РЕФЕРАТ 
 

       Проектування  апарату з механічним перемішуючим пристроєм: Курсовий проект з курсу  «Процеси і апарати біотехнологічних виробництв» / НТУУ «КПІ»; Керівник: В.Ю. Шибецький. – К., 2009. – 39  с., 3 іл.,

   Виконав: М.В. Жигалкін.

       Робота  складається з вступу, п’яти розділів, висновків і списку посилань з 31 найменування. Загальний обсяг роботи становить 39 с. основного тексту, 3 рисунки, 1 таблиця.                                

       Робота містить розрахунок процесу перемішування і конструкції апарата.

       Метою роботи є визначення основних параметрів апарату та його вибір, а також  проведення розрахунків, що підтверджують  працездатність і надійність конструкції апарату.

       Виконано  аналіз результатів та зроблено висновки. Наведено список використаної літератури.                                     

       ЛИМОННА КИСЛОТА, МЕХАНІЧНИЙ ПЕРЕМІШУЮЧИЙ ПРИСТРІЙ, ПЕРЕМІШУВАННЯ, ПЛОЩА ТЕПЛООБМІНУ, РЕАКТОР, РОЗЧИН НЕОРГАНІЧНИХ СОЛЕЙ, ТУРБІННА МІШАЛКА, ТЕПЛООБМІННА РУБАШКА.  
 
 
 
 

          ЗМІСТ 
 
 

ВСТУП

       Біотехнологія – це  цілеспрямоване  отримання   цінних   для   народного господарства і різних областей людської діяльності продуктів, в процесі якого використовується біохімічна діяльність мікроорганізмів, ізольованих  клітин або їх компонентів.

       У порівнянні з хімічною технологією біотехнологія має наступні основні переваги:

• можливість отримання специфічних і унікальних природних речовин, частину з яких ще не вдається одержувати шляхом хімічного синтезу;
• проведення біотехнологічних процесів при відносно невисоких температурах і тиску;
• мікроорганізми мають значно більш високі швидкості росту і накопичення клітинної маси, ніж інші організми;
• в якості сировини в процесах біотехнології можна використовувати дешеві відходи сільського господарства та промисловості;
• біотехнологічні процеси в порівнянні з хімічними, звичайно, більш екологічні, мають менше шкідливих відходів, близькі до протікання в природі природним процесам;
• як правило, технологія й апаратура у біотехнологічних виробництвах більш проста і дешева [1].

      Але біотехнологія має свої особливості, що робить її процеси складнішими  у виконанні:

• процес культивування мікроорганізмів реалізується в умовах чистоти культури, що досягається стерилізацією апаратури та компонентів;
• багатокомпонентність поживних середовищ;
• складність механізмів регуляції росту біомаси і синтезу метаболітів;
• різноманітність умов, оптимальних для росту мікроорганізмів і синтезу продуктів [2].

       Апаратурне  оформлення технологічних процесів біотехнологічних виробництв має велике значення для проектування технології. Обладнання має багато спільного з обладнанням хімічної та харчової промисловості [3].

       Однак, процеси, що протікають в мікробіологічній апаратурі, відрізняються підвищеною складністю. Це обумовлено не тільки тим, що в біохімічному синтезі беруть участь живі організми, реакція яких на зміну навколишнього середовища часто непередбачувана. Складні по фізичній структурі самі системи, які обробляються на різних стадіях отримання біомаси. Частіше всього ці системи неоднорідні, що ускладнює аналіз процесів, що протікають у цих системах [4].

       Процеси  біотехнологічної  промисловості  проводять  в умовах вузького інтервалу  температур, тиску, рН, не допускаючи значної  зміни цих величин, які можуть привести до втрати цільового продукту.

       Одна із вимог до обладнання біотехнологічних процесів – герметичність на стадіях підготовки поживного середовища, отримання посівного матеріалу та культивування. Важливим є також вибір матеріалів устаткування. Останні мають бути кислотостійкими, антикорозійними і не повинні інгібіювати процесів, що проходять у апаратах [3].

     Задача  даного курсового проекту – спроектувати змішувач виробництва лимонної кислоти  для перемішування компонентів  поживного середовища, при  чому  важливою  умовою  гомогенізації   розчину   є   розчинення неорганічних солей. Розчинення  твердих   речовин   в рідинах – один з найбільш поширених прийомів в хімічній технології та біотехнології [5].  Розчинення можна охарактеризувати як перехід речовини в розчин з поверхні частинок [6]. Умовно розчинення можна розмежувати на фізичне та хімічне. У першому випадку відбувається лише руйнування кристалічної решітки та розчинений компонент може бути знову виділено і твердому вигляді шляхом кристалізації. При хімічному розчиненні при взаємодії розчинника та розчиненої речовини природа її змінюється і кристалізація речовини в початковому вигляді, як правило, неможлива [5].

       Робота  є актуальною, оскільки всі галузі промисловості (в тому числі біотехнологічна, хімічна) в наш час використовують при виробництві продуктів процес перемішування, а отже й апарати з механічним перемішуванням. Важливою умовою якісного перемішування є правильний вибір перемішючого пристрою. Мішалки використовують при виробництві різних продуктів біотехнологічної промисловості, в тому числі в технологічних процесах виробництва лимонної кислоти.

       Лимонну кислоту раніше отримували з лимонів, до тих пір, поки не був знайдений  спосіб біосинтезу її з цукру або відходів його виробництва – меласси, а також з гідролізатів деревини або зерна, які містять цукор [1].

       Основну масу лимонної кислоти виробляють за допомогою певних штамів цвілевого гриба Aspergillus niger. Штами A.niger дають вихід лимонної кислоти 98-99%. В 1938-1942 р. освоєне глибинне культивування в герметичних ферментаторах. Завдяки цьому вдалося механізувати й автоматизувати процес, ефективніше використати виробничі площі й знизити собівартість цільового продукту, скоротити загальну тривалість технологічного циклу, полегшити підтримку асептичності у виробничих умовах.

       Лимонну кислоту можна отримувати з н-парафінів за допомогою дріжджових організмів роду Candida – C.lipolytica, С.tropicalis, C.parapsilosis, C.oleophila, C.guilliermondii, C.zeylanoides. Найбільш активними з них є дріжджі C.lipolytica.

       Лимонну кислоту широко використають у харчовій, медичній, фармацевтичній, лакофарбовій промисловості, у виробництві пластмас, для очистки металів, а також у складі пральних порошків [1, 7].

1 ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ

АПАРАТА

     Перемішування – це допоміжний процес, що застосовується для приготування емульсій, суспензій, сумішей, гомогенізації розчинів, а також інтенсифікації тепло- і масообмінних процесів, хімічних та біохімічних реакції. Механічне перемішування здійснюється в апаратах з механічними перемішуючими пристроями.

       У залежності від агрегатного стану об’єкту, що перемішується, розрізняють перемішування рідких середовищ, газів, а також сипучих матеріалів та пластичних мас [13]. У всіх випадках перемішуючий пристрій повинен забезпечувати отримання однорідної суміші при максимальній продуктивності і мінімальним затратам енергії [14]. У даний час розроблені основи теорії розрахунку лише для перемішування рідких середовищ. Воно буває механічним, поточним та пневматичним. При роботі перемішуючого пристрою середовище приводиться в рух, що й викликає його перемішування. Характер руху середовища залежить від конструкції і параметрів руху перемішуючого пристрою, а також від конструкції апарата, у якому відбувається процес [13].

       Висока  степінь перемішування рідини досягається в тому випадку, якщо вся маса рідини знаходиться в умовах турбулентного потоку. Кількість механічної енергії, яка потрібна для турбулізації всієї маси рідини, залежить від конструкції посудини і мішалки, а також від фізичних властивостей рідин, що перемішуються. Рідини з низькою в’язкістю надають незначний опір потоку, для їх перемішування потрібні незначні затрати енергії на одиницю об‘єму. Високов’язкі рідини «гасять» механічну енергію, наслідком чого є значні затрати енергії [15].

 Використовуються такі види перемішування(ГОСТ 22577-77):

1) механічна, 2) циркуляційна, 3) струминне, 4) пульсаційно-струминне, 5) барботажне, 6) газліфтне, 7) електромагнітне, 8) магнітно-вихрове, 9) перемішування при транспортуванні у трубопроводах, 10) кавітаційне[2].

       Основними параметрами процесу перемішування  в рідкому середовищі є ефективність, інтенсивність і витрати енергії  на його проведення[5].

       На  практиці використовуються слідуючі способи:

• механічне перемішування – здійснюється за допомогою мішалок певного типу, які застосовуються для перемішування рідких та сипких систем,
• циркуляційне перемішування – здійснюється шляхом багатократного перекачування рідини насосом або за допомогою сопел через апарат,
• пневматичне перемішування – перемішування за допомогою стиснутого повітря або іншого газу,
• перемішування в трубопроводах – відбувається під тиском турбулентних пульсацій при транспортуванні по трубам[3].

Технологічний ефект перемішування полягає  в :

   1)інтенсифікуванні, масообмін них і хімічних процесів,

   2)забезпеченні отримання рівномірного розподілу компонентів в однорідній чи не однорідній системі(розчин, суспензії, емульсії.

   Якість  перемішування зазвичай оцінюють за такими показниками:

• при суспендуванні та гомогенізації – по ступеню однорідності системи,
• при інтенсифікації теплообміну – по велечині коефіцієнта тепловіддачі,
• при інтенсифікації масообміну – позначення коефіцієнта масовіддачі.

Залежно від агрегатного стану перемішування  об єкту розрізняють перемішування  рідких середовищ, газів, а також  сипких матеріалів і пластичних мас. В данний час розроблені основи теорії розрахунку лише для перемішування рідких середовищ, воно буває механічне, потоковим, пневматичним[8]. 
 
 

2 ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ПРОЕКТОВАНОЇ  КОНСТРУКЦІЇ

       По  способу перемішування й аерації біореактори підрозділяються на апарати з механічним, пневматичним і циркуляційним перемішуванням. Апарати з механічним перемішуванням – найпоширеніша конструкція в сучасній мікробіологічній промисловості. Вони мають механічну мішалку, що складається із центрального вала й лопат різної форми [2]. Мішалка – рухомий робочий орган механічного перемішуючого пристрою, який здійснює безпосередню дію на рідке середовище [16]. В систему перемішування входять також відбивні перегородки – вузькі металеві пластини, прикріплені до внутрішніх стінок реактора. Ці перегородки запобігають виникненню виру навколо обертової мішалки, переводячи круговий рух рідини у вихровий, рівномірно розподілений по всьому об’єму. Перспективи подальшого застосування апаратів з механічним перемішуванням пов'язані з високою швидкістю масопередачі кисню й значною економією потужності [2].

       Конструктивним  елементом, безпосередньо призначеним  для приведення рідини в рух, є  мішалка. Як показує практика, більшість  завдань перемішування може бути успішно вирішене шляхом використання обмеженого числа конструкцій мішалок. При цьому існують найбільш характерні області застосування й діапазони геометричних співвідношень окремих типів мішалок [10].

       У даному курсовому проекті розраховується і проектується реактор, що має перемішуючий пристрій. Перемішування рідини в реакторах-котлах може бути в більшості випадків здійснено лопатевими, якірними, рамними, турбінними або трьохлопатевими мішалками [9].

       Перемішуючі пристрої в найбільш загальному випадку можна розділити на швидкохідні і тихохідні. До швидкохідних належать пропелерні та турбінні мішалки різних типів, а також спеціальні типи мішалок, наприклад дискові. Ці мішалки в залежності від від форми лопаток і способу їх встановлення можуть створювати радіальний, осьовий і радіально – осьовий потоки рідини. Швидкохідні мішалки частіше всього працюють в апаратах з відбиваючими перегородками. Відсутність перегородок призводить до завихрення рідини в апараті і утворенню воронки. До тихохідних мішалок належать лопатеві, якірні, рамні. Вони створюють головним чином коловий потік рідини, тобто рідина обертається навкруги осі апарата.

       Всі системи для перемішування в  рідкому середовищі являють собою  посудину, яка містить рідину, з  механічним пристроєм для створення  турбулентності. Важливу роль при виборі мішалки грають фізичні параметри рідини,   що  перемішується   і, в першу чергу, в’язкість середовища [17]. На

рис. 2.1 показані рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15]. Для малов’язких рідин, звичайно, використають швидкохідні мішалки, для високов’язких – тихохідні [13]. Для перемішування рідин з низькою і середньою в’язкістю використовують турбінні мішалки з прямими лопатками або пропелерні мішалки [15].

       Рисунок 2.1 – Рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15].  

       Для вибору оптимальної мішалки для  поцесу приготування поживного середовища, що складається з води та неорганічних солей розглянемо основні типи мішалок, що використовуються в біотехнологічній промисловості:

    1. Лопатеві. Ці мішалки рекомендується застосовувати при перемішуванні з метою суспендування, розчинення й при проведенні хімічних реакцій. Вони прості за конструкцією, але працюють недостатньо інтенсивно [13]. Як правило лопатеві мішалки низькооборотні, з двома лопатками. Ці мішалки використовуються, коли немає необхідності в інтенсивній радіально – осьовій циркуляції рідини в апараті. Основними перевагами лопатевих мішалок є їх простота, а також низька вартість, в тих випадках, коли матеріал не являється визначаючим в загальній вартості їх виробництва [17]. Широко використовуються в процесах перемішування з одночасним нагріванням і охолодженням різноманітних напівтвердих мас, паст, замазок, а також для перемішування сипких, волокнистих та інших матеріалів в промисловості пластичних мас.

    2. Якірні. Цей тип мішалок доцільно застосовувати для інтенсифікації теплообміну  й  запобігання випадіння осаду на стінках і днищі апарата.

    3. Рамні   мішалки   використають   у випадках, коли необхідно забезпечити більше інтенсивне перемішування по висоті, а також при  перемішуванні в’язких рідин у великому об'ємі [13].

    4. Турбінні мішалки використають у всіх випадках, коли необхідно інтенсивне перемішування, особливо рідин, що значно розрізняються по в'язкості, а також при диспергуванні газу в рідині. Також їх використовують при розчиненні твердих кристалічних часток, емульгуванні рідин з великою різницею густин [9, 13]. Турбінні мішалки мають лопатки. Якщо лопатки знаходяться в корпусі таким чином, що вони утворюють закриті канали подібні ротору центробіжного насосу, то таку мішалку називають закритою турбінною мішалкою. У відкритих мішалках лопатки не знаходяться в корпусі. Найбільш простою й високоефективною серед відкритих турбінних мішалок є мішалка з прямими лопатками, які розміщені радіально [17].

    5. Трьохлопатеві. Ці мішалки використовуються  при зважуванні твердих та  волокнистих часток, емульгуванні  рідин, інтенсифікації теплообміну  [9, 13].    Пропелерні мішалки є ефективними в тих випадках, коли необхідно створити значну циркуляцію рідини при невеликих затратах енергії. Вони використовуються для процесів розчинення і процесів, які протікають з хімічними реакціями. При утворенні суспензій діаметр частинок не повинен перевищувати 0,1 – 0,5 мкм, а концентрація частинок 10% [17].

       Тому  при виборі того чи іншого перемішуючого  пристрою можна використовувати  орієнтовні характеристики умов використання різних типів мішалок, які наведеня в таблиці (2.1).

   Таблиця 2.1 [18].

       По  даним таблиці видно, що найкращим чином даним умовам відповідає турбінна відкрита мішалка. Отже обираємо відкриту турбінну мішалку.

       Ефективність  перемішування залежить від ступеня  турбулентності та від інтенсивності  циркуляції, яка визначається часом, необхідним для того, щоб вся рідина пройшла крізь відповідний переріз. Ідеальне перемішування можно визначити як стан, при якому вміст системи однаковий в усіх точках. Для досягнення цього процесу в курсовому проекті використовується реактор з перемішуючим пристроєм – турбінна мішалка з відображаючими перегородками.

       Турбінні  мішалки – одні з основних пристроїв  для перемішування основного  типу ферментерів, що використовуються в мікробіологічній промисловості [19]. Турбінні мішалки мають форму коліс водяних турбін з плоскими, похилими або криволінійними лопатками, укріпленими, як правило, на вертикальному валу [12]. Турбінні мішалки частіше всього складаються з набору (від 4 до 12) вертикальних лопаток прямокутної форми [14]. В апаратах з турбінними мішалками створюються переважно радіальні потоки рідини. При роботі турбінних мішалок з більшим числом оборотів поряд з радіальним потоком можливе виникнення тангенціального (кругового) плину вмісту апарата й утворення воронки. У цьому випадку в апарату встановлюють відбивні перегородки. Закриті турбінні мішалки (рис. 2.2, г) на відміну від відкритих (рис. 2.2, а, б, в) створюють більш чітко виражений радіальний потік. Закриті мішалки мають два диски з отворами в центрі для проходу рідини; диски зверху й знизу приварюються до плоских лопат.

а –  відкрита з прямими лопатками; б – відкрита з криволінійними лопатками; в – відкрита з похилими лопатками;

г –  закрита з направляючим апаратом;

1 –  турбінна мішалка; 2 – направляючий  апарат; 

Рисунок 2.2 – Турбінні  мішалки. 

       Рідина  надходить у мішалку паралельно осі вала, викидається мішалкою в радіальному напрямку й досягає найбільш далеких точок апарату.

       Турбінні  мішалки забезпечують інтенсивне перемішування  в повному

обсязі  апарата. При більших значеннях відношення висоти до діаметра апарата

застосовують  багаторядні турбінні мішалки.

       Потужність, яка споживається турбінними мішалками, що працюють в апаратах з відбивними перегородками, при турбулентному режимі перемішування практично не залежить від в’язкості середовища. Тому мішалки цього типу можуть застосовуватися для сумішей, в’язкість яких під час перемішування  змінюється.

       Турбінні  мішалки широко застосовують для  утворення суспензій (розмір часток для закритих мішалок може досягати 25 мм), розчинення, при проведенні хімічної реакції, абсорбції газів й інтенсифікації теплообміну [12].

       Отже, можна визначити переваги використання турбінної мішалки:

1.Вирівнювання температур середовища [20].

2.Швидкість перемішування та розчинення, інтенсивне перемішування в повному обсязі апарата;

3.Можливість досягнення рідиною найбільш віддалених точок апарату;

  4.Ефективне перемішування в’язких рідин;

5.Потужність, яка споживається турбінними мішалками, що працюють в апаратах з відбивними перегородками, при турбулентному режимі перемішування практично не залежить від в’язкості середовища.

  6. Придатність для неперервних процесів.

       На  основі цих даних можна вибрати й обґрунтувати оптимальну конструкцію й параметри роботи пристрою, що перемішує. Оптимальної є конструкція, що дозволяє досягти необхідної якості перемішування з подальшим розчиненням при мінімальних витратах енергії в найкоротший строк. Таким апаратом є турбінна мішалка. Цей тип мішалки є досить простим за конструкцією, довговічний і надійний, з мінімальними матеріалозатратами і енергоємністю. На кришку апарату встановлюємо виносний індивідуальний привід зі стандартним мотор-редуктором. Реактор має рубашку, в яку подається нагріваюча вода для обігріву середовища і підтримання в реакторі постійної температури. 

     3 Технічна характеристика 

     1. Апарат призначений для змішування солей.

     2. Номінальний об'єм, м :                       1,6.

     3. Температура середовища,  С: 

                 початкова:                        27;

                 кінцева:               80.

     4. Гріючий агент - вода.

     5. Витрата гріючого агенту, кг/с:                                    1,81.

     6. Температура гріючого агенту,  С:

      - початкова:                93;

      - кінцева:                 86.

     7. Тиск, МПа:

      - в апараті:                 0,15;

      - випробувань:               0,2.

     8. Поверхня теплообміну, м                        5,8.

     9. Габаритні розміри, мм

      - довжина:                1656;

      - ширина:                1416;

      - висота:                3310.

     10. Маса апарату, кг:                     910.

        4 ТЕХНОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ

     4.1. Розрахунок фізико-хімічних властивостей  розчину 

     Динамічний коефіцієнт в’язкості розраховуємо по модифікованому рівнянню Езрохі:

     де  μ – в’язкість багатокомпонентного розчину, Па·с; μ_º -  в’язкість води, Па∙с; D_i – коефіцієнт; с_і – концентрація компонента, кг речовини/1 кг розчину.

     В’язкість води:

     де  - початкова температура води, ^°С.

     Коефіцієнт  D_i розраховуємо за формулою:

     Коефіцієнти знаходимо з таблиць[таб. 3.9, 21].

     Для NH₄NO₃:

     Для KH₂PO₄:

     Для MgSO₄:

     Для ZnSO₄:

     Знаходимо коефіцієнти (4.2):