курсач тпп. Материальный и тепловой баланс периодической сульфатной варки. Выбор оборудования варочного цеха

• Название: Материальный и тепловой баланс периодической сульфатной варки. Выбор оборудования варочного цеха
• Дата: 26.04.2018
• Размер: 453.5 Kb.
• Имя файла: курсач тпп.doc
• Тип: Курсовая; #42262
• страница: 3 из 3

6. Тепловой баланс периодической сульфатной варки

Исходные данные:

Наружная поверхность кожуха котла, м² – 160 = F_{нар.пов.котла}

Средняя толщина стальной стенки, мм – 30 = δ_{стен.котла}

Масса корпуса котла с арматурой, т – 70 = G_котла

Толщина тепловой изоляции, мм – 65 = δ_изоляц

Масса изоляции, т – 6,3 = G_изоляц
Теплоёмкость, кДж/(кг*°С):

- абсолютно-сухой древесины и растворённых органических веществ-1,34 = C_асд; C_{раств.орг}

- растворённых минеральных веществ-1,13 = C_{раств.мин}

- воды в щёлоке - 4,19 = C_воды

- стали котельной - 0,50 = C_стали

- тепловой изоляции - 0,92 = C_{тепл.изол}

Начальные температуры, °С

- щепы и влаги в ней – 10 = t_{нач.щепы}; t_{нач.влаги щп.}

- белого щёлока – 60 = t_б.щ.нач

- чёрного щёлока (при заливке в котёл) – 70 = t_ч.щ.нач

Средняя температура стального кожуха котла, °С

- в начале заварки – 140 = t_{нач.корп.котла}

- в конце заварки – 170 = t_{кон.корп.котла}

Средняя температура изоляционного слоя, °С

- в начале заварки – 80 = t_{изол.нач.завар.}

- в конце заварки – 120 = t_{изол.кон.завар}

По данным материального баланса:

Выход воздушно-сухой целлюлозы из одного котла объемом 140 м³, кг (п. 7.1.4)

G_в.с.ц.=11373кг

Количество загруженных в котел , кг:

- абсолютно-сухой щепы, загруженной в котёл 1913,04*11,373 = 21757

- влаги в щепе 1030,1*11,373 = 11715

- воды в белом щёлоке 2989,3*11,373 = 33997

- минеральных веществ в белом щёлоке 525,95 *11,373 = 5981

- воды в чёрном щёлоке 3824,1*11,373 = 43491

- органических веществ в чёрном щёлоке 402,87*11,373 = 4581

- минеральных веществ в чёрном щёлоке 172,66*11,373 = 1963

Веществ, уходящих из котла с терпентинной сдувкой,кг:

- водяных паров 172,2*11,373= 1958

- паров органических соединений 20*11,373 = 227

- воды в щёлоке (с перебросами) 78,4*11,373 = 891

- органических веществ в щёлоке (с перебросами) 7,78*11,373 = 88

- минеральных веществ в щёлоке (с перебросами) 7,09*11,373 = 80

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:

t_{ср.терп.сд}.=(120°+170°)/2 = 145°С

Q₁ = (21757*1,34*(170°- 10°)) + (4518*1,34 (170°- 70^o))-

( (227+88)*1,34*(170°-145°)) = 5259560 кДж.

6.2 Нагрев влаги в щепе (Q₂)

Q₂=11715*4,19*(170^o-10^o) = 7853736 кДж

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

Q₃=((33997*4,19)+(5981*1,13))*(170°-60°)+((43491*4,19)+ (1963*1,13))*(170^o- 70^o) –((1958 + 891)*4,19 + (80*1,13)*(170^o -145^o) = 34871247 кДж.

6.4 Нагрев корпуса варочного котла (Q₄)

Q₄=70000*0,50*(170^o-140°) = 1050000 кДж.

6.5 Нагрев теплоизоляционного слоя (Q₅)

Q₅ = 6300*0,92*(120^o-80°) = 231840 кДж.

6.6 Потери тепла теплоотдачей (Q₆)

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

Начальную температура содержимого котла примем 58⁰ С⁰,температуру воздуха в помещении 20°С.

Средняя температура содержимого котла за время заварки:

tс_{р.содерж.котла}=(58°+170°)/2 = 114°С

При продолжительности заварки - 2 ч 25 мин и варки на конечной температуре- 1 ч 10 мин, потери тепла за счёт теплоотдачи составят (Q₆)

Q₆=12*160-((114^o-20^o)*2,42 + (170^o-20^o)_*1,17)=773721 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°С, для водяного пара теплота парообразования (r) — r_1,5= 2130 кДж/кг по Приложению П.3.1.

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

Q₇ = 1958*2130+ 227*287 = 4235689 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 сосновой древесины теплота сгорания составляет - 19000 кДж/кг а.с.древесины. На одну тонну воздушно-сухой целлюлозы получим: 19000*0,012*1913,04 = 436173 кДж/т в.с.ц., а на одну котло-варку (Q₈)

Q₈= -(436173*11,373) = -4960595 кДж
Основные статьи расхода тепла представлены в табл. 7.

Из табл. 7 видно, что основными статьями расхода тепла 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=1,2МПа=12 бар), а конденсат из подогреватели удаляется с температурой 180°С

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

G_пар ^{на1к.-варку} =4317699/(2785-(180*4,19)) = 2126 кг/на 1 котло-варку

или на 1 тонну воздушно-сухой целлюлозы по варке

G_пар ^{на1т в.с.ц.}= кг пара/ т в.с.ц.

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

G_{пар уд.расход} ^{на1т в.с.ц.}= 2126*1,05 = 2232,3 кг/т, или 2,23 т пара/т в.с. целлюлозы.

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

Таблица 7

Статьи расхода тепла на периодическую сульфатную варку

Статья расхода	Количество тепла кДж		Распределение расхода тепла %
	На одну варку (11,712 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	5259560	462460	10,7
	7853736	690559	15,9
	34871247	3066143	71
	1050000	92323	2
	231840	20385	0,4
Потери тепла - теплоотдачей - с терпентинной сдувкой	773721	68031	1,5
	4235689	372433	8,6
Приход тепла от экзотермических реакций	-4960595	-436172	-10,1
ИТОГО расход тепла	49105198	4317699	100,00

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 м³ варочного котла (L_а.с.ц.).

- при установленной величине объёмной условной плотности древесины сосны (Z) района произрастания (лесосырьевой базы) - 409 кг a.с.д /пл.м³

-объемной плотности загрузки варочного котла (X) - 0,38 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 = 409*0,38 = 155,42 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 = 155,42*46% = 71,49 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 = 71,49: 0,88 = 81,24 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 - 140 м³:

G_к-в = L_в.с.*140= 81,24*140 = 11373 кг =11,373 т.в.с. целлюлозы.

7.1.5 Суточная производительность варочного котла (G_к.сут):

G_к.сут==(81,24*140*24)/(1000*6,083)=44,87 т.в.с. целл./сутки

Перевод в десятые доли часа 6ч 5 мин = 6,083 ч

7.1.6 Количество варочных котлов(N);

N = Q: С_к.сут = 440: 44,87 = 9,8

Принимаем к установке 10 варочных котлов объёмом по 140 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. = 11,373 т в.с.ц.

Количество черного щёлока на 1 т в.с ц. равно 6175,56 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= (11,373*6175,56*2)/0,6 = 234115_Л = 234 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= D_цил.в.р= = 5,3 м.

Н_цил.в.р= 2D_цил.в.р=2*5,3 = 10,6 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.}= =4,59 м

О6ъём конической части выдувного резервуара (V_{кон.в.р.} )
V_кон.в.р== ((3,14*5,3²)/4)*(1/3)*4,59 = 33,7 м³
Общая высота выдувного резервуара (Н_{общ.в.р.})

H_{общ.в.р.} = Н_{цил.в.р.}+ Н_кон.в.р= 10,6 + 4,59 = 15,19 м.

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

V_{общ.в.р.} = V_{цил.в.р.} + V_{кон.в.р.} = 234 +33,7 = 268 м³.

Принимаем к установке выдувные резервуары объемом V_в.р. = 400 m³ каждый, [c.104, табл.20]. Количество выдувных резервуаров- 2 шт, так как общее количество устанавливаемые варочных котлов равно 10.

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 = 2989,3*11,373= 33997 л = 34 м³.

Соответственно, объём мерника белого щёлока равен

V_{мерн.б.щ.} = (34*2) + (34*2)*0,2 = 81,6 m³.

Принимаем к установке мерник белого щёлока объёмом 90 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= 3824,1*11,373 = 43491 л = 43 м³

Соответственно, объем мерника чёрного щёлока равен

V_{мерн.ч.щ.}=(43*2) + (43*2)*0,2 = 103,2 м³

Принимаем к установке мерник черного щёлока объёмом 110 м³,

Библиографический список

1. 
   Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т. 2. Производство сульфатной целлюлозы. М. лесная промышленность 1990 г. 597с.
   
2. 
   Богомолов Б.Д., Соколова А.А. Побочные продукты сульфатно-целлюлозного производства (Химия и технология).- М. Гослесбумиздат. 1962, 436 с.
   
3. 
   Вукапович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяногопара.- 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.
   

9. Технология целлюлозно-бумажного производства. Справочные материалы. В З т., Т.1, Сырьё и производство полуфабрикатов. Ч. 2. Производство полуфабрикатов.- С-Пб.: Политехника, 2003. 633 с.