Материальный и тепловой баланс сульфатной варки

1. Загрузка щепы и закачка щелоков

1.1 Количество абсолютно-сухой щепы, загружаемой в котёл на варку для получения 1 т воздушно-сухой целлюлозы (880 кг абсолютно-сухой целлюлозы) (Д)

Д 1955.55 кг абсолютно-сухой древесины (кг а.с.д.).

1.2 Количество воды, поступающей на варку со щепой (V1) при заданной влажности щепы (W)

V1=

1.3 Общее количество жидкости в котле при варке (V) при заданном гидромодуле (ГМ)

V = Д ГМ = 1955,55 4,2 = 8213,3л

1.4 Количество активной щёлочи, задаваемой с белым щёлоком на варку (Ai) при заданном расходе активной щёлочи от весаах

A1= кг Na2O

1.5 Объём белого щёлока, закачанного на варку (V2) при его заданной концентрации ( Са)

V2= л

1.6 Объём чёрного щёлока, закачанного на варку (до заданного гидромодуля) V3 :

V3 = V - (V1 + V2) = 8213,3 - (1053 + 3055,5) = 4104,8 л .

1.7 Расчёт состава белого щёлока по его характеристикам в единицах Na2O:

CNaOH/Na2O= г/л (по Na2O)

CNa2S/Na2O= г/л (по Na2O)

CNa2CO3/Na2O= CNaOH/Na2O= г/л (по Na2O)

C Na2SO4/Na2O=C Na2S/Na2O = г/л (по Na2O)

Итого: CобщNa2O=81,76+30,24+13,3+2,28=127,59г/л в ед. Na2O

1.8 Состав белого щёлока в собственных единицах:

CNaOH/се= CNaOH/Na2O г/л NaOH

Аналогично

CNa2S/с.е.= CNa2S/Na2O г/л Na2S

CNa2CO3/с.е.= CNa2CO3/Na2O г/л Na2CO3

C Na2SO4/с.е.= C Na2SO4/Na2O г/л Na2SO4

Итого: Ссобств. = 105,5+38,04+22,73+5,22=171,5 г/л в собственных единицах.

1.9 Степень активности белого щёлока (Акт)

Акт=

1.10 Коэффициент пересчёта (Е) натриевых соединений белого щёлока из единиц Na2O в собственные единицы

Е=

1.11 Количество «всей щёлочи» в собственных единицах, поступающей в котёл с белым щёлоком (M1)

M1= кг

1.12 Количество сухих веществ, поступающих в котёл с закачиваемым чёрным щёлоком (Ф1) при заданной концентрации сухих веществ в чёрном щёлоке (Счщ) и его плотности (рчщ):

Ф1== 608,94 кг сухих веществ.

1.13 Количество минеральных веществ, поступающих в котёл с чёрным щёлоком (М2)

М2= = 182,68 кг минеральных веществ чёрного щёлока,

Или в единицах Na2O 182,68 : 1,344= 135,9 кг no Na2O.

1.14 Количество органических веществ, поступающих с чёрным щёлоком на варку (S)

S= =426, 26 кг. мин веществ

1.15 Общее количество минеральных веществ, поступающих с белым и чёрным щёлоком в варочный котёл (М3)

М3=М1+М2=182,68+524,45=707,13 кг мин веществ

2. Заварка

2.1 Согласно имеющимся литературным данным [1] вовремя терпентинной сдувки выделяется 90 кг пара на 1 т а.с.д.

2.1 Следовательно, в нашем случае выделится (P1) кг пара:

P1=90 =175,99 кг пара (176 кг)

2.2 При сдувке происходит также переброс щёлока, т.е. унос его с паром в капельно-жидкой форме. Примем, что переброс щёлока при терпентинной сдувке составляет 1 % от начального объёма жидкости V в котле (Р2):

Р2 = V 0,01 =8213,3 0,01 = 82,1 л (кг).

2.3 В результате испарения (Р1) и переброса щёлока (Р2) при терпентинной сдувке количество жидкости в котле к концу заварки составит (V4)

V4 = V - (P1 + P2) = 8213,3 - (176+ 82,1) = 7955,2 л (кг).

2.4 Среднеарифметическое количество жидкости во время заварки (V5)

V5= =8084,25 л (кг)

2.5 Согласно графику изменения выхода в процессе варки (рис 1) на этой стадии - 63 %. Тогда количество органических веществ растворяющихся за время заварки (S1), составит 100 % - 63 % = 37% Соответственно:

S1 = Д 0,37 = 1955,55 0,37 = 723,1 кг органических веществ.

2.6 По литературным данным [2] при варке хвойной (сосновой) древесин во время сдувки уходят из котла летучие продукты:

Скипидар - 11 кг

Метиловый спирт - 5 кг Метилмеркаптан - 1 кг Диметилсульфид - З кг

Итого -20 кг

2.7 С учётом 20 кг летучих продуктов, уходящих при терпентинной сдувке при варке хвойной древесины, в раствор перейдёт (S2) органических веществ

S2= S1- 20 = 723,1- 20 = 703,1 кг органических веществ в растворе.

2.8 Вместе с органическими веществами чёрного щёлока, закачанного в котёл, к концу заварки в растворе будет органических веществ (S3)

S3= S + S2 = 426,26 + 703,1 = 1129,36 кг органических веществ в растворе.

2.9 Среднеарифметическое количество органических веществ, находящихся в растворе в период заварки (S4)

S4= =777,81 кг органических веществ,

2.10 Средняя концентрация растворённых органических веществ во время заварки (О1)

О1= =96,15г/л = 0,09615 кг/л органических веществ

2.11 Средняя концентрация минеральных веществ во время заварки (CMИH1)

CMИH1= = 87,47г/л = 0,08747 кг/л

минеральных веществ.

2.12 Уходит органических веществ с перебросом щёлока (S5)

S5 = O1 P2 = 0,09615 82,1 = 7,88 кг органических веществ.

2.13 Уходит минеральных веществ с перебросом щёлока (M4)

М4 = Смин.1 Р2= 0,08747 82,1 = 7,18 кг минеральных веществ.

Остаётся в котле к концу заварки твёрдого вещества древесины

(Д1) Д1 = Д- S1= 1955,55- 723,1= 1232,45 кг древесины.

Остаётся минеральных веществ в чёрном щёлоке (М5)

M5 = М3 - М4 = 707,13 - 7,18 = 699,95 кг минеральных веществ.

2.16 Остаётся органических веществ в чёрном щёлоке (S6)

S6 = S3 - S5 = 1129,36 - 7,88 = 1121,48 кг органических веществ.

3. Варка

В период стоянки на конечной температуре после заварки происходит дальнейшее растворение древесины, и выход снижается до 46 % , т.е. после заварки дополнительно растворяется древесины: А = 63 % - 46 % = 17 % .

3.1 Соответственно, в раствор переходит органических веществ древесины (S7):

S7 = Д 0,17 = 1955,55 0,17 = 332,9 кг органических веществ древесины.

3.2 Остаётся твёрдого вещества древесины (Д2) после стоянки на конечной температуре, т.е. после стадии «варка»

Д2 = Д1 - S7 = 1232,45 - 332,9 = 899,55 кг древесного вещества (целлюлозы).

3.3 Всего растворено органических веществ в чёрном щёлоке (S8) S8 = S6 + S7 = 1121,48 + 332,9 = 1453,82 кг органических веществ.

Таблица 2

Материальный баланс процесса заварки

Вещества	Перед началом заварки	По окончании процесса заварки
		Уходит при сдувке	Переходит в раствор	Итого уходит	Осталось в котле к концу _заварки
		В виде паров	С пере- бросами
1	2	3	4	5	6	7
Вода л (кг) 2. Органические вещества, кг: - древесина;	8213,3	176	82,1	------	258,1	7955,2
	1955,55	-----	------	703,1	-------	1232,45
- летучие продукты растворённые в щёлоке	--------	20	--------	--------	20	-------
	426,26	-------	7,88	*->	7,88	1121,38
3. Минеральные вещества, кг	707,13	-------	7,18	------	7,18	699,95
ВСЕГО:	11302,24	196	97,16	703,1*	293,26	11008,78
В т.ч. «всей Na20»	526,14	------	5,3	-------	5,3	520,79

Переходит в чёрный щёлок в состав растворённых органических веществ и учитывается там (*), т.е. из системы не выводится. Соответственно, баланс системы: =гр.(7+ 6) = 11008,78 + 293,26 = 11302,24 кг=гр.2

Таблица 3

Материальный баланс стадии варка

Вещества	Было в котле к концу заварки	По окончании стадии варка
		Переходит в р-р (в ч щ)	Итого остаётся в котле
Вода, л (кг)	7955,2 1 ЛЛО "Л	-------- -------	7955,2 8213,3 -- _ 1955,55 426,26
2. Органические вещества, кг: - древесина (ц-за) - растворённые в чёрном щёлоке	1232,45	332,9*	899,55
	1121,38	*	1453,82
3. Минеральные вещества, кг	699,95	-------	699,95
ВСЕГО:	11008,78	332,9	11008,78
В т.ч. «всей Na2O»	520,79	-------	520,79

4. Конечная сдувка

4.1 Температура варки (стоянки на конечной температуре) согласно исходным данным tкон= 170 С0. Этой температуре в соответствии с «Таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара» [3, стр. 24] или по Приложению П3.1. соответствует абсолютное давление пара (рабс): pабс.t.кон.170 = 8,076 кг/см2.

Абсолютное давление (рабс) равно сумме атмосферного давлении (ратм) и избыточного давления (ризб). В технике и технологических процессах практически всегда задаётся и контролируется избыточное давление, т.е. то, которое показывает манометр.

Атмосферное давление (ратм), принятое в той или иной системе единиц, может быть точно установлено по данным «Таблиц…» [3) по соответствующему разделу - «Состояние насыщения (по температурам)» или по Приложению П.3.1: ратм= рабс для t= 100 °С В данном случае это давление равно ратм = 1,0332 kг/cм2 [3, с. 22] или по П.З,1 (выделенные значения). Исходя из приведённых выше величин, избыточное давление (т.е. то, которое будет показывать манометр в верху котла в паровом пространстве) при температуре 170°С :

Pизб.170 = рабс.170-pатм.=8,076-1,0332 = 7,0428 >> 7,043 кг/см2, или в барах Pизб.170 =7,0428 * 0,98О665 = 6,9066 >> 6,907 бар . Энтальпия (теплocoдержание) жидкости: i170=719,2кДж/кг [3,с. 214] или по Приложению П З.1

Обычно в технических расчетах атмосферное давление может быть принято равным 1,0 кг/см2.

При конечной сдувке давлении в котле снижают до 5- 6 кг/см2. Пропорционально снижению давления в котле понижается и температура содержимого котла за счёт вскипания жидкости, часть которой переходит в пар и уходит из котла. При интенсивной сдувке часть жидкости подхватывается образующимся паром и уносится вместе с ним в виде капельного уноса.

Все технологические расчёты могут быть проведены с применением системы единиц, основанных на калории (или килокалории, ккал) или по системе СИ основанной на джоуле (или килоджоуле кДж). По современным нормативным требованием проектные расчёты проводят а системе СИ, хотя следует отметить, что предприятия свою технологическую отчётность проводят в гигакалориях (Гкал = I09 кал = 106ккал), Можно также отметить, что расчёт, выполненный в ккал для водно-паровых систем, выглядит ненаглядно, так как величина удельной теплоемкости воды в вгой системе равна I ккал/кг-град.

Проведём теплотехнические расчёты в дачном разделе исходи из нормативных требований и заданных условий по температуре варки и давлению после конечной сдувки 4,2. Установление температуры по заданному давлению при конечной сдувке В нашем случае в процессе конечной сдувкн давление в котле (манометрическое) снижается до 5,0 кг/см2. Согласно изложенному выше это- избыточное давление. Для того, чтобы можно было применить «Таблицы...» [3] или таблицы Приложения П.3.2 для определения температуры и других теплотехнических характеристик, необходимо привести это давление к абсолютному.

Здесь необходимо отметить следующее. Для определения теплосодержания жидкости при установленных температуре и давлении лучше использовать табличные данные по температуре, а не по давлению. Температура первична, а все остальные термодинамические характеристики (р; i'; r; i") являются производными от нее. Таким образом, это проще, точнее и в большей степени гарантирует от ошибок, так как "шаг" температур в таблицах равен 1°С, и при этом не надо следить за правильностью выбора давлении (Рабс или Ризб в kt/cm2 или в барах).

Рассмотрим точный полный вариант расчёта. Для проведения расчета в системе СИ давление, заданное в кг/см2 необходимо перевести в давление, выраженное в барах (1 бар= 105 Н/м2 =100 кПа).

Одна техническая атмосфера- 1 ат. = 1 кг/см2 соответствует 0,980665 бар.

Для перехода к абсолютному давлению, к заданной величине избыточного давления (манометрического) необходимо прибавить величину атмосферного давления.

Одна физическая атмосфера 1 атм равна 1,03323 кг/см2 или 1,01325 бар [3, с 20, табл.6],

Соответственно исходным данным для нашего случая при давлении (манометрическом) после конечной сдувки - ркон.сд. = 5,1кг/см2,

Абсолютное давление будет равно:

-в системе кг/cм2 ; ккал:

рабс.=ризб.маном.+ратм= 5,1+ 1,0332 = 6,133кг/см2

-в системе СИ бар; кджоуль:

рабс.=(ризб.маном. 0,980665)+ ратм.бар=(5,1 0,980665)+1,0133= 5,927 бар - 5,93 бар.

Исходя из полученных величин абсолютного давления (р абс), определяем температуру, которая установится в котле к концу конечной сдувки (методом интерполяции по таблице Приложения П 3.2 для давления выраженного в барах) Соответственно, в этом же приложении П 3.2 находим теплотехнические характеристики для насыщенного водяного пара и жидкости (в кДж/кг). Проводим соответствующие расчёты с использованием полученных величин.

Конечному манометрическому (избыточному) давлению конечной сдувки ркон.сд.маном. = 5,1кг/см2, , как было рассчитало выше, соответствует абсолютное давление рабс.кон.сд. = 5,93 бар . Этому абсолютному давлению соответствуют по приложению П.3.2 , определенные интерполяцией; температура tкон.сд = 158,29 °С и энтальпия жидкости i158,29= 668,1 кДж/кг.

4.3 При конечной сдувке выделится тепла (Q1) за счёт изменения теплосодержания жидкости в варочном котле:

Q1=V4 (i170-i158,29)=7955,2 (719,2-668,1)=406510 кДж

4.4. Некоторое количество тепла выделится также за счёт охлаждения целлюлозы, органических и минеральных веществ (Q2). При средней их теплоёмкости q = 1,34 кДж/кг х Со:

Q2 = (Д2 + S8 + М5) q (tK0H - tK0H.СД) = (899,55+ 1453,82 + 699,95) 1,34 (170° -158,3°) = 47877 кДж

4.5. Всего выделится тепла во время конечной сдувки (Q3):

Q3 = Q1 + Q2 = 406510 + 47877 = 454387 кДж .

4.6 Среднее манометрическое давление при конечной сдувке

Рср.кон сд = = 6,071 кг/см2, или в

барах = 6.071 0.980665 = 5,9056 » 5.91 бар.

4.7 Соответственно этому, среднее абсолютное давление при конечной сдувке (в барах): Рабс.ср.кон сд = Рср.кон сд +Ратм. бар = 5,91 + 1,0133 = 6,92 бар. Этому давлению соответствует теплота парообразования, рассчитанная интерполяцией: rср.консл = 2068,2 кДж/кг пара по П.3.2 . Образуется пара при конечной сдувке (Р3):

P3 =Q3 : rср.консл = 454387 : 2068,2 = 219,7 кг пара .

4.8 При конечной сдувке помимо испарения жидкости, происходит переброс шелока. В виде переброса уносится вместе со сдувочными парами примерно 2% жидкости (Р4)

Р4=V4 0,02=7955,2 0,02=159,1 л (кг)

4.9 Количество жидкости в котле, остающейся к концу сдувки (V6)

V6=V4-(P3+P4)=7955,2-(219,7+159,1)=7576,4 л (кг)

4.10 Среднее количество жидкости в котле за время конечной cдувки (V7)

V7= =7765,8 л

4.11 Во время конечной сдувки выход снижается с 46 % до 45 % согласно кривой выхода на рис., то есть на этой стадии растворяется ещё 1 % органического вещества древесины (S9)

S9 = Д 0,01 = 1955,55 0,01 =19,55 кг .

4.12 Остаётся твёрдого вещества древесины (целлюлозы) (Дз) - целлюлоза по варке

Д3 = Д2- S9 = 899,55 - 19,55 = 880,00 кг

В данном расчёте невязка материального баланса по волокну составила 0,005 кг на 880 кг абс.сухого волокна.

4.13 Количество органических веществ в чёрном щёлоке на стадии конечной cдувки (S10)

S10 = S8 + S9 = 1453,82 + 19,55 = 1473,37 кг .

4.14 Среднее количество органических веществ в чёрном щёлоке на стадии конечной cдувки (S11)

S11= =1463,59 кг.

4.15. Средняя концентрация растворённых органических веществ во время конечной cдувки (О2)

О2 = S11 : V7 = 1463,59 : 7765,8= 186,68 г/л = 0,1868 кг/л .

4.16. Количество органических веществ, уходящих из котла с перебросом (S12)

S12=O2 P4=0,1868 159,1=29,58 кг

4.17 Средняя концентрация минеральных веществ во время конечной сдувки ( Смин2)

Смин2=М5: V7=699,95: 7765,8=90,01 г/л = 0,090 кг/л

4.18 Количество минеральных веществ, уходящих из котла с перебросом (М6)

М6= Смин2 P4=0,09 159,1=14,32 кг

4.19 Остаётся органических веществ в щёлоке к концу конечной сдувки (S13)

S13=S10-S12=1473,37-29,58=1443,78 кг.

4.20 Остаётся минеральных веществ в щёлоке к концу конечной сдувки(М7)

М7 = М5-Мб = 699,95-14,32 = 685,63 кг

Материальный баланс конечной сдувки приведён в табл. 4 .

5. Выдувка массы

5.1 Сваренная целлюлоза выдувается из варочного котла в выдувной резервуар под действием избыточного давления в варочном котле. Выдувной резервуар находится под атмосферным давлением. Соответственно, избыточное давление при выдувке падает до 0. В нашем случае с 5 кг/см2 до 0 кг/см2. В результате этого жидкость, имеющая в варочном котле температуру выше 100 °С, оказывается перегретой относительно давления в выдувном резервуаре это вызывает её интенсивное вскипание. Выделяется большое количество пара, с которым уносится избыточное тепло, в результате температура массы (жидкости, целлюлозы и растворённых веществ) снижается примерно до 99° - 100 °С; вскипание, соответственно, прекращается.

5.2 Как было определено выше (п. 4.2.), избыточному давлению после конечной сдувки, т.е. перед выдувкой, равному 5,1 кг/см2, соответствует абсолютное давление Рабс = 6,033 кг/см2 = 5,917 бар и температура tкон. сд=158,29 C0 Энтальпия жидкости в этих условиях i158,29=668,1 кДж/кг.

Температура массы в выдувном резервуаре t = 99 °С избыточного давления нет т е оно=0 Энтальпия жидкости в этих условиях i99=414,9 кДж/кг.

Таким образом, при выдувке выделится тепла жидкостью(Q4)

Q4=V6 (i158,29- i99)=7576,4 (668,1-414,9)=1918344 кДж

5.3 Выделится тепла целлюлозой и сухими веществами чёрного щёлока при их

Q5= (Д3 + S13 + М7) q (tкон. сд-tвыд.рез )= (880 + 1443,78 + 685,63) 1,34 (158,3° - 99°) = 237629 кДж

5.4 Суммарное количество выделившегося тепла (Q6)

Q6=Q4 + Q5 = 1918344 + 237629 = 2155967 кДж.

5.5 Среднее манометрическое давление пара при выдувке (Pср.выд)

Pср.выд= =2,55 кг/см2 или в барах = 2,55 0,980665 = 2,5 бар.

5.6 Соответственно, среднее абсолютное давление при выдувке (Рабс.ср.выд)

В барах: Рабс.ср.выд = Рср.выд + Ратм.бар = 2,5 +1,0133 =3,51 бар.

Этому давлению соответствует теплота парообразования (вычисленная интерполяцией по П.3.2): rср.выд =2148 кДж/кг .

5.7 Образуется паров вскипания при выдувке массы (Р5)

P5 = Q6: rср.выд = 2155967 : 2148 = 988, 79 кг пара.

Таким образом, из котла при выдувке уходит жидкости с массой

(V8): V8 = V6 - Р5 = 7576,4 - 988,79 = 6588,34 л .

Концентрация органических веществ в чёрном щёлоке

(Оз) O3 = S13 : V8 =1443,78 : 6588,34 = 216,2 г/л = 0,2162 кг/л .

Концентрация минеральных веществ в чёрном щёлоке (Смин.3) Смин.3= М7: V8 = 685,63 : 6588,34 = 88,88 г/л = 0,0888 кг/л . 5.11. Концентрация сухих веществ в чёрном щёлоке (СФ2)

СФ2=(S13+M7) : V8=(1443,78+685,63) :6588,34=0,317 кг/л

5.12 Примем, что переброс щёлока при выдувке составляет 1,5 % . Тогда вместе с паром в конденсатор смешения уйдёт и будет потеряно чёрного щёлока (Р6)

Р6= V8 0,015= 6588,34 0,015=98,8 л

5.13 С этим перебросом черного щёлока при выдувке будет потеряно сухих веществ (ф2)

ф2=СФ2 Р6=0,317 98,8=31,31 кг сухих веществ чёрного щёлока

5.14 С перебросом уйдёт и будет потеряно органических веществ (S14)

S14=О3 Р6=0,2162 98,8=21,36 кг органических веществ чёрного щёлока

5.15 С перебросом уйдёт и будет потеряно минеральных веществ (М8)

М8= Смин.3 Р6 = 0,088 98,8 = 10,27 кг минеральных веществ чёрного щёлока. В пересчёте на Na2O (Е - см. п. 1.10.) потери составляют М8 : Е = 10,27 : 1,344 = 7,64 кг «всей Na2O».

5.16 Количество чёрного щёлока с целлюлозой в выдувном резервуаре (V9)

V9=V8-P6=6588,34-98,8=6489,54 л

5.17 В нём растворённых органических веществ (S15)

S15 = S13 -S14= 1443,78 - 21,36 = 1422,42 кг органических веществ.

5 18 В нём растворённых минеральных веществ (М9)

М9= М7 - М8 = 685,63 - 10,27 = 675,36 кг минеральных веществ, или в пересчёте на Na2O = М9: Е = 675,36 : 1,344 = 502,5 кг «всей Na2O».

Библиографический список:

заварка сдувка закачка

1. Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т. 2. Производство сульфатной целлюлозы. М. лесная промышленность 1990г. 597с.

2. Богомолов Б.Д., Соколова А.А. Побочные продукты сульфатно-целлюлозного производства (Химия н технология).- М. Гослесбумиздат. 1962, 436 с.

3. Вукапович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.- Изд. 7-е. -М,- Л.: Энергия, 1965,400 с.

4. Инструкция по нормированию расхода древесины в производстве целлюлозы и древесной массы.- М: Лесная промышленность, 1982.65 с.

5. Болдырев Ю.Н., Зорин А.А., Попов В.В. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов целлюлозно-бумажного, лесохимического и гидролизного производств.-2-е изд.-М.: Лесная пром-сть, 1984,224 с.

6. Оборудование целлюлозно-бумажного производства Т. 1. Оборудование для производства волокнистых полуфабрикатов / Под ред. В. А. Чичаева М.: Лесная промышленность, 1981. 368 с.

7. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения.- каталог ВНИИнефтемаш- М,: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991.72 с.

8. Оборудование для целлюлозно-бумажного производства. Книга 1. Оборудование для производства целлюлозы. Химическое оборудование. Каталог АО «Петрозаволскмаш».- Петрозаводск. 1994.259 с.

Размещено на Allbest.ru