книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

Из этого уравнения определяем температуры стенок, которые

Если температуры стенок определены правильно и по ним вычис­ лены а г и ос2, то должно удовлетворяться равенство (8-35). При выпол­ нении этого условия можно утверждать, что общий коэффициент теп­ лопередачи найден верно. Критерием правильности расчета величины К также является соответствие температур стенок, произвольно при­ нятых для расчета а 1 п а 2 п вычисленных по формулам (8-36) и (8-37).

Поверхность и объем теплопередачи

Поверхность теплопередачи определяют из общего уравнения теп­ лопередачи

Величины, входящие в правую часть формулы, рассчитывают предва­ рительно.

В случае теплообмена при непосредственном контакте сред иско­ мой величиной являетсяобъем теплопередачи

КѴМ ’

где К ѵ — объемный коэффициент теплопередачи, вт/м3-град. Взаимосвязь К и Ку устанавливается формулой

где f — удельная поверхность контакта теплоносителей, м2/м3 (на­ пример, поверхность 1 м3 насадки, поверхность капель в 1 м3 полого аппарата и т/д .).

Пример 1. Определить коэффициент теплоотдачи при движении воды по трубкам диаметром 34 мм со скоростью 1 місек, которая нагревается от 15 до 85*. Средняя температура стенки труб 60° С; длина их 1200 мм.

Р е ш е н и е . Для средней температуры воды ^ ^ = 50° С вязкость

ц = 0,549 спуаз, плотность р s 1000 кг/м3, теплопроводность А,= 0,652 вт/м-град,

теплоемкость с — 4190 дж/кг-град. Критерий Re = '■ ^00 _ gg ООО, сле- 0,549-10-3

167

довательно, режим движения турбулентный, для которого выбираем расчетную формулу (8-14).

Если в формуле (8-14) пренебречь влиянием (Рг/Ргс)25 и в^, которые близки к еди­ нице, получаем а = 4800 вт/м^-град. Погрешность равна примерно 7%.

Пример 2. Вычислить среднюю разность температур, если первый теплоно­ ситель, двигаясь по межтрубному пространству теплообменника, охлаждается

Глава 9. НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ

И КОНДЕНСАЦИЯ

Процессы нагревания, охлаждения и конденсации широко приме­ няются в целлюлозно-бумажном производстве. Нагревание связано главным образом с проведением основных технологических процессов и является не только мощным фактором ускорения химических реак­ ций, но, подчас, и необходимым условием, без выполнения которого процесс оказывается невозможным. Это относится к делигнификации древесины во время варки, обжигу известняка при получении извести, восстановлению сульфата натрия и проведению процесса каустизации, где происходят химические превращения веществ. Нагревание используется также в процессах выпаривания, высушивания, ректи­ фикации и т. д. Некоторые процессы, наоборот, проходят успешно лишь после предварительного охлаждения реагентов. К ним относится поглощение S 0 2 и получение башенной кислоты, сбраживание саха­

168

ристой части сульфитного щелока и некоторые другие процессы. Кон­ денсация паров связана с процессом нагревания водяным паром и утилизацией вторичного тепла варки в виде паров сдувок и выдувок. В некоторых случаях конденсация паров вызывается необходимостью облегчить работу вакуум-насосов и совмещается с процессом цбздаиия разрежения, например конденсации вторичных паров выпарки в барометрическом конденсаторе.

В настоящее время большое значение придается использованию отбросного тепла предприятий, которое выделяется в больших коли­ чествах при варке целлюлозы — со сдувками и выдувками, при вы­ парке — с вторичным паром и конденсатами, при содорегенерации — с дымовыми газами, при отбелке — со сточными водами, при сушке с отходящей паро-газовой смесью и т. д. Считают экономически целе­ сообразным утилизировать тепло не только от высокотемпературных теплоносителей, но и от всех сточных вод с температурой не ниже 20°. Для утилизации тепла целлюлозно-бумажных предприятий созданы, успешно работают и продолжают совершенствоваться специальные теплообменные аппараты, которые рассмотрены ниже.

НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ АППАРАТАХ

Тепловая энергия, необходимая для нагревания, может быть по­ лучена из разных источников и вводится в технологический процесс разными способами. Прямыми источниками тепла являются топливо и электрический ток. Теплоносителями, которые воспринимают тепло от прямых источников и передают его обогреваемой среде, могут быть горячая вода, разные масла, расплавленные металлы, пары различных жидкостей, дымовой газ и т. п. В целлюлозно-бумажном производстве наибольшее значение имеют обогрев водяным паром, дымовыми газами (в паровых котлах) и горячими жидкостями. Рассмотрим способы на­ гревания горячей водой и паром, наиболее распространенные в техно­ логической практике.

Нагревание жидкостью

Нагревание жидкостью применяется главным образом при утили­ зации вторичного тепла из конденсатов пара и других жидкостей — чистых и загрязненных. В качестве тепловоспринимающей среды при­ меняется свежая вода или какая-либо другая жидкость, необходимые в производстве. Расходы теплоносителей, их начальные и конечные температуры взаимосвязаны и определяются с помощью уравнения теплового баланса.

Примем обозначения: Gx и G2 — расходы жидкостей; /1н, tlK, н, t2K— начальные и конечные температуры первой и второй жидкостей;

сін> сік> с2н> с2к — их удельные теплоемкости. Приход тепла состоит из следующих слагаемых:

G\Cw t ln — с первой жидкостью;

G 2С2Н^2Н — СО второй ЖИДКОСТЬЮ.

169

Расход тепла:

GiA kGk — с первоіі жидкостью; G2c2k^2k — со второй жидкостью;

<3п — тепловые потери в окружающую среду.

Приход тепла равен его расходу. После подстановки слагаемых и некоторых преобразований получим уравнение теплового баланса

(^ін^іи Пк^ік) = @2 (^гк^ек '^2іі^2н) Qrp

В расчетной практике тепловые потери часто учитывают прибли­ женно с помощью теплового коэффициента полезного действия аппа­ рата е, под которым понимают отношение полезно затраченного тепла к общему его расходу. В нашем случае полезно затраченное тепло по­ шло на подогрев второй жидкости в количестве G3 (с2к/2к — c2nt2u), а общие затраты тепла равны количеству тепла, которое отдала первая

и (9-2), обычно берут из справочников. Для приближенного расчета удельной массовой теплоемкости твердых веществ также пригодна формула

„ ___ п і А + п 2& + • • • + n i{N / а о \

где М — молекулярная масса вещества; п х, п 2 и пк — количества атомов отдельных элементов в молекуле; А, В и N — атомные тепло­ емкости элементов.

где blt b2, Ьп и сх, с2, сп — массовые доли компонентов и их удельные теплоемкости.

Удельная массовая теплоемкость растворов определяется по фор­ муле

где X — концентрация раствора в массовых %;

170

А и а — постоянные, зависящие от природы раствора:

Величина с для растворов может быть определена также и по формуле (9-4) после предварительного расчета теплоемкости растворенного ве- 'щества по формуле (9-3).

Нагревание водяным паром

Водяной пар, как теплоноситель, является незаменимым в боль" шинстве технологических процессов. Основными его достоинствами являются возможность удобного и точного регулирования темпера­ туры нагрева, высокие теплосодержание и коэффициент теплопере­ дачи, компактность и малогабаритность применяемой аппаратуры и т. п.

Нагрев водяным паром применяется при варке целлюлозы, выпа­ ривании щелоков, сушке целлюлозы, бумаги и картона, ректификации и других процессах.

Расход пара D на нагревание определяется из уравнения теплового баланса подогревателя.

Обозначим: G — расход нагреваемой жидкости; clt с2, і1г t2 — ее начальные и конечные теплоемкости и температуры; / — теплосодер­ жание пара (с учетом его влажности); ск и tK— теплоемкость и темпе­ ратура конденсата на выходе из подогревателя.

Составим уравнение теплового баланса подогревателя. Составляю­ щие прихода тепла равны:

DI — с паром;

Gcxtt — с нагреваемой жидкостью.

Составляющие расхода:

DcKtK — с конденсатом;

Gc2t2 — с нагретой жидкостью;

Qn — потери на излучение.

Приход тепла равен его расходу. После подстановок и преобразо­ ваний получаем уравнение

D (I — cJK) = G {c2t2— cxtx) + Qn.

Введя тепловой коэффициент полезного действия е, получим

При нагревании жидкости по-прежнему можно принять с± = с2 —с. Уравнение (9-6) одновременно является и уравнением теплового баланса конденсации пара. Образующийся конденсат должен непре­ рывно отводиться из подогревателя. Потери пара при этом должны быть исключены. Приспособления, применяемые для отвода конден­ сата, называются конденсатоотводчиками. По принципу работы они

171

делятся на непрерывнодействующие и аппараты периодического дейст­ вия, а по конструктивному выполнению — на поплавковые и лаби­ ринтовые. Подбирают их для данного подогревателя в зависимости от давления пара и расхода конденсата.

На рис. 9-1 схематически показан поплавковый конденсатоотводчик периодического действия. При поступлении в него конденсата сначала заполняется объем между корпусом и открытым поплавком, после чего конденсат переливается в поплавок. В течение этого времени кла­ пан закрыт и конденсат не может выйти из конденсатоотводчика. По­ сле заполнения поплавка он опускается на дно, клапан открывается и давлением пара конденсат выталкивается наружу. Затем облегчен­

направления теплоперехода можно выделить теплообменники паро­ жидкостные, парогазовые, жидкостно-жидкостные, жидкостно-газо­ вые, газо-жидкостные и т. п. По конфигурации поверхности их можно разделить на рубашечные, змеевиковые, трубчатые, спиральные, пла­ стинчатые и т. п. По расположению элементов поверхности теплооб­ мена (трубок, спиралей, пластин) теплообменники классифицируют на вертикальные и..горизонтальные. По жесткости конструкции, до­ пускающей или не допускающей компенсации температурных дефор­ маций трубок и корпуса, различают аппараты жесткой конструкции

роду используемого в теплообменниках теплоносителя их можно под­ разделить на нагревательные аппараты, использующие первичное тепло, и теплоутилизаторы, в которых подогревается свежая вода или воздух за счет отбросного (вторичного) тепла предприятия.

, Аппараты с паровой рубашкой

Аппарат (рис. 9-2) состоит из корпуса и рубашки. В пространство мещду рубашкой и корпусом подается пар. При диаметре аппарата

172

более метра для равномерного распределения пара по всему объему аппарата его вводят с двух сторон. Поверхность нагрева аппаратов с паровой рубашкой обычно не превышает 10 м2. Применяют их глав­ ным образом как реакционные аппараты, например для варки кани­ фольного клея и т. п. Достоинством аппарата является легкая чистка

ляет собой или изогнутую по спирали трубу с расположением витков

5

Конденсат

Рис. 9-3. Схемы змеевиковых теплообменников

по винтовой линии (рис. 9-3, а), или отрезки прямых труб, располо­ женных в ряд по высоте или горизонтали и соединенных между собой коленами (рис. 9-3, б). В том и другом случае трубы располагают вблизи стенок аппаратов. При необходимости в аппаратах могут быть установлены мешалки (например, в каустизаторах, в баках черного щелока и т. д.).

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники могут иметь большие поверхно­ сти теплообмена. Их используют в качестве подогревателей, холодиль­ ников и конденсаторов.

173

Одноходовые теплообменники. Простейшим является одноходовый теплообменник (рис. 9-4), состоящий из кожуха (корпуса), к которому

Рис. 9-5. Схемы многоходовых теплообменников:

а — с продольными перегородками; б — с поперечными перегородками

теплообменник, выбран и приняты толщины стенок и накипи, то об­ щий коэффициент теплопередачи зависит только от коэффициентов теплоотдачи а , и а 2. При постоянстве физических характеристик теп­ лоносителей величины и а 2 зависят от числа Рейнольдса (см., на­ пример, формулу 8-17). Величина последнего определяется только

174

скоростью движения жидкости в трубах и межтрубном пространстве. В свою очередь при постоянном расходе скорость жидкости обратно

175

костью перегородки устраивают только в объеме, по которому дви­ жется жидкость.

Подогреватели с двойными трубками. Наиболее распространенным теплообменником с двойными трубками является подогреватель Мортеруда (рис. 9-6). Щелок из варочного котла подается в пространство между корпусом подогревателя и внутренним кожухом с трубками. Поднявшись выше, он опускается по межтрубному пространству, оги­ бает внизу перегородку и по межтрубному пространству снова подни­

иразрушением пленки накипи при

удлинениях и укорочениях трубок с изменением температуры ще­ лока (при периодической варке); относительная легкость замены труб­ чатки. Поверхность аппаратов от 30 до 72 ж2.

Подогреватель с плавающей головкой. Для подогрева щелока в ва­ рочных котлах используют теплообменники с верхней плавающей головкой (рис. 9-7). Он характерен тем, что компенсация температур­ ных удлинений в нем достигается устройством свободно перемещаю­ щейся трубной решетки. Выходы из трубок в этой решетке за­ крываются специальной крышкой, которая крепится к решетке болтами. Пар подается в межтрубное пространство, а щелок переме­ щается по трубкам. Для увеличения общего коэффициента теплопере­ дачи такие подогреватели делают четырехходовыми (по ходу щелока). Плавающая головка может располагаться и в нижней части аппарата. Поверхность аппарата достигает 160 ж2.

Спиральные теплообменники

Спиральный теплообменник (рис. 9-8) изготовляется из двух ме­ таллических пластин, свертывающихся в спирали. Просветы между ними с торцов закрываются специальными крышками. Расстояние

176