Выполнила

6.1. Расчет барабанного вакуум-фильтра
Задание: Рассчитать и подобрать по каталогу барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью для фильтрования дрожжевой суспензии при следующих условиях:
Производительность фильтра по осадку G_ос = 2,78 кг/с;
Влажность осадка W = 40 % по массе;
Содержание твердой фазы в суспензии х_c = 20 % (по массе);
Перепад давления при фильтровании и промывке Δр = 80 кПа;
Удельное сопротивление осадка r_о = 5 · 10¹⁰ Па · с/м²;
Сопротивление фильтрующей перегородки R_п = 1 · 10⁶ Па · c/м²;
Динамические коэффициент вязкости фильтрата μ_ф = 0,9 · 10^-3 Па · с;
Таблица 5
Рекомендации по выбору фильтров

Фактор, определяющий выбор фильтра	Тип фильтров
периодического действия	Барабанный, непрерывного действия	Дисковый, непрерывного действия	Ленточный, непрерывного действия	Тарельчатый	Мембранный
Нутч-фильтр	Мешочный	Листовой	Фильтр-пресс
Концентрация подаваемой суспензии, %: до 0,5 до 1 до 15 свыше 15	2, 3	2, 3	1, 2 3, 4	2, 3	― ―	― ―	― ―	― ―	― ―
Возможность получения чистого фильтрата
Возможность промывки осадка						―
Возможность изготовления фильтра из кислотостойкой стали									―
Возможность гуммирования поверхностей отдельных узлов фильтра

Примечание: 1 – лучшие технико-экономические показатели; 2 – хорошие; 3 – удовлетворительные; 4 – низкие технико-экономические показатели; прочерки означают, что для данной цели фильтр применять не следует.
Плотность твердой фазы ρ_т = 2500 кг/м³;
Плотность жидкой фазы ρ_ж = 1000 кг/м³;
Динамические коэффициент вязкости промывной жидкости (воды при температуре 20 ºС) μ_пр = 1 · 10^-3 Па · с;
Удельный расход промывной жидкости m = 3,6 кг/кг осадка;
Угол зоны фильтрования φ_ф = 135º;
Частота вращения барабана n = 0,5 об/мин.
Решение: Производительность фильтра по суспензии определяют по формуле:
G_c = G_ос · х_ос/х_с = 2,78 · (1 – 0,4)/0,2 = 8,34 кг/с
Содержание твердых веществ в суспензии:
G_т = G_с · х_с = 8,34 · 0,2 = 1,668 кг/с
Содержание жидкой фазы (суспензии):
G_жс = G_с – G_т = 8,34 – 1,668 = 6,672 кг/с
Производительность фильтра по фильтрату:
G_ф = G_с – G_ос = 8,34 – 2,78 = 5,56 кг/с
Содержание жидкой фазы в осадке:
G_жо = G_ос – G_т = 2,78 – 1,668 = 1,112 кг/с
Плотность осадка:
ρ_ос = 100 · ρ_т · ρ_ж = 100 · 2500 · 1000 = 1562,5 кг/м³
100 · ρ_ж + (ρ_т – ρ_ж) · W 100 · 1000 + (2500 – 1000) · 0,4
Плотность суспензии определяем по формуле:
1 = х_с + (1 – х_с),
ρ_с ρ_т ρ_ж
где х_с – массовая доля твердой фазы в суспензии;
ρ_т – плотность твердой фазы;
ρ_ж – плотность жидкой фазы.
ρ_с = 1 = 1 = 1136,4 кг/м³
х_с/ρ_т + (1 – х_с)/ρ_ж 0,2/2500 + (1 – 0,2)/1000
Объем осадка:
V_ос = G_ос = 2,78 = 0,0018 м³/с
ρ_ос 1562,5
Объем фильтрата:
V_ф = G_ф = 5,56 = 0,0049 м³/с
ρ_с 1136,4
Соотношение объемов осадка и фильтрата:
u = V_ос = 0,0018 = 0,37
V_ф 0,0049
Длительность периода фильтрования:
τ_ф = φ_ф = 135 = 45 с
(6 · n) (6 · 0,5)
Производительность фильтра по фильтрату за один оборот:
V = V_ф = 0,0049 = 0,6 м³ фильтрата за один оборот,
n 0,0083
где n – частота вращения барабана, n = 0,5 об/мин = 0,0083 об/сек.
Т.к. отношение удельных сопротивлений осадка и фильтрующей перегородки r/R_п > 10³, то необходимую площадь поверхности фильтрования определяют по формуле:
V = F · √ 2 · ∆р · τ_ф , откуда
μ_ф · r_о · u
F = V/√ 2 · ∆р · τ_ф = 0,6/√ 2 · 80000 · 45 = 30,4 м²
μ_ф · r_о · u 0,9 · 10^-3 · 5 · 10¹⁰ · 0,37
В соответствии с расчетом принимаем 2 барабанных факуум-фильтра БОУ 20-2,6 с F_ф = 20 м², D_бар = 2,6 м, L_бар = 2,7 м, угол погружения барабана в суспензию 149˚, угол зоны фильтрования φ_ф = 132º, угол зоны предварительной сушки осадка φ_с1 = 59,5º, угол зоны промывки и окончательной сушки осадка φ_пр+φ_с2 = 103º, угол зоны отдувки перед снятием осадка φ_о = 20º, число ячеек барабана 14.
Толщина слоя осадка определяется из соотношения:
δ = V_ос = 0,0009 = 0,0054 м
F_ф · n 20 · 0,0083
где V_ос – объем осадка одного фильтра, V_ос = 0,0018/2 = 0,0009 м³/с;
F_ф – площадь поверхности фильтрования, F = 20 м;
n – частота вращения барабана, n = 0,5 об/мин = 0,0083 об/сек.
Скорость фильтрования определяется по формуле:
W_кон = Δр = 80000 = 2,2 · 10^-4 м³фильтрата/м² фильтра
2 · r_о · u · τ_ф 2 · 5 · 10¹⁰ · 0,37 · 45
Скорость промывки осадка:
W_пр = W_кон · μ_ф = 2,2 · 10^-4 · 0,9 · 10^-3 = 1,98 · 10^-4 м³ воды/м² фильтра · с
μ_пр 1 · 10^-3
Расход промывной воды:
G_Fпр = m · G_ос = 3,6 · 2,78 = 10 кг/с
где m – удельный расход воды на промывку осадка, 3,6 кг воды/ кг осадка (по заданию).
При производстве препаратов с невысоким содержанием целевых компонентов процессы концентрирования осуществляются в основном без отделения биомассы путем упаривания и сушки ферментационных сред. В биотехнологии широкое распространение получили отечественные и зарубежные трубчатые вакуум-выпарные аппараты. Выпаривание сред может производиться в однокорпусных и многокорпусных выпарных установках.
В однокорпусную установку входит один выпарной аппарат. В этих установках тепло, затрачиваемое на выпаривание, используется однократно или многократно при использовании тепловых насосов. При однократном использовании тепла на 1 кг выпаренной воды расходуется около 1 кг греющего пара.
В многокорпусных вакуум-выпарных аппаратах происходит многократное упаривание среды, поступающей последовательно из одного аппарата в другой. При этом для нагрева среды в первом корпусе используется свежий пар, а в последующем – вторичный пар первого корпуса и т.д. Для создания разности температур между греющим вторичным паром и нагреваемой средой в последующем корпусе создается пониженное давление, соответствующее температуре кипения среды.
Однокорпусная или многокорпусная выпарная установка включает один или несколько выпарных аппаратов, поверхностный или барометрический конденсатор, вакуум-насос или эжектор для отсоса газов, устройства и насосы для отвода конденсата из нагревательных камер, насосы для подачи исходной среды, емкости для кратковременного хранения исходной среды и концентрата. Расход пара на выпаривание 1 кг воды в двухкорпусной установке 0,6 – 0,7 кг, в 3-х корпусной – 0,4 – 0,5 кг.