Gdańsk, 13.11.12r.

POLITECHNIKA GDAŃSKA

KATEDRA INŻYNIERI CHEMICZNEJ I BIOPROCESOWEJ

BIOREAKTORY

ZADANIE PROJEKTOWE

Wykonanie: Biotechnologia, sem VII, BM
Alicja Krasuń
Ilona Kulińska

1. TREŚĆ ZADANIA PROJEKTOWEGO

Proces napowietrzania wodnego roztworu o stężeniu C_L [% mas] i lepkości η_L [mPas] prowadzony jest:

w wewnątrzobiegowym reaktorze airlift. 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]. Wysokości h_D , h_R, H_C mierzone są od poziomu zamontowania rurek manometrycznych, H_P mierzona jest od dna reaktora.

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

• stopień zatrzymania gazu w strefie opadania ε_GD

• średni w reaktorze stopień zatrzymania gazu ε_G

• czas cyrkulacji cieczy t_C [s]

• czas mieszania t_m [s]

• średnią prędkość cyrkulacji cieczy u_L [m/s]

• współczynnik dyspersji wzdłużnej D_L [m²/s]

• objętościowe natężenie przepływu cieczy V_L[m³/s]

• prędkość cieczy w strefie wznoszenia u_LR [m/s]

• objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy k_La [1/s]

• wpływ współczynnika lepkości dynamicznej cieczy na objętościowy współczynnik wnikania tlenu.

1. DANE POCZĄTKOWE:

Nr	VG	ŊL	HP	Hc	hD	hR	kLa	Strefa napowietrzania	Wariant obliczeń
42	184		1605	1513	1505	1501		W	F
3		1,1					0,0485
		2,1					0,038
		8					0,0242
		22,5					0,0120
		33					0,0105
		49,08					0,0073

1. OBLICZENIA

Dane	Obliczenia	Wynik
dw=0,042m VG= 184 dm^3/h	Prędkość pozorna gazu w strefie wznoszenia.	Swzn = 1, 385 • 10^−3m^2 $$u_{G} = 0,037\frac{m}{s}$$
	184 dm^3/h= VG = uG • Swzn => $u_{G} = \frac{V_{G}}{S_{\text{wzn}}}$ $$S_{\text{wzn}} = \frac{\pi}{4}d_{w}^{2}$$ $$S_{\text{wzn}} = \frac{\pi}{4}{(0,042m)}^{2} = 1,385 \bullet 10^{- 3}m^{2}$$ $$u_{G} = \frac{5,11 \bullet 10^{- 5}\frac{m^{3}}{s}}{1,385 \bullet 10^{- 3}m^{2}} = 0,037\frac{m}{s}$$
$$V_{G} = 5,11 \times 10^{- 5}\frac{m^{3}}{s}$$ Swzn = 1, 385 • 10^−3m^2 Dw= 0,072m dz= 0,051m	Prędkość masowa gazu.	$$w_{G1} = 0,0445\frac{\text{kg}}{m^{2}s}$$ $$w_{G2} = 0,0081\frac{\text{kg}}{m^{2}s}$$
	w strefie wznoszenia: W = VG • ρ $$W = 5,11 \bullet 10^{- 5}\frac{m^{3}}{s} \bullet 1,205\frac{\text{kg}}{m^{3}} = 6,16 \bullet 10^{- 5}\frac{\text{kg}}{s}$$ $$w_{G1} = \frac{W}{S_{\text{wzn}}}$$ $$w_{G1} = \frac{6,16 \bullet 10^{- 5\ }\frac{\text{kg}}{s}}{1,385 \bullet 10^{- 3}m^{2}} = 0,0445\frac{\text{kg}}{m^{2}s}$$ w strefie opadania: $$w_{G2} = \frac{W}{S_{\text{op}}}$$ $$w_{G2} = \frac{W}{S_{\text{op}}} = \frac{W \bullet 4}{\pi \bullet (D_{w}^{2} - d_{z}^{2})}$$ $$w_{G2} = \frac{6,16 \bullet 10^{- 5}\frac{\text{kg}}{s} \bullet 4}{\pi \bullet ({0,072m}^{2} - {0,051m}^{2})} = 0,0081\frac{\text{kg}}{m^{2}s}$$

HC= 1513mm hR= 1501mm	Stopień zatrzymania gazu w strefie wznoszenia.	εGR = 0, 0079
	$$\varepsilon_{\text{GR}} = \frac{H_{C} - h_{R}}{H_{C}}$$ $$\varepsilon_{\text{GR}} = \frac{1513 - 1501}{1513} = 0,0079\ \lbrack - \rbrack$$
HC= 1513mm hD= 1505mm	Stopień zatrzymania gazu w strefie opadania.	εGD = 0, 0053
	$$\varepsilon_{\text{GD}} = \frac{H_{C} - h_{D}}{H_{C}}$$ $$\varepsilon_{\text{GD}} = \frac{1513 - 1505}{1513} = 0,0053\ \lbrack - \rbrack$$
Hw= 1,5 m Swzn = 1, 385 • 10^−3m^2 Dw= 0,072m dz= 0,051m εGR = 0, 0079 εGD = 0, 0053	Średni w reaktorze stopień zatrzymania gazu.	εG = 6, 36 • 10^−3
	$$\varepsilon_{G} = \frac{\varepsilon_{\text{GR}} \bullet v_{R} - \varepsilon_{\text{GD}} \bullet v_{D}}{v_{R} + v_{D}}$$ vR = Hw • Swzn vR = 1, 5m • 1, 385 • 10^−3m^2 = 2, 077 • 10^−3m^3 $$v_{D} = H_{w} \bullet S_{\text{op}} = \frac{H_{w} \bullet \pi \bullet (D_{w}^{2} - d_{z}^{2})}{4}$$ $$v_{D} = \frac{1,5m \bullet \pi \bullet ({0,072m}^{2} - {0,051m}^{2})}{4} = {3,04 \bullet 10}^{- 3}m^{3}$$ $$\varepsilon_{G} = \frac{0,0079 \bullet {2,077 \bullet 10}^{- 3}m^{3} + 0,0053\ \bullet {3,04 \bullet 10}^{- 3}m^{3}}{{2,077 \bullet 10}^{- 3}m^{3} + {3,04 \bullet 10}^{- 3}m^{3}} = 6,36 \bullet 10^{- 3}$$
	Czas cyrkulacji cieczy tc [s].	tc=27s
	Z wykresu – załącznik nr 1: 6cm/min 10,8: 4=2,7 $t_{C} = \frac{2,7cm \bullet 60s}{6cm} = 27s$
	Czas mieszania tm [s]	tm=333s
	Z wykresu – załącznik nr 1: 33,3cm $$t_{m} = \frac{33,3cm \bullet 60s}{6cm} = 333s$$
Hw= 1,5 m dz= 0,051m Dw= 0,072m HC= 1,513m h1=0,13m h=0,04m	Średnia prędkość cyrkulacji cieczy uL [m/s].	$$u_{L} = 0,1057\frac{m}{s}$$
	$$u_{L} = \frac{L}{t_{c}}$$ $$L = 2 \bullet H_{W} + d_{Z} + 2 \bullet \frac{D_{W} - d_{Z}}{2} + h + 2 \bullet \frac{\left( H_{C} + h_{1} \right) - (h + H_{w})}{2}$$ $$L = 2 \bullet 1,5m + 0,051m + 2 \bullet \frac{0,072m - 0,051m}{2} + 0,04m + 2 \bullet \frac{\left( 1,513m + 0,13m \right) - (0,04m + 1,5m)}{2} = 2,855\ m$$ $$u_{L} = \frac{2,855m}{27s} = 0,1057\frac{m}{s}$$
L= 2,855m tc =27s	Współczynnik dyspersji wzdłużnej DL [m^2/s]
	Wartości Ci odczytane z wykresu – załącznik nr 1. B0 wyliczone przykładowo dla tR=1 przez interpolację: $$B_{0} = \frac{\left( 80 - 70 \right) \bullet (2,476 - 2,36)}{(2,5231 - 2,36)} + 70 = 77,124$$ Wyniki zostały przedstawione w tabeli: tR ci [mm] cR[mm] Bo DL 1 104 2,476 77,124 0,003914 1,5 5 0,119 68,045 0,004437 2 76 1,810 82,398 0,003664 2,5 13,5 0,321 82,052 0,003679 3 61 1,452 79,103 0,003816 3,5 21 0,500 109,517 0,002757 4 52,5 1,250 75,831 0,003981 4,5 21 0,500 124,975 0,002416 5 48 1,143 112,270 0,002689 Tab.1
	Objętościowe natężenie przepływu cieczy VL [m^3/s]
	Prędkość cieczy w strefie wznoszenia uLR [m/s]
	Objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy.
	Na podstawie wyników pomiaru zależności sygnału czujnika od czasu sporządzono wykres 2. C*=8 mV 0,79C*=6,32 mV Następnie wykonano wykres 3 dla wartości uzyskanych punktów pomiarowych dla wartości sygnału C<0,75C*
	Wpływ współczynnika lepkości dynamicznej cieczy na objętościowy współczynnik wnikania tlenu.

• prędkość cieczy w strefie wznoszenia u_LR [m/s]

• objętościowy współczynnik wnikania tlenu w cieczy k_La [1/s]

• wpływ współczynnika lepkości dynamicznej cieczy na objętościowy współczynnik wnikania tlenu.