Ewelina Kołodziej

Krystian Gałęcki

Ochrona środowiska

Grupa III

Rok studiów 2007/2008

Projekt 4:

Instalacja do sterylizacji ciągłej podłoża

fermentacyjnego do produkcji antybiotyków

Projekt wykonano pod kierunkiem

Dr inż. Pawła Stolarka

Wydział Inżynierii Procesowej

I Ochrony Środowiska

Politechniki Łódzkiej

Łódź 2007/8

Projekt 4:

Instalacja do sterylizacji ciągłej podłoża fermentacyjnego do produkcji antybiotyków

Treść projektu

Obliczyć podstawowe parametry elementów instalacji ciągłej sterylizacji podłoża fermentacyjnego stanowiącej fragment ciągu produkcyjnego antybiotyków. Schemat instalacji przedstawiono na rysunku 1.

Opis instalacji

Podłoże fermentacyjne przygotowane jest w mieszalniku M-1, gdzie zestawia się jego skład z substratów. Jednolite wymieszanie składników zapewnia mieszadło propelerowe (śrubowe). Po wymieszaniu substratów podłoże przesyłane jest pompą P-2 do płytowego wymiennika ciepła WC-3 gdzie podgrzewane jest parą nasyconą o ciśnieniu absolutnym p do temperatury sterylizacji t_s. W zaizolowanym przytrzymywaczu (R-3) składającym się z rur metrowej długości połączonych kolankami 180^o o promieniu R równe 3d następuje sterylizacja w czasie τ_s po czym brzeczka schładzana jest wodą do temperatury t_f w płytowym wymienniku ciepła WC-4 i przepływa dalej rurociągiem R-4 do sterylnego fermentora F-5

Układ zaopatrzony jest w system sterowanych zaworów zapewniających poprawną pracę instalacji. Temperatura sterylizacji utrzymywana jest regulatorem I-2 na właściwym poziomie poprzez zawór Z-7 doprowadzający parę do płytowego wymiennika ciepła WC-3. Regulator I-4 utrzymuje wymaganą temperaturę końcową schładzanej brzeczki poprzez zawór regulacyjny Z-15 sterujący dopływem zimnej wody do płytowego wymiennika ciepła WC-4. W przypadku awaryjnego spadku temperatury w przetwarzaczu poniżej wymaganej t_s regulator I-3 przełącza zawór trójdrożny Z-5 i brzeczka kierowana jest z powrotem do mieszalnika M-1. Zapobiega to zakażeniu sterylnej brzeczki w fermentorze F-5. Aby nie doprowadzić do wrzenia brzeczki w rurociągu tłocznym i w wymiennikach ciepła regulator I-3 utrzymuje poprzez zawór Z-4 ciśnienie zależne od temperatury sterylizacji. Przepływ na właściwym poziomie (czas przebywania w przytrzymywaczu) zapewnia regulator I-1 sterujący napędem pompy P-2

Zadania projektu

1. Obliczyć gabaryty mieszalnika, w którym przygotowana jest brzeczka fermentacyjna. Proporcje podano na rysunku 2. Wykonać w skali rysunek zbiornika zgodnie z otrzymanymi na podstawie obliczeń wymiarami

2. Obliczyć moc silnika napędzającego mieszadło w mieszalniku M-1

3. Obliczyć długość przytrzymywacza rurowego i zaproponować konfiguracje geometryczną rur

4. Wykonać obliczenia wymienników ciepła WC-3 i WC-4 w zakresie:

1. Obliczyć powierzchnie wymiany ciepła

2. Obliczyć ilość płyt w wymiennikach

3. Obliczyć ilość kanałów i pakietów w obu wymiennikach po stronie produktów.

4. Obliczyć spadki ciśnienia na obu wymiennikach ciepła od strony produktu (podłoża)

5. Obliczyć zapotrzebowanie pary grzejnej w wymienniku WC-3

6. Obliczyć zapotrzebowanie wody chłodzącej w wymienniku WC-4

5. Podać wymagane parametry P-2, którą należy zastosować do przetłaczania podłoża.

W tym celu należy:

1. Obliczyć spadki ciśnienia w części ssawnej - rurociąg R-1

2. Obliczyć spadki ciśnienia w części tłocznej - rurociąg R-2 i R-4

3. Obliczyć całkowite nadciśnienie, jakie może wytworzyć pompa, aby przetłoczyć podłoże w określonym czasie. W tym celu zsumować spadki ciśnienia na rurociągach w części tłocznej i ssawnej, na wymiennikach ciepła, uwzględnić nadciśnienie związane z podnoszeniem cieczy na wysokość H. Uwzględnić nadciśnienie zapobiegające wrzeniu produktu (podłoże) w rurociągu tłocznym.

4. Obliczyć wydajność, wysokość podnoszenia (w m H₂O) i moc silnika do napędu pompy

DANE PROJEKTU Nr 36

1.1	Objętość płynu do przetłoczenia	V	m^3	37
1.2	Czas napełniania zbiornika	τ	min	60
1.3	Przewyższenie króćca wlotowego do fermentora	H	M	4
1.4	Temperatura pożywki w mieszalniku M-1	tm	^oC	30
1.5	Temperatura sterylizacji	ts	^oC	133
1.6	Początkowa liczba drobnoustrojów w podłożu	No	jedn/m^2	1,00E+13
1.7	Pożądany stopień wyjałowienia	Nk	jedn/m^3	1,00E-06
1.8	Energia aktywacji drobnoustrojów	E	J/mol	2,730E+05
1.9	Czynnik przedwykładniczy w r-niu Arrheniusa	k0	1/s	1,320E+36
1.10	Powierzchnie wymiany ciepła 1 płyty	Ap	m^2	0,367
1.11	Przekrój poprzeczny powierzchni międzypłytowej	F	m^2	1,45E-03
1.12	Średnica zastępcza kanału wymiennika ciepła	de	m	8,60E-03
1.13	Zastępcza długość kanału w wymienniku	Ie	m	1,15
1.14	Współczynnik przenikania ciepła w wymienniku WC-3	kWC3	kW/m^2K	3,9
1.15	Współczynnik przenikania ciepła w wymienniku WC-4	kWC4	kW/m^2K	2,18
1.16	Temperatura w mieszalniku i rurociągach przesyłowych	t	^oC	30

Wytyczne i uwagi do projektu.

3. Wymiary zbiornika obliczyć na podstawie zależności geometrycznych przedstawionych na rysunku i danej objętości podłoża.

4. Moc silnika napędzającego mieszadło propylowe obliczyć ze wzoru doświadczalnego:

[kW] [1]

gdzie:

d_m - średnica mieszadła [m]

n - obroty mieszadła [obr/s]

ρ - gęstość cieczy [kg/m³]

η - lepkość dynamiczna cieczy [Pa·s]

Średnicę mieszadła przyjąć z zakresu:

[2]

D_zb - średnica mieszadła

Obroty mieszadła z zakresu

obr/s [3]

Współczynnik A z zakresu

[4]

na podstawie:

• H. Popko, Maszyny przemysłu spożywczego-przemysł, Wydawnictwo Uczelniane, Politechnika Lubelska, 1982

• H. Błasiński, K.W. Pyć, E. Rzyski, Maszyny i aparatura technologiczna przemysłu spożywczego, Łódź 2001

1. Średnice i prędkości cieczy w rurociągach

Założyć prędkość cieczy w rurociągu ssawnym z zakresu u_s=0,5÷1,5 m/s, w rurociągu tłocznym u_t=1,5÷3 m/s

Obliczyć średnice rurociągów dla założonych prędkości i otrzymanego wcześniej objętościowego natężenia przetłaczania cieczy wykorzystując równanie ciągłości strugi:

[5]

Dobrać znormalizowane (DN) średnice rurociągów - najbliższe wartości obliczonej i dla dobranych średnic znormalizowanych ponownie obliczyć prędkości rzeczywiste cieczy w rurociągu tłocznym i ssawnym.

6. Obliczanie gabarytów przetrzymywacza

Destrukcja termiczna większości mikroorganizmów zachodzi zgodnie z równaniem reakcji pierwszego rzędu:

[6]

stała szybkości reakcji k jest opisana równaniem Arrheniusa

[7]

gdzie:

E - energia aktywacji [J/mol]

k₀ - czynnik przedwykładniczy [1/s]

R - uniwersalna stała gazowa [J/mol·K]

T - temperatura [K]

N - liczba mikroorganizmów w jednostce objętości [jedn/m³]

τ - czas [s]

po podstawieniu równania 7 do 6 i rozdzieleniu zmiennych otrzymamy:

[8]

Całkując wzór 8 po zmianie granic całkowania (-znak minus)

[9]

otrzymamy zależność na czas sterylizacji τ_s

Długość przetrzymywacza L (rurociąg R-3) obliczamy z równania ciągłości strugi [10] dla rurociągu o średnicy d_t i prędkości przepływu cieczy u_t

[10]

[11]

Uwaga:

gdyby długość przetrzymywacza wyszła zbyt duża (np powyżej 30 m) przyjąć większą średnicę rurociągu (znormalizowaną).

Przetrzymywacz składa się z odcinków prostych o długości 1 m połączonych łukami 180^o o promieniu R=3·d_t. Narysować konfigurację geometryczną przetrzymywacza - ustalić ilość prostych odcinków i ilość kolanek

7. Spadek ciśnienia na przytrzymywaczu policzyć z równania

[12]

gdzie:

λ_t - współczynnik oporów tarcia rurociągu - policzyć z wzorów zależnych od charakteru ruchu płynu

L_R3 - długość przytrzymywacza

n_ł - ilość kolanek 180^o

ξ_ł - Opól lokalny kolanka 180^o (policzyć ze wzoru 13)

[13]

ά - kąt zakrzywienia kolanka (180^o)

d - średnica rurociągu (d_t)

R - promień kolanka (R=3d dla warunków projektu)

8. Płytowy wymiennik ciepła WC3

Obliczenia płytowego wymiennika ciepła przedstawiono w skrypcie:

A.Heim, J.Kochański, W.K. Pyć, E. Rzyski Projektowanie aparatury przemysłu chemicznego i spożywczego, Politechnika Łódzka, 1997

Własności fizykochemiczne potrzebne do obliczeń przyjąć w temperaturze średniej (średnia arytmetyczna między temperaturą wlotową i wylotową) czynnika, dla którego dokonuje się obliczeń (podłoża).

Zapotrzebowanie ciepła w wymienniku WC3 obliczam ze wzoru:

[kW] [14]

gdzie:

W - masowe natężenie przepływu podłoża (masowa wydajność pompy) [kg/s]

c_śr - ciepło właściwe podłoża (przyjąć jak dla wody) w temperaturze średniej między wlotem a wylotem [kJ/kg·K]

t_s - temperatura wylotowa z wymiennika (temperatura sterylizacji)

t_m - temperatura wlotowa do wymiennika (temperatura w rurociągu doprowadzającym R-2 - jak w mieszalniku M-1 - 30^oC)

Aby odebrać od czynnika grzejnego (w tym przypadku pary nasyconej) ilość ciepła Q

wymiennik musi mieć określoną powierzchnię wymiany ciepła A, zależną od:

• współczynnika przenikania ciepła k, który jest miara intensywności wymiany ciepła między czynnikiem grzejnym i ogrzewanym,

• średniej różnicy temperatury (siły napędowej) Δt_m między tymi czynnikami. Ta zależność opisana jest równaniem:

[15]

Aby obliczyć powierzchnię wymiany ciepła w wymienniku z zależności [15] należy najpierw obliczyć średnią różnicę temperatur Δt_m między czynnikami (grzejnym i ogrzewanym).

7

---