2.2 Расчет материального баланса выпарки
Производительность варочно-промывного цеха 2500 т/сут целлюлозы по варке.
Количество черного щелока, получаемого после промывки целлюлозной массы, составляет 8,5м3/т воздушно сухой целлюлозы.
Для расчета плотности поступающего черного щелока используем формулу:
с= 1000*(1-0.5*(b/100)), кг/м3
где с - плотность черного щелока, кг/м3;
b- концентрация сухого остатка в щелоке, %
с= 1000*(1-0,5*(14/100)) = 1075 кг/м3
Масса щелока, поступающего на выпарку
m = с*V , кг
m = 1075*8.5 = 9137.5 кг?
m = 2500*9137.5/24*1000 = 951.8 т/ч
А = 951,8*(1-(16/50)) = 646,7
951,8-646,7 = 305,1 т/ч
Для расчета принимаем производительность концентраторной установки по щелоку 300 т/ч.
Таблица 4 Исходные данные.
Производительность установки по щелоку |
G |
300 т/ч |
|
Начальная концентрация |
Хn |
50% |
|
Конечная концентрация |
Хк |
70% |
|
Температура пара |
tn |
142 оС |
|
Движение щелока по пару |
2>1 |
Общее количество испаряемой воды находим по формуле:
?W = G*(1-(Xn/Xk)) , кг/ч (1)
?W = 300000*(1-(50/70)) = 85714.28 кг/ч
1. Для расчета коэффициентов теплопередачи задаемся ориентировочным значением удельного паросъема, характерного для пластинчатых аппаратов.
Wуд = 8ч25 кг/м2*ч, принимаем Wуд = 10 кг/м2*ч
Находим поверхность каждого аппарата.
Fi = ?W/Wуд*n, м2
где n - число корпусов выпарной установки, шт.
F= 85714,28/20 = 4285,714 м2
Выбираем концентратор фирмы Альстром.
Высота пластин 9 м
Ширина пластин 1,5 м
Толщина пластин 0,05 м
Для распределения общего количества испаряемой воды по корпусам принимаем:
W1: W2 = щ1: щ2 (2)
W1 : W2 = 1 : 1.17
Тогда количество испаряемой воды в корпусах будут равны :
W1 = ?W*щ1/(щ1+щ2)
W2 = ?W*щ2/(щ1+щ2) (3)
W1 = 85714.28*1.0/(1.0+1.17) = 39499.7 кг/ч
W2 = 85714,28*1,17/(1,0+1,17) = 46214,6 кг/ч
2. Конечная концентрация щелока в корпусах определяют по формуле:
Хк1 = G*Xn/(G-(W1+W2))
Xk2 = G*Xn/(G-W2) (4)
Хк1 = 300000*50/(300000-(39499.7+46214.6)) = 70,0%
Xk2 = 300000*50/(300000-46214.6) = 59,1%
Средние концентрации будут равны:
Х1 = (Xk1+ Xk2)/2
X2 = (Xk2+ Xn)/2 (5)
X1 =(70+59,1)/2 = 64,55%
X2 = (59,1+50)/2 = 54,55%
3. Для определения температурных депрессий воспользуемся справочными данными. [Б.с 251]
Концентрация щелока 35 63 70
Температура кипения 103 112 116
Температура кипения при Х1 = 64,55%
64,55 Ткип1 = 112+((116-112)/(70-63)*(64,55-63)) = 112,88 оС
??1 = Ткип1 - 100 = 112,88 - 100 = 12,88 оС
Температура кипения при Х2 = 54,55%
54,55 Ткип2 = 103+((112-103)/(63-35)*(54,55-35)) = 109,28 оС
??2 = Ткип2 - 100 = 109,28 - 100 = 9,28 оС
??1 = 12,88о ; ??2 = 9,28о
Гидростатической депрессией для аппаратов данного типа можно пренебречь. Гидравлическую депрессию ??? примем по 1о на каждый корпус.
Тогда полезная разность температур будет равна:
tпол = tn-(tk+??+??+???) (6)
где tk - температура в конденсаторе, оС
tr = 82 oC
?tпол = 142-(82+12,88+9,28+2*1) = 35,84 оС
Эту величину необходимо распределить по корпусам.
Для этого нужно предварительно оценить термическое сопротивление теплопередачи, и прежде всего - сопротивление накипи.
Относительное термическое сопротивление накипи находим по формуле:
Rнi = Rн*((Xi/X)3,4*(Wi/W)), (7)
где Xi - концентрация черного щелока в данном корпусе, %
Х - средняя концентрация в первом по ходу щелока корпусе, %
Wi- количество испаряемой воды в данном корпусе, кг/ч
W - количество испаряемой воды в первом по ходу щелока корпусе, кг/ч
Rн1/Rн2 = (Х1/Х2)3,4*(W1/W2) = (64,55/54,55)3,4*(39499,7/46214,6) = 1,51
Предельное термическое сопротивление накипи, когда аппараты останавливают на промывку, примем Rн1 = 0,00085 м2град/Вт.
Rн2 = 0,00085/1,51 = 0,0005629 м2град/Вт
Термическое сопротивление стенок ламели равно:
Rc = д/л, м2град/Вт (8)
где д - толщина стенки ламели, м
л - теплопроводность материала, Вт/град м
Для нержавеющей стали л = 14ч23; принимаем л = 23 Вт/м град
Rc = 0,0015/23 = 0,000065 м2град/Вт
Суммарное сопротивление стенок и накипи будут равны:
?R1 = Rн1+Rc
?R2 = Rн2+Rc (9)
? R1 = 0,00085+0,000065 = 0,000915 м2град/Вт
?R2 = 0,0005629+0,000065 = 0,0006279 м2град/Вт
Зададимся сопротивлением тепловых потоков в корпусах. В корпусах нет самоиспарения и подогрева раствора до кипения, следовательно, тепловые потоки пропорциональны количеству испаряемой воды.
Q1 : Q2 = W1 : W2 = 1,0 : 1,17
Принимаем удельный тепловой поток в первом корпусе q1 = 8000Вт/м2
При равных поверхностях корпусов получим:
q2 = q1*Q2 (10)
q2 = 8000*1,17 = 9360 Вт/м2
Температурные напоры, которые затрачиваются на преодоление термических сопротивлений стенок и накипи будут равны по формуле:
tc?- tc? = q*(Rс+Rн), (11)
где q - удельный тепловой поток в корпусе, Вт/м2;
Rc, Rн - термическое сопротивление стенки и накипи, м2град/Вт
tc? - температура стенки со стороны пара, оС;
tc? - температура стенки со стороны раствора , оС.
(tc?- tc?)1 = 0,000915*8000 = 7,32 о
(tc?- tc?)2 = 0,0006279*9360 = 5,88 о
?( tc?- tc?) = 13,2 о
Температурные напоры на преодоление термических сопротивлений при переходе тепла от стенки к кипящей жидкости равны:
tc? - tкип = (q/510*(1-0,845*X))2/3? (12)
где Х - средняя концентрация, кг/кг
(tc? - tкип)1 = (q1/510*(1-0,845*X1))2/3 = (8000/510*(1-0,845*0,6455))2/3 = 10,6 о
(tc? - tкип)2 = (q1/510*(1-0,845*X2))2/3 = (8000/510*(1-0,845*0,5455))2/3 = 10,5 о
?(tc? - tкип) = 21,1 оС
На преодоление термических сопротивлений переходу тепла от пара к стенке расходуется напор:
?tпол - ?(tc?- tc?) - ?(tc? - tкип), (13)
35,84 - 13,2 - 21,1 = 1,54 о
5. Распределим его по корпусам и определим температурный режим выпаривания, где приняты следующие обозначения:
tn - температура греющего пара, оС;
tc? и tc? - температуры стенок со стороны пара и щелока, оС;
?t - полезная разность температур, оС;
tкип - температура кипения щелока, оС;
tс.п. - температура сокового пара, оС;
?? и ??? - температурная и гидравлическая депрессия, о;
r - теплота парообразования, определяемая по tn, кДж/кг;
В - величина, определяемая в зависимости от температуры пленки конденсатора tпл.
Таблица 5
№ корп. |
tn |
tn-tc? |
tc?-tc? |
tc?-tкип |
?t |
tкип=tn-?t |
|
1 |
142 |
0,84 |
7,32 |
10,6 |
18,76 |
123,2 |
|
2 |
109,36 |
0,7 |
5,88 |
10,5 |
17,08 |
92,28 |
|
ПК |
82 |
Таблица 6
№ корп. |
?? |
Tсn=tk-?? |
??? |
tc? |
tпл=(tn+tc?)/2 |
r,кДж/кг |
В |
|
1 |
12,88 |
110,36 |
1 |
141,16 |
141,58 |
2143,7 |
194,22 |
|
2 |
9,28 |
83 |
1 |
108,66 |
109,01 |
2236,1 |
183,05 |
6. Коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя находим по формуле:
б=C*B*4v(r/l*(tn-tc)), Вт/м2град (14)
где С - постоянная, равная 2,04 для вертикальных пластин;
l - определяющий линейный размер, равный высоте ламели.
б1-1= 2,04*194,22*4v2143700/(9*0,84)= 9142,91 Вт/м2град
б1-2= 2,04*183,05*4v2236100/(9*0,7)= 9114,6 Вт/м2град
7. Для расчета расхода пара на выпарку и уточнения количества испаряемой воды определим тепловые характеристики пара, конденсата и щелока.
Таблица 7
№ корп |
Теплосодержание пара, кДж/кг |
Температура конденсата, tk= (tn+tкип)/2 |
Теплоемкость щелока, кДж/кгград. С=3,978-0,0201*Х |
||
Первичного I |
Вторичного i |
||||
1 |
2742,74 |
2695,39 |
132,62 |
2,68 |
|
2 |
2693,8 |
2645,65 |
100,82 |
2,88 |
Теплоемкость начального щелока 2,97 кДж/кг*град
Коэффициенты испарения равны:
бn=(In-tkn*Cк)/(in-tn*Cn), (15)
где in - теплосодержание сокового пара в данном корпусе, кДж/кг;
In - теплосодержание греющего пара в данном корпусе, кДж/кг;
Cn - теплоемкость щелока, кДж/кг*град;
Cк - постоянная, равная 4,19.
б1= (2742,74-132,62*4,19)/(2695,39-123,24*2,68)= 0,925
б2= (2693,8-100,82*4,19)/(2645,65-92,28*2,88) = 0,954
Коэффициенты использования тепла равны:
г1=г2=0
Коэффициенты самоиспарения равны:
в1=в2=0
Величину тепловых потерь в расчетной практике выражают через тепловой коэффициент полезного действия (е), который равен отношению полезно затраченного тепла к общему его расходу. Приняв е= 0,93, выражаем количество испаряемой воды в корпусах через расход первичного пара в первом корпусе.
Wn = е*Dn*бn (16)
где Dn - расход греющего пара в данном корпусе, кг/ч.
W1 = 0,93D1*0,925 =0,86025D1
W2 = 0,93W1*0,954 = 0,93*0,86025D1*0,954 = 0,7632D1
Сложив левые и правые части, получим:
W1+W2= 0,86025D1+0,7632D1
?W = 1,62345D1
D1= ?W/1,62345 = 58571/1,62345 = 42237,8 кг/ч
Количество испаряемой воды по корпусам будут равны:
W1 = 0,86025*42237,8 = 36335,067 кг/ч
W2 = 0,7632*42237,8 = 52235,88 кг/ч
?W = 68571 кг/ч
- 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
- 1.1 Выпаривание щелоков, цели, задачи процесса
- 1.1.1 Решение экологических проблем, связанных с выпариванием и содорегенерацией
- 1.2 Требования к черному сульфатному щелоку - слабому, крепкому
- 2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
- 2.1 Выбор, обоснование участка доупаривания черного щелока
- 2.2 Расчет материального баланса выпарки
- 2.3 Расчет теплового баланса выпарки
- 2.4 Расчет поверхности теплообмена
- 2.5 Выбор, расчет оборудования цеха, для доупаривания щелока
- 2.6 Описание технологической схемы
- 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
- 3.1 Автоматический контроль и регулирование узла доупаривания
- 3.2 Порядок пуска выпарного аппарата
- Аппараты для упаривания щелоков
- Окисление черного щелока
- 1.5.2 Определение сухих веществ в черном щелоке
- 1.5.1 Определение активной щелочи в черном щелоке
- Сжигание черного щелока
- 3.Упаривание черного щелока.
- Получение зеленого щелока.
- 2. Подготовка щелока к упариванию
- Каустизация зеленого щелока.
- 20. Состав и некоторые физико-химические свойства черного щелока.