Время
ферментации
|
Расход воздуха
|
|
Об. возд/об.
среды в минуту
|
м3/ч
|
На операцию, м3
|
0 - 14 15 - 185
|
1 х 75 = 75 1,5
х 75 = 112,5
|
4500 6750
|
63000 1147500
|
ИТОГО:
|
|
|
1210500
|
.6.4.8.1 Определяем плотность воздуха на режиме.
ρвозд. = (кг/м3),
где ρ0. = 1,29 кг/м3 [9];
То = 273 К;
Т - температура воздуха на режиме, К;
Т = 297,5 К;
Ро - абсолютное давление воздуха, МПа;
Ро = 0,1 МПа;
Р - давление воздуха на режиме, МПа;
Р = 0,14 МПа [1];
ρвозд. = кг/м3.
.6.4.8.2 Определяем влагосодержание воздуха.
х1,2 = (кг вод. пара/кг сух. возд.),
где α -
относительная влажность воздуха, на входе в аппарат - 45%,
на выходе - 95%;
Рнас. - давление насыщенного водяного пара при
температуре воздуха, на входе в аппарат при 50ºС - 0,012 МПа, на выходе при 40ºС - 0,0064 МПа [8];
,622 - постоянная величина, характеризующая отношение
молекулярной массы воздуха и водяного пара;
П - давление паровоздушной смеси под крышкой аппарата, МПа;
П = 0,14 МПа [1];
х1 = (кг вод. пара/кг сух. возд.);
х2 = (кг вод. пара/кг сух. возд.);
mвлаж. =
1210500 х 1,66 х (0,0282 - 0,0250) = 6430,176 кг.
.6.4.9 Определяем массу механических потерь.
mмех. пот. =
(кг),
где τферм.
= 185 часов [1];
mмех. пот. =
кг.
Из уравнения материального баланса определяем массу культуральной
жидкости.
mк. ж. = mпит. ср + mпос. мат. +
mподк. + mО2. ± mвлаж. - mсо2. - mбрызг. - mмех. пот. (кг),
где mпит. ср = 57315,5998 кг (1.6.4.2);
mпос. мат. =
7324,4002 кг (таб.4);
mподк. =
26482,6748 кг (1.6.4.5);
mО2. =
10562,64 кг (1.6.4.6);
mвлаж. =
6430,1760 кг (1.6.4.8);
mсо2. =
14524 кг (1.6.4.6);
mбрызг. =
173,1329 кг (1.6.4.7);
mмех. пот. =
73,8750 кг (1.6.4.9);
mк. ж. =
57315,5998 + 7324,4002 + 26482,6748 + 10562,64 - 6430,176 - 14524 - 173,1329 -
73,8750 = 80484,1309 кг.
Материальный баланс стадии биосинтеза бензилпенициллина в
ферментаторе представлен в таблице 9
Таблица 9-Материальный бал баланс стадии биосинтеза
бензилпенициллина в ферментаторе:
I. Израсходовано на стадии:
II. Получено на стадии.
Определяем съем культуральной жидкости с одной операции:
G = A ∙ Uк. ж. (млрд. ЕД),
где А = 26,146 ЕД/м3 = 26,146 ∙ 109
ЕД/м3 [1];
Uк. ж. =
74,5223 м3 (таб.9).
G = 26,146 ∙ 74,5223 = 1948,4601 млрд. ЕД.
Уточняем число сливов в сутки:
nсл. сут. =
(сливов),
где Uк. ж. сут. = 130,4426м3
(7.1.1.3)
nсл. сут. =
130,4426/74,5223 = 1,8 сливов
Так как постоянная дозация компонентов приводит к увеличению
объема культуральной жидкости, а рабочий объем ферментатора 75 м3
(1.6.1.14), необходимо произвести 5 отливов по 4 м3 при активности
не менее 12000 ЕД/мл.
2.4 Расчет и
подбор основного технологического оборудования
2.1 Расчет инокуляторов, посевных аппаратов и ферментаторов в
разделе 1.6 "Предварительные расчеты".
.2 Расчет сборника аммиака водного.
.2.1 Определяем вместимость аппарата
Vраб. = ,
где Vсут - суточный объем перерабатываемого продукта, м3;
Vсут =Vна 1опер. *nсл. сут,
м3;
Vна 1опер. =
1,0781 м3 (1.6.4, таб.9);
nсл. сут. =1,8
(1.6.4);
Vсут
=1,0781*1,8 =1,9 м3;
Z - запас сырья, принимаем равным 2 дням;
n - предлагаемое количество аппаратов, ед;
n = 1 ед.;
φ - коэффициент заполнения аппарата;
φ =0,9
Vраб. = = 4 м3,По [5] принимаем
аппарат вместимостью 4 м3
.2.2 Расчет количества аппаратов к установке,
n ап. = ,
где Z - коэффициент запаса мощности
оборудования;
Z = 0,2 (по данным комбината);
n ап. = = 2 ед.
Принимаем к установке 2 сборник аммиака.
.3 Расчет реактора глюкозы, м3,Vраб. = (м3),
где Vсут - суточный объем раствора глюкозы, м3;
Vсут = Vна 1 опер. *n, м3; Vна 1 опер. = 21,8128 м3 (таб.9); n сл. =1,8
Vсут =
21,8128∙1,8 =39,26 м3;
φ = 0,85; n =1; Vраб. = = 46 м3.
По [5] принимаем к установке 2 аппарата вместимостью 25 м3,
(d =2,2 м)
.4 Расчет реактора сернокислого аммония,
Vраб. = (м3),
где Vсут - суточный объем, м3;
Vсут = Vна 1 опер. *n, м3;
Vна 1 опер. =
8,4 м3 (1.6.4, таб.9);
n сл.
=1,8сут = 8,4*1,8 =15 м3;
φ = 0,85;=1;
раб. = = 17м3,По [5] принимаем к
установке аппарат вместимостью 20 м3.
.4.1 Расчет количества аппаратов к установке,
n ап. = Vсут · (1 +
Z) · τц. / 24 · Vкат.,
где Z - коэффициент запаса мощности
оборудования;
Z = 0,2 (по данным комбината);
τц. - время оборачиваемости аппарата, ч;
τц. = 24ч (по данным комбината);
n ап. = 15 · (1 + 0,2) · 24/24 · 20 = 0,9 ед.
Уточняем количество аппаратов: n ут.
=1 ед.;
2.5 Расчет
вместимости реактора фенилуксусной кислоты, м3
Vраб. = (м3),
где Vсут - суточный объем, м3;
Vсут = Vна 1 опер. *n, м3; Vна 1 опер. = 11,47 м3 (1.6.4,
таб.9);
n сл. =1,8 Vсут = 11,47*1,8
=20 м3;
φ = 0,85; n =1; Vраб. = = 24м3.
По [5] принимаем к установке аппарат вместимостью 25 м3.
.5.1 Расчет количества аппаратов к установке,
n ап.
= Vсут · (1 + Z) · τц. / 24 · Vкат. (ед),
где Z - коэффициент запаса мощности
оборудования;
Z = 0,2 (по данным комбината);
τц. - время оборачиваемости аппарата, ч;
τц. = 24ч (по данным комбината);
n ап.
= 20 · (1 + 0.2) ·
24/24 ·25 =0,96 ед
Уточняем количество аппаратов: n ут.
=1 ед.;
2.6 Расчет
реактора ортофосфорной кислоты
Vраб. = (м3),
где Vсут - суточный объем, м3;
Vсут = Vна 1 опер. *n, м3;
Vна 1 опер. =
0,0178 м3 (1.6.4, таб.9); n сл. =1,8сут = 0,0178*1,8 =0,03м3; φ = 0,85; n =1;раб. = = 0,035 м3.
По [5] принимаем к установке аппарат вместимостью 0,25 м3,
(d =0,7 м).
.6.1 Расчет количества аппаратов к установке,
n ап. = Vсут · (1 +
Z) · τц. / 24 · Vкат. (ед),
где Z - коэффициент запаса мощности оборудования;
Z = 0,2 (по данным комбината);
τц. - время оборачиваемости аппарата, ч;
τц. = 24ч (по данным комбината);
n ап.
= 0,03 · (1 + 0.2) ·
24/24 · 0,25 = 0,1 ед.
Уточняем количество аппаратов: n ут.
=1 ед.;
2.7 Расчет
реактора подсолнечного масла
Vраб. = (м3),
где Vсут - суточный объем, м3;
Vсут = Vна 1 опер. *n, м3; Vна 1 опер.
= 13,9392 м3
(1.6.4, таб.9); n сл. =1,8
Vсут =
13,9392*1,8 =25 м3; φ = 0,85; n =1; Vраб. = = 29 м3.
По [5] принимаем к установке 2 аппарата вместимостью 30 м3,
(Спецификация представлена в таблице 1
Раздел 3.
Тепловые и энергетические расчеты
Тепловой расчет стадии выращивания вегетативного посевного
материала в инокуляторе
3.1 Тепловой
расчет стерилизации пустого аппарата
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 132 С;
II режим - выдержка: t = 132 C; τвыд = 60 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 132 С; tк = 40 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3,
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот,
.1.1.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн),
где mап - масса аппарата, кг;
Сст - теплоемкость стали, Дж/кг · С;
Сст = 502 Дж/кг · С [9];
tк - конечная температура стерилизации, С;
tк = 132 С [9];
tн - начальная температура, С;
tн = 20 С [9];
.1.1.2.1 Определяем массу аппарата
mап = [π · Dап · Нап Iап +2π · (rап 2 + hап2) Iап + π · (rр.2 + hсф. р.2) Iр +
+π · Dр. · Нр Iр] ρcn,
где π - постоянная величина;
π = 3.14;
Dап - диаметр аппарата, м;
Dап = 1,6 м [5];
Iап - толщина стенки аппарата, м;
Iап =0,014м [5];
Нап - высота аппарата, м;
Hап = 1,9905 м;
ρcт - плотность стали, кг/м3;
ρcт =7850 кг/м3 [9];
гсф. ап - радиус аппарата (Dап / 2), м;
rсф. ап = 0,8 м;
hсф. ап - высота сферической части аппарата (7% от Hап), м;
hсф. ап = 0,1592 м;
Dр. - диаметр аппарата с рубашкой (Dап + 0.1 м), м;
Dр. = 1,7 м [5];
Нр. - высота аппарата с рубашкой (2/3 · Hап), м;
Нр. = 1,327 м;
rр. - радиус аппарата с рубашкой (Dр. / 2), м;
rр. = 0,85 м;
hсф. р. - высота сферической части рубашки (7% от Hр.), м;
hсф. р. = 0,1062 м;
Iр =0,008м [5];
mап = [3,14 · 1,9905 · 0,014∙ 1,6 +2· 3,14
(0,8 2 + 0,15922) 0,014 + 3,14 · (0,852 +
0,10622) ∙0,008 +3,14 · 1,7 · 1,327∙ 0,008] ∙7850
=2147,7717 кг.
Qап = 2147,7717 · 502 · (132 - 20) = 120,7563 ·106
Дж.
.1.1.3 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Сиз · (tиз. ср - tн. из),
где Fиз - площадь поверхности изоляции, м2;
σиз - толщина изоляции, м;
σиз = 0,12 м [5];
ρиз - плотность изолирующего
материала, кг/м3;
ρиз = 1500 кг/м3 [9];
Сиз - теплоемкость изолирующего материала, Дж/кг
С;
Сиз = 920 Дж/кг С [9];
tиз. ср - температура изоляции средняя, С;
tиз. ср = (tвыд. + tн. из) / 2,
где
tвыд. - температура выдержки, С; tвыд. = 132 С (по данным
комбината); tн. из - начальная температура изоляции, С; tн. из = 40 С (по данным комбината);
tиз. ср = (132 + 40) / 2 = 86 С
.1.1.3.1 Определяем площадь поверхности изоляции
Fиз = π · Dап · Нап + π · (rсф. ап 2 + hсф. ап2) + π · Dр. · Нр. + π · (rр.2 + hсф. р.2),
Объяснение величин входящих в формулу в пункте 3.1.1.2.1
Fиз = 3,14 · 1,6 · 1,9905 +3,14 · (0,8 2
+ 0,15922) + 3,14 · 1,7 · 1,327 + 3.14 ·
· (0,85 2 + 0,1062 2) = 22, 1933 м2
Qизол = 22, 1933 · 0,12 · 1500 ·
920 · (86 - 40) = 169,0597 · 106 Дж.
.1.1.4 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол) (Дж),
где Qап - тепло, необходимое на нагрев аппарата, Дж;
Qап = 120,7563 · 106 Дж (3.1.1.2);
Qизол - тепло, необходимое на нагрев изоляции, Дж;
Qизол = 169,0597 · 106 Дж (3.1.1.3);
Qпот = 0.1 (120,7563·106 + 169,0597· 106)
= 28,9816·106Дж.
Q1 = 120,7563· 106 + 169,0597· 106 +
28,9816· 106= 318,7976 · 106Дж.
II Режим - выдержка пустого аппарата
3.1.1.5 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж, Q2 = Qпот. выд. (Дж), расчет потерь тепла Qпот. выд, Дж,
Qпот. выд. = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
где α - коэффициент
лучеиспускания, Вт/м2 · с;
α = 9.74 + 0.07 (tн. из. - tвозд),
где tн. из. - начальная температура изоляции, С;
tн. из = 40 С;
tвозд - температура воздуха, С;
tвозд = 20 C;
α = 9,74 + 0,07 (40 -
20) = 11,14 Вт/м2 · с.
Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 22, 1933 м2 3.1.1.3.1);
τвыд - время выдержки, с;
τвыд = 3600 c [1];
Q2 = Qпот. выд. = 11,14 · 22, 1933 · (40 - 20) · 3600 =
17,8008 · 106Дж.
.1.1.5.1 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q1 = 318,7976 · 106 Дж (3.1.1.1);
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q2 = 17,8008 · 106 Дж (3.1.1.5);
Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2728,8 · 103 Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг;
Jконд = 555,36 · 103 Дж/кг [8];
mпара = 318,7976 · 106 + 17,8008 · 106/
(2728,8 · 103 - 555,36 · 103) = 154,8689 кг.
III Режим - охлаждение пустого аппарата
3.1.1.6 Расчет тепла, необходимого на охлаждение Q2, Дж,
Q3 = Qап + Qизол (Дж),
где Qап - тепло, отводимое от аппарата, Дж;
Qизол - тепло, отводимое от изоляции, Дж;
Qизол = 169,0597 · 106 Дж (3.1.1.3);
Расчет тепла, отводимого от аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tн - tк) (Дж),
где mап - масса аппарата, кг;
mап = 2147,7717 кг (3.1.1.2.1);
Сст - теплоемкость стали, Дж/кг;
Сст = 502 Дж/кг [9];
tк - конечная температура, С;
tк = 40С;
tн - начальная температура, С;
tн = 132С;
Qап = 2147,7717 · 502 · (132 - 40) = 99, 1927 · 106
Дж
Q3 = 99, 1927· 106 + 169,0597· 106
= 268,2524· 106 Дж.
.1.1.7.1 Расчет воды на охлаждение аппарата mводы, кг,
mводы = Q3/ (tк. в - tн. в) 4190 (кг),
где Q3 - тепло, уносимое при охлаждении, Дж;
Q3 = 268,2524· 106 Дж (9.1.6);
tк. в - конечная температура воды, С;
tк. в = 20 C [1];
tн. в - начальная температура воды, С;
tн. в = 8 С [1];
mводы = 268,2524· 106/ (20 - 8) 4190 =
5335,1 кг.
Qобщ = 318,7976 · 106+ 17,8008 · 106+
268,2524· 106 = 604,850800· 106 Дж.
3.2 Тепловой
расчет стерилизации инокулятора со щелочью
График режима стерилизации аппарата со щелочью представлен на
рисунке 2
Рисунок 2 - График режима стерилизации аппарата со щелочью.
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 100 С;
II режим - выдержка: t = 100 C; τвыд = 60 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 100 С; tк = 40 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 (Дж),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
I Режим - нагрев пустого аппарата
3.1.2.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот + Qср. (Дж),
.1.2.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн) (Дж),
где mап - масса аппарата, кг;
mап = 2147,7717 кг (3.1.1.2.1);
Сст - теплоемкость стали, Дж/кг · С;
Сст = 502 Дж/кг · С [9];
tк - конечная температура стерилизации, С;
tк = 100 С;
tн - начальная температура, С;
tн = 20 С;
Qап = 2147,7717· 502· (100 - 20) = 86,2545· 106
Дж.
.1.2.3 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из) (Дж),
где Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 22, 1933 м2 (3.1.1.3.1);
σиз - толщина изоляции, м; σиз = 0,12 м [1]; ρиз - плотность изолирующего материала, кг/м3; ρиз = 1500 кг/м3 [9]; Смат - теплоемкость
изолирующего материала, Дж/кг С; Смат = 920 Дж/кг С [9]; tиз. ср - температура изоляции
средняя, С;
tиз. ср = (tвыд. + tн. из) / 2,где tвыд. - температура выдержки, С;
tвыд. = 100 С; tн. из - начальная температура
изоляции, С; tн. из = 40 С;
tиз. ср = (100 + 40) / 2 = 70 С.
Qизол = 22, 1933 · 0,12 · 1500 ·
920 · (70 - 40) = 110,2563 · 106 Дж.
.1.2.4 Расчет тепла, необходимого на нагрев среды в аппарате Qср., Дж,
Qср. = mср · Сср · (tк - tн) (Дж),
где mср. - масса раствора щелочи, кг;
mср. = 4160 кг [1];
Сср - теплоемкость среды, Дж/кг С;
Сср = 4190 Дж/кг С [7];
tк = 100 С [1];
tн - начальная температура, С;
tн = 20 С [1];
Qср. = 4160 · 4190 · (100 - 20) = 1394,432· 106
Дж.
Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол+ Qср) (Дж),
где Qап - тепло, необходимое на нагрев аппарата, Дж;
Qап = 86,2545· 106 Дж (3.1.2.2);
Qизол - тепло, необходимое на нагрев изоляции, Дж;
Qизол = 110,2563· 106 Дж (3.1.2.3);
Qср - тепло, необходимого на нагрев среды в
аппарате, Дж;
Qср =1394,4320· 106 Дж (3.1.2.4);
Qпот = 0,1 (86,2545· 106 + 110,2563· 106+1394,4320·
106) = 159,0943· 106Дж.
Q1=86,2545·106+1394,4320· 106 +110,2563·106
+ 159,0943·106 = 1750,0371·106Дж.
II Режим - выдержка аппарата со щелочью
3.1.2.6 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
где α - коэффициент
лучеиспускания, Вт/м2 · с;
α = 11,14 Вт/м2
· с (3.1.1.5);
Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 22, 1933 м2 (3.1.1.3.1);
tн. из. - начальная температура изоляции, С;
tн. из = 40 С;
tвозд - температура воздуха, С;
tвозд = 20 C;
τвыд - время выдержки, с;
τвыд = 3600 c [1];
Q2 = 11,14 · 22.1933 · (40 - 20) · 3600 =17,8008 ·
106Дж.
.1.2.6.1 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд),
где Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2678,5 · 103Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг;
Jконд = 419· 103 Дж/кг [8];
mпара = 1750,0371 · 106 + 17,8008 · 106/
(2678,5 · 103 - 419· 103) = 782,4022 кг.
Щелочь водой не охлаждаем. После мойки передаем в другой
аппарат (но не более 5 операций). При снижении концентрации её разбавляют водой
или нейтрализуют кислотой и сливают на очистные сооружения.
3.3 Тепловой
расчет стерилизации питательной среды в инокуляторе
График режима стерилизации питательной среды в инокуляторе
Рисунок 3 - График режима стерилизации питательной среды в
инокуляторе.
режим - нагрев: tн = 70 С; tк = 126 С;
II режим - выдержка: t = 126 C; τвыд = 30 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 126 С; tк = 25 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 (Дж),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
I Режим - нагрев аппарата с питательной средой
3.1.3.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот + Qср. (Дж),
Расчет количества тепла, необходимого на нагрев аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн) (Дж),
где mап - масса аппарата, кг; mап = 2147,7717 кг
(3.1.2.1);
Сст - теплоемкость стали, Дж/кг · С; Сст
= 502 Дж/кг · С [9];
tк - конечная температура стерилизации, С; tк = 126 С;
tн - начальная температура, С; tн = 70 С;
Qап = 2147,7717 · 502 · (126 - 70) = 60,3781· 106
Дж.
.1.3.3 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из) (Дж),
где tиз. ср - температура изоляции средняя, С;
tиз. ср = (tвыд. + tн. из) / 2,
где tвыд. - температура выдержки, С; tвыд. = 126 С;
tн. из - начальная температура изоляции, С; tн. из = 40 С;
tиз. ср = (126 + 40) / 2 = 83 С.
Qизол = 22, 1933 · 0,12 · 1500 ·
920 · (83 - 40) = 158,0340 · 106 Дж.
.1.3.4 Расчет тепла, необходимого на нагрев среды в аппарате Qср., Дж,
Qср. = mср · Сср · (tк - tн) (Дж),
где mср. - масса питательной среды, кг;
mср. = 287,9622 кг (1.6.2.3);
Сср - теплоемкость среды, Дж/кг С;
Сср = 4190 Дж/кг С [7];
tк = 126 С;
tн - начальная температура, С;
tн = 70 С;
Qср. = 287,9622 · 4190 · (126 - 70) = 473,8977· 106
Дж.
.1.3.5 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол) (Дж),
Qпот = 0,1 (60,3781· 106 + 158,0340· 106
+473,8977· 106) = 69,2319· 106Дж.
Q1 = 60,3781· 106 + 158,0340 ·106 +
473,8977 ·106 + 69,2319·106 = 761,5408· 106Дж
II Режим - выдержка аппарата с питательной
средой
3.1.3.6 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
где τвыд - время выдержки, с;
τвыд = 1800 c [1];
Q2 =11,14 · 22, 1933· (40 - 20) · 1800 = 8,9004· 106Дж.
.1.3.6.1 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд),
где
Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q1 =761,5408· 106 Дж (3.1.3.1);
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q2 = 8,9004· 106Дж (3.1.3.6);
Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2719,6 · 103 Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг;
Jконд = 531,176 · 103 Дж/кг [8];
mпара = 761,5408· 106 + 8,9004· 106/
(2719,6· 103 - 531,176 · 103) = 352,0529 кг.
III Режим - охлаждение аппарата с питательной
средой
3.1.3.7 Расчет тепла, необходимого на охлаждение Q2, Дж,
Q3 = Qап + Qизол + Qср. (Дж),
где Qизол - тепло, отводимого от изоляции, Дж;
Qизол = 158,0340· 106 Дж (3.1.3.3);
.1.3.8 Расчет тепла, отводимого от аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tн - tк) (Дж),
где tк - конечная температура, С; tк = 25С;
tн - начальная температура, С; tн = 126С;
Qап = 2147,7717 · 502· (126 - 25) = 108,8963· 106
Дж.
.1.3.9 Расчет количества тепла, отводимого от среды Qср., Дж,
Qср. = mср · Сср · (tн - tк) (Дж),
где mср. - масса питательной среды, кг;
mср. = 2019,68 кг (1.6.2.3);
Сср - теплоемкость среды, Дж/кг С;
Сср = 4190 Дж/кг С [7];
tк = 25 С;
tн - начальная температура, С;
tн = 126 С;
Qср. = 2019,68· 4190 · (126 - 25) = 854,7083· 106
Дж.
Q3 = 108,8963· 106 + 158,0340· 106
+ 854,7083· 106 = 1121,6386· 106 Дж.
Расчет воды на охлаждение аппарата mводы, кг,
mводы = Q3/ (tк. в - tн. в) 4190 (кг),
где tк. в - конечная температура воды, С; tк. в = 20 C [1]; tн. в - начальная температура
воды, С; tн. в = 8 С [1];
mводы = 1121,6386· 106/ (20 - 8) 4190 =
22307,8 кг.
Qобщ = 761,5408· 106 + 8,9004·
106 + 1121,6386· 106 = 1892,0798· 106 Дж.
Тепловой расчет выращивания посевного материала в посевном
аппарате.
3.4 Тепловой
расчет стерилизации пустого аппарата
График режима стерилизации пустого аппарата представлен на
рисунке 4
Рисунок 4 - График режима стерилизации пустого аппарата.
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 132 С; II режим - выдержка: t = 132 C; τвыд = 60 мин.; III режим - охлаждение: tн = 132 С; tк = 30 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 (Дж),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
I Режим - нагрев пустого аппарата
3.2.1.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот (Дж),
.2.1.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн),
где mап - масса аппарата, кг;
Сст - теплоемкость стали, Дж/кг · С;
Сст = 502.8 Дж/кг · С [9];
tк - конечная температура стерилизации, С;
tк = 132 С [1];
tн - начальная температура, С;
tн = 20 С;
.2.1.2 Определяем массу аппарата
mап = mпуст. ап + mзмеев (кг),
.2.1.3 Определяем массу пустого аппарата
mпуст. ап = [π · Dап · Нап Iап +2π · (rап 2 + hап2) Iап] ρcn (кг),
где Dап - диаметр аппарата, м;
Dап = 2,4 м [1];
Iап - толщина стенки аппарата, м;
Iап =0,016м [5];
Нап - высота аппарата, м;
Hап = 4,4332 м;
ρcт - плотность стали, кг/м3;
ρcт =7850 кг/м3 [1];
гсф. ап - радиус аппарата (Dап / 2), м;
rсф. ап = 1,2 м;
hсф. ап - высота сферической части аппарата (7% от Hап), м;
hсф. ап = 0,3539 м;
mпуст. ап = [3,14 · 2,4 · 4,4232∙ 0,016 +2· 3,14
(1,2 2 + 0,35392) 0,016] ∙7850 =5420,9839 кг.
.2.1.4 Определяем массу змеевиков
mзмеев =π · l · (R2 +r 2) ∙ρcn (кг),
где ρcт - плотность стали, кг/м3;
ρcт =7850 кг/м3 [1];
г - радиус внутреннего диаметра трубы змеевика, м;
r = 0,025 м [10];
R - радиус наружного диаметра змеевика, м;
R = 0,0285 м [10]
l - длина змеевика;
.2.1.5 Расчет длины труб змеевика, м
l = Fохл /π∙d (м),
где Fохл = 16,8 м2 [5];
π - постоянная величина;
π = 3,14;
d - наружный диаметр трубы змеевика, м;
d = 0,057 м [10];
l = 16,8 /3,14∙0,057 =93,8652 м.
mзмеев =3,14 · 93,8652· (0,02852 +0,0252)
∙7850 =462,7363 кг.
mап = 5420,9839 + 462,7363 =5883,7202 кг.
Qап = 5883,7202· 502 · (132 - 20) = 330,8063· 106
Дж.
.2.1.6. Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из),
Объяснение в пункте 3.1.1.3
.2.1.7 Определяем площадь наружной поверхности изоляции, Fиз, м2;
Fиз = π · Dап · Нап + π · (rсф. ап 2 + hсф. ап2) (м2),
Объяснение в пункте 3.1.4.2.2
Fиз = 3.14 · 2,4 · 4,4232 + 3.14 · (1,2 2
+ 0,35392) = 38,2479 м2.
Qизол = 38,2479 · 0,12 · 1500 ·
920 · (86 - 40) = 291,3572· 106 Дж.
.2.1.8 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
где Qап - тепло, необходимое на нагрев аппарата, Дж;
Qап = 330,8063· 106 Дж (3.1.4.2);
Qизол - тепло, необходимое на нагрев изоляции, Дж;
Qизол = 291,3572· 106 Дж (3.1.4.3);
Qпот = 0.1 (330,8063· 106 + 291,3572· 106)
= 62,2164· 106Дж.
Q1 = 330,8063 · 106 + 291,3572· 106
+ 62,2164· 106= 684,3799· 106Дж.
II Режим - выдержка пустого аппарата
3.2.1.9 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.1.5
где Fиз = 38,2479 м2;
Q2 = 11,14 · 38,2479 · (40 - 20) · 3600 = 30,6778·
106Дж.
.2.1.10 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд) (кг),
где Jпара - энтальпия пара, Дж/кг; Jпара = 27,28,8·103
Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг; Jконд = 555,36·103
Дж/кг [8];
mпара = 684,3799· 106 + 30,6778 · 106/
(27,28,8·103 - 555,36·103) = 328,9981 кг
III Режим - охлаждение пустого аппарата
3.2.1.11 Расчет тепла, необходимого на охлаждение Q3, Дж,
Q3 = Qап + Qизол (Дж),
где Qап - тепло, отводимое от аппарата, Дж;
Qизол - тепло, отводимое от изоляции, Дж;
Qизол = 291,3572· 106 Дж (3.1.4.3);
.2.1.12 Расчет тепла, отводимого от аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tн - tк) (Дж),
где tк - конечная температура, С;
tк = 30С [1];
tн - начальная температура, С;
tн = 132С [1];
Qап = 5883,7202 · 502· (132 - 30) = 301,2700· 106
Дж.
Q3 = 291,3572· 106 + 301,2700· 106
= 592,6272· 106 Дж.
.2.1.13 Расчет воды на охлаждение аппарата mводы, кг,
mводы = Q3/ (tк. в - tн. в) 4190,где tк. в - конечная температура
воды, С;
tк. в = 20 C [1];
tн. в - начальная температура воды, С;
tн. в = 8 С [1];
mводы = 592,6272· 106/ (20 - 8) 4190 =
11786,5000 кг.
Qобщ = 684,3799 · 106 +
30,6778· 106 + 592,6272· 106 = 1307,6849· 106
Дж.
3.5 Тепловой
расчет стерилизации посевного аппарата со щелочью
График режима стерилизации аппарата со щелочью представлен на
рисунке 5
Рисунок 5 - График режима стерилизации аппарата со щелочью.
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 100 С;
II режим - выдержка: t = 100 C; τвыд = 60 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 100 С; tк = 40 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3,г
де Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
I Режим - нагрев пустого аппарата
3.2.2.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот + Qср. (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.2.1
.2.2.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн) (Дж),
где tк - конечная температура стерилизации, С;
tк = 100 С [1];
tн - начальная температура, С;
tн = 20 С [1];
Qап = 5883,7202· 502 · (100 - 20) = 236,2902· 106
Дж.
.2.2.3 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из) (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.2.3
где Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 38,2479 м2 (3.1.4.3.1);
Qизол = 38,2479 · 0,12 · 1500 · 920 ·
(70 - 40) = 190,0156· 106 Дж.
Расчет тепла, необходимого на нагрев среды в аппарате Qср., Дж,
Qср. = mср · Сср · (tк - tн) (Дж),
Объяснение в пункте 3.2.4
где mср. - масса раствора щелочи, кг; mср. = 15600 кг [1];
Qср. = 15600 · 4190 · (100 - 20) = 5229,12· 106
Дж.
.2.2.4 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол) (Дж), где Qап = 236,2902 · 106
Дж (3.2.5.2);
Qизол = 190,0156 · 106 Дж (3.2.5.3);
Qср. = 5229,12· 106 Дж (3.2.5.4)
Qпот = 0.1 (236,2902 · 106 + 5229,12· 106
+190,0156 · 106) = 565,5426· 106Дж.
Q1 = 236,2902· 106 + 190,0156· 106 +
5229,12 · 106 + 565,5426· 106 =
= 6220,9684· 106Дж.
II Режим - выдержка аппарата со щелочью
3.2.2.5 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.2.6
где Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 38,2479 м2 (3.2.4.3.1); Q2 = 11.14 · 38,2479· (40 -
20) · 3600 = 30,6778· 106Дж.
.2.2.6 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд) (кг),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q1 =6220,9684 · 106 Дж (3.2.5.1);
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q2 = 30,6778 · 106 Дж (3.2.5.6);
Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2678,5·103 Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг;
Jконд = 419·103 Дж/кг [8];
mпара = 6220,9684 · 106 + 30,6778· 106/
(2678,5·103 - 419·103) = 2766,8272 кг
3.6 Тепловой
расчет стерилизации пустого ферментатора
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 135 С;
II режим - выдержка: t = 135 C; τвыд = 25 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 135 С; tк = 30 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 (Дж),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
Q3 - тепло, отводимое, Дж;
I Режим - нагрев пустого аппарата
3.3.1.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот (Дж),
.3.1.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн) (Дж),
где mап - масса аппарата, кг;
.3.1.3 Определяем массу аппарата
mап = mпуст. ап + mзмеев (кг),
.3.1.4 Определяем массу пустого аппарата
mпуст. ап = [π · Dап · Нап Iап +2π · (rап 2 + hап2) Iап+π · (rр 2 + hр2) Iр+ π · Dр · Нр Iр] ρcn
где Dап - диаметр аппарата, м;
Dап = 3,5 м [5];
Iап - толщина стенки аппарата, м;
Iап =0,016м [5];
Нап - высота аппарата, м;
Hап = 10,3991 м;
ρcт - плотность стали, кг/м3;
ρcт =7850 кг/м3 [9];
гсф. ап - радиус аппарата (Dап / 2), м;
rсф. ап = 1,75 м;
hсф. ап - высота сферической части аппарата (7% от Hап), м;
hсф. ап = 0,8319 м;
Dр = 3,6 м [5];
rр = 1,8 м [5];
Iр =0,008м [5];
Hр = 6,9327м;
hр = 0,5546 м;
mпуст. ап = [3,14 · 3,5 · 10,3991∙ 0,016 +2· 3,14
(1,75 2 + 0,83192) 0,016+3,14 (1,8 2 + 0,55462)
0,008+3,14 · 3,6 · 6,9327∙ 0,008] ∙7850 =22936,915 кг
.3.1.5 Определяем массу змеевиков
mзмеев =π · l · (R2 +r 2) ∙ρcn,
Объяснение в пункте 3.1.4.2.3
.3.1.6 Расчет длины труб змеевика, м
l = Fохл /π∙d,
где Fохл = 166 м2 [5]; d - наружный диаметр трубы
змеевика, м;
d = 0,057 м [10]; l = 166 /3,14∙0,057 =927,4779 м,
mзмеев =3,14 · 927,4779· (0,02852 +0,0252)
∙7850 =4572,2803 кг.
mап = 22936,915+ 4572,2803 =27509, 195 кг.
Qап = 27509, 195 · 502 · (135 - 20) = 1588,1057· 106
Дж.
.3.1.7 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из) (Дж),
Объяснение в пункте 9.1.3
где tиз. ср - температура в средней точке изоляции, С;
tиз. ср = (tвыд. + tн. из) / 2,tиз. ср = (135 + 40) / 2 = 87.5 С
.3.1.8 Определяем площадь наружной поверхности изоляции, Fиз, м2;
Fиз = π · Dап · Нап + π · (rсф. ап 2 + hсф. ап2) + π · Dр · Нр + π · (rр 2 + hр2),
Объяснение в пункте 3.2.6.2.2
Fиз = 3.14 · 3,5 · 10,3991+ 3.14· (1,752
+ 0,83192) + 3.14 · 3,6 · 6,9327+ 3.14· (1,82 + 0,55462)
= 215,5822 м2.
Qизол = 215,5822 · 0,12 · 1500 ·
920 · (87.5 - 40) = 1695,7653· 106 Дж.
.3.1.9 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол) (Дж),
где Qап - тепло, необходимое на нагрев аппарата, Дж;
Qап = 1588,1057· 106 Дж (3.3.6.2);
Qизол - тепло, необходимое на нагрев изоляции, Дж;
Qизол = 665 · 106 Дж (3.3.6.3);
Qпот = 0,1 (1588,1057· 106 + 1695,7653 · 106)
= 328,3871· 106Дж.
Q1 = 1588,1057· 106 + 1695,7653 · 106
+ 328,3871· 106= 3612,2581· 106Дж.
II Режим - выдержка пустого аппарата
3.3.1.10 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 =. α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.1.5
где Fиз - площадь наружной поверхности изоляции, м2;
Fиз = 215,5822 м2 (9.6.3.1);
τвыд - время выдержки, с;
τвыд = 1500 c [1];
Q2 = 11.14 · 215,5822 · (40 - 20) · 1500 = 72,0476
· 106Дж.
.3.1.11 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд) (кг),
где Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2733·103 Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг;
Jконд = 568,2·103 Дж/кг [8];
mпара = 3612,2581· 106 + 72,0476· 106/
(2733·103 - 568,2·103) = 1701,915 кг
III Режим - охлаждение пустого аппарата
3.3.1.12 Расчет тепла, необходимого на охлаждение Q3, Дж,
Q3 = Qап + Qизол (Дж),
где Qап - тепло, отводимое от аппарата, Дж;
Qизол - тепло, отводимое от изоляции, Дж;
Qизол = 1695,7653 · 106 Дж (3.3.6.3);
.3.1.13 Расчет тепла, отводимого от аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tн - tк) (Дж),
где mап - масса аппарата, кг;
mап = 27509, 195 кг (3.3.6.2.1);
tк - конечная температура, С;
tк = 30С [1];
tн - начальная температура, С;
tн = 135С [1];
Qап = 27509, 195 · 502 · (135 - 30) = 1450,0095 · 106
Дж.
Q3 = 1450,0095 · 106 + 1695,7653 · 106
= 3145,7748· 106 Дж.
.3.1.14 Расчет воды на охлаждение аппарата mводы, кг,
mводы = Q3/ (tк. в - tн. в) 4190 (кг),
где tк. в - конечная температура воды, С;
tк. в = 20 C [1];
tн. в - начальная температура воды, С;
tн. в = 8 С [1];
mводы = 3145,7748· 106/ (20 - 8) 4190 =
62565,1 кг.
.3.1.15 Проводим проверку площади поверхности теплообмена
Fохл = Q3 /К·Δ tср ·τохл (м2),
где Q3 - тепло, уносимое при охлаждении, Дж;
Q3 = 3145,7748 · 106 Дж (3.3.7.7);
К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2к);
К =300 Вт/ (м2к) [11];
Δ tср - средний температурный
напор, С;
.3.1.16 Определяем средний температурный напор, С,
tап 135°С - 30°С
tводы 20°С - 8°С
Δ tкон 115°С - 22°С Δ tнач
Δ tср = Δ tкон - Δ tнач /2,3 lg Δ tнач / Δ tкон
Δ tср = 115 - 22
/2,3 lg 115/22 =56,2923°С.
Fохл = 3145,7748 · 106 /300·56,2923·1500 =124,1
м2.
3.7 Тепловой
расчет стерилизации ферментатора со щелочью
График режима мойки ферментатора со щелочью представлен на
рисунке 7
Рисунок 7 - График режима мойки ферментатора щелочью.
режим - нагрев: tн = 20 С; tк = 100 С;
II режим - выдержка: t = 100 C; τвыд = 60 мин.;
III режим - охлаждение: tн = 100 С; tк = 40 C;
Уравнение теплового баланса
Qобщ = Q1 + Q2 (Дж),
где Q1 - тепло, необходимое на нагрев, Дж;
Q2 - тепло, необходимое на выдержку, Дж;
I Режим - нагрев пустого аппарата
3.3.2.1 Расчет тепла, необходимого на нагрев Q1, Дж,
Q1 = Qап + Qизол + Qпот + Qср. (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.2.1
.3.2.2 Расчет количества тепла, необходимого на нагрев
аппарата Qап, Дж,
Qап = mап · Сст · (tк - tн) (Дж),
где
tк - конечная температура стерилизации, С; tк = 100 С [1]; tн - начальная температура, С;
tн = 20 С [1];
Qап = 27509, 195 · 502 · (100 - 20) = 1104,7692· 106
Дж.
.3.2.3 Расчет тепла, необходимого на нагрев изоляции Qизол, Дж,
Qизол = Fиз · σиз · ρиз · Смат · (tиз. ср - tн. из) (Дж),
Объяснение в пункте 9.2.3
Qизол = 215,5822 · 0,12 · 1500 ·
920 · (70 - 40) = 1071,0097· 106 Дж.
.3.2.4 Расчет тепла, необходимого на нагрев среды в аппарате Qср., Дж,
Qср. = mср · Сср · (tк - tн) (Дж),
Объяснение в пункте 9.2.4, где mср. - масса раствора щелочи,
кг; mср. = 72800 кг [1],
Qср. = 72800 · 4190 · (100 - 20) = 24402,56· 106
Дж.
.3.2.5 Расчет количества потерь тепла в окружающую среду Qпот, Дж,
Qпот = 10% · (Qап + Qизол) (Дж),
где Qап - тепло, необходимое на нагрев аппарата, Дж;
Qап = 1104,7692· 106 Дж (3.3.3.2);
Qизол - тепло, необходимое на нагрев изоляции, Дж;
Qизол = 1071,0097 · 106 Дж (3.3.3.3);
Qср - тепла, необходимого на нагрев среды в аппарате.,
Дж;
Qср., = 24402,56· 106 Дж (3.3.3.4); Qпот = 0,1 (1104,7692 · 106
+ 1071,0097 · 106+24402,56· 106) = 2657,8338· 106Дж.
Q1 = 1104,7692 · 106 + 1071,0097 · 106
+ 24402,56 · 106 + 2657,8338· 106 =
= 29239,172 · 106Дж.
II Режим - выдержка аппарата со щелочью
3.3.2.6 Расчет тепла, необходимого на выдержку Q2, Дж,
Q2 = α · Fиз · (tн. из. - tвозд) · τвыд (Дж),
Объяснение в пункте 3.1.2.6, где Fиз - площадь наружной
поверхности изоляции, м2;
Fиз = 215,5822 м2 (3.3.2.1);
Q2 = 11,14 · 215,5822 · (40 - 20) · 3600 =
172,9141· 106Дж.
.3.2.7 Расчет массы пара mпара, кг,
mпара = Q1 + Q2/ (Jпара - Jконд) (кг),
где Jпара - энтальпия пара, Дж/кг;
Jпара = 2678,5·103 Дж/кг [8];
Jконд - энтальпия конденсата, Дж/кг; Jконд = 419·103 Дж/кг
[8];
mпара = 29239,172· 106 + 172,9141· 106/
(2678,5·103 - 419·103) = 13015,740 кг.
3.8 Тепловой
расчет процесса биосинтеза
Qбиос. = Qперем. + Qвозд. + Qжиз. (Дж),
где Qперем. - тепло, образовавшееся за счет вращения
мешалки аппарата, Дж;
Qвозд. - тепло, приносимое в аппарат с воздухом, Дж;
Qжиз. - тепло, выделенное продуцентом в результате
жизнедеятельности, Дж;
.3.3.1 Расчет тепла, выделяющегося при перемешивании Qперем., Дж,
Qперем. = Nдв. · 103 · τ · ŋ · 3600 (Дж),
где Nдв. - мощность, затраченная на перемешивание, кВт; Nдв. = 120 кВт [1]; τ - время ферментации, ч;τ = 185 ч; ŋ -
коэффициент полезного действия; ŋ = 0,85 [11];
Qперем. = 120 · 103 · 185 · 0,85 · 3600 =
67932· 106 Дж.
.3.3.2 Расчет тепла, приносимого в аппарат с воздухом Qвозд., Дж,
Qвозд = Vвозд. · ρвозд. · Свозд. · (tвх. - tвых.) (Дж),
где Vвозд - объем воздуха, м3; Vвозд = 1210500 м3 (1.6.4,
таб.8); ρвозд. - плотность воздуха, кг/м3;
ρвозд. = 1,66 кг/м3 (1.6.4.8.1);
Свозд. - теплоемкость воздуха, Дж/кг С;
Свозд. = 1000 Дж/кг С [12];
tвх. - температура воздуха, входящего в аппарат, С;
tвх. = 55 С [1];
tвых. - температура воздуха, выходящего из аппарата С;
tвых. = 40 C;
Qвозд = 1210500· 1,66 · 1000 · (55 - 40) =
30141,45· 106 Дж.
.3.3.3 Расчет тепла, выделенного продуцентом в результате
жизнедеятельности Qжиз. Дж,
Qжиз. = V ∙ g ∙ τ (Дж),
где V - объем культуральной жидкости, м3; V= 94,2241 м3 (7.4,
таб.9); g
- теплоемкость, Дж/кг С; g = 3,9386· 106 Дж/м3ч
(экспериментальные данные); τ - время ферментации, ч; τ = 185 ч [1];
Qжиз. = 94,2241∙ 3,9386· 106 ∙
185 = 68655,542 · 106 Дж.
Qбиос. = 67932· 106 + 30141,45· 106 +
68655,542 · 106 = 166728,99· 106 Дж.
.3.3.4 Расчет воды на охлаждение аппарата mводы, кг,
mводы = Qбиос / (tк. в - tн. в) Св (кг),
где tк. в - конечная температура воды, С; tк. в = 20 C [1];
tн. в - начальная температура воды, С; tн. в = 8 С [1];
mводы = 166728,99· 106/ (20 - 8) ∙4190
= 3316010,00 кг.
.3.3.5 Расчет необходимой поверхности теплообмена
Fохл = Qбиос /К·Δ tср ·τохл (м2),
где К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2к); К
=300 Вт/ (м2к) [11]; τ сек= 666000 сек [1];
Δ tср - средний температурный
напор, С;
tкж 24,5°С - 24,5°С
tводы 20°С - 8°С
Δ tкон 4°С - 16°С Δ tнач
Δ tср = Δ tкон - Δ tнач /2,3 lg Δ tнач / Δ tкон
Δ tср = 16 - 4
/2,3 lg 16/4 =8,6667°С.
Fохл = 166728,99· 106 /300·8,6667·666000
=96,2 м2.
3.9
Энергетические расчеты
Расчет расхода пара
Определим общую массу пара mп, кг;
mп=mпара на стер. ин+mпара при мойке ин. +mпара на стер. пит. ср. в
ин. +mпара на стер. п. а. +mпара при мойке п. а. +mпара на стер. ферм. +mпара при мойке ферм. (кг),
где mпара на стер. ин =154,8689 кг
mпара при мойке ин. =782,4022 кг
mпара на стер. пит. ср. в ин=352,0529 кг
mпара на стер. п. а=328,9981 кг
mпара при мойке п. а=2766,8272 кг
mпара на стер. ферм. =1701,915 кг
mпара при мойке ферм=13015,749 кг
mп=154,8689+782,4022+352,0529+328,9981+2766,8272+1701,915+
+13015,749=19102,813 кг.
В связи с учетом вспомогательных операций массу пара
увеличиваем на 25%
mпара общ =19102,813· 1,25 =23878,516 кг.
Осуществляем перевод пара в Гкал
кг пара=0,667 Гкал, 23878,516 кг - х Гкал
х=23878,516 *0,667/1000=15,92697 Гкал.
Расчет нормы расхода пара Nр. п, Гкал/ млрд. Ед;
Nр. п=х/ Gкж с 1 опер,
где Gкж с 1 опер =2463,5833 млрд. Ед (7.4);
Nр. п=15,92697 /2463,5833 =0,0065 Гкал/млрд. Ед.
Расчет расхода воды на охлаждение
Находим общую массу воды
mобщ. в. = mв. на охл. ин. +mв. на охл. пит. ср. в ин.
+mв. на охл. пос. а. +mв. на охл. ферм. +mв. на охл. при биос.,
где mв. на охл. ин. =5335,1 кг;
mв. на охл. пит. ср. в ин. =22307,8 кг;
mв. на охл. пос. а. =11786,5 кг
mв. на охл. ферм. =62565,1 кг
mв. на охл. при биос. =3316010,00 кг
mобщ. в. =5335,1+22307,8+11786,5+62565,1+3316010,00=3,4180045тыс.
м3.
Расчет нормы расхода воды Nр. общ. в, тыс. м3/млрд.
Ед;
Nр. общ. в= mобщ. в. / Gкж с 1оп.,
Nр. общ. в=3,4180045/2463,5833=0,0014 тыс. м3/млрд.
Ед
Расчет расхода питьевой воды
Находим общую массу питьевой воды
mобщ. в. п. = mв. для пригот пит. ср.
ин. +mв. на пригот. пит. ср. в
п. а. +mв. на пригот. пит. ср. в
ферм+mв. в подк. (кг),
где mв. для пригот пит. ср. ин. =1529,7498 кг (1.6.2.6);
mв. на пригот. пит. ср. в п. а. =6060,5122 кг (1.6.3.5);
mв. на пригот. пит. ср. в ферм. =44751,151 кг
(1.6.4.4.2);
mв. в подк. =37150,946 кг (1.6.4.5);
mобщ. в. = 1529,7498 +6060,5122 +44751,151 +37150,946
=89492,359 м3.
В связи с промывкой оборудования и трубопроводов общую массу
питьевой воды увеличиваем на 15%
mобщ. в. = 89492,359· 1,15 =102916,21 кг =102,91621 м3.
Расчет нормы расхода воды Nр. общ. в, м3/млрд. Ед;
Nр. общ. в= mобщ. в. / Gкж с 1оп.,
Nр. общ. в=102,91621 /2463,5833=0,0418 м3/млрд.
Ед
Расчет расхода воздуха Vвоз. общ, м3;
Vвоз. общ= Vвоз. ин + Vвоз. п. а + Vвоз. БФ,
где Vвоз. ин - расход воздуха в инокуляторе, м3;
Vвоз. п. а - расход воздуха в посевном аппарате, м3;
Расчет расхода воздуха для инокулятора Vвоз. ин, м3;
Vвоз. ин= Vин ·φсл. ин ·nвоз ·60·Кин·Кп.
а. ·τчас (м3),
где Vин =4 м3 (1.6.1.3.2);
φсл. ин =0,5 [1];
nвоз =1,83 [1];
Кин=1,2 [1];
Кп. а. =1,15 [1];
τчас=55 ч [1].
Vвоз. ин= 4 ·0,5 ·1,83 ·60·1,2·1,15
·55 =16667,64 м3
Расчет расхода воздуха для посевного аппарата Vвоз. п. а., м3;
Vвоз. п. а. = Vп. а ·φсл. п. а ·nвоз ·60·Кп. а. ·τчас (м3),
где Vп. а =20 м3 (7.1.2.3);
φсл. п. а. =0,5 [1];
nвоз =1,67 [1];
Кп. а. =1,15 [1];
τчас=24 ч [1].
Vвоз. ин= 20 ·0,5 ·1,67 ·60·1,15
·24 =27655,2 м3
Vвоз. общ= 16667,64 + 27655,2+ 1210500 =1254822,8 м3
С учетом потерь воздуха на продувки и вспомогательные
операции при биосинтезе расход воздуха увеличиваем на 15%.
Vвоз. общ= 1254822,8 ·1,15 =1443046,2м3 =
1443,0462 тыс. м3
Расчет нормы расхода воздуха Nр. общ. воз, тым. м3/млрд.
Ед;
Nр. общ. воз= Vобщ. воз. / Gкж с 1оп.,
Nр. общ. в=1443,0462 /2463,5833=0,5858 тыс. м3/млрд.
Ед
Определим расход электроэнергии на технологический процесс.
Наименование
оборудования
|
Мощность
двигателя, кВт
|
Часы работы
двигателя, ч
|
Расход
электроэнергии на 1 операцию, кВт·ч
|
1
|
2
|
3
|
4
|
Инокулятор
Посевной аппарат Ферментатор
|
4 10 120
|
55 24 185
|
220 240 22200
|
итого
|
|
|
22660
|
Расчет фактической потребляемой энергии Ефакт,
кВт·ч;
Ефакт = ∑ Ефакт·Кспроса/
η сем ·ηдвиг,
где Кспроса=0,6;
η сем =0,98;
ηдвиг =0,85 [11];
Ефакт = 22660·0,6/ 0,98 ·0,85 =16321,728
кВт·ч.
Расчет нормы расхода электроэнергии Nр. эл. эн, кВт·ч/млрд. Ед;
Nр. эл. эн = Ефакт. / Gкж с 1оп.,
Nр. эл. эн =16321,728 /2463,5833=6,6252 кВт·ч/млрд.
Ед.
Заключение
В ходе курсового проекта, темой которого является
проектирование участка ферментации бензилпенициллина с годовой мощностью 430000
млрд. ед по готовому продукту, были изучены: применение бензилпенициллина,
характеристика сырья, полупродуктов и готового продукта, обеспечение
безопасности жизнедеятельности, охрана труда и пожарная профилактика, краткая
характеристика стадий производства.
В курсовом проекте были выполнены материальные, тепловые и
энергетические расчеты, а также расчет и подбор основного и вспомогательного
оборудования.
Для ведения процесса необходимо установить 8 единиц больших
ферментаторов, 2 единиц посевных аппаратов и 5 инокуляторов.
Для обеспечения заданной мощности необходимы следующие
энергоносители: пар, холодная вода, воздух, электроэнергия.
Участок ферментации расположен на площади 3024 м2.
Библиографический
список
1.
Промышленный регламент № 64-0206-27-93 на производство бензилпенициллина
калиевой соли для получения 6-АПК, 1993.
.
Сенов П.Л. Фармацевтическая химия. М.: Медицина, 1981.530 с.
.
Герольд М., Вондрачек М., Нечасек А., Антибиотики.: Медицина, 1966.406с.
.
Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках: Учебник для студентов биологических
специальностей университетов - 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Высшая шк.,
1986.448 с.
.
Стальная эмалированная аппаратура: Каталог. Черкассы: НИИТЭХИМ, 1987.18 с.
.
Рабинович В.А., Ховин З.Л. Краткий химический справочник. Изд.2-е испр и доп.
.
Плановский А. Н,, Гуревич Д.А. Аппаратура промышленности органических
полупродуктов и органических красителей. М.: Политучтеххимиздат, 1961.504 с.
.
Руководство к практическим занятиям процессов и аппаратов химической
технологии. Учебное пособие для вузов (под ред.П.Г. Романкова) - 6 - е изд.,
перераб. и доп.: Химия, 1990.272 с.
.
Лащинский А.А., Гнощинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической
аппаратуры.2-е изд. л.: Машиностроение, 1970.752 с.
.
Иоффе И.А. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник
для техникумов-Л.: Химия, 1991.352 с.
.
Краткий справочник физико-химических величин.8-е изд., пер. (Под ред.А. А.
Равделя) Л.: Химия, 1983.232 с.
.
Техника безопасности и охрана труда в производстве антибиотиков. Методическое
пособие разработанное на АО "Биосинтез".13.А. А. Пашаян, А.Л.
Осиновский, В.П. Гамазин. Очистка сточных вод, содержащих формальдегид.
Экология и промышленность России. Москва, октябрь, 2001г., с. 20-22.
.
Беккер М.Е. Введение в биотехнологию. - М.: "Пищевая промышденность",
1978.
.
Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических
веществ в окружающей среде, Л.: Химия 1987.
.
Воронин Е.С., Тихонов И.В., Грязнева Т.Н. и др. Основы биотехнологических
процессов.Ч. II. Промышленное культивирование микроорганизмов //
Учебно-методическое пособие по биотехнологии. - М.: МГАВ-МиБ, 2000.
.
Воронин Е.С., Тихонов И.В., Грязнева Т.Н. и др. Основы биотехнологических
процессов.Ч. III. Выделение, концентрирование и очистка биопреператов //
Учебно-методическое пособие по биотехнологии. - М.: МГАВ-МиБ, 2000.
.
Елинов Н.П. Основы биотехнологии. Для студентов институтов, аспирантов и
практических работников. Изд. фирма "Наука" СПБ 1995, 600 стр, 166
ил.
.
Иоффе И. Л." Проектирование процессов и аппаратов химической технологии
": Учебник для техникумов - Л: Химия, 1991 - 352 с., ил.
.
Ковалев В.Ф., Тихонов И.В., Симонова Н.И. Проектирование и оборудование
биотехнологических предприятий // Практикум по процессам и аппаратам
биотехнологии. - Ч.I. - М.: ВУ РХБЗ МО РФ, 2000.
21. Лощинский А.А., Толчинский А.Р. "Основы
конструирования и расчета химической аппаратуры", 1970 г.
22.
Машковский М. Д." Лекарственные средства". В двух томах. Т.2. -
Издание 13-е, новое - Харьков: Торсинг, 1998 - 592 с.
.
Навашин С.М., Бринберг С.Л., Былинкина Е.С., Кузовков А. Д., Майминд С.
И." Производство антибиотиков", Изд. "Медицина".
.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А. А." Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии ": Учебное пособие для вузов,
Издание 10-е, пер. и доп. Л: Химия, 1987.
25. Пассет Б.В., Воробьева В.Я. "Технология
химико-фармацевтических
препаратов", М.; Медицина, 1977 г.
26.
Соколов " Примеры и задачи по курсу: Процессы и аппараты".27.
Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, 28. A. M. Братковский и др.; Под.
ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М; Энергоатомиздат, 1991 г. - 1232 с.