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    Transferencia de Calor - García Montañez Angel Girard - 4FV1

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    Girard Garcia
    1) Se desea propagar un cultivo de levaduras en un biorreactor de 0.6m3 con un 70% de volumen de operación. Se calcularon las velocidades de consumo de oxígeno, calor metabólico, agitación y acumulación. 2) Se calculó la geometría del biorreactor incluyendo diámetros, velocidad de agitación y altura de líquido. 3) Se calculó el coeficiente global de transferencia de calor y las áreas real y requerida para la remoción de calor, resultando que

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    1) Se desea propagar un cultivo de levaduras en un biorreactor de 0.6m3 con un 70% de volumen de operación. Se calcularon las velocidades de consumo de oxígeno, calor metabólico, agitación y acumulación. 2) Se calculó la geometría del biorreactor incluyendo diámetros, velocidad de agitación y altura de líquido. 3) Se calculó el coeficiente global de transferencia de calor y las áreas real y requerida para la remoción de calor, resultando que

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    1) Se desea propagar un cultivo de levaduras en un biorreactor de 0.6m3 con un 70% de volumen de operación. Se calcularon las velocidades de consumo de oxígeno, calor metabólico, agitación y acumulación. 2) Se calculó la geometría del biorreactor incluyendo diámetros, velocidad de agitación y altura de líquido. 3) Se calculó el coeficiente global de transferencia de calor y las áreas real y requerida para la remoción de calor, resultando que

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    1) Se desea propagar un cultivo de levaduras en un biorreactor de 0.6m3 con un 70% de volumen de operación. Se calcularon las velocidades de consumo de oxígeno, calor metabólico, agitación y acumulación. 2) Se calculó la geometría del biorreactor incluyendo diámetros, velocidad de agitación y altura de líquido. 3) Se calculó el coeficiente global de transferencia de calor y las áreas real y requerida para la remoción de calor, resultando que

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    GARCÍA MONTAÑEZ ANGEL GIRARD. 4FV1.

    Ejercicio de Transferencia de Calor.

    Se desea propagar un cultivo de levaduras en un biorreactor tipo tanque agitado a una productividad celular de 10 gCel/l/
    El biorreactor tiene un volumen nominal de 0.6m3 y un volumen de operación (Vop) del 70% del nominal (Vop = 0.42 m3). La
    HL/DT es de 1.25. Considere las propiedades fisicoquímicas del caldo de cultivo como las del agua y que el sistema de
    enfriamiento se realizará con agua a la chaqueta a la velocidad de 3 ft/s.

    Suponga: Ve= 3 ft/seg, Pg de 0.75 HP vti=3 m/s

    Espesor de la pared: 0.175 pulgadas ancho de la chaqueta: 0.3 pulgadas.

    1) Cálculo de la velocidad específica de consumo de oxígeno:


    QO2= 279.02 mMolO2/lh QO2= µx/YO2
    µx= 10 gCel/l/h
    YO2= 1.12 gCel/gO2

    2)Cálculo de los calores metabólico y de agitación:


    QmetV = 34.60 kcal/lh QH = 0.124 QO2
    Qmet = 14531.25 kcal/lh
    Eq Cal = 0.75 HP 641.1 kcal/h
    Qag = 480.83 kcal/h
    Qacc = 15012.08 kcal/h
    Pg/V = 1.785714 HP/m3

    3)Cálculo de la geometría del biorreactor:


    k= 0.53 kcal/hm°C Conductividad térmica del caldo de cultivo
    DT = 0.7535 m Diámetro del tanque
    Di = 0.2512 m Diámetro del impulsor
    N= 3.8020 rps 228.12 rpm 13687.12 rph
    ρ= 1000 kg/m 3
    Densidad del agua
    µ= 0.001 kg/ms Viscosidad del agua
    CP = 1 kcal/kg°C Capacidad calorífica del agua
    µw = 0.001 kg/ms Viscosidad del caldo en la pared del tanque
    HL = 0.9419 m Altura del líquido
    HL/DT = 1.25 Relación altura del líquido al diámetro del tanque
    Vnom = 0.6 m3 Volumen nominal del biorreactor
    Vop = 0.42 m3 Vop = 70% Vnom
    Hch = 0.9419 m Hch = 100% HL
    vti = 3 m/s Velocidad terminal de punta del impulsor
    k= 0.58 kcal/hm°C Conductividad térmica del agua de enfriamiento

    4)Cálculo de la U y de los coeficientes de película:


    hi = 2663.51 kcal/hm2°C Coeficiente de película para el fluido de proceso
    hj = 803.08 kcal/hm2°C Coeficiente de película para el fluido de servicio

    eT = 0.175 pulgada 0.0044 m espesor del tanque


    DoT = 0.7624 m Diámetro exterior del tanque

    ech = 0.3 pulgada 0.00762 m ancho de la chaqueta


    Dich = 0.7776 m Diámetro interior del tanque
    De = 0.0308 m Diámetro equivalente
    ve = 3 ft/s 3291.84 m/h 0.9144 m/s Velocidad del líquido en enfri
    U= 617.03 kcal/hm2°C Coeficiente global de transferencia de calor

    5)Cálculo de las áreas real y calculada:

    A= 2.26 m2 área real del reactor


    Para calcular el área necesaria para remover el calor total acumulado se debe emplear la siguiente ecuación:
    Pero para calcular la DTMLN, es necesario calcular la temperatura de salida del fluido de servicio (T out), el cual está en funció
    de la temperatura de fermentación y de la temperatura de entrada del flujo de servicio (todos datos conocidos). Esta temp
    la siguiente fórmula: Q = mCpDT o Q = mCp(Tout - Tin)
    Ecuación en la que: "m" es el flujo másico del fluido de servicio, Cp es la capacidad calorífica del mismo, Tin es la temperatu
    Valores de m, Cp y Tin:
    Cálculo del valor de "m":
    Como ya se propuso, la velocidad equivalente del fluido de servicio no deberá sobrepasar los 4 ft/s (ver celda "B49"). Con
    calcular "m" utilizando las siguientes fórmulas: Fa = ve*Aanu
    Ecuaciones en las que: Fa = Flujo volumétrico del fluido de servicio [m 3/h]
    ve = Velocidad equivalente del fluido de servicio [m/h]
    Aanu = Área anular de la chaqueta [m 2] = Atch - Attq
    m = Flujo másico del fluido de servicio [kg/h]
    Atch = 0.4749 m2
    Attq = 0.456503 m2 Aanu = 0.0184 m2
    Fa = 0.016855 m3/s
    m = 16.8553317 kg/s 60679.19 kg/h
    Ya calculado el flujo másico, sólo resta calcular la temperatura de salida del fluido de servicio (T out) proponiendo las tempe
    fermentación (Tferm) y la de entrada del fluido de enfriamiento (T in)
    Tout = 15.00 °C Tout = Tin + (Q/mCp)

    Tferm = 36 °C
    Tin = 15 °C
    Tout = 15.00 °C
    DTMLN = 21.00 °C
    A= 1.16 m2 área requerida A= 2.26 m2

    Conclusión:
    El área requerida es menor al área disponible, por lo tanto, el sistema diseñado satisface las necesidades de remoción de c
    tividad celular de 10 gCel/l/h.
    l nominal (Vop = 0.42 m3). La relación
    ua y que el sistema de
    elocidad del líquido en enfriamiento

    ente ecuación: Q = UADTMLN


    (T out), el cual está en función del gasto másico (o volumétrico),
    datos conocidos). Esta temperatura (T out) se calcula utilizando

    el mismo, Tin es la temperatura de entrada y T out es la de salida.

    ft/s (ver celda "B49"). Con un valor propuesto se puede


    m = Fa*r m = ve*Aanu*r

    Atch =p(Dich)2/4 Attq =p(Dot)2/4


    Atch = Es el área transversal que se obtiene con el diámetro interno de la chaqueta
    Attq = Es el área transversal que se obtiene con el diámetro externo del tanque

    T out) proponiendo las temperaturas de


    área disponible en el reactor

    ecesidades de remoción de calor.


    el diámetro interno de la chaqueta
    el diámetro externo del tanque

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