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

26 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

78523. Понятие и классификация вычислительных сетей. Модель многоуровневого сетевого взаимодействия 27 KB
  COWS кластар рабочих станций NOWS сеть рабочих станций Основной классифицирующей характеристикой ВС является их масштабная территориальная характеристика: локальные вычислительные сети и глобальные вычислительные сети ГВС и региональные городские РВС. Сети отделов. Сети кампусов изначально преследовали цель объединения нескольких мелких локальных сетей в одну. Корпоративные сети в рамках одного предприятия.
78524. Физический уровень сетевых телекоммуникаций: общие понятия, типы и характеристики линий связи, методы передачи данных 27 KB
  Физический уровень сетевых телекоммуникаций: общие понятия типы и характеристики линий связи методы передачи данных Физ. В зависимости от типа физической среды передачи информации линии связи могут быть либо кабельными проводными либо беспроводными электромагнитные волны. в оптоволоконном кабеле для передачи данных используются световые импульсы. малую надежность передачи информации.
78525. Базовые сетевые технологии: стандарты, механизмы, характеристики 27 KB
  Под топологией компьютерной сети обычно понимают физическое расположение компьютеров сети относительно Друг Друга и способ соединения их линиями. Топология определяет требования к оборудованию тип используемого кабеля методы управления обменом надежность работы возможность расширения сети. Звезда: все компьютеры сети соединяются с центральным компьютером активная звезда при отсутствии центрального компьютера псевдо звезда. По сети непрерывно циркулирует маркер который имеет длину 3 байта и не содержит обычных данных.
78526. Конструирование путевых машин капитального ремонта пути 1007.73 KB
  От его работы зависит бесперебойная работа всех его секторов. Железнодорожный транспорт многоотраслевое хозяйство представлявшее собой огромный по протяженности конвейер бесперебойная и безаварийная работа которого зависит от функционирования каждой из его составных частей. Железнодорожный путь работает в самых сложных атмосферноклиматических условиях при постоянном воздействии динамической нагрузки от проходящих поездов. Для обеспечения указанных требований постоянно ведутся работы по усилению несущей способности и...
78527. Технология производства рабочей лопатки турбины 4.23 MB
  Одной из самых нагруженных деталью, ограничивающей межремонтный ресурс, являются неохлаждаемые лопатки турбины, изготавливаемые из деформируемого никелевого сплава ЭИ893. Лопатки из этого сплава из-за ограничений по длительной прочности имеют ресурс 48000 часов.
78528. Построение системы управления поставками и маркетинга для крупного металлургического холдинга «КарМет» 19.86 MB
  Традиционные информационные системы изначально были функциональной основой для множества организаций или функциональных сфер, но не могли объединять их в случае их географической распределенности. Одну и ту де информацию собирали многократно и во многих местах, и она была недоступна в реальном времени.
78529. Расчет и проектирование объемной гидропередачи привода рабочего органа дорожно-строительной машины 1.02 MB
  В настоящее время гидропривод широко применяется в авиационной, станкостроительной, тракторостроительной, металлургической и многих других отраслях промышленности. Гидропривод широко применяется также в тяжелых грузоподъемных машинах и самоходных агрегатах.
78530. Расчет путевода улицы Ленинградская 590.91 KB
  Условия движения особенно в городах характеризуются все возрастающей сложностью. Высокая и все увеличивающаяся интенсивность движения результат диспропорции между ростом автомобильного парка и сетью автомобильных дорог. Высокий уровень аварийности связанный с человеческим фактором результат диспропорции между уровнями подготовки и транспортной культуры участников движения и массовости профессий водителя. Увеличение интенсивности изменение структуры и скоростных режимов транспортных потоков предъявляют все более жесткие требования к...