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.

Общее количество испаряемой воды находим по формуле:

?W = G*(1-(X_n/X_k)) , 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.

W_уд = 8ч25 кг/м²*ч, принимаем W_уд = 10 кг/м²*ч

Находим поверхность каждого аппарата.

Fi = ?W/W_уд*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*X_n/(G-(W₁+W₂))

Xk₂ = G*X_n/(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+ X_n)/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 Т_кип1 = 112+((116-112)/(70-63)*(64,55-63)) = 112,88 ^оС

??₁ = Т_кип1 - 100 = 112,88 - 100 = 12,88 ^оС

Температура кипения при Х₂ = 54,55%

54,55 Т_кип2 = 103+((112-103)/(63-35)*(54,55-35)) = 109,28 ^оС

??₂ = Т_кип2 - 100 = 109,28 - 100 = 9,28 ^оС

??₁ = 12,88^о ; ??₂ = 9,28^о

Гидростатической депрессией для аппаратов данного типа можно пренебречь. Гидравлическую депрессию ??? примем по 1^о на каждый корпус.

Тогда полезная разность температур будет равна:

t_пол = t_n-(t_k+??+??+???) (6)

где t_k - температура в конденсаторе, ^оС

t_r = 82 ^oC

_?t_пол = 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:

R_нi = R_н*((X_i/X)^3,4*(W_i/W)), (7)

где X_i - концентрация черного щелока в данном корпусе, %

Х - средняя концентрация в первом по ходу щелока корпусе, %

W_i- количество испаряемой воды в данном корпусе, кг/ч

W - количество испаряемой воды в первом по ходу щелока корпусе, кг/ч

R_н1/R_н2 = (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 R_н1 = 0,00085 м²град/Вт.

R_н2 = 0,00085/1,51 = 0,0005629 м²град/Вт

Термическое сопротивление стенок ламели равно:

R_c = 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

R_c = 0,0015/23 = 0,000065 м²град/Вт

Суммарное сопротивление стенок и накипи будут равны:

?R₁ = R_н1+R_c

?R₂ = R_н2+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? - t_кип = (q/510*(1-0,845*X))^2/3? (12)

где Х - средняя концентрация, кг/кг

(tc? - t_кип)₁ = (q₁/510*(1-0,845*X₁))^2/3 = (8000/510*(1-0,845*0,6455))^2/3 = 10,6 ^о

(tc? - t_кип)₂ = (q₁/510*(1-0,845*X₂))^2/3 = (8000/510*(1-0,845*0,5455))^2/3 = 10,5 ^о

?(tc? - t_кип) = 21,1 ^оС

На преодоление термических сопротивлений переходу тепла от пара к стенке расходуется напор:

_?t_пол - ?(tc?- tc?) - ?(tc? - t_кип), (13)

35,84 - 13,2 - 21,1 = 1,54 ^о

5. Распределим его по корпусам и определим температурный режим выпаривания, где приняты следующие обозначения:

t_n - температура греющего пара, ^оС;

tc? и tc? - температуры стенок со стороны пара и щелока, ^оС;

_?t - полезная разность температур, ^оС;

t_кип - температура кипения щелока, ^оС;

t_с.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 t_пл.

Таблица 5

Таблица 6

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.

б_1-1= 2,04*194,22*⁴v2143700/(9*0,84)= 9142,91 Вт/м²град

б_1-2= 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

Теплоемкость начального щелока 2,97 кДж/кг*град

Коэффициенты испарения равны:

б_n=(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