Katarzyna Kadzewicz

Biotechnologia

Semestr IX

nr albumu:108204

• BIOREAKTORY-

• ZADANIE PROJEKTOWE

Politechnika Gdańska

• Katedra inżynierii chemicznej i bioprocesowej

GDAŃSK 2011

Treść zadania projektowego:

W wewnątrzobiegowym reaktorze airlift prowadzony jest proces natleniania wodnego roztworu o stężeniu C_L[% mas] i lepkości η_L [mPas].

Podstawowe wymiary reaktora:

• Wysokość kolumny wewnętrznej H_W = 1500 mm

• Wysokość kolumny zewnętrznej H_Z = 1800 mm

• Średnice kolumny wewnętrznej d_W/d_Z = 42/51 mm

• Średnice kolumny zewnętrznej D_W/D_Z = 72/80 mm

• Wysokość zamontowania kolumny wewnętrznej h = 40 mm

W każdej ze stref reaktora na wysokości h₁ = 130 mm nad dnem reaktora zamontowana jest rurka manometryczna. Wysokości cieczy w rurkach manometrycznych wynoszą: w strefie opadania h_D [mm], w strefie wznoszenia h_R [mm]. Wysokość słupa cieczy nienapowietrzanej w reaktorze wynosi H_P [mm], wysokość dyspersji gaz- ciecz jest równa H_C [mm].

Reaktor pracuje w sposób periodyczny. Objętościowe natężenie przepływu powietrza wynosi V_G [dm³/h]. Napowietrzana jest kolumna wewnętrzna (Z). Podczas napowietrzania rejestrowana jest metodą znacznikową krzywa czasów przebywania. Konduktometryczny czujnik, rejestrujący zmiany stężenia znacznika w dyspersji zamontowany jest w ścianie kolumny zewnętrznej na wysokości h₂ =520 mm. Zmiany stężenia tlenu rozpuszczonego w cieczy rejestrowane są czujnikiem amperometrycznym tlenu, umieszczonym w ścianie kolumny zewnętrznej na wysokości h₃ =780 mm.

Na podstawie danych projektowych należy wyznaczyć:

• Prędkość pozorną gazu w strefie wznoszenia u_G [m/s]

• Prędkość masową gazu w_G [kg/m²s]

• Stopień zatrzymania gazu w strefie wznoszenia ε_GR i opadania ε_GD

• Średni w reaktorze stopień zatrzymania gazu ε_G

• Średnią prędkość cyrkulacji cieczy u_L [m/s]

• Prędkość cyrkulacji cieczy w strefie wznoszenia u_LR [m/s]

• Objętościowe natężenie przepływu cieczy w strefie wznoszenia V_L [m³/s]

• Czas cyrkulacji cieczy t_C [s]

• Czas mieszania t_m [s]

• Współczynnik dyspersji wzdłużnej D_L

• Objętościowy współczynnik wnikania tlenu k_La [1/s]

• Wpływ prędkości przepływu gazu na objętościowy współczynniki wnikania tlenu

Dane projektowe:

Nr	ηL	VG	HP	HC	hD	hR	kLa	Strefa napowietrzana	Wariant obliczeń
67	3,2	403	1560	1556	1393	1350	0,0331	W	E
										364,5					0,0300
										311					0,0278
										280					0,0249
										234					0,0220
										195,5					0,0193
										142					0,0121

Dane	Rozwiązanie	Wynik
dw=0,042 m VG=403 dm^3/h VG=364,5 dm^3/h VG=311 dm^3/h VG=280 dm^3/h VG=234 dm^3/h VG=195,5 dm^3/h VG=142 dm^3/h ρpow=1,205 kg/m^3 Dw=0,072 m dz=0,051 m dw=0,042 m Hc=1556 mm hR=1350 mm Hc=1556 mm hR=1393 mm dw=0,042 m Dw=0,072 m dz=0,051 m Hw=1,5 m Hc=1,556 m h1=0,13 m h=0,04 m dz=0,051 m Dw=0,072 m mm mm mm mm mm mm mm mm mm Swzn=1,38	Prędkość pozorna gazu strefie wznoszenia 403 dm^3/h= Swzn= Swzn= = 1,38 364,5 dm^3/h= 311 dm^3/h= 280 dm^3/h= 234 dm^3/h= 195,5 dm^3/h= 142 dm^3/h= Prędkość masowa gazu Strefa opadania m^2 Strefa wznoszenia m^2 Stopień zatrzymania gazu w strefie wznoszenia Stopień zatrzymania gazu w strefie opadania Średni stopień zatrzymania gazu w reaktorze m^3 m^3 Czas mieszania Obliczenia na podstawie krzywej czasu przebywania znacznika w reaktorze (wykres 1) 15 mm na wykresie odpowiada 60 s 15-60s 52-tm s Czas cyrkulacji 15 mm na wykresie odpowiada 60 s 15-60 7-tc s Średnia prędkość cyrkulacji cieczy Współczynnik dyspersji wzdłużnej C∞= 16 mm Wartości odczytane z wykresu 1 mm Bo zostaje obliczone na podstawie interpolacji wartości z tabeli 1 tR=1,5 mm tR=2 mm tR=2,5 mm tR=3,0 mm tR=3,5 mm tR=4,0 mm tR=4,5 mm tR=5,0 mm 1,0312 tR=5,5 mm Prędkość cieczy w strefie wznoszenia Objętościowe natężenie przepływu cieczy w strefie wznoszenia i opadanie jest stałe. m^3 Wpływ prędkości przepływu gazu na objętościowy współczynnik wnikania tlenu y = ax + b kLa uG log(kLa) log(uG) (x-xśr)*(y-yśr) (x-xśr)^2 0,0331 0,0811 -1,4802 -1,0910 0,0291 0,0349 0,0300 0,0734 -1,5229 -1,1343 0,0162 0,0206 0,0278 0,0630 -1,5560 -1,2007 0,0062 0,0059 0,0249 0,0570 -1,6038 -1,2441 0,0011 0,0011 0,0220 0,0470 -1,6576 -1,3279 0,0011 0,0025 0,0193 0,0390 -1,7144 -1,4089 0,0103 0,0172 0,0121 0,0290 -1,9172 -1,5376 0,0731 0,0675 średnia -1,6360 -1,2778 0,0844 0,1498 A= 0,5637 b= -0,9157 y=0,5637x-0,9157 B= 0,1214 Zależność Zależność Objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy Na podstawie wyników pomiaru zależności sygnału czujnika od czsu sporządzono wykres 2. C*=7,9 mV Równowagowa wartość sygnału C* obliczona została jako średnia arytmetyczna ostatnich 40 wyników pomiarów 0,75C*=5,925 mV Następnie wykonano wykres 3dla wartości uzyskanych punktów pomiarowych dla wartości sygnau C<0,75C* Wartość zostały policzone dla całego zakresu Ci za pomocą programu Excel. czas,s ln((c*-ci)/c*) czas,s ln((c*-ci)/c*) 0 0,00 33 -0,50 1,5 -0,01 34,5 -0,54 3 -0,03 36 -0,54 4,5 -0,03 37,5 -0,63 6 -0,04 39 -0,66 7,5 -0,07 40,5 -0,63 9 -0,09 42 -0,68 10,5 -0,12 43,5 -0,71 12 -0,15 45 -0,73 13,5 -0,18 46,5 -0,79 15 -0,19 48 -0,79 16,5 -0,21 49,5 -0,84 18 -0,24 51 -0,87 19,5 -0,29 52,5 -0,87 21 -0,29 54 -0,93 22,5 -0,29 55,5 -0,97 24 -0,31 57 -1,00 25,5 -0,34 58,5 -0,97 27 -0,38 60 -0,97 28,5 -0,44 61,5 -1,04 30 -0,48 63 -1,11 31,5 -0,48 64,5 -1,19 y=mx y=-0,0165x m=-0,0165 kLa=0,0165	Swzn=1,38 m^2 m^2 s s L=3,258 m kLa=0,0165

Spis symboli

Bo	liczba Bodensteina [-]
c∞	stężenie roztworu po czasie tm [mm]
ci	wartośc sygnału w czasie ti [mm]
cL	stężenie wodnego roztworu sacharozy [% mas]
cR	stężenie zredukowane [-]
dw	średnica wewnętrzna kolumny wewnętrznej [mm]
Dw	średnica wewnętrzna kolumny zewnętrznej [mm]
Dx	współczynnik dyspersji wzdłużnej [m^2/s]
dz	średnia zewnętrzna kolumny wewnętrznej [mm]
Dz	średnica zewnętrzna kolumny zewnętrznej [mm]
G	średni w reaktorze stopień zatrzymania gazu [-]
GD	stopień zatrzymania gazu w strefie opadania [-]
GR	stopień zatrzymania gazu w strefie wznoszenia [-]
h	wysokość zamontowania kolumny zewnętrznej
h1	wysokość zamontowania rurek manometrycznych liczona od dna reaktora [mm]
h2	wysokość zamontowania konduktometrycznego czujnika w ścianie kolumny zewnętrznej [mm]
h3	wysokość zamontowania czujnika amperometrycznego tlenu w ścianie kolumny zewnętrznej [mm]
HC	wysokość dyspersji gaz-ciecz [mm]
hop	wysokość cieczy w rurce manometrycznej w strefie opadania [mm]
HP	wysokość słupa cieczy nienapowietrzanej w reaktorze [mm]
Hwzn	wysokość cieczy w rurce manometrycznej w strefie wznoszenia [mm]
Hw	wysokośc kolumny wewnętrznej [mm]
Hz	wyzokośc kolumny zewnętrznej [mm]
kLa	objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy [l/s]
L	długośc pętli cyrkulacyjnej [m]
Sop	pole powierzchnii strefy opadania [m^2]
Swzn	pole powierzchnii strefy wznoszenia [m^2]
tC	czas cyrkulacji cieczy [s]
tm	czas mieszania [s]
tR	czas zredukowany [-]
uG	prędkość pozorna gazu w strefie wznoszenia [m/s]
uL	średnia prędkość cyrkulacji cieczy [m/s]
uLR	prędkość cyrkulacji cieczy w strefie wznoszenia [m/s]
VD	objętośc strefy opadania [m^3]
VG	objętościowe natężenie przepływu powietrza [dm^3/h]
VL	objętościowe natężenie przepływu cieczy w strefie wznoszenia [m^3/s]
Vwzn	objętośc strefy wznoszenia [m^3]
wG	prędkość masowa gazu [kg/m^2s]
C*	sygnał czujnika dla stężenia równowagowego [mV]
Ci	sygnał czujnika dla czasu ti [mV]
ηL	lepkośc wodnego roztworu sacharozy [Pas]
ρpow	gęstośc powietrza [kg/m^3]

Spis treści

Treść zadania oraz dane projektowe 1

Schemat bioreaktora 2

Obliczenia 3

Prędkość pozorna gazu w strefie wznoszenia 3

Natężenie masowe gazu w strefie wznoszenia 3

Stopień zatrzymania gazu w strefie wznoszenia 5

Stopień zatrzymania gazu w strefie opadania 5

Średni w reaktorze stopień zatrzymania gazu 6

Czas cyrkulacji cieczy 6

Czas mieszania 6

Średnia prędkość cyrkulacji cieczy 7

Współczynnik dyspersji wzdłużnej 7

Prędkość cieczy w strefie wznoszenia 10

Objętościowe natężenie przepływu cieczy 10

Wpływ prędkości przepływu gazu na objętościowy współczynnik wnikania tlenu 10

Objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy 12

Wykresy

Wykres 1 14

Wykres 2 15

Wykres 3 16

Spis symboli 17

Spis treści 18

5

---