                                          (2)

Как уже отмечено, величина α принимается постоянной для всех стадий производства, что исключает смешение в одной производственной единице разных операций. Во-вторых, при этом упрощается система контроля и сокращается количество вспомогательного оборудования.

Для расчета количества ферментаторов определяют количество операций, которое можно осуществить в одном аппарате в течение суток:

β=24/τ,                                               (3)

тогда необходимое число аппаратов определяется простым соотношением

mр=α/β                                               (4)

Количество устанавливаемых в производстве аппаратов в ряде случаев принимают с учетом запаса (резерва) мощности

m=mp(1+0,01σ)                                       (5)

Оптимальным является число 8-16, поскольку при <8 возрастают удельные капитальные вложения на вспомогательные аппараты (приемники стерильной питательной среды, коагуляторы, сборники наливных растворов и пр.). С другой стороны, увеличение количества ферментаторов свыше 16 приводит к значительному увеличению производственных площадей и, соответственно, к высоким капитальным затратам.

Расчет и выбор посевных аппаратов, инокуляторов и вспомогательного оборудования.

Эти работы проводятся так же, как для ферментатора. При этом используются приведенные выше соотношения (1)-(5) с учетом суточного объема посевного материала и инокулята (Vсут(i)), где символ i означает технологические параметры для соответствующего i-го процесса (стадии, операции). При соблюдении требования поточности производства (α=const), объем соответствующих аппаратов определяется соотношением

Va(i)=Vсут(i)/(α·Ф(i))                                         (6)

а их количество определяется с учетом резерва мощности данной установки

m(i)=(α/β(i)×(1+0,01σ(i)),                                     (7)

где β(i)=24/τ(i).

В производстве антибиотиков наиболее широкое применение находят стандартные посевные аппараты объемом от 1 до 10 м3, а для инокуляторов от 0,63 до 2 м3.

Все остальные виды вспомогательного оборудования (для приготовления питательной среды, для приема культуральной жидкости, коагуляторы и т.д.) рассчитываются аналогично с учетом поточности производства – α=const.

Выбор фильтровального оборудования (барабанные вакуум-фильтры, пресс-фильтры и др.) осуществляют по базовому варианту производства с учетом производительности этих аппаратов и оптимального времени фильтрации, которое, как правило, определяется экспериментальным путем или принимается по практическим данным.

Расчет стерилизатора.

Часто культивирование (особенно при получении антибиотиков) ведут в стерильных средах. Поэтому питательная среда должна быть стерильной. В микробиологической промышленности применяются тепловая стерилизация периодическим или непрерывным способом. Если объем ферментера не превышает 10 м3, то стерилизацию питательной среды ведут в самом ферментере подачей пара во все штуцеры аппарата (барботер, трубу передавливания и др.) и рубашку до достижения температуры стерилизации (100-120°С) и выдерживают при такой температуре (120°С) обычно 25 мин. Для каждого продуцента выбирается свой режим стерилизации (табл.1 и табл.2).

Таблица 2.1

Рекомендуемые режимы стерилизации питательной среды [11]

Продуцент, антибиотик.

Объем фер-ра, м3

Нагрев острым паром

Выдержка

Охлаждение

Темпе-ратура,

°С

Время, мин

Темпе-ратура,

°С

Время, мин

Темпе-ратура,

°С

Время,

мин

Темпе-ратура,

°С

Темпе-ратура,

°С

Время, мин

Актиноми-цеты

0,1

70-100

9-10

100-120

8-9

120±1

25

120-100

100-30

20-25

1,25

70-100

12-13

100-120

10-12

120±1

25

120-100

100-30

30-32

10,0

70-100

35-37

100-120

43-45

120±1

25

120-100

100-30

43-45

15,0

70-100

38-40

100-120

45-47

120±1

25

120-100

100-30

48-50

Пенициллин

0,1

- «»-

6-8

- «»-

5-7

- «»-

25

- «»-

- «»-

23-25

1,25

- «»-

8-10

- «»-

10-11

- «»-

25

- «»-

- «»-

28-30

Рекомендуемые режимы стерилизации незаполненных питательной средой  аппаратов различной вместимости приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Рекомендуемые режимы стерилизации аппаратов [10]

 Vапп.

Нагрев глухим паром

Нагрев острым паром

Выдержка

Охлаждение

Тем-ра,

°С

Время, мин

Тем-ра,

°С

Время, мин

Тем-ра,

°С

Время

мин

Тем-ра, °С

Время, мин

Тем-ра,

°С

Время, мин

Тем-ра,

°С

Время, мин

0.1

60-70

1-2

70-100

1-2

100-128

1-2

129-130

5

120-100

2-3

100-30

3-4

1,25

-«»-

2-3

-«»-

2-3

-«»-

2-3

-«»-

5

-«»-

2-3

-«»-

5-6

10

-«»-

7

-«»-

12

-«»-

13

-«»-

4

-«»-

9

-«»-

11

11

-«»-

10

-«»-

15

-«»-

15

-«»-

3

-«»-

10

-«»-

15

63

-«»-

20

-«»-

30

-«»-

30

-«»-

2

-«»-

15

-«»-

25

Если объем ферментера превышает 10 м3, стерилизацию проводят в установке непрерывной стерилизации УНС производительностью 5 или 10 м3/ч.

В греющей колонке среда нагревается до 120-130 °С, а затем выдерживается в течение 4-20 мин в зависимости от температуры и технологии.

При температуре стерилизации 110, 120, 126 и 136°С время теплового воздействия составляет 20, 15, 7 и 4 мин. Температура стерилизации зависит от состава среды. Размеры стерилизаторов рассчитывают исходя из условия, что каждая частица среды, двигаясь от входа к выходу, должна находиться в нем 4-20 мин (при 110-136°С).

С другой стороны, размеры стерилизатора определяются объемом среды, проходящей через него за час в соответствии с соотношением:

Vстерилиз.=М×(τст/60),                                      (8)

где Vстерилиз. – объем стерилизатора-выдерживателя, м3;

М – производительность стерилизатора (объем пропускной среды за 1 час), часто М=18-16 или 3-4 м3/ч;

τст – длительность стерилизации, мин;

60 – пересчет мин в час.

Стерилизатор-выдерживатель выполняется в виде змеевика из труб с d=108 мм. Общая длина змеевика рассчитывается по формуле:

Lстерилиз.=4Vстерилиз.d2                                      (9)

Типовая конструкция выдерживателя выполняется в виде пакета труб с габаритами 1300×1700 мм, при этом длина одного витка часто по конструктивным соображениям принимается равной 6 м, и число витков в этом случае составит

nвит=Lстерилиз./6                                          (10)

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22836. ЗАЛЕЖНІСТЬ ОПОРІВ МЕТАЛІВ ТА НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ 76 KB
  ЗАЛЕЖНІСТЬ ОПОРІВ МЕТАЛІВ ТА НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ При підвищенні температури металу його опір електричному струму зростає. Температурний коефіцієнт характеризує відносну зміну опору при зміні температури на один градус:. 1 Величина не є постійною вона залежить від температури. Для багатьох металів ця залежність може бути описана таким виразом: 2 де опір при температурі опір при температурі яку прийнято за точку початку відліку температури; постійні величини які залежать від роду металу і вони...
22837. ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИХ ПОЛІВ 208 KB
  ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИХ ПОЛІВ Електростатичні поля описуються за допомогою скалярної величини – потенціалу або векторною величиною – напруженістю електричного поля де радіусвектор точки в якій поле вивчається. Аналітичний розрахунок цих величин в довільній точці поля можна провести як правило лише для найпростішого просторового розподілу електричних зарядів. Електростатичні поля складної форми зручніше досліджувати експериментально. Вектори напруженості поля завжди перпендикулярні до еквіпотенціальних поверхонь.
22838. Процеси в електричному колі змінного струму 123.5 KB
  Фаза струму через індуктивність менша на від фази прикладеної напруги а фаза струму через ємність випереджає фазу прикладеної напруги на . Розрахунок кіл змінного струму базується на законах Кірхгофа для кіл змінного струму. Довільна ділянка кола змінного струму може бути представлена комбінацією активного опору індуктивності та ємності.
22839. Спад напруги на реактивних опорах 57.5 KB
  Амплітуда спаду напруги на реактивному опорі визначається частотою коливань  а також величинами опорів C та R чи L. Якщо позначити амплітуду напруги що подається на вхід схеми мал.15 то спад напруги на ємності Амплітудне значення спаду напруги індуктивності де – активний опір котушок індуктивності.
22840. ВИМІРЮВАННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ 271 KB
  Якщо капіляр занурити в рідину рідина підніметься або опуститься в капілярі на деяку висоту над рівнем рідини в посудині. Це явище пояснюється тим що тиск під поверхнею рідини залежить від форми поверхні. В капілярних трубках внаслідок взаємодії молекул рідини з молекулами речовини капіляра поверхня рідини викривлюється.
22841. ВИВЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ 912 KB
  У даній роботі досліджується температурна залежність коефіцієнта поверхневого натягу водного розчину спирту від температури за методом Ребіндера. Будують графік залежності коефіцієнта поверхневого натягу води від температури. Потрібні температури в системі досягаються і підтримуються за допомогою термостата опис якого подано нижче.
22842. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ВНУТРІШНЬОГО ТЕРТЯ РІДИНИ МЕТОДОМ СТОКСА 226.5 KB
  В даній роботі коефіцієнт внутрішнього тертя рідини визначається виходячи з даних про швидкість рівномірного падіння кульки в рідині. При падінні кульки в рідині на кульку діє сила тяжіння архімедова сила і сила опору середовища . Внаслідок змочування поверхні кульки рідиною найближчий до кульки шар рідини має швидкість кульки наслідком чого є виникнення градієнта швидкості. Формула Стокса виражає силу опору середовища кульці що рухається в цьому середовищі: 2 де радіус...
22843. Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини капілярним віскозиметром 104 KB
  Якщо шари рідини або газу рухаються один відносно одного між ними діють сили внутрішнього тертя. Коефіцієнт внутрішнього тертя рідини або газу можна визначити за формулою Пуазейля 2 яка виражає величину об`єму рідини або газу що протікає за час через капіляр радіуса та довжини за умови що потік ламінарний. Справді якщо взяти дві рідини відповідні величини для однієї з них позначимо індексами ‘0’ а другої ’1’ і визначити час і витікання однакових об`ємів цих рідин...
22844. Визначення коефіцієнта в’язкості газу 1.32 MB
  При ламінарній течії газу по капілярній трубці різні шари газу набувають різної швидкості направленого руху. Розглянемо більш детально течію в’язкого газу по трубці радіуса . Припустимо що потік ламінарний що газ при невеликих тисках нестисливий що течія всановилась і що газ повністю змочує стінки трубки тобто швидкість газу біля стінок трубки дорівнює нулеві.