Выполнила

1.3. Расчет дозатора для пеногасителя
Во избежание образования пены в ферментаторы вводят жидкие пеногасители в количестве 0,8-1,0 кг на 1 м³ среды. Предварительно пеногаситель стерилизуют в отдельном аппарате, из которого пеногаситель пропускают в сборник-дозатор. Одна установка может быть использована для пеногашения в 2-х ферментаторах. V_р 2-х ферментаторов = 50 м³, удельный расход пеногасителя в = 1 дм³/м³ за весь цикл роста τ = 24 ч. Пеногаситель готовят 1 раз в сутки.
Часовой расход масла на пеногашение:
V_м.ч = V_р · в/24 = 50 · 1/24 = 2,08 дм³/ч
Суточный расход масла на пеногашение:
V_м.сут = 24 · V_м.ч = 24 · 2,08 = 50 дм³ = 0,05 м³/сутки
Полный объем дозатора для пеногасителя принимаем из расчета вмещения в него суточной потребности при коэффициенте заполнения 0,8:
V_н = V_м.сут/0,8 = 50/0,8 = 62,5 дм³
Для стерилизации масла принимаем мерник стальной со змеевиком объемом 63 дм³.
Внутренний диаметр дозатора D_вн = 400 мм, высота его Н = 650 мм, днище сферическое, крышка съемная.
Стерилизация масла осуществляется путем его нагревания от t'_м = 15 ºС до t''_м = 130 ºС паром (р = 3 кгс/см² = 2,94 · 10⁵ Па) через змеевик из трубки диаметром 25/21 мм.
Количество тепла, затрачиваемое на стерилизацию суточной потребности пеногасителя (масла):
Q_м = 1,03 ·V_м.сут · ρ · с · (t''_м – t'_м) = 1,03 · 0,05 · 910 · 2,093 · (130 – 15) = 11300 кДж
где ρ – плотность масла, ρ = 910 кг/м³;
с – теплоемкость масла, с = 2093 Дж/(кг · К);
1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла стерилизации в окружающую среду.
Расход пара на стерилизацию масла:
G_п = Q_м = 11300 = 5,28 кг
(Ι_п –Ι_к) (2740 – 597)
где Ι_п – энтальпия насыщенного пара, при р = 3 кгс/см² Ι_п = 2740 кДж/кг;
Ι_к – энтальпия конденсата пара, при р = 3 кгс/см² Ι_к = 597 кДж/кг (9, стр. 549, табл. LVII).
Объемный расход пара на стерилизацию:
V_п = G_п · V' = 5,28 · 0,4718 = 2,48 м³
где V' – удельный объем пара, при р = 3 кгс/см² V' = 0,4718 м³/кг.
Коэффициентом теплопередачи от пара к маслу зададимся из табл. 2, К = 65 Вт/(м² · К).
S_ст – толщина стенки змеевика, S_ст = 0,002 м.
Поверхность нагрева змеевика определим по основной формуле теплопередачи:
F = Q = 6270 = 1,93 м²
(K · Δt_ср) (65 · 50)
где Q – количество тепла, передаваемого маслу от стенки змеевика при условии, что нагрев осуществляется в течение 0,5 ч.
Q = 11300 · 10³ = 6270 Вт.
0,5 · 3600
Средняя логарифмическая разность температур:
Δt_ср = (t_нас – t_м') – (t_нас – t_м'') = (142,9 – 15) – (142,9 – 130) = 50 ºС
2,3 · lg(t_нас – t_м') 2,3 · lg (142,9 – 15)
(t_нас – t_м'') (142,9 – 130)
где t_нас – температура конденсата пара при р = 3 кгс/см² t_нас = 142,9 ºС.
При диаметре трубок змеевика d = 0,025 м длина трубок змеевика:
L = F/(π · d) = 1,93/(3,14 · 0,025) = 24,6 м.
При диаметре змеевика D = 0,25 м число витков змеевика:
n = L/(π · D) = 24,6/(3,14 · 0,25) = 31,4 витка.
Принимаем n = 32 витка, тогда поверхность нагрева змеевика:
F = π · d · π · D · n = 3,14 · 0,025 · 3,14 · 0,25 · 32 = 2,05 м².
Простерилизованное масло охлаждают в течение 30 мин в самом стерилизаторе до 35 ˚С путем подачи в змеевики воды. Количество тепла, отводимое водой, с учетом потерь 3 % на излучение:
Q' = (100 – 3) · V_м.сут · ρ · c · (t_м'' – t₂)/100 = 97 · 0,05 · 910 · 2,03 · (130 – 35)/100 = 8780 кДж или
Q_сек' = 2 · Q'/3600 = 2 · 8780 · 10⁴/3600 = 4875 Вт.
Расход воды на охлаждение масла:
G_в = Q' = 8780 = 210 кг
(t₂-t₁) · с (25-15) · 4,186
где t₁ – температура воды на входе в змеевик, t₁ = 15 ºС ;
t₂ – температура на выходе их змеевика, t₂ = 25 ºС .
Коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей воде также принимаем 65 Вт/м² · К (табл. 2).
Средняя логарифмическая разность температур:
Δt_ср = (130 – 25) – (35 – 15) = 51º.
2,3 · lg(130-25)/(35-15)
Потребная поверхность для охлаждения пеногасителя в течение 0,5 ч:
F = Q_сек = 4875 = 1,47 м².
К · Δt_ср 65 · 51
Расчетная поверхность змеевика 2,05 м², обеспечивает также и охлаждение масла.
Рабочий объем ферментатораV_ф^р = 25 м³, высота слоя жидкости 5 м, V_в.уд = удельный расход воздуха 1 объем на 1 объем среды в минуту, или 60 объемов на 1 объем среды в час. Общий расход воздуха на рабочий объем ферментатора:
V_{в. общ} = 60 м³/ч · 25 = 1500 м³/ч = 25 м³/мин.
Выбирается ротационная воздуходувка ВР-АО-25/0,8. V_р = 25 м³/мин = 1500 м³/ч.
Давление в линии нагнетания 0,8 кгс/см².
При сжатии воздуха до избыточного давления 0,8 кгс/м² температура его повышается от 20 ºС на линии всасывания, до 110 ºС на выходе из воздуходувки. Перед подачей в ферментатор воздух требуется охладить до t = 30 ºС. Для охлаждения воздуха предварительно выбирают одноходовой кожухотрубный теплообменник ТН с неподвижными трубными решетками, рассчитанный на избыточное давление 6 кгс/см². Воздух проходит внутри трубок, вода – по межтрубному пространству. Параметры воздуха, поступающего в воздуходувку: р₁ = 1 кгс/см² (абс), t₁ = 20 ºС, ρ₁ = 1,12 кг/м³, φ₁ = 70 %, V_1р = 1500 м³/ч.
Параметры воздуха, выходящего из воздуходувки: р₂ = 1,8 кгс/см² (абс), t₂ = 110 ºС. Производительность воздуходувки по сжатому воздуху определим из выражения:
Р₁ · V₁ = Р₂ · V₂.
T₁ Т₂
Отсюда количество воздуха, выходящего из воздуходувки:
V₂ = (Р₁ · V₁) · Т₂ = 1 · 1500 · (273 +110) = 1060 м³/ч.
Т₁ Р₂ (273 +20) · 1,8
Плотность сжатого воздуха при выходе из воздуходувки:
Р₁ = Р₂ ;
ρ₁ · Т₁ ρ₂ · Т₂
ρ₂ = ρ₁ · Р₂ · Т₁ = 1,12 · 1,8 · (273 +20) = 1,54 кг/м³.
Р₁ Т₂ 1,0 (273 +110)
Количество тепла, отводимого от воздуха в холодильнике:
Q = V₂ · ρ₂ · с'₂ · (t₂ – t₁) = 1060 · 1,54 · 1018 · (110 – 30) = 36900 Вт
где с'₂ – мольная теплоемкость воздуха при 70 ˚С (9, стр. 528, табл. ХХVΙΙ); с'₂ = 29,2 кДж/кмоль · К. М_в – молекулярная масса воздуха, М_в = 29, с₂ = 29,2/29 = 1,018 кДж/кг.
Расход воды на охлаждение воздуха:
G_в = 0,99 · Q = 0,99 · 36900 = 0,874 кг/с
с · (t₂ – t₁) 4186 · (25 – 15)
где 0,99 – коэффициент, учитывающий потерю тепла в окружающую среду излучением;
с – теплоемкость воды, с = 4186 Дж/кг · К;
t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры охлаждающей воды.
Скорость воздуха в трубах:
w = V_ср = 975 = 6,45 м/с
3600 · F 3600 · 0,042
где F – площадь сечения трубок теплообменника, F = 0,042 м².
Объем воздуха при средней температуре 70 ºС:
V_ср = V₁' · р₁' · Т₂ = 1060 · (273 + 70) · 1,8 = 975 м²
Т₁ р₂ (273 +110) · 1,8
где V₁' – удельный объем воздуха перед теплообменником, V₁' = V₂ = 1060 м³/ч;
Т₂ – принята равной 273 + t_ср.
Коэффициент теплопередачи от воздуха к охлаждающей воде К принимаем 25 Вт/м² · К (табл. 2).
Определим среднюю логарифмическую разность температур сред в теплообменнике при противоточном движении:
Δt_ср = (110 – 25) – (30 – 15) = 40,6 ºС.
2,3 · lg(110 – 25)/(30 – 15)
Потребная поверхность теплообмена:
F = Q = 36900 = 36,4 м².
К · ∆t_ср 25 · 40,6
Принятый теплообменник ТН с теплообменной поверхностью 43 м² соответствует требованиям.
Воздух, подаваемый в систему аэрирования выращиваемой культуры плесневых грибов, подвергают обеспыливанию и очистке от микроорганизмов для обеспечения стерильности процесса.
Вначале воздух подвергают грубой очистке от взвесей в масляных металлических фильтрах. Фильтры хорошо очищают воздух при удельной производительности V_ф = 4000 м³ воздуха в час на м² рабочей площади.
Сопротивление масляных фильтров определяется по формуле:
n = 0,5 · δ · w^1,8 = 0,5 · 1 · 4^1,8 = 6 мм вод. ст. = 65 Па
где δ – толщина фильтра, δ = 1 см;
w – скорость воздуха перед входом в фильтр, w = 4 м/с.
Пусть начальная концентрация пыли в воздухе у_н = 4,1 мг/м³, коэффициент очистки воздуха масляными фильтрами ε достигает 80-90 %:
ε = (у_н - у_к) · 100 %,
у_н
где у_н и у_к – концентрация пыли в воздухе перед фильтром и после фильтра, мг/м³.
При ε = 85 % концентрация пыли в воздухе после фильтра у_к:
у_к = у_н – ε · у_н = 4,1 – 85 · 4,1 = 0,62 мг/м³
100 100
Продолжительность работы масляного фильтра определяется по таблице 3
Потребная поверхность фильтра для очистки воздуха:
F_ф = V_{в. общ.}/V_ф = 1500/4000 = 0,37 м²,
где V_{в. общ.} и V_ф – полная и удельная производительность фильтра в м³/ч и
м³/м² · ч соответственно, V_{в. общ.} = 1500 м³/ч.
После грубого обеспыливания в масляных фильтрах воздух для тонкой очистки от остатков пыли и бактерий пропускают через глубинные фильтры со стекловолокнистым фильтрующим материалом, совмещенные со слоями стекловолокна и чесаного хлопка, а также фильтры с тканью Петрянова и фторопластовыми материалами. Эти фильтры выбираются по таблицам (7, стр. 284; 4, стр. 117) в зависимости от необходимой производительности по воздуху.
Таблица 3
Продолжительность работы масляного фильтра при V_ф = 4000 м³/м² · ч

Начальное содержание пыли в воздухе, мг/м^3	Длительность работы, ч	Начальное содержание пыли в воздухе, мг/м^3	Длительность работы, ч
0,5		3,3
1,0		3,8
1,4		4,2
1,9		4,7
2,3		5,0

3.