Тепловой расчет процесса стерилизации и охлаждения пустого ферментатора

Стерелизация пустого аппарата производят только острым паром (через барботер).

Тепловой баланс процесса стерилизации пустого ферментатора острым паром рассчитывается по уравнению:

Q_{остр. пара} = Q _апп. + Q_изол.+ Q _{потерь ЛК} +Q _конд.,

где: Q _апп. – количество теплоты, затрачиваемое на нагрев аппарата, кДж;

Q _изол - количество теплоты, затрачиваемое на нагрев изоляции, покрывающей аппарат, кДж;

Q _{потерь ЛК .} - количество теплоты, выделяющееся в окружающую среду (потери за счет лучеиспускания и конвекции), кДж;

Q _конд. - количество теплоты, выделяемое при конденсации острого пара, кДж.

1. Определяем количество теплоты, затрачиваемое на нагрев аппарата, кДж:

Q_апп. = ,

где: m _апп. – масса аппарата, кг;

m _апп = 5250 кг;

С _апп. – удельная теплоемкость материала аппарата, кДж/кг ∙ К; [1,стр.528]

С _апп = 0,5 кДж/кг ∙ К – удельная теплоемкость стали;

t_стер = 140 ^оС – температура стерилизации ферментатора; [по д.з]

t_нач = 30 ^оС – температура начальная. [по д.з]

Q_апп. = 5250 ∙ 0,5 (140 – 30) = 288750 кДж

1. Определяем количество теплоты, затрачиваемое на нагрев изоляции, кДж:

Q _изол = ,

где: m_изол. – масса изоляции аппарата, кг;

С _изол. – теплоемкость изоляции, принимаем равной 1,47 кДж/кг ∙ К; [1,стр.528]

t _{нач. изол.} = t _цеха = 20 ^оС – температура изоляции начальная, принимаем равной температуре цеха; [по д.з]

t _{ср. изол} – средняя температура изоляции.

m_изол = F_изол. ∙ δ_изол. ∙ ρ_изол.,

где: F_изол. - поверхность изоляции аппарата, м²;

δ_изол – толщина изоляции, равная от 0,05 до 0,1 м, принимаем равной 0,07 м;

ρ_изол – плотность изоляции, кг/м³;

ρ_изол = 1380 кг/м³, (в качестве материала изоляции принимаем текстолит) [1,стр.528]

F_изол. = 1,3 F _руб.,

где: F _руб – поверхность рубашки (теплообмена), м², определяем по каталогу. [7]

F_изол. = 1,3 ∙ 18,5 = 24,05 м²

m_изол = 24,05 ∙ 0,07 ∙ 1380 = 2323,23 кг

t _{ср. изол} = ,

где: t _{изол. вн.} – внутренняя температура стенки, ^оС;

t _{изол. вн} = t _{стенки сос ст.изол.} = t _стер. = 140 ^оС; [по д.з]

t _{изол. нар.} – температура наружной изоляции, принимаем равной 30 ^оС.

t _{ср. цеха} = ^оС

Q _изол = кДж

1. Определяем количество теплоты, выделяющееся в окружающую среду (потери эа счет лучеиспускания и конвекции), кДж:

Q _пот. = ,

где: общий коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией, Вт/м²∙К;

F_{изол .} = 24,05 м² - поверхность изоляции аппарата, м²;

время, за которое пар расходуется на компенсацию теплопотерь, с.

,

где: время на нагрев аппарата; [по д.з]

время выдержки, если идет расчет не по слабым точкам то принимаем 30-40 мин.

мин = 3600сек

где: разность температур наружного воздуха и наружного слоя изоляции.

Вт/м²∙К

Q _пот. = Дж

1. Определяем количество теплоты, выделяемое при конденсации острого пара, кДж:

Q _конд.. = ,

где: m _конд. = 1133,38 кг - масса конденсата, кг (cтр. материальный баланс приготовления и стерилизации питательной среды для ферментации стадии ТП.);

i _{конд .} – удельная энтальпия сконденсированного пара, принимается по давлению пара,

i _конд = 589,5 кДж/кг [1,стр.548]

Q _конд.. = кДж

Q_{остр. пара} = 288750 + 221984,63+ 9038,95 +668127,5 = 1187901,08 кДж

1. Масса острого пара, кг:

,

где:: i _п – удельная энтальпия насыщенного водяного пара, принимается по давлению пара;

i _п = 2730 кДж/кгж; [1 стр. 549]

i _{конд .} – удельная энтальпия сконденсированного пара, принимается по давлению пара,

i _конд = 588,9 кДж/кг [1,стр.548]

кг

Уравнение теплового баланса охлаждения пустого аферментатора после стерилизации.

воздухом водой

Q _охл. = Q _{охл. апп.} + Q _изол. - Q _{пот. .},

где: Q _{охл.апп.} – количество теплоты, затрачиваемое на охлаждение аппарата, кДж;

Q _изол - количество теплоты, затрачиваемое на охлаждение изоляции, покрывающей аппарат, кДж;

Q _{пот .} – количество теплопотерь при охлаждении, кДж.

1. Количество теплоты, затрачиваемое на охлаждение аппарата, кДж:

Q_{охл.апп.} = ,

где: m _апп. – масса аппарата, кг;

m _апп = 5250 кг;

С _ст. – удельная теплоемкость материала аппарата, кДж/кг ∙ К;

С _ст = 0,5 кДж/кг ∙ К – удельная теплоемкость стали; [1,стр.528]

t_нач = 80 ^оС – температура до которой аппарат охлаждают стерильным сжатым воздухом; [по д.з]

t_кон = 35 ^оС – температура до которой аппарат охлаждают водой. [по д.з]

Q_апп. = 5250 ∙ 0,5 (80 – 35) = 118,125 кДж

2. Количество теплоты, затрачиваемое на охлаждение изоляции, покрывающей аппарат, кДж:

Q _изол = ,

где: m_изол. =2323,23 кг – масса изоляции аппарата, кг;

С _{изол .} – теплоемкость изоляции, принимаем равной 1,47 кДж/кг ∙ К; [1,стр.528]

t _цеха = 20 ^оС – температура цеха; [по д.з]

t _{ср. изол} – средняя температура изоляции.

t _{ср. изол} =

Q _изол =

3. Количество теплопотерь при охлаждении, Дж:

Потери составляют 2-5% от количества теплоты на охлаждение ферментатора.

Q _охл. = 118,125 _. + 119,53 - 0,05 Q _охл.

1,05 Q _охл.= 237,655

Q _охл.= 226,34 кДж

4. Масса воды на охлаждение ферментатора, кг:

где: 4,19 – теплоемкость воды; [1,стр.537]

температура воды, выходящая из рубашки (средняя).

,

где: средняя температура по поверхности теплообмена, разность температур между холодным и горячим теплоносителем (средний температурный напор), ^оС;

Принимаем начальную температуру воды , пусть вода нагревается на 3^оС.

Тогда Θ₂ = 18 + 3 = 21 ^оС

^оС > 3 ^оС → вода выбрана правильно.

Рассчитаем константу А для данного процесса теплообмена:

А= =

≤ 49^оС вода выбрана правильно.

Δt_ср=

кг

5. Расчет поверхности теплообмена, м²:

F _т/о = ,

где: Q_охл. – количество теплоты, которое необходимо отвести в процессе охлаждения, кДж;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м² ∙ К; (принимаем К = 360 Вт/м² ∙ К);

τ _охл. = τ _нагр – время, за которое происходит охлаждение аппарата, с, (принимаем τ _нагр = 30 мин= 1800 сек); [по д.з]

температура по поверхности теплообмена, разность температур между холодным и горячим теплоносителем (средний температурный напор), ^оС.

F _т/о = < =18,5 м² времени наохлаждение достаточно.

6. Время необходимое на охлаждение, ч:

7.

где: Q_охл. – количество теплоты, которое необходимо отвести в процессе охлаждения, кДж;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м² ∙ К; (принимаем К = 360 Вт/м² ∙ К);

температура по поверхности теплообмена, разность температур между холодным и горячим теплоносителем (средний температурный напор), ^оС.