Расчёт и подбор оборудования варочного отдела

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒

7.1. Определение необходимого количества варочных котлов

[1, c.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 а.с.д./пл.м³

- объёмной плотности загрузки варочного котла (Х) – 0,39 пл.м³/м³в.к.

- выходу целлюлозы из древесины (В₁) – 47,2 %

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 0,39 = 159,51 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 = 159,51 47,2 % = 159,51 0,472 = 75,289

75,29 кг а.с.ц./м³ 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 = 75,29 : 0,88 = 85,56 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.ц. 140 = 85,56 140 = 11978 кг = 11,978 т в.с. целлюлозы.

7.1.5. Суточная производительность варочного котла (G_к.сут)

G_к.сут= = 47,260 т в.с. целл./ сутки.

Перевод в десятые доли часа: например, = 6 ч 5мин = 6, ч .

7.1.6. Количество варочных котлов (N): N = Q : G_к.сут= 400 : 47,26 = 8,46

Принимаем к установке 9 варочных котлов объёмом по 140 м³ каждый.

7.2. Расчёт ёмкости выдувного резервуара [1, c.104-106; 6, с.89-92]

Выдувка сваренной целлюлозы осуществляется в выдувной резервуар.

На группу из 2 – 4 котлов (до 6 котлов включительно) устанавливается один выдувной резервуар [1, с.104; 6, с.92]. Выдувной резервуар должен вмещать 2 котло-варки при условии заполнения его на 60 % [ 6, с.92 ].

Коническая нижняя часть выдувного резервуара используется для разбавления массы промывным чёрным щёлоком, и поэтому её объём

не входит в расчётный объём для приёма целлюлозы, выдуваемой из варочных котлов.

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

G_к-в = 11,978 т в.с.ц.

Количество чёрного щёлока на 1 т в.с.ц. равно 6170,0 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= = 246347 л 247 м³ .

Определим диаметр (D_цил) и высоту (H_цил) цилиндрической части выдувного резервуара для получения его рассчитанного объёма (V_цил.в.р).

У большинства выдувных резервуаров соотношение H_цил.в.р: D_цил.в.р= 2 : 1.

V_цил= F_цил × H_цил; H = 2 D; F = ; Тогда V_цил.в.р= . Отсюда D³_цил.в.р= ;

D_цил.в.р= .

H_цил.в.р = 2D_цил.в.р= 2 × 5,40 = 10,80 м .

Определим размеры конической части.

Угол конуса практически равен 60º, 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= = = 4,68 м .

Объём конической части выдувного резервуара (V_кон.в.р)

V_кон.в.р= .

Общая высота выдувного резервуара (H_общ.в.р)

H_общ.в.р= H_цил.в.р+ H_кон.в.р= 10,80 + 4,68 = 15,48 м.

Общий объём выдувного резервуара (V_общ.в.р)

V_общ.в.р= V_цил.в.р + V_кон.в.р= 247 +35,7 = 282,7 283 м³.

Принимаем к установке выдувные резервуары объёмом V_в.р= 400 м³ каждый [1, с.104, табл.20]. Количество выдувных резервуаров – 2 шт., так как общее количество устанавливаемых варочных котлов равно .9.

7.3. Мерник белого щёлока

Мерник должен вмещать запас щёлока не менее, чем на две 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= 2913,1 11,978 = 34893 л ~ 35 м³ .

Соответственно, объём мерника белого щёлока равен

V_{мерн. б.щ} = (35 2)+(35 2) 0,2 = 84 м³.

Принимаем к установке мерник белого щёлока объёмом 90 м³.

7.4. Мерник чёрного щёлока

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

Количество чёрного щёлока на 1 варку (V_{ч.щ. к-в})

V_{ч.щ к-в} = V₃ G_к-в = 3913,5 11,978 = 46876 л ~ 47 м³ .

Соответственно, объём мерника чёрного щёлока равен

V_{мерн. ч.щ} = (47 2)+(47 2) 0,2 = 112,8 м³.

Принимаем к установке мерник чёрного щёлока объёмом 115 м³.

7.5. Циркуляционные насосы варочных котлов

Необходимая производительность циркуляционного насоса определяется количеством залитой в котёл 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.

Объём варочного щёлока, циркулирующего в системе – V_{вар. щ}(по п.п.

1.5. ; 1.6.).

V_{вар. щ} = (V₂ + V₃) G_к-в = (2913,1 + 3913,5) 11,978 = 81769 л = 81,8 м³ .

При кратности циркуляции, равной 12, производительность циркуляционного насоса должна быть равна V_ц.н = 81,8 12 = 982 м³/ч .

Соответственно, мощность на валу электродвигателя:

где V_ц.н - производительность насоса, м³/с (982м³/ч:3600 с = 0,273 м³/с);

- плотность жидкости, кг/м3 (»1100 кг/м³ при содержании сухого

остатка ~ 18-20 % - см. табл.2 ; 3 и Приложение П.2 );

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

h - КПД насоса (» 70 %).

7.6. Подогреватель щёлока варочного котла [1, с.84-87; 5, с.102-105;

10, с.18-22].

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

Производительность циркуляционного насоса Vц.н= 982 м³/ч. Температура жидкости в подогревателе за один проход должна подниматься на 5 °С и достигнуть конечной температуры варки – 170 °С. Для нагрева используется пар с давлением Р_маном»11 кг/см², что соответствует

Р_абс» 12 кг/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 и по [ 7, с.с.547 ; 986 ; 748 ; 930 ]*⁾ – с переводом справочных величин в соответствующую размерность

- температура насыщения, t_s , - 187,08 » 187,1 °С

- теплота парообразования, r_t_=187,1° - 1990 кДж/кг

- плотность конденсата, r₁ - 879 кг/м³

- вязкость конденсата, m₁ - 0,145 ×10 Па×с

- теплоёмкость конденсата, С₁ - 4,47×10 Дж/кг ×°С

- теплопроводность конденсата, l₁ - 0,67 Вт/м ×°С

Характеристики прокачиваемого щёлока (при температуре 165°- 170 °С) –

по [8]

- плотность, r₂- 1100 кг/м³

- теплоёмкость, С₂ - 3,82 × 10 Дж/кг ×°С

- вязкость, m₂ - 0,48 × 10 Па ×с

- теплопроводность, l₂- 0,62 Вт/м ×°С

7.6.1. Определим тепловую нагрузку подогревателя.

Пусть температура жидкости после однократного прохода через подогреватель поднимется на 5°, соответственно, для конечной температуры, равной 170 °С, начальная температура жидкости (t_н) будет равна

t_н = t_кон – 5° = 170° – 5° = 165 °С.

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

G = Vц.н × r₁ = 982 1100 = 1080200 кг/ч = 300,06 кг/с » 300 кг/с .

Тогда тепловая нагрузка

Q = G С₂ (t_кон - t_н ) = 300 3,82 × 10 (170°-165°) = 5,730 ×10 Вт .

7.6.2. Определим среднюю разность температур по каждой стороне (температурный напор) Так как

187,1 187,1 то средний температурный напор:

165,0 170, 0

22,1 17,1 Средняя температура жидкости

Расход пара на нагрев щёлока

7.6.3. В настоящее время в качестве подогревателя варочного щёлока в системе циркуляции обычно используется вертикальный кожухотрубчатый теплообменник. Теплообменные трубы соединены с трубными решётками 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 съёмной 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.

Согласно каталогу ЦИНТИхимнефтемаша [9], разработан спектр кожухо трубчатых теплообменных аппаратов общего и специального назначения повышенной тепловой эффективности для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической и газовой отраслях промышленности.

В данном случае, как вариант к установке, мог бы быть рассмотрен вертикальный одноходовой теплообменник повышенной тепловой эффективности с неподвижными решётками и температурным компенсатором на кожухе с трубами диаметром 25×2 мм на условное давление 16 бар.

Повышенная тепловая эффективность аппаратов этого типа обеспечивается за счёт уменьшения диаметра теплообменных труб,– (в этих теплообменниках применяются два типа труб – диаметром 20/2 и 25/2 мм).

Уменьшение диаметра труб 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 (так как зависимость квадратичная, ).

Таким образом, при уменьшении диаметра трубки, её объём сокращается значительно быстрее, чем её поверхность.

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

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 – 38×2 мм, при постоянном количестве теплообменных труб – 336 шт., независимо от типоразмера теплообменника; для варьирования площади меняется только высота трубного пучка [10, c.18-20; 9, с.27, табл.5.16].

7.6.4. Проведём расчёт 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» [10, c.18-22] теплообменники выпускаются с трубами Ø 38/34 мм. Сечение одной трубы «в свету» (S¹_тр)

Количество труб одного хода труб.

Общая площадь сечения труб одного хода

Массовая скорость движения жидкости (при массе нагреваемой жидкости )

кг/м²× с .

7.6.5. Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации греющего пара на поверхности вертикальных трубок.

Плотность стекания конденсата равна

Находим критерий Re_пл для плёнки конденсата:

Так как критерий Рейнольдса Re_пл > 400, то критерий Нуссельта (Nu _пл) для плёнки конденсата определяем по формуле:

предварительно вычислив критерий Прандтля для конденсата (Pr _конд):

Здесь m₁; С₁ ; l₁– параметры конденсата при заданных условиях.

Определим приведённую толщину плёнки конденсата:

Вычислим коэффициент теплоотдачи

7.6.6. Следующий этап – определение коэффициента теплоотдачи от поверхности труб к нагреваемой жидкости.

Вычислим критерий Рейнольдса для жидкости – варочного щёлока (Re₂)

при её массовой скорости W = 1967 кг/м²×с (п.7.6.4.)

Критерий Прандтля для варочного щёлока (Pr₂):

здесь m₂; С₂ ; l₂ – параметры нагреваемого варочного щёлока при средней температуре .

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

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

7.6.7 Вычислим коэффициент теплопередачи от пара к жидкости .

Коэффициентом теплопередачи учитывается теплоотдача со стороны горячего теплоносителя теплоотдача (тепловосприятие) со стороны нагреваемого щёлока 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 .

Если то В этом случае можно пользоваться формулой коэффициента теплопередачи для плоской стенки, вычисляя в дальнейшем поверхность теплообмена по тому диаметру, со стороны которого коэффициент теплоотдачи меньше.