книги / Технологические расчеты по получению различных видов целлюлозы

2.2. Тепловой баланс непрерывной варки сульфатной целлюлозы

Для примерного расчета теплового баланса и расхода пара на непрерывную варку в котле типа «Камюр» используем данные, полученные при расчете материального баланса. Тепловой баланс необходимо составить отдельно для процесса пропарки щепы впропарочной камере, для которого используется острый пар низкого давления, и для процесса варки в непрерывном котле. Зададимся дополнительно следующими данными: температура пропарки 120 °С, начальная температура щепы – 20 °С, теплоемкость древесины – 1,33 кДж/(кг·°С), размеры пропарочной камеры: наружный диаметр – 2,2 м, длина – 8 м; начальные температуры варочных щелоков: белого – 70 °С, черного – 80 °С; размеры варочного котла: общая высота между фланцами – 80 м, диаметр цилиндрической части вверху – 5,5 м, внизу – 6,5 м. Расчет теплового балансатак же, какиматериального, ведемна1 твоздушно-сухойцеллюлозы.

Начинаем расчет с процесса пропарки. Подсчитаем затраты тепла.

1. Нагрев щепы. Потребуется тепла

Q1 = (1833 · 1,33 + 1222 · 4,19) (120 – 20) = 754 000 кДж.

2. Потери тепла теплоотдачей. Наружная поверхность пропарочной камеры:

F = 3,14 2,22 + 3,14 2,2 8 = 62,5 м2 . 2

Коэффициент теплопередачи через теплоизолированные стенки камеры принимаем равным K = 10 Вт/(м2 · °С), температура воздухавпомещении 20 °С. Количествотеряемоготепларавно:

Q2 = 10 · 62,5 (120 – 20) = 62 500 Вт = 225 000 кДж/ч.

В пересчете на 1 т воздушно-сухой целлюлозы это составит (варочная установка имеет две системы питания, но в постоянной работе находится лишь одна):

101

Q2 = 225 000 : 85024 = 8 000 кДж.

Общий расход тепла на пропарку: 754 000 + 8 000 = = 762 000 кДж.

При давлении обогревающего пропарочную цистерну пара 0,3 МПа находим из таблиц (табл. П1 приложения) его энтальпию 2560 кДж/кг. Расход его составит

762 200 : (2560 – 120 · 4,19) = 370 кг/т целлюлозы.

Принимаем, что для пропарки щепы практически будет использован весь пар самоиспарения из первого расширителя, количество которого было выше определено равным 453 кг/т целлюлозы; 370 кг пара будут конденсироваться, а остальное количество компенсирует потери тепла в паропроводах и частично отводится в терпентинный конденсатор. Таким образом, свежий пар низкого давления при нормальной работе в пропарочную цистерну не подается.

Теперь определим затраты тепла на варку целлюлозы.

1. Нагрев пропаренной щепы (в ней содержится 1829 кг а.с. древесины, 1222 кг исходнойвлагии 370 кг конденсатапара):

Q1 = [1829 · 1,33 + (1222 + 370) · 4,19] (170 – 120) = 455 000 кДж.

2. Нагрев белого щелока. Теплоемкость минеральных веществ принимаем равной 1,15 кДж/(кг · °С). Тогда

Q2 = (440 · 1,15 + 2660 · 4,19) (170 – 70) = 1 163 700 кДж.

3. Нагрев черного варочного щелока. Теплоемкость сухо-

го остатка черного щелока принимаем 1,35 кДж/(кг · °С). Тогда

Q3 = (240 · 1,35 + 1335 · 4,19) (170 – 80) = 533 000 кДж.

4.Нагрев части слабого черного щелока, участвующей

впроцессе вытеснения крепкого щелока из котла. Это количество соответствует разности между количеством вытесненного крепкого щелока и количеством щелока, сопровождающего

102

щепу в процессе варки (см. табл. 2.4): 7270 – 5487 = 1783 кг. Содержание сухих веществ в этом щелоке равно 10 %, как было принято при расчете материального баланса; следовательно, в этом количестве щелока присутствует 1783 · 0,1 = 178 кг сухих веществ. При расчете затрат тепла начальную температуру этого щелока необходимо принять равной той, с которой приходит в котел щелокизпромывныхаппаратов; примемееравной 80 °С. Тогда

Qi = (178 · 1,35 + 1783 · 4,19) (170 – 80) = 694 000 кДж.

5. Потери тепла теплоотдачей. Подсчитаем для просто-

ты наружную поверхность котла как боковую поверхность

цилиндра высотой 80 м и средним диаметром 6 м. Получим

F = 3,14 · 6 · 80 = 1510 м2.

Среднюю по всей высоте температуру внутри котла примем 140 °С, температуру воздуха в помещении 20 °С. Коэффициент теплопередачи через теплоизолированную стенку котла можно принять K = 12 Вт/(м2 · °С). Получим теплопотери

Q5 = 12 · 1510 (140 – 20) = 2 180 000 Вт = 7 850 000 кДж/ч.

В пересчете на 1 т целлюлозы это составит

Q5 = 7 850 000 : 85024 = 222 000 кДж.

Суммируем все расходные статьи теплового баланса:

Q = 455 000 +1 163 700 + 533 000 + 694 000 + 222 000 = 3 067 700 кДж.

Из этого количества тепла следует вычесть тепло, получаемое при сульфатной варке за счет тепла экзотермических реакций. Оценивается эта величина как равная 1,2 % от теплоты горения древесины, составляющей для сосны около

19000 кДж/кг а.с. древесины.

Впересчете на 1 т воздушно-сухой целлюлозы в нашем случае получим

19 000 · 1833 · 0,012 = 418 000 кДж.

103

Завычетомэтойстатьиобщийрасходтепланаваркусоставит

3 067 700 – 418 000 = 2 650 000 кДж.

Для непрямого обогрева подогревателей циркуляционных систем варочного котла используем насыщенный пар давлением 1,2 МПа, энтальпия которого, по табл. П1 приложения, составляет 2790 кДж/кг. Температуру конденсата, отводимого из подогревателей, примем 180 °С (чтобы обеспечить возможность нагрева щелока до 170 °С). Тогда расход пара высокого давления

2 650 000 : (2790 – 180 · 4,19) = 1300 кг/т целлюлозы.

3.БИСУЛЬФИТНАЯ ВАРКА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

ВУСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ «КАМЮР»

3.1. Особенности установки «Камюр» и технологии непрерывной бисульфитной варки целлюлозы

1. Пропарка щепы осуществляется в пропарочной цистерне свежим паром низкого давления 0,3 МПа в течение 3–5 мин при температуре 120 °С.

2. Пропитка щепы раствором бисульфита натрия или магния в наклонном пропиточном шнеке, пристроенном к верхней горловине котла, при температуре выше 120 °С при полном рабочем давлении 1,4–1,5 МПа в течение 10–12 мин (пропитка может проводиться в отдельном пропиточном аппарате).

Для нагрева содержимого пропиточного шнека применяется пар высокого давления, который подводится в верхнюю часть пропиточного шнека в свободное парогазовое пространство.

3. В верхнюю часть варочного котла подаются жидкий

SO2 и вода для создания нужного гидромодуля (3–3,5 : 1). Верхняя часть котла оборудована циркуляционной системой для непрерывного обогрева и подъема температуры до 145–150 °С; продолжительность варки 3,5 часа.

104

Сдувок из верхней части котла не производится, и весь оборотный SO2 в систему регенерации направляют из испарителя отбираемого щелока.

4.Нижняя часть котла используется для двухступенчатой противоточной промывки массы (продолжительность промывки массы 3,5 часа); при этом извлекается примерно 90 % растворенных в щелоке веществ в виде крепкого щелока, направляемого на выпарку. Из нижней части котла, куда подается вода для промывки, масса при температуре 70–80 °С непрерывно выдувается через регулятор в выдувной резервуар.

5.Котел для бисульфитной варки изготавливается из биметалла, вспомогательное оборудование – из кислотоупорной стали, содержащей 2,5 % молибдена.

На рис. 3.1 приведена схема непрерывной варочной установки «Камюр» для бисульфитной варки целлюлозы.

Рис. 3.1. Схема непрерывной установки типа «Камюр» для бисульфитной варки: 1 – бункер для щепы; 2 – дозатор щепы;

3 – питатель низкого давления; 4 – пропарочная цистерна; 5 – питательная камера; 6 – бак постоянного уровня; 7 – питатель

высокого давления; 8 – наклонный пропиточный шнек; 9 – варочный котел; 10 – подогреватель варочной кислоты; 11 – испаритель; 12 – подогреватель оборотного щелока; 13 – регулятор выдувки

105

3.2. Материальный баланс бисульфитной варки целлюлозы в установке «Камюр»

Рассчитаем материальный баланс непрерывной варки на 1 т воздушно-сухой целлюлозы в установке типа «Камюр» с выносным пропиточным сепаратором и зоной горячей диффузионной промывки массы в котле. Примем, что установка имеет производительность 220 т целлюлозы в сутки.

Расчеты ведутся на 1 т воздушно-сухой целлюлозы с влажностью 12 % (коэффициент сухости 0,88) независимо от фактической влажности вырабатываемой целлюлозы. Исходные данные для расчета материального баланса непрерывной бисульфитной варки на магниевом основании приведены в табл. 3.1.

Таблица 3 . 1

Исходные данные для расчета баланса бисульфитной варки

106

Для удобства расчетов разобьем весь процесс на отдельные этапы: пропарка щепы в пропарочной камере; подача щепы и варочного раствора на варку; пропитка щепы в наклонном пропиточном шнеке; варка целлюлозы в варочной зоне котла; отбор крепкого щелока из котла; противоточная горячая диффузионная промывка и выдувка массы.

Пропарка щепы. При выходе целлюлозы 58 % количество абсолютно сухой древесины, поступающей в установку, на

1 т в.с. целлюлозы составит 880 100 =1517 кг. С ней поступает

58

воды в виде влаги щепы 1517 40 =1011кг. 60

Удельный расход древесины в виде щепы 1517389

Суточный расход древесины 3,9 · 220 = 856 пл. м3.

При нормальной нагрузке установка будет подавать щепы

114 м3/ч, или 2376 м3/сут.

Отсюда получим объемную плотность щепы при загрузке ее через дозатор и питатель низкого давления в пропарочную цистерну

107

2376856 = 0,31 пл. м3/м3 объема.

Количество свободного воздуха, захватываемого вместе со щепой, составит 1 – 0,31 = 0,69 м3/м3 объема щепы, или

0,69 : 0,31 = 2,3 м3/пл. м3 древесины, или 2,3 · 3,9 = 9,0 м3 на 1 т

целлюлозы. Кроме того, воздух содержится во внутренних полостях древесины. Объем пор древесины плотностью 389 кг/м3 составит

чтовпересчетена1 тцеллюлозыдает 3,910075 = 2,9 м3 , или2900 дм3.

Из этого объема 1011 дм3 заполнены влагой, тогда возду-

хом заняты 2900 – 1011 = 1889 дм3 = 1,8 м3.

Всего воздуха содержится в поступающей в пропарочную камеру щепе 9,0 + 1,8 = 10,8 м3; плотность воздуха при атмосферном давлении и температуре около 20 °С равна 1,35 кг/м3, при этом масса воздуха составляет 1,35 · 10,8 = 15 кг. Условно принимаем, чтовесьэтотвоздухвытесняется из щепыприпропарке.

Расход пара на пропарку щепы в цистерне составляет 320 кг/т целлюлозы (по результатам теплотехнического расчета), из которых 90 %, или 288 кг, конденсируются, а 32 кг уходят с отработанными парогазами в конденсатор. Вместе с влагой щепы количество воды, уходящей с пропаренной щепой, соста-

вит 1011 + 288 = 1299 кг.

Общий материальный баланс пропарки щепы представлен в табл. 3.2.

Подача щепы и варочного раствора на варку. При гид-

ромодуле 3,25 м3/т а.с. древесины общее количество жидкости, поступающей в котел, должно составить 1517 · 3,25 = 4930 кг. За вычетом воды (влаги), сопровождающей пропаренную щепу, количество варочной кислоты получим 4930 – 1299 = 3631 кг.

108

С ней в котел поступит на 1 т целлюлозы 3631 · 0,065 = 236 кг

SO2 и 36316040 1003,2 = 77,5 кг MgO.

Таблица 3 . 2

Материальный баланс пропарки щепы

Суммарный баланс загрузки котла показан в табл. 3.3.

Таблица 3 . 3

Суммарный баланс загрузки котла

109

Пропитка щепы в пропиточном шнеке. В конце зоны пропитки выход древесного остатка составляет 90 % от исходной древесины, или 1517 · 0,90 = 1365 кг. Следовательно, за время пропитки растворяется 1517 – 1365 = 152 кг органических веществ древесины.

Сдувки при варке в котлах типа «Камюр» практически не производят. Расчет количества газообразных и летучих веществ, образующихся в процессе пропитки и варки, произведем в разделе «Самоиспарение щелока в расширителях».

Общее количество жидкости в котле в период пропитки равно 4930 кг. При титре кислоты в конце пропитки 4,2 % SO2 и основания 1,2 % в растворе будет содержаться

Имея в виду, что в начале варки было 236 кг SO2 и 77,5 кг MgO, по разности расход на химические реакции составит

236 – 207 = 29 кг SO2 и 77,5 – 59 = 18,5 кг MgO.

Общий материальный баланс пропитки показан в табл. 3.4.

Таблица 3 . 4

Общий материальный баланс зоны пропитки

110