Материальный и тепловой баланс периодической сульфатной варки целлюлозы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема:

Материальный и тепловой баланс периодической сульфатной варки



СОДЕРЖАНИЕ

Исходные данные для расчёта материального баланса

Распределение времени по операциям в обороте котла и график варки:

1. Загрузка щепы и закачка щелоков: заварка, варка, конечная сдувка

2. Заварка

3. Варка

4. Конечная сдувка

5. Выдувка массы в выдувной резервуар

6. Тепловой баланс периодической сульфатной варки

7. Расчёт и подбор оборудования варочного отдела

Библиографический список



Исходные данные для расчёта материального баланса

1. Вид и марка целлюлозы -- Белёная хвойная по ГОСТ 9571-89

2. Степень делигнификации (жёсткость), п.е.(ед. Каппа) - 25.

3. Вид древесины - лиственница.

3.1 Объёмная условная плотность древесины, (Приложение 1, [4, с. 62-64]), кг/пл. м³ (Z)-525.

4. Выход целлюлозы из древесины, % (В₁) -44.7

5. Влагосодержание щепы, %(W)-39.

6. Расход активной щёлочи на варку (в ед. Nа₂О), % от абс. сухой древесины (А)- 18.2

7. Концентрация активной щёлочи в белом щёлоке (в ед. Na₂О), г/л(С_А) -115.

8. Степень сульфидности белого щёлока, % (С_у) - 25.

9. Степень каустизации белого щёлока, % (К) - 83.

10. Степень восстановления белого щёлока, % (В_с) - 93.

11. Объёмная плотность загрузки варочного котла, пл. м³ древесины/м³ варочного котла (X) -0,42. [1, с. 93-94].

12. Гидромодуль варки (ГМ) - 5:1.

13. Концентрация чёрного щёлока, заливаемогона варку, % сухих веществ (С_ЧЩ) - 14,6

14. Плотность чёрного щёлока, т/м³ (р_чш)-1,0785.(Приложение 2; [1, с. 317-319, табл. 50]).

15. Доля органической части в сухом остатке чёрного щёлока, [1, с. 372-373,табл. 55], % (О_рг)-70

16. Доля минеральной части в сухом остатке чёрногощёлока, [1, с. 372-373, табл.55], %(М) - ЗО.

17. Температура варки, - 170°С.

18. Давление в варочном котле после конечной сдувки,Р_кон.сд.-5,5 кг/см².

19. Оборот котла, ч-мин - 6ч 30мин

20. Объем котла [1, с. 80- 82, табл. 5], 125 м³.

21. Производительность варочного цеха, тонн в.с. целлюлозы/сутки(Q) - 360.

Распределение времени по операциям в обороте котла и график варки:

1. Осмотр 5 мин.

2. Загрузка щепой с уплотнением пропаркой 40 мин

3. Закачка щелоков с циркуляцией 40 мин.

4. Заварка до температуры 170°С 2ч 25 мин.

5. Варка при температуре 170°С 1ч 35 мин.

6. Конечная сдувка 35 мин.

7. Выдувка массы 30 мин.

Итого: 6 ч 30 мин



1. Загрузка щепы и закачка щелоков: заварка, варка, конечная сдувка

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 = кг абсолютно-сухой древесины (кг а.с.д.).

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

V₁= кг (л)

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

V = Д*ГМ = 1913,04*5 = 9843,4 л

1.4 Количество активной щёлочи, задаваемой с белым щёлоком наварку (Ai) при заданном расходе активной щёлочи от веса ах

A₁= кг Na₂O

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



V₂= л

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

V₃ = V - (V₁ + V₂) = 9843,4 - (1258,7+3115,65) = 5469 л.

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

C_NaOH/Na2O= г/л (по Na₂O)

C_Na2S/Na2O= г/л (по Na₂O)

C_Na2CO3/Na2O= C_NaOH/Na2O= г/л (по Na₂O)

C _Na2SO4/Na2O=C _Na2S/Na2O =г/л (по Na₂O)

Итого:

C_общNa2O=86,25+28,75+17,67+2,16=134,8 г/л в ед. Na₂O,

1.8 Состав белого щёлока в собственных единицах:

C_NaOH/се= C_NaOH/Na2O г/л NaOH

Аналогично

C_Na2S/с.е.= C_Na2S/Na2O г/л Na₂S

C_{Na2CO3/с.е.}= C_Na2CO3/Na2O г/л Na₂CO₃

C _{Na2SO4/с.е.}= C _Na2SO4/Na2O г/л Na₂SO₄

Итого:

С_собств. = 111,29+36,17+30,21+4,88=182,55 г/л в собственных единицах.

1.9 Степень активности белого щёлока (А_кт)

А_кт=

1.10 Коэффициент пересчёта (Е) натриевых соединений белого щёлока изединиц 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 (С_чщ) и его плотности (р_чщ):

Ф₁== 642,05 кг сухих веществ.

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

М₂= = 192,62 кг минеральных веществ чёрного щёлока,

Или в единицах Na₂O 192,62: 1,353 = 142,37 кг no Na₂O.

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

S= = 449,44 кг. органических веществ

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

М₃=М₁+М₂=512,25+192,62 = 704,87 кг мин веществ

Таблица 1

Поступление веществ в варочный котел

Вещества	Со щепой	С белым щёлоком	С чёрным щёлоком	ИТОГО в котле
1	2	3	4	5
1. Вода, л (кг)	1386	2956,6	4266,1	8608,7
2. Органические вещества, кг: - древесина - растворённые в чёрном щёлоке	1913,04			1913,04
			449,43	449,43
3. Минеральные вещества, кг		512,25	192,62	704,87
ИТОГО:	3299,04	3468,85	4908,15	11676,04
В т.ч. всей Na2O, кг при коэффициенте Е= 1,344 п. 1.10		378,6	142,37	520,97

2. Заварка

2.1 Согласно имеющимся литературным данным [1] во время терпентинной сдувки выделяется 90 кг пара на 1 т а.с.д. Следовательно, в нашем случае выделится (P₁) кг пара:

P₁= 90 =172,17 кг пара

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 =8608,7*0,01 = 86,09 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) = 8608,7 - (172,17+86,09) = 8350,44 л (кг).

2.4 Среднеарифметическое количество жидкости во время заварки (V₅)

V₅= = 8479,6 л (кг)

2.5 Согласно графику изменения выхода в процессе варки (рис 1) на этой стадии - 65%. Тогда количество органических веществ растворяющихся за время заварки (S₁), составит



100% - 65% = 35%Соответственно:

S₁ = Д*0,35 = 1913,04*0,35 = 669,56 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 = 669,56 - 20 = 649,56 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 = 449,43 + 649,56 = 1098,99 кг органических веществ в растворе.

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

S₄= = 774,21 кг органических веществ,



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

О₁= = 91,3г/л = 0,0913 кг/л органических веществ

2.11 Средняя концентрация минеральных веществ во время заварки (C_MИH1)

C_MИH1= = 83,13 г/л = 0,08313 кг/л минеральных веществ.

2.12 Уходит органических веществ с перебросом щёлока (S₅)

S₅ = O₁*P₂ = 0,0913*86,09 = 7,86 кг органических веществ.

2.13 Уходит минеральных веществ с перебросом щёлока (M₄)

М₄ = С_мин.1 Р₂= 0,08313*86,09 = 7,16 кг минеральных веществ.

2.14 Остаётся в котле к концу заварки твёрдого вещества древесины

(Д₁)Д₁ = Д- S₁= 1913,04- 669,56 = 1243,48 кг древесины

2.15 Остаётся минеральных веществ в чёрном щёлоке (М₅)

M₅ = М₃ - М₄ = 704,87 - 7,16 = 697,71 кг минеральных веществ.

2.16 Остаётся органических веществ в чёрном щёлоке (S₆)

S₆ = S₃ - S₅ = 1098,99 - 7,86 = 1091,13 кг органических веществ.

Итоговый материальный баланс заварки представлен в табл. 2

3. Варка

В период стоянки на конечной температуре после заварки происходит дальнейшее растворение древесины, и выход снижается до 47,5%, т.е. после заварки дополнительно растворяется древесины:

А = 65% - 47,5% = 17,5%.

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

S₇ = Д*0,175 = 1913,04*0,175 = 334,78 кг органических веществ древесины.

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

Д₂ = Д₁ - S₇ = 1243,48 - 334,78 = 908,7 кг древесного вещества (целлюлозы).

3.3 Всего растворено органических веществ в чёрном щёлоке

(S₈)S₈ = S₆ + S₇ = 1091,13 + 334,78 = 1425,91 кг органических веществ.



Таблица 2

Материальный баланс процесса «Заварка»

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
1. Вода, л (кг)	8608,7	172,17	86,09		258,26	8350,44
2. органические вещества, кг: - древесина; - летучие продукты; - растворённые в щёлоке	1913,04			649,56*v		1243,48
		20			20
	449,44		7,86	*>	7,86	1091,13*
3. минеральные вещества, кг	704,87		7,16		7,16	697,71
ВСЕГО:	11676,05	192,17	101,11	649,56	293,28	11382,76
В т.ч. «всей Na2O»	520,97		5,29		5,29	515,68

*Переходит в чёрный щёлок в состав растворённых органических веществ и учитывается там (*), т.е. из системы не выводится. Соответственно, баланс системы:

? = гр.(7+ 6) = 11382,76 + 293,28 = 11676,05 кг = гр.2

Таблица 3

Материальный баланс стадии «Варка»

Вещества	Было в котле к концу заварки	По окончании стадии «варка»
		Переходит в раствор (в ч. щ.)	Итого в котле остаётся
1. Вода, л (кг)	8350,44		8350,44
2. Органические вещества: -древесина(целлюлоза) -растворённые в чёрном щёлоке	1243,48	334,78*v	908,7
	1091,13	*>	1425,91
3. Минеральные вещества	697,71		697,71
ВСЕГО:	11382,76	334,78	11382,76
В т.ч. «всей Na2O»	515,68		515,68

4. Конечная сдувка

4.1 Температура варки (стоянки на конечной температуре) согласно исходным данным t_кон= 171С⁰. Этой температуре в соответствии с «Таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара» [3, стр. 24] или по Приложению П3.1. соответствует абсолютное давление пара (р_абс): p_{абс.t.кон.171} = 8,274 кг/см².

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

Атмосферное давление (р_атм), 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: р_атм= р_абс для t= 100 °С В данном случае это давление равно р_атм = 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 171°С:

P_изб.171 ⁼ р_абс.171-p_атм.=8,274-1,0332 = 7,241 кг/см²,

или в барах:

P_изб.171 =7,241 * 0,98О665 = 7,101 бар

Энтальпия (теплocoдержание) жидкости: i₁₇₁ = 723,5 кДж/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 сдувки давление в котле (манометрическое) снижается до 5,5 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 (Р_абс или Р_изб 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 - р_кон.сд. = 5,5 кг/см²,

Абсолютное давление будет равно:

- в системе кг/cм²; ккал:

р_абс.=р_{изб.маном.}+р_атм= 5,5+ 1_,0332 = 6,533кг/см²

- в системе СИ бар; кджоуль:

р_абс.=(р_{изб.маном}*0,980665)+ р_атм.бар=(5,5*0,980665)+1,0133= 6,407 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 р_{кон.сд.маном.} = 5,5кг/см²,, как было рассчитало выше, соответствует абсолютное давление р_{абс.кон.сд.} =6,407 бар. Этому абсолютному давлению соответствуют по приложению П.3.2, определенные интерполяцией; температура t_кон.сд = 161,41°С и энтальпия жидкости i_161,41= 681,69 кДж/кг.

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

Q₁=V₄*(i₁₇₁-i_161,41)=8350,44*(723,5-681,69)=349131,9 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 С^о:

Q₂ = (Д₂ + S₈ + М₅) q (t_K0H - t_K0H._СД) = (908,7+ 1425,91 +

697,71)*1,34*(171 - 161,41) = 38967,1 кДж.

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

Q₃ = Q₁ + Q₂ = 349131,9 + 38967,1 = 388099 кДж.

4.6 Среднее манометрическое давление при конечной сдувке

Р_{ср.кон сд} = = 6,37 кг/см², или в барах =

6,37*0.980665 = 6,25 бар.

4.7 Соответственно этому, среднее абсолютное давление при конечной сдувке (в барах):

Р_{абс.ср.кон сд} = Р_{ср.кон сд} +Р_{атм. бар} = 6,25 + 1,0133 = 7,2633 бар

Этому давлению соответствует теплота парообразования, рассчитанная интерполяцией:

r_ср._консл = 2061,734 кДж/кг пара (3, с 220) или по П.3.2.

Образуется пара при конечной сдувке (Р₃):

P₃ =Q₃: r_ср._консл = 388099: 2061,734 = 188,24 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=8350,44*0,02=167 л (кг)

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

V₆=V₄-(P₃+P₄) =8350,44-(188,24+167) = 7995,2 л (кг)

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

V₇= =8172,82 л



4.11 Во время конечной сдувки выход снижается с 48,5% до 46% согласно кривой выхода на рис., то есть на этой стадии растворяется ещё 2,5 % органического вещества древесины (S₉)

S₉ = Д*0,01 = 1913,04*0,015 = 28,7 кг.

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

Д₃ = Д₂- S₉ = 908,7 - 28,7 = 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 = 1425,91 + 28,7 = 1454,61 кг.

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

S₁₁ = =1440,26 кг.

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

О₂ = S₁₁: V₇ = 1440,26: 8172,82 = 0,17623 кг/л.



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

S₁₂=O₂ *P₄= 0,17623*167 = 29,43 кг

4.17 Средняя концентрация минеральных веществ во время конечной сдувки ( С_мин2)

С_мин2=М_5: V₇=697,71: 8172,82 = 0,08537 кг/л

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

М₆= С_мин2*P₄=0,08537*167 = 14,26 кг

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

S₁₃=S₁₀-S₁₂=1454,61-29,43=1425,18 кг.

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

М₇ = М₅-М_б = 697,71-14,26 = 683,45 кг.

варка целлюлоза щелок выдувка



Таблица 4

Материальный баланс конечной сдувки

Вещества	Было в котле к концу стадии «варка»	По окончании конечной сдувки
		уходит со сдувкой	переходит в раствор в ч.щ.	Итого уходит	Осталось в котле перед выдувкой
		в виде паров	с перебросами
1	2	3	4	5	6	7
1.Вода, л (кг)	8350,44	188,24	167	-	355,24	7995,2
2. Органические вещества - целлюлоза; - растворённые в чёрном щёлоке	908,7	-	-	28,7*v	-	880,00
	1425,91	-	29,43	*>	29,43	1425,18 *
3. Минеральные вещества	697,71	-	14,26	-	14,26	683,45
ВСЕГО:	11382,762	188,24	210,69	28,7*	398,93	10983,83
В т.ч. «всей Na2О», кг	515,68	-	10,54	-	10,29	505,14

*Переходит в чёрный щёлок в состав растворённых органических веществ и учитывается там (*), т.е. из системы не выводится. Материальный баланс системы: = гр.(7 + 6) = 10983,83 + 398,93 = 11382,76 кг = гр.2

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 5,5 кг/см², соответствует абсолютное давление Р_абс = 6,533 кг/см² = 6,407 бар и температура

t_{кон. сд}=161,41C⁰ Энтальпия жидкости в этих условиях i_161,41= 681,69 кДж/кг.

Температура массы ввыдувном 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*(i_161,41- i₉₉)=7995,2* (681,69-414,9)=2133039 кДж

5.3 Выделится тепла целлюлозой и сухими веществами чёрного щёлока при их

Q₅= (Д₃ + S₁₃ + М₇)*q*(t_{кон. сд}-t_{выд.рез} )= (880 + 1425,18 +

683,45)*1,34*(161,41° - 99°) = 249937 кДж

5.4 Суммарное количество выделившегося тепла (Q₆)

Q₆=Q₄ + Q₅ = 2133039 + 249937 = 2382976 кДж.

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

P_ср.выд= =2,75 кг/см²

или в барах = 2,75*0,980665 = 2,7 бар.

5.6 Соответственно, среднее абсолютное давление при выдувке (Р_{абс.ср.выд})

В барах:

Р_{абс.ср.выд} = Р_ср.выд + Р_{атм.бар} = 2,7 +1,0133 =3,7133 бар.

Этому давлению соответствует теплота парообразования (вычисленная интерполяцией по П.3.2):

r_ср._выд = 2141,6 кДж/кг.

5.7 Образуется паров вскипания при выдувке массы (Р₅)

P₅ = Q₆: r_ср._выд = 2382976: 2141,6 = 1112,71 кг пара.

5.8 Таким образом, из котла при выдувке уходит жидкости с массой

(V₈):V₈ = V₆ - Р₅ = 7995,2 - 1112,71 = 6882,49 л.

5.9 Концентрация органических веществ в чёрном щёлоке

(О_з)O₃ = S₁₃: V₈ =1425,18: 6882,49 = 0,207 кг/л.

5.10 Концентрация минеральных веществ в чёрном щёлоке (С_мин.₃)

С_мин.₃= М₇: V₈ = 683,45: 6882,49 = 0,0993 кг/л

5.11 Концентрация сухих веществ в чёрном щёлоке (С_Ф2)



С_Ф2=(S₁₃+M₇): V₈=(1425,18+683,45): 6882,49 = 0,3064 кг/л

5.12 Примем, что переброс щёлока при выдувке составляет 2,5 %. Тогда вместе с паром в конденсатор смешения уйдёт и будет потеряно чёрного щёлока (Р₆)

Р₆= V₈*0,015= 6882,49*0,015 = 103,24 л

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

ф₂=С_Ф2*Р₆=0,3064*103,24 = 31,63 кг сухих веществ чёрного щёлока

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

S₁₄=О₃*Р₆=0,207*103,24 = 21,37 кг органических веществ чёрного щёлока

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

М₈= С_мин.₃*Р₆ = 0,0993*103,24 = 10,25 кг минеральных веществ чёрного щёлока

В пересчёте на Na₂O (Е - см. п. 1.10.) потери составляют

М₈: Е = 10,25: 1,353 = 7,58 кг «всей Na₂O».

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



V₉=V₈-P₆=6882,49 - 103,24 = 6779,25 л

5.17 В нём растворённых органических веществ (S₁₅)

S₁₅ = S₁₃ -S₁₄= 1425,18 - 21,37 = 1403,81 кг органических веществ.

5.18 В нём растворённых минеральных веществ (М₉)

М₉= М₇ - М₈ = 683,45 - 10,25 = 673,2 кг минеральных веществ,

или в пересчёте на Na₂O

М₉: Е = 673,2: 1,353 = 497,56 кг «всей Na₂O».

Материальный баланс выдувки представлен в табл. 5.

Таблица 5

Материальный баланс выдувки

Вещества	Было в котле в конце сдувки	По окончании выдувки
		Уходит	Остаётся в выдувном резервуаре
		в виде паров	с перебросом	Итого уходит
1	2	3	4	5	6
1. Вода, л (кг)	7995,2	1112,71	103,24	1215,95	6779,25
2. Органические вещества, кг: - целлюлоза;	880,00	-	-	-	880,00
-Растворённые в чёрном щёлоке	1425,18	-	21,37	21,37	1403,81
3 Минеральные вещества кг	683,45	-	10,25	10,25	673,2
ИТОГО	10983,83	1112,71	134,86	1247,57	9736,26
В т.ч. «всей Na2O», кг	505,14	-	7,58	7,58	497,56



Материальный баланс системы: гр.

(6 +5) =9736,26+1247,57= 10983,83 кг.= гр.2

Таблица 6

Сводный материальный баланс периодической сульфатной варки

Вещества	Приход	Расход	Остаётся в выдувном резервуаре	Суммарно
	со щепой	С белым щёлоком	с черным щёлоком	Всего	Переходит в раствор	уходит со сдувками	уходит при выдувке	Итого
						в виде пара	с перебросом	В виде пара	с перебросом	уходит
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1. Вода, кг (л)	1386	2956,6	4266,1	8608,7	_	360,4	253,1	1112,7	103,24	1829,4	6779,2	8608,7
2. Органические вещества, кг: - древесина (целлюлоза); Газообразные продукты; - растворённые в щёлоке;	1913,04	-	-	1913,04	1013,04	-	-	-	-	-	880,0	1893,0
	-	-	-	--	--	20	-	-	-	20	-	20
	-	-	449,44	449,44	*>	-	37,29	-	21,37	58,66	1403,8	1462,4
3. Минеральные вещества, кг	-	512,25	192,62	704,87	-	-	21,42	-	10,25	31,67	673,2	704,87
ВСЕГО:	3299,04	3468,85	4908,16	11676,05	1013,04	380,4	311,81	1112,7	134,86	1939,7	9736,2	12689,
- в том числе «всей Na2O»	-	378,6	142,37	520,97	-	-	15,83	-	7,58	23,41	497,5	520,97

Переходит в чёрный щёлок в состав растворённых органических веществ и учитывается там (*), т.е. из системы не выводится. Материальный баланс системы:

У гр.(12+11) = 9736,26 + 1939,78 = = 11676,05 кг = гр. 5 = гр.(13 - 6*)



6. Тепловой баланс периодической сульфатной варки

Исходные данные:

Наружная поверхность кожуха котла, м² - 160

Средняя толщина стальной стенки, мм - 30

Масса корпуса котла с арматурой, т - 77

Толщина тепловой изоляции. Мм - 65

Масса изоляции, т - 7,0

Теплоёмкость, кДж/(кг*°С):

- абсолютно-сухой древесины и растворённых органических веществ-1,34

- растворённых минеральных веществ-1,13

- воды в щёлоке - 4,19

- стали котельной - 0,50

- тепловой изоляции - 0,92

Начальные температуры, °С

- щепы и влаги в ней - 10

- белого щёлока - 50

- чёрного щёлока (при заливке в котёл) - 70

Средняя температура стального кожуха котла, °С

- в начале заварки - 140

- в конце заварки - 171

Средняя температура изоляционного слоя, °С

- в начале заварки - 80

- в конце заварки - 120

По данным материального баланса:

Выход воздушно-сухой целлюлозы из одного котла, кг (п. 7.1.4) 14408

Количество, кг:

- абсолютно-сухой щепы, загруженной в котёл 1913,04*14,408 = 27563

- влаги в щепе 1386,03*14,408 = 19970

- воды в белом щёлоке 2956,6*14,408 = 42599

- минеральных веществ в белом щёлоке 512,25*14,408 = 7380

- воды в чёрном щёлоке 4266,1*14,408 = 61466

- органических веществ в чёрном щёлоке 449,43*14,408 = 6475

- минеральных веществ в чёрном щёлоке 142,37*14,408 = 2051

Веществ, уходящих из котла с терпентинной сдувкой:

- водяных паров 172,17*14,408 = 2481

- паров органических соединений 20*14,408 = 288

- воды в щёлоке (с перебросами) 86,09*14,408 = 1240

- органических веществ в щёлоке (с перебросами) 7,86*14,408 = 113

- минеральных веществ в щёлоке (с перебросами) 7,16*14,408 = 103

Затраты тепла на одну варку

6.1 Нагрев абсолютно-сухой щепы и растворенных органических веществ (с учетом ухода части из них при терпентинной сдувке) Q₁:

Средняя температура при терпентинной сдувке при проведении её на стадии <<Заварка>> до выхода на конечную температурe варки: (120°+171°)/2 = 145,5°С

Q₁ = 27563*1,34*(171°- 10°) + 6475*1,34 (171°- 70^o)-

(288+113)*1,34*(171°-145,5°) = 6809066 кДж.

6.2 Нагрев влаги в щепе (Q₂)

Q₂=19970*4,19*(171^o-10^o) = 13471562 кДж

6.3 Нагрев белого и черного щелока и растворенных минеральных веществ (с учётом количеств, уходящих при терпентинной сдувке) Q₃:

Q₃= (42599*4,19 +7380*1,13)*(171° - 50°) + (61466*4,19 +

2051*1,13)*(171^o- 70^o) -[(2481 + 1240)*4,19 + 103*1,3]*(171^o -145,5^o) =

29768306 кДж.

6.4 Нагрев корпуса варочного котла (Q₄)

Q₄=77000*0,50*(171^o-140°) = 1193500 кДж.

6.5 Нагрев теплоизоляционного слоя (Q₅)

Q₅ = 7000*0,92*(120^o-80°) = 257600 кДж.

6.6 Потери тепла теплоотдачей (Q₆)

Принимаем коэффициент теплопередачи через теплоизолированную стенку равным 12кДж/(м² ч С⁰).

Начальную температура содержимого котла примем 50⁰ С⁰,температуру воздуха в помещении 20°С.

Средняя температура содержимого котла за время заварки:

(50°+171°)/2 = 110,5°С

При продолжительности заварки - 2 ч 15 мин и варки на конечной температуре- 1 ч 10мин, потери тепла за счёт теплоотдачи составят (Q₆)

Q₆=12*160-[(110,5^o-20^o)*2,25 + (171^o-20^o)_*1,17]=715670 кДж

6.7 Потери тепла с терпентинной сдувкой (Q₇),

Эти потери включают в себя тепло парообразования водяных паров и органических соединений. При средней температуре терпентинной сдувки -145,5°С, для водяного пара теплота парообразования (r) -- r_145,5= 2129 кДж/кг по Приложению П.3.1.

Теплоту парообразования для органических соединений примем по скипидару равной 287 кДж/кг. Тогда:

Q₇ = 2129*2481+ 287*288 = 5364705 кДж.

6.8 Приход тепла от экзотермических реакций (Q₈)

При сульфатной варке, в отличие от сульфитной, за счёт реакции щёлочи с лигнином и другими компонентами древесины выделяется значительное количество тепла, которое по данным Брамера [1, с134] составляет 1,2% от тепла горения древесины. Для древесины лиственницы теплота сгорания составляет - 22400 кДж/кг. На одну тонну воздушно-сухой целлюлозы получим: 22400*0,012*1913,04 = 514225 кДж/тв.с.ц., а на одну котло-варку (Q₈)

Q₈= -(514225*14,408) = -7408954 кДж

Основные статьи расхода тепла представлены в табл. 7.

Из табл. 7 видно, что основными статьями расхода тепли являются нагрев влаги в щепе и щёлока. Тепло экзотермических реакций покрывает около 10% от общего расхода тепла, что представляет существенную экономию.

6.9 Рассчитаем расход пара на варку

Для этого примем, что нагрев щёлока в щёлокоподогревателе варочного котла производится насыщенным паром давлением 1,1 МПа (Р_{маном.изб.}) имеющим энтальпию (теплосодержание) - i''_{12бар.абс.} = 2785 кдж/кг по Приложению П_.3.2. (при p_абс 1,2 МПа - 12 бар), а конденсат из подогреватели удаляется с температурой 180°С

Тогда расход пара на варку составит (по таблице 7.):

или на 1 тонну воздушно-сухой целлюлозы по варке

кг пара/ т в.с.ц.

Если прилить потери тепла в паропроводах и с утечками равными 5 %, то удельный расход пара для рассчитанного примера составит

1715*1,05 = 1801 кг/т, или ~ 1,8 т пара/т в.с. целлюлозы.

Таблица 7

Статьи расхода тепла на периодическую сульфатную варку

Статья расхода	Количество тепла кДж	Распределение расхода тепла %
	На одну варку (14,408 т в. с. ц.)	На 1 т воздушно сухой целлюлозы
Нагрев - Абсолютно-сухой древесины и растворённых орг. веществ - влаги в щепе - щёлока и растворённых мин веществ - корпуса котла -теплоизоляционного слоя	6809066	472589	13,57
	13471562	935006	26,85
	29768306	2066096	59,34
	1193500	82836	2,38
	257600	17879	0,51
Потери тепла - теплоотдачей - с терпентинной сдувкой	715670	49672	1,43
	5364705	372342	10,69
Приход тепла от экзотермических реакций	-7408954	-514225	-14,77
ИТОГО расход тепла	50171455	3482195	100,00

Практически всё необходимое для варки количество пара расходуется в период подъёма температуры. Во время стоянки небольшие потери тепла компенсируются приходом тепла от химических реакций.

7. Расчёт и подбор оборудования варочного отдела

7.1 Определение необходимого количества варочных котлов [1, с.80-82; с. 106-108]

Для расчёта необходимо определить количество целлюлозы, получаемое за 1 котло-варку (G_к-в)

Для этого определим выход абсолютно-сухой целлюлозы с 1 м² варочного котла (L_а.с.ц.).

- при установленной величине объёмной условной плотности древесины лиственницы (Z) района произрастания (лесосырьевой базы) - 525 кг a.с.д /пл.м³ (для севера Европейской части России) -объемной плотности загрузки варочного котла (X) - 0,42 пл.м³./м³в.к.

- выходу целлюлозы из древесины (В₁) - 46 %

7.1.1 Количество абсолютно-сухой древесины сосны, загружаемой в 1 м³ варочного котла (Т_а.с.д.):

Т_а.с.д. = Z*X = 525*0,42 = 220,5 кг а.с.д,/м³ варочного котла.

7.1.2 Выход абсолютно-сухой целлюлозы с 1 м³ варочного котла (L_а.с.ц.):

L_а.с.ц.= Т_а.с.д.*В₁ = 220,5*46% = 101,43 кг а.с.ц. варочного котла.

7.1.3 Выход воздушно-сухой целлюлозы с 1 м³ варочного котла (L_в.с.ц.):

L_в.с.ц ⁼ L_а.с.ц: 0,88 = 101,43: 0,88 = 115,26 кг в.с.ц/м³ варочного котла.

7.1.4 Количество воздушно-сухой целлюлозы, получаемой за 1 котло-варку (G_к-в) при объёме варочного котла - 125 м³:

G_к-в = L_в.с.*25 = 115,26*125 = 14408 кг =14,4 т.в.с. целлюлозы.

7.1.5 Суточная производительность варочного котла (G_к.сут):

G_к.сут=т.в.с. целл./сутки

Перевод в десятые доли часа 5ч 15 мин = 5,25 ч

7.1.6 Количество варочных котлов

(N); N = Q: С_к.сут = 440: 65,86 = 6,68

Принимаем к установке 7 варочных котлов объёмом по 125 м³ каждый.

7.2 Расчет емкости выдувного резервуара [1, с104-106; 6, С.89-90]

Выдувка сваренной целлюлозы осуществляется в выдувной резервуар.

На группу из 2 - 4 котлов (до 6 котлов включительно) устанавливается один выдувной резервуар [I, с104]. Выдувной резервуар должен вмещать 2 котло-варки при условии заполнения его на 60% [6, с.90].

Коническая нижняя часть выдувного резервуара используется для разбавления массы промывным чёрным щелоком, и поэтому её объем не входит в расчётный объём для приема целлюлозы, выдуваемой из варочных котлов.

В нашем случае количество воздушно-сухой целлюлозы за 1 котло-варку:

G_к.в. = 14,4 т в.с.ц.

Количество черного щёлока на 1 т в.с ц. равно 6779,25 л (по табл. 5, гр. 6 или по табл. 6, гр, 12). Тогда необходимый объём цилиндрической части ( V_{цил.в.р.})

V_цил.в.р=_Л = 489 м³

Определим диаметр (D_цил) и высоту (Н_цил) цилиндрической части выдувного резервуара для получения его рассчитанного объёма (V_{цил,в,р,}).

У большинства выдувных резервуаров соотношение Н_{цил.в.р.}:

D_{цил.в.р.}= 2:1.

V_цил= F_цил H_цил; H = 2D; F = Тогда V_{цил.в.п.}=

Отсюда

D_цил.в.р= = 6,78 м.

Н_цил.в.р= 2D_цил.в.р=2*6,78 = 12,56 м.

Определим размеры конической части.

Угол конуса практически равен 60°, то есть в продольном сечении - это равносторонний треугольник со сторонами равными диаметру (D_цил.в.р), у которого высота равна общему большому катету смежных прямоугольных треугольников. Тогда

h²_{кон.в.р.}= D²_{цил.в.р.}-(1/2 D_цил.в.р)² или

h_{кон.в.р.}= =5,86 м



О6ъём конической части выдувного резервуара (V_{кон.в.р.} )

V_кон.в.р= м³

Общая высота выдувного резервуара (Н_{общ.в.р.})

H_{общ.в.р.} = Н_{цил.в.р.}+ Н_кон.в.р= 12,56 + 5,86 = 18,42 м.

Общий объём выдувного резервуара (V_{общ.в.р.})

V_{общ.в.р.} = V_{цил.в.р.} + V_{кон.в.р.} = 489 +70,49 = 459,49 ? 460 м³.

Принимаем к установке выдувные резервуары объемом V_в.р. = 500 m³ каждый, [c.104, табл.20]. Количество выдувных резервуаров- 2 шт, так как общее количество устанавливаемые варочных котлов равно 7.

7.3 Мерник белого щёлока

Мерник должен вмещать запас щёлока не менее, чем на 2 варки при коэффициенте запаса 20%.

Количество белого щёлока на 1 варку (V_б.щ.к-в)

V_б.щ.к-в = V₂*G_к-в = 2956,6*14,4 = 42575 л = 42,575 м³.

Соответственно, объём мерника белого щёлока равен

V_{мерн.б.щ.} = (42,575*2) + (42,575*2)*0,2 = 102,18 m³.

Принимаем к установке мерник белого щёлока объёмом 120 м³

7.4 Мерник чёрного щёлока

Мерник должен вмешать запас щёлока не менее, чем на две варки при коэффициенте запаса 20 %.

Количество черного щелока на 1 варку (V_ч.щ.к-в)

V_ч.щ.к-в= V₃*G_к-в= 4266,1*14,4 = 61431 = 61,4 м³

Соответственно, объем мерника чёрного щёлока равен

V_{мерн.ч.щ.}=(61,4*2) + (61,4*2)*0,2 = 147,36 м³

Принимаем к установке мерник черного щёлока объёмом 150 м³,

7.5 Циркуляционные насосы варочных котлов

Необходимая производительность циркуляционного насоса определяется количеством залитой в котел жидкости и кратностью циркуляции. Для сульфатной варки кратность циркуляции (количество проходов всего объёма жидкости через систему "варочный котёл-насос-подогреватель щёлока - котёл в течение 1 часа) находится в пределах 9-14 [1, с.83-85]. Интенсивность циркуляции определяется требуемой скоростью нагрева содержимого варочного котла. Для заданных условий варки примем кратность циркуляции, равной 12.

Объем варочного щёлока, циркулирующего в системе (V_вар.щ.)

V_вар.щ.= (V₂ + V₃) G_к-в = (2956,6 + 4266,1)*14,4 = 104006 л = 104 м³.

При кратности циркуляции, равной 12, производительность

циркуляционного насоса должна быть равна

V_ц.н. = 104*12 = 1248 м³ /ч.

Соответственно, мощность на валу электродвигателя:



N=

где V_ц.н.- производительность насоса м³/с (1248 м³/ч:3б00 с = 0,347 м³/с);

у - плотность жидкости, кг/м³ (1100 кг/м³ при содержании сухого остатка - 18-20% - см. табл.2 и 3; Приложение П.2);

Н - напор, создаваемый насосом, м водн.ст. (25 м водн.ст,);

n - КПД насоса (75 %)

7.6 Подогреватель щёлока варочного котла

Рассчитаем теплообменник для нагревания щелока в системе принудительной циркуляции раствора в варочном котле.

Производительность циркуляционного насоса V_ц.н.= 1248 м³ /ч. Температура жидкости в подогревателе за один проход должна подниматься на 5°С и достигнуть конечной температуры варки - 171°С. Для нагрева используется пар с давлением P_маном.? 11кг/см² что соответствует Р_абс.? 12кг/см² или Р_{абс.бар}= 11,77 бар = 1,177 МПа

Соответственно этому абсолютному давлению насыщенный водяной пар и его конденсат будут иметь следующие характеристики (по Приложению П.3.2)

- температура насыщения t_s, - 187,08 = 187,1^оС

- теплота парообразования, r_{t =187,1} - 1990кДж/кг

плотность конденсата, с₁ - 879 кг/м³-вязкость конденсата, М - 0,145 10^-3 Па с

теплоемкость конденсата, C₁ - 4,47 10³ Дж/кг°С - теплопроводность конденсата - 0,67 Вт/м^оC

Характеристики прокачиваемого щёлока (при температуре 165°- 171 ^оС)

плотность, p₂ - 1075 кг/м³

теплоемкость, C₂ - 3,82 10³ Дж/кг ^оС

вязкость, м₂ - 0,48 10^-3 Па с

теплопроводности, л₂- 0,62 Вт/м °С

7.6.1 Определим тепловую нагрузку подогревателя,

Пусть температура жидкости после однократного прохода через подогреватель поднимется на 5^о, соответственно, для конечной температуры, равной 171°С, начальная температура жидкости (t_н) будет равна

t_н = t_кон - 5^о= 171^о-5°=1б6°С

Масса нагреваемой жидкости соответствует производительности циркуляционного насоса (V_ц.н.)

G=V_ц.н. р₁ = 1248*1100 = 1372800 кг/ч = 381,3 кг/с = 382 кг/с

Тогда тепловая нагрузка

Q = G*C₂ (t_кон - t_н )= 382*3,82 10³*(171^o-165^o) = 8,755*10⁶ Вт.

7.6.2 Определим среднюю разность температур по каждой стороне

(температурный напор) Так как < 2

187,1< >187,1то средний температурный напор;

166,0< >171,0 C^o

21,1 16,1

Средняя температура жидкости:



t_сред=t_s-0_cр=187,1-18,6=168,5 C^o

Расход пара на нагрев щёлока

D_пар.= кг/с = 15838 кг/ч

7.6.3 В настоящее время в качестве подогревателя варочного щёлока в системе циркуляции обычно используется вертикальный кожухотрубчатый теплообменник. Теплообменные трубы соединены с трубными решетками сваркой по торцам с последующей развальцовкой.

Для ограничения влияния тепловых деформаций, которые весьма вредно отражаются на теплообменниках, обычно применяют один из двух методов. По одному из них верхние концы пучка труб вместе со своей решёткой и съемной крышкой свободно размещены в верхней части теплообменника (так называемая «плавающая головка»), по другому - используют температурный компенсатор на кожухе при неподвижных трубных решётках

Нагреваемый щёлок проходит по трубам, а пар подаётся в межтрубное пространство. Теплообменники могут быть выполнены одно- и двухходовыми (по трубам), за счёт установки продольной перегородки в распределительной камере.

Для определения начальных исходных параметров для выбора и расчёта теплообменника определим необходимое сечение труб одного хода - (), приняв массовую скорость щёлока (W_т/о = 1500 кг/м² с):

м²

Согласно каталогу ЦИНТИ химнефтемаша [7 с.23], в денном случае, как вариант, может быть рассмотрен одноходовой теплообменник с трубами диаметром 38х2 мм и площадью проходного сечения одного хода (по трубам) - м² Соответственно, сечение одной трубы «в свету» (S¹_тр)

S¹_тр= м²

и общее количество труб в этом одноходовом теплообменнике

При общей площади проходного сечения труб одного хода

м²

Уточненная массовая скорость движения жидкости

W_уточн.= кг/м² с

7.6.4 Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации греющего пара на поверхности вертикальных трубок. Плотность стекания конденсата равна

К_пл.ст=кг/м*с

Находим критерий Re_пл, для плёнки конденсата;



Re_пл.=

Так как критерий Рейнольдса Re_пл > 400, то критерий Нуссельта (Nu_пл ) для пленки конденсата определяем по формуле:

Nu_пл=

предварительно вычислив критерий Прандтля для конденсата (Рr_конд):

Рr_конд=

Здесь м₁, с₁, - параметры конденсата при заданных условиях,

Nu_пл=

Определим приведённую толщину пленки конденсата:

м

Вычислим коэффициент теплоотдачи

Вт/м^{2 о}С

7.6.5 Следующий этап - определение коэффициента теплоотдачи от поверхности труб к нагреваемой жидкости.

Вычислим критерий Рейнольдса для жидкости - варочного щёлока (Re₂) При её массовой скорости. W_уточн=1503 кг/м² с

Re_пл.=

Критерий Прандтля для варочного щёлока (Рг₂):

Рr_конд.=

Здесь м₂, с₂, -- параметры нагреваемого варочного щёлока при средней температуре t_ср = 168,5^оC,

Так как Re₂ > 10000 (развитый турбулентный режим), то вычисляем критерий Нуссельта для варочного щёлока (Nu₂) по уравнению:

Nu₂=0,023

По установленному критерию Нуссельта может быть вычислен коэффициент теплоотдачи от поверхности труб к нагреваемому щёлоку

Вт/м^г °С.

7.6.6 Вычислим коэффициент теплопередачи от пара к жидкости (К_Т.П-Ж) Коэффициентом теплопередачи учитывается теплоотдача со стороны горячего теплоносителя (а₁) теплоотдача (тепловосприятие) со стороны нагреваемого щёлока (а₂ ) и термическое сопротивление стенки зависящее от толщины и материала стенки и от отложений на ней. Для цилиндрической стенки коэффициент К_т определяется в зависимости от выбранной расчётной поверхности (d_нар, d_вн., d_ср.). Если d_нар/ d_вн<2 то d_ср =0,5 (d_нар + d_вн) - В этом случае можно пользоваться формулой коэффициента теплопередачи для плоской стенки, вычисляя в дальнейшем поверхность теплообмена по тому диаметру, со стороны которого коэффициент теплоотдачи (а) меньше.

В данном случае

d_нар/ d_вн= 38/34=1,12 < 2,

таким образом, проводим расчёт как для плоской стенки

Вт/м^2оС

где - толщина стенки трубы - 0,002 м;

- теплопроводность кислотоупорной стали = 17,5 Вт/м °С

r_загр -тепловое сопротивление загрязнений (накипи) со стороны жидкости = 0,00009 (м² °С)/Вт.

7.6.7 Поверхность теплообмена

м²

где Q - тепловая нагрузка подогревателя (п.7.6.1.) = 8,755*10⁶ Вт;

- средний температурный напор (п. 7.6.1.) = 18,6°С

Для трубчатых теплообменников поверхность теплообмена определяется по формуле:



F=

Проведем расчет по внутреннему диаметру, так как со стороны жидкости коэффициент теплоотдачи меньше; d_вн =0,034 м. Тогда расчетная длина труб подогревателя будет равна:

м

Принимаем длину труб теплообменника равной 8 м. Поверхность теплообмена в этом случае будет равна:

F_{Т/О ФАКТ} = м

На основании проведённых расчетов и каталога ЦИНТИхимнефтемаша принимаем к установке вертикальный одноходовой теплообменник повышенной тепловой эффективности с неподвижными решетками и температурным компенсатором на кожухе с параметрами:

площадь поверхности теплообмена, F_Т/О = 149м

площадь проходного сечения одного хода по трубам, 5^ =0,171 м

диаметр труб, d_ТР = 25/21 мм

длина труб, l_ТР = 4000 мм

диаметр кожуха, D_ВН = 800 мм

Повышенная тепловая эффективность аппаратов этого типа обеспечивается за счёт уменьшения диаметра теплообменных труб, что позволяет существенно увеличить поверхность теплообмена на единицу объёма нагреваемой жидкости.

Как можно представить, при изменении диаметра трубы в 2 раза, поверхность трубы также изменяется в 2 раза (зависимость линейная), а объём меняется в 4 раза (то есть зависимость квадратичная). Таким образом, при уменьшении диаметра трубки, её объём сокращается значительно быстрее, чем её поверхность.

Однако, применение в теплообменнике труб уменьшенного диаметра влечёт за собой возникновение трудностей эксплуатационного характера, связанных с забиванием труб и появлением отложений, В этом случае существенно уменьшается проходное сечение груб.

Для снижения вредного воздействия этих факторов, в специализированных теплообменниках, которыми комплектуются варочные котлы установок для периодической варки сульфатной целлюлозы, выпускаемых АО «Петрозаводскмаш», применяются трубы большего диаметра - 38х2 мм, при постоянном количестве теплообменных труб - 336, независимо от типоразмера теплообменника; для варьирования площади меняется только высота трубного пучка [8, с,18-20; 9, с.27, табл. 5.16].

7.6.8 Для оценки и сопоставлений проведём расчет аналогичный вышеприведенному для варианта применения в установке для периодической варки сульфатной целлюлозы теплообменника АО «Петрозаводскмаш». Теплообменник 2-х ходовой вертикальный с « плавающей головкой».

Согласно каталогу АО «Петрозаводскмаш» [8, с,18-22] теплообменники выпускаются с трубами d 38/34 мм. Сечение одной трубы «в свету» (S¹ _тр)

м²

Количество труб одного хода

=336:2 = 168 труб,

Общая площадь сечения труб одного xoдa



= 168*0,0009075 = 0,1525 м².

Массовая скорость движения жидкости (при массе нагреваемой жидкости G = 382 кг/с)

W=кг/м² с

7.6.9 Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации греющего пара на поверхности вертикальных трубок. Плотность стекания конденсата равна

К_пл.ст=кг/м*с

Находим критерий Re_пл для плёнки конденсата:

Re_пл.=

Так как критерий Рейнольдса Rе_пл > 400, то критерий Нуссельта (Nu_пл) для плёнки конденсата определяем по формуле: