- •Введение
- •Обзор научно-исследовательских разработок
- •Методика выполнения исследований, анализ и обработка результатов
- •2.2 Методика проведения эксперимента
- •2.2.1 Описание эксперимента
- •Результаты эксперимента.
- •Описание математической модели массообмена процесса анаэробного сбраживания многокомпонентного органического сырья и анализ полученных результатов
- •Выработка рекомендаций по результатам исследований
- •Расчетная часть
- •4.2.1Определение геометрических параметров аппарата
- •4.2.2 Расчет цилиндрической обечайки при действии избыточного внутреннего давления
- •4.2.3 Расчет цилиндрической обечайки при действии избыточного наружного давления
- •4.2.4Расчет рубашки при действии избыточного внутреннего давления
- •4.2.5 Расчет рубашки при действии избыточного наружного давления
- •4.2.6Расчет плоского круглого днища при действии избыточного внутреннего или избыточного наружного давления
- •Технико-экономические расчеты
-
Выработка рекомендаций по результатам исследований
Существуют определенные требования к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и воду. Необходимо, чтобы среда без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, ПАВ, антибиотиков.
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе сбраживания жидкость в реакторе имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя — корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части реактора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.
Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать.Отбора проб на анализ так же рекомендуется производить из центральной части реактора по высоте. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы. Для перемешивающего устройства должен быть реализован контроль скорости вращения.
-
Расчетная часть
Экспериментальная установка предназначена для получения биотоплива из органических отходов методом анаэробного сбраживания в лабораторных условиях. Нами так же был разработан промышленный образец установки, расчет которого приведен ниже.
-
Расчет мощности привода
Рисунок 10. Силы взаимодействия между мешалкой и средой.
Рассмотрим силы, действующие между витком мешалки и средой. При перемешивании среда, равномерно вращаясь под действием окружной силы , приложенной по касательной к окружности среднего диаметра витка, перемещается вдоль оси мешалки под действием осевой силы F. Развернем виток мешалки в наклонную плоскость, а среду представим в виде ползуна. При равномерном перемещении по наклонной плоскости ползун находится в равновесии под действием системы сил F,, Fnи Fтр, из которых Fn – нормальная реакция наклонной плоскости, Fтр = fFn – сила трения. Результирующая сила R отклонена от силы Fn на угол трения .
Определим осевую силу F, Н:
,(4.1.1)
где - сила поступательного давления большого витка, Н;
– сила поступательного давления малого витка, Н;
- сила тяжести, Н.
Силу поступательного давления большого витка найдем по формуле:
, (4.1.2)
где P – величина давления, Па;
S1 – площадь давлениябольшого витка мешалки, м2.
Величина давления определяется как:
, (4.1.3)
где – плотность смесикг/м3;
- средняя высота мешалки из условия, что давление будет определяться как средняя величина воздействия витков на биомассу (давление распределяется по закону треугольника – возрастает линейно по высоте), м.
Площадь давления большого витка мешалки можно найти по формуле:
, (4.1.4)
где L – длина витка мешалки, м;
b – ширина витка мешалки, м.
Длина большого витка мешалки находится по формуле:
, (4.1.5)
где - количество витков;
- радиус витка, м;
- ход витка, м.
Подставив значение формулы (4.1.5) в формулу (4.1.4) получим:
Зная значение выражения (4.1.4), можем найти силу поступательного давления большого витка из формулы (4.1.2)
Найдем угол подъема витка Ψ, т.е. угол, образованный разверткой винтовой линии по среднему диаметру витка и плоскостью, перпендикулярной оси вала мешалки
, (4.1.6)
Откуда
- угол трения.
- диаметр большого витка мешалки, м.
Аналогично проведем расчет для малого витка.
Откуда
Длина малого витка мешалки находится по формуле:
, (4.1.7)
Силу поступательного давления малого витка найдем по формуле:
, (4.1.8)
, (4.1.9)
где - сила тяжести большого витка, Н;
- сила тяжести малого витка, Н;
- сила тяжести вала, Н.
, (4.1.10)
где – ширина большого витка, м;
- толщина витка, м;
- плотность материала витка, кг/м3.
Аналогично проведем расчет силы тяжести малого витка.
, (4.1.11)
где - радиус вала, м;
- длина вала, м;
- плотность материала вала, кг/м3.
Найдем окружную силу , Н
, (4.1.12)
Определим требуемый момент М,
, (4.1.13)
Найдем угловую скорость ,
, (4.1.14)
Определим требуемую мощность , Вт
, (4.1.15)
Найдем установленную мощность привода
, (4.1.16)
С учетом сил трения в подшипниках принимаем . Выбираем двигатель АИР160S4 мощностью .
Передаточное отношение найдем из выражения:
, (4.1.17)
где - число оборотов мешалки, об/мин;
- синхронная частота вращения, об/мин.
Зная передаточное число, подберем редуктор червячный одноступенчатый типа Ч-100.
4.2 Прочностной расчет
Целью данного расчета является проектирование биореактора. Для решения поставленной цели, необходимо решить ряд задач: рассчитать цилиндрическую обечайку, рубашку, плоские днище и крышку корпуса на внутреннее и внешнее избыточное давление [19].
Аппарат предназначен для анаэробного сбраживания органических отходов, имеет сварной корпус, плоские круглые днище и крышку. Корпус соединен с крышкой с помощью фланцев. Также имеет наружную рубашку, состоящую из цилиндрического корпуса. Внутри аппарата находится биомасса. В рубашке теплоноситель с температурой 40°С.
Исходя из технологического задания, руководствуясь экономичными факторами и технической целесообразностью, выбираем для элементов аппарата, непосредственно контактирующих со средой, материал 08Х18Н10Т с величиной допускаемого напряжения [σ]=140 МПа при 20˚С.