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

С учетом того что конденсат греющего пара, скапливающийся в нижней части межтрубного пространства уменьшает теплопередачу, принимаем Клод= = 200 втім2-град. Тепловая нагрузка <2под == 165 000-3,67 (88— 85) =

=1 820 000 кдж/ч, или 505 000 дж/сек.

Средняя разность температур

сования этих величин произведем перерасчет, приняв новую температуру ще­ лока на границе зон подогрева и кипения. Если взять эту температуру равной 88,3° С (вместо 88°, как было принято в первом приближении), то р88з<>. 20« =

= 1075,3 кг/м3 (при 88°. было 1075,5 кг/м3).

Аналогично не изменятся и другие физические величины, так как темпера­ тура щелока увеличена всего лишь на 0,3° С.

Температура пара в начале зоны кипения равна 88,3 — 1,1 = 87,2° С; ей соответствует давление р41 = 0,645 ата. Следовательно, Др = 0,645 — 0,5343=

217

Гидродинамический и тепловой расчеты практически согласуются. Следо­ вательно, /гПОд = 2,17 м, а Лкнп = 8,49 — 2,17 — 0,03 = 6,29 м — эффективная высота трубок в зоне кипения (0,03 м — нерабочая с точки зрения теплопередачи часть трубок, которая, однако, учитывается в гидродинамическом расчете).

Для того чтобы обеспечить заданный эффект выпаривания, проверим по уравнению теплопередачи, достаточна ли /іКІШ= 6,29 м в зоне кипения. Сред­ ние значения физических характеристик щелока в зоне кипения равны:

Средние значения физических характеристик пара:

Критерии и симплексы, входящие в уравнение теплоотдачи (10-15), равны:

Кеж = ]7+ 0:0457 = 915;

0,87-10—3

Рп 0,0118 = 0,01357. Рж ' 0,87

Критерий Нуссельта по формуле (10-15) равен

Nu = (1,3 + 128-0,0457) 5,08°'9-915°’23 • 12 8р0°'34 -31000'25 • 0,01 357 = 374,

откуда а42 = 374-0,062- = 5070 вт/м2-град. 0,0457

^пл = — -— ---- -— = 92,3°. Величина В—175,2 (см. стр. 160). Коэффициент тепло­ отдачи по формуле (8—19) равен

218

Qi = Qi-

Проверим, достаточно ли тепла передается от пара к раствору, чтобы обес­ печить принятую степень концентрирования раствора. Необходимое количество тепла равно

QHcn = \ѴА(г4 — с4срг4ср) = 25 700 (2650 — 3,62-86,2) =

= 60 000 000 кдж/ч, или 16 670 000 дж/сек.

Приходит тепла за счет теплопередачи

(2 = 2060-7-6,29-3,14-1350-0,0457 = 17 600 000 дж/сек.

Получили Q. > <2испПри нормальной работе выпарки это условие всегда должно выполняться. Резерв производительности по теплопередаче Q—QIlcn =

Q Qucn-•100:

Пример 3. Проверить полученный в примере 1 режим выпаривания седьмого

275 000-0,25 = 68 750 кг/ч — количество щелока. По формуле (10-17) толщина

Поскольку в седьмой корпус щелок подается перегретым, при входе в аппа­ рат он вскипает и в трубки поступает парожидкостная смесь. Примем концен­

трацию щелока на входе в трубки х71 = 20,9%, а температуру t1{ = 56,4° С (эти цифры взаимосвязаны и получены методом приближения, который был по­ казан в примерах 1 и 2). Концентрационная депрессия для х71 = 20,9% равна

Дл = 1,5°, а теплоемкость щелока с'71 = 3,65 кдж/кг-град. Следовательно, температура пара на входе в трубки t7c = 56,4 — 1,5 = 54,9° С; ей соответст­ вует теплосодержание і7 = 2598,6 кдж/кг. Из теплового баланса нижней части аппарата, где происходит вскипание, определяем количество испарившейся воды

68 750 (3,67-85 — 3,65-56,4) = 3050 кг/ч. 2598,6-3,65-56,4

219

гидродинамический расчет проведен верно и можно перейти к тепловому рас­ чету, в котором необходима найденная выше температура t7l.

где 54,3° С — средняя температура пара.

220

Критерии, входящие в формулу (10-15), равны:

р-п __ 0,0107 = 0,00637.

Рж 1.68

Следовательно, по формуле (10-15):

Nu = (1,3 + 128-0,0456) 10,30,9-1570,23 • 12 3500,34 • 11 1300,25- 0,00637 =

Определим коэффициент теплоотдачи со стороны пара по формуле■(8-19). Примем разность температур между паром и стенкой 2,8° С, Температура пленки конденсата + л = 65,5 — 0,5-2,8 = 64,1°. Следовательно, 5 = 1 5 7 ,9 (см.

стр. 160). Для температуры пара 65,5° величина г, = 2344 кджікг. Коэффициент теплоотдачи

Qi.cn = (22 920 — 3050) (2597,4 — 3,55-56,2) = 47 700 000 кдж/ч,

где 2597,4 кджікг — теплосодержание для средней температуры пара в трубках 54,3°; 3,55 кдж/кг-град — средняя теплоемкость щелока; 56,2° — его темпера­ тура.

Аналогично проводится проверка в пятом и шестом корпусах выпарки. Расчеты, приведенные в примерах 1, 2 и 3, показывают, что аппараты пря­

моточной части выпарки работают в довольно свободном режиме. Для того чтобы увеличить их нагрузку и повысить концентрацию щелока сверх 30%, нужно увеличить расход греющего пара в четвертом корпусе. В связи с этим’следует произвести повторный расчет выпаривания.

221

Раздел III. ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

Глава И . ТОПЛИВО И ГОРЕНИЕ. ПЕЧИ И ТОПКИ

ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ТОПЛИВО И ЕГО СОСТАВ

Вещества, способные гореть и выделять при этом тепло, назы­ ваются горючими веществами. Те из них, которые имеют промышлен­ ное значение для получения тепла, в отличие от горючих веществ во­ обще называют топливом. К топливу относятся каменный уголь, торф, дрова, горючие сланцы, нефть, генераторный газ, доменный газ, ес­ тественный горючий газ и другие вещества. Следовательно, топливо может быть твердым, жидким и газообразным. Топливо в том составе, в котором оно сжигается, называется рабочим топливом.

Рабочее топливо состоит из влаги и сухой массы. Количество влаги в килограммах, содержащейся в 1 кг рабочего топлива, называют рабочей влажностью топлива и обозначают через wp. Рабочую влаж­ ность часто выражают з процентах от веса топлива. При этом соотно­ шение между влажностью в процентах и в килограммах получается следующее:

шр% 100= 100 wp.

Очевидно, вес сухой массы топлива будет 1—wp кг. Если его вы­ разить в процентах от веса топлива, то

—100= 100—Wp%.

Сухая масса топлива состоит из горючей массы и негорючей, или золы. Вес золы, содержащейся в 1 кг рабочего топлива в килограммах, на­ зывается рабочей зольностью топлива и обозначается А р. Так же, как и влажность, она может быть выражена в процентах:

Д р% = 100Ар.

Влага и зола вместе составляют негорючую часть топлива и назы­ ваются балластом, вес которого в 1 кг рабочего оплитва обозначают Бр. Он тоже может выражаться в процентах:

Б р% = 100 Бр.

Вес горючей массы в 1 кг рабочего топлива составляет

1 Wp Д р — 1 Бр,

или в процентах от веса рабочего топлива

= 100— 100 £ р= 100—Wp% — Ар% = 100—Бр%.

222

Горючая масса применяемых топлив в общем случае состоит из следующих химических элементов: углерода С, водорода Н, кисло­ рода О, азота N и серы S. Если количества этих элементов, находя­ щихся в 1 кг рабочего топлива, выразить в килограммах, то они дадут так называемый рабочий состав горючей массы топлива. При этом вес каждого элемента будет обозначаться соответствующим подстрочным символом «р»: например, Ср. Состав может быть выражен и в процентах от веса рабочего топлива; тогда, аналогично предыдущему, будем иметь:

Ср% = 100Ср; Я р% = 100 Я р; Ор% = 100 Ор;

Np% = 100 Np; Sp% = 100 Sp.

В рабочем топливе вес сухой массы является стабильным, влаж­ ность же может изменяться в довольно широких пределах в зависи­ мости от разных условий. Так, влажность дров весенней рубки, по­ ставляемых сплавом, может достигать 50—55%. После длительного хранения на складе и естественной сушки влажность дров может сни­ зиться до 30—35%. Еще большие колебания влажности наблюдаются у торфа. Вследствие этого часто зольность и состав горючей массы дают не для 1 кг рабочего топлива, а для 1 кг сухой массы. При этом все бук­ венные выражения сохраняются, но вместо индекса «р» ставится ин­ декс «с». Таким образом, вес золы и химических элементов, входящих в состав 1 кг сухой массы топлива, будет обозначаться А с, Сс, Нс, Ос, Nc и Sc. Все эти величины можно выразить и в процентах от веса сухой массы:

А с% = 100Лс; Сс% = 100Сс; НС% = 100НС; Ос% = ЮООс;

Ос% = 100 Ос; Nc% = 100 Nc; Sc% = 100 Sc.

Между процентным составом рабочего топлива и процентным со­ ставом сухой массы существует зависимость. Выясним ее на примере зольности. В 1 кг рабочего топлива содержится wp кг влаги, А р кг золы и 1— Wp кг сухой массы. Рабочая зольность (в %) равна

Л р% = 100Лр.

Зольность на сухую массу в процентах, т. е. от веса сухой массы, равна

Лс% = — -100.

1 — wp

Разделив второе равенство на первое, получим

Умножив числитель и знаменатель дроби в правой части равенства на 100, получим

223

и л и

Очевидно, такое же соотношение будет между подобными величи­ нами и других элементов. Следовательно, для того чтобы любую ве­ личину состава топлива, сосчитанную в процентах на рабочую массу,

пересчитать на сухую массу, нужно ее умножить н а ---- — ---- .

100 — wp%

В некоторых случаях химический состав дают для 1 кг горючей массы. При этом в обозначениях индекс «р» заменяют индексом «г»

иполучают Сг, Нг, Ог, Nr, Sr; это означает вес элементов, входящих

в1 кг горючей массы. Состав топлива может быть выражен и в процен­ тах , тогда

Сг% = 100 Сг; Нг% = 100 Нг; 0,.% = 100 Ог;

счета состава рабочего топлива в состав на сухую массу, можно найти множитель и для других пересчетов.

Так, для того чтобы любую величину состава, выраженную в про­ центах на рабочую массу, пересчитать на горючую массу, нужно эту

величину умножить на 100 ^ у • Аналогично, для того чтобы любую

величину состава, выраженную* в процентах на сухую массу, пересчи-

100 „

тать на горючую, нужно эту величину умножить на — — — —. Для

наглядности состав топлива можно показать следующим образом:

ТЕПЛОТВОРНОСТЬ ТОПЛИВА

При сжигании топлива выделяется определенное количество тепла. Поэтому для характеристики данного топлива определяют его тепло­ творность. Теплотворностью (теплотворной способностью) называется количество тепла, выраженное в килоджоулях, которое выделяется при сжигании 1 кг топлива. Для газообразного топлива в некоторых случаях теплотворностью называют количество тепла, которое полу­ чается от сжигания 1 м3 топлива при нормальных условиях.

224

Различают теплотворность высшую и низшую. Под высшей тепло­ творностью понимают количество тепла, которое выделяется в резуль­ тате химических реакций при горении 1 кг топлива. Однако не все это тепло отдается. Дело в том, что в состав топлива входит водород, который, сгорая, превращается в воду. Горение сопровождается вы­ сокой температурой, вследствие чего вода превращается в пар. На испарение 1 кг воды округленно требуется 2500 кдж тепла. Если в со­ став топлива входит Яр кг водорода, то, как известно из химии, из него получится 9Нр кг воды. На испарение этой воды пойдет тепла

2500 • 9 Нр = 225 (100 Нр) = 225 Нр % кдж.

Таким образом, 1 кг топлива отдаст тепла на 225 (Нр%) кдж меньше, чем из него выделится.

Следовательно, под низшей теплотворностью нужно понимать то количество тепла, которое 1 кг топлива способен отдать при сгорании.

Высшую теплотворность обозначают Q°, низшую QH. Тогда

В обозначениях теплотворности мы поставили индекс «р». Это зна­ чит, что данные теплотворности получены в результате сжигания 1 кг рабочего топлива, поэтому их соответственно называют рабочей выс­ шей теплотворностью и рабочей низшей теплотворностью. Последнюю часто называют просто рабочей теплотворностью.

Если бы топливо было предварительно высушено так, чтобы оста­ лась только сухая масса, то при сжигании 1 кг сухой массы мы полу­ чили бы другие количества тепла, а следовательно, и другие тепло­ творности, которые называются высшей и низшей теплотворностью

Qp = Qc (1—йУр)—2500 Wp.

Это равенство можно переписать в следующем виде:

Имея в виду, что 100 wp = wp %, получим

225

П овторив то ж е сам ое в отнош ении Q® и Q“> получим

Если бы мы сожгли 1 кг горючей массы, то получили бы теплотвор­

ности горючей массы Ql и QJ-', а так как в 1 кг сухой массы содержится 1—А с кг и горючей массы, то можно составить следующие два ра­ венства:

и 1—Б р кг горючей массы. Исходя из этого таким же способом, каким была получена зависимость для Qp и Q“, найдем:

Теплотворность топлива определяется либо опытным путем с по­ мощью калориметра, либо путем расчета. Расчет теплотворности топ­ лива с малым содержанием кислорода по его составу производится по формуле Менделеева

Горение представляет собой химический процесс, при котором про­ исходит реакция соединения химических элементов топлива с кисло­ родом. Обычно для этой цели используют кислород воздуха.Реакция 4 соединения с кислородом идет со значительным выделением тепла, поэтому горение применяется для получения тепла. Горючая масса распространенных видов топлива состоит, как было сказано, из угле­ рода, водорода, серы, кислорода и азота. Однако при горении соеди­ няются с кислородом только углерод, водород и сера. Азот является инертным веществом и при обычных условиях с кислородом не сое­ диняется. Как известно из химии, реакции соединения углерода, во­ дорода и серы с кислородом выражаются следующими химическими

формулами:

с ~г о 2= с о 2

226