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

ß — коэффициент вспенивания; т — доля сечения тарелки, занятая стекающей жидкостью. Остальные обозначения прежние.

Коэффициент сопротивления определяется по эмпирической фор­

где —---- отношение ширины щели (или эквивалентной ширины, если

б

отверстия круглые) к толщине тарелки. Коэффициент вспенивания равен

Доля сечения тарелки, занятая стекающей жидкостью, рассчиты­

где г| — коэффициент расхода при истечении жидкости через отвер­ стия тарелки; г) ^ 0,62.

Высоту слоя пены на тарелке определяют после расчета гидравли­

жидкости (величина безразмерная); она берется в пределах 0,2—0,4.

Массопередача и эффективность тарелки

В настоящее время имеется довольно большое количество экспери­ ментальных данных по массопередаче и эффективности провальных тарелок. Число единиц переноса для газовой фазы может быть опреде­ лено по формуле

где Dr — коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе, м?!сек\ Нп — высота слоя пены, ж.

277

где Dx — коэффициент молекулярной диффузии данного компонента в жидкой фазе, м2!сек;

Q — плотность орошения, м31м2-сек.

Общее число единиц переноса п0 для тарелки и ее эффективность определяются по формулам главы 12.

Имеются также эмпирические расчетные формулы, по которым сразу определяется эффективность тарелки (в долях единицы):

Расчет абсорберов с провальными тарелками

Расчет абсорберов заключается в определении их диаметра, гидрав­ лических сопротивлений, расстояния между тарелками, числа таре­ лок и общей высоты аппарата.

Сначала рассчитывают диаметр колонны. Для этого при заданных или предварительно определенных массовых расходах жидкости L0 и газа Gq по формуле (13-26) вычисляют величину комплекса /Сзахл. Подставив его значение в формулу (13-25), находят скорость захлебы­

вания, а затем из оптимального соотношения —2- = 0,85 ч- 0,95 Чзахл

определяют скорость ѵ0 в свободном сечении колонны. Диаметр аб­

сорбера D

Полученную величину сравнивают со стандартными диаметрами, принимая ближайшее стандартное значение D. При этом уточняют рабочую скорость в аппарате ѵ0 (соответственно стандартному значе­ нию D) и по графику (рис. 13-3) или формуле (13-27) определяют ра­

бочее значение комплекса К. Величины К и — являются исходными

Go

для определения по рис. 13-3 значения Z, которое подставляют в урав­ нение (13-28) и рассчитывают гидравлические сопротивления тарелки Ар. Величина Ар может быть определена также по формуле (13-30).

Расстояние между тарелками рассчитывают по высоте слоя пены, определяемой по формуле (13-34). При этом расчет проводится для условий режима захлебывания, который дает максимальную высоту пены. Это значит, что в формулу (13-34) подставляются ѵ0 = изахл и Ар = АРзахлВычислив # п, принимают ближайшее наибольшее стан­ дартное значение расстояния между тарелками.

Число тарелок определяют по методике, рассмотренной в главе 12. Эффективность тарелки при этом определяют или по общему числу единиц переноса тарелки л0, которое рассчитывают либо по уравнению (12-26) после предварительного определения частных чисел единиц

278

переноса для газовой и жидкой фаз (уравнения 13-35 и 13-36), либо по формуле (13-37) или (13-38). Найдя общее число тарелок в аппарате графическим методом (см. рис. 12-5), определяют общую высоту ко­ лонны.

Пример. Рассчитать абсорбер с тарелками провального типа для получения

1964, стр. 213) 1,1% Na20 соответствует эквивалентному содержанию 1% СаО.

2SOa + Н20 + Na2COs -> 2NaHS03 + С02 + Q,

где Q —• тепловой эффект реакции. Величину Q определим как разность теплот образования веществ правой и левой частей уравнения реакции, которые берем

Для построения линии равновесия необходимо провести предварительные расчеты, в которых нужно знать среднюю плотность газовой смеси при нормаль­

279

Среднее давление в аппарате равно (755 + 765) 0,5 = 760 мм рт. ст. Равно- « весные концентрации определим для концентрации всего S02 в кислоте в пре­ делах от X = 2с = 2,28% до * = 3 ,0 4 % , что соответствует концентрациям

На рис. 13-4 строим линию равновесия ОА и рабочую линию процесса ВС. Чтобы построить кинетическую линию, определим эффективность тарелки. Для средней температуры поглотительной жидкости (18 + 12) 0,5 = 15° С вязкость равна 1,14 спуаз (берем по воде). Ширину щелей в решетке принимаем 4 мм, жи­ вое сечение тарелки 0,226 мг!м-. По формуле (13-38) эффективность тарелки

Е0 = (0,7125 — 1,083-0,226) 1,14—0,12 = 0,46. На рис. 13-4 строим кинетиче­ скую кривую MN и определяем число тарелок в абсорбере. Число полных сту­ пенек между рабочей и кинетической линиями равно семи плюс одна неполная ступенька, поэтому берем восемь тарелок.

Далее нужно определить основные размеры абсорбера. На выходе из аппа­ рата температуру газа принимаем на 5° С выше температуры орошающей жид­

совый расход газа на входе равен 8000-1,5 = 12 000 кг/% из них массоносителя

•280

Вязкость смеси

0,076-0,0127-166 + 0,076-0,0206-70,2 + 0,848-0,0177- 59,5 А

г0,076-166 + 0,076-70,2 + 0,848-59,5

Поверхностное натяжение для = 15° равно 73,1 -10- '3 н/м (берем по воде). По формуле (13-25) скорость газа в режиме захлебывания

1,271,55( і , 14-10~3)0-94 (i ,6- IQ- 5 )0-4-0,0040ДІ

196 н/м*.

1,4°'52ЮОО!*09(7,31 -10 2)°>8

При восьми тарелках общее сопротивление аппарата Дрд = 196-8 = 1570 ч/м2.

Давление внизу аппарата равно 755-)----------------=767 мм рт. ст., т. е. оно

9,81-13,6

примерно такое,-как было принято в начале расчета.

Далее требуется найти расстояние между тарелками и рабочую высоту ап­ парата. По формуле (13-29) Дшхл = 6.9* Ю6-8,71,26 = 1,05-ІО8. Поскольку

281

При толщине тарелки 6 = 4 мм коэффициент сопротивления по формуле (13-31) равен

С учетом сепарирующего пространства высотой 100—150 мм расстояние между тарелками берем 300 мм. Рабочая высота аппарата (300 + 4) 8 = 2432 мм.

Глава 14. ПРОМЫВКА И ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

В условиях производства жидкие химические реагенты часто бы­ вают загрязнены твердыми взвешенными веществами. Например, бе­ лый щелок после каустизации содержит большое количество частиц СаС03, полученный в хлораторе отбельный раствор гипохлорита кальция загрязнен нерастворимыми веществами, содержащимися в исходной извести, и т. п.

При отделении взвешенных веществ (отстаиванием, фильтрацией и т. п.) образуются,влажные осадки, в жидкой части которых остается большое количество ценных химических реагентов. В случае, если осадок является отходом производства и идет в отвал, с ним будет уда­ лено большое количество ценного химического реагента. В приведен­ ных примерах это будет Na20 и активный хлор. Экономически целесо­ образно эти ценные вещества извлечь из осадков и снова направить в производство. Затраты на реализацию такого процесса окупаются

282

стоимостью извлекаемых химических реагентов. Извлечение полезного вещества из осадков осуществляется их п р о м ы в к о й .

Процесс'промывки применяют и тогда, когда ценными веществами являются и раствор и осадок. Например, целлюлозная масса, выходя­ щая из варочного котла, состоит из целлюлозы и черного щелока. При промывке последний должен быть отделен от целлюлозы и напра­ влен на регенерацию щелочи.

При промывке целлюлозы после отбелки из массы в основном нужно удалить продукты хлорирования и окисления целлюлозы. Образующиеся при этом промывные воды в большинстве случаев не представляют ценности.

Таким образом, цель промывки состоит в получении тщательно отмытого осадка. Это необходимо сочетать с минимальными затратами промывной жидкости и времени на процесс, а также в большинстве случаев с получением как можно более концентрированных растворов извлекаемого вещества. Выполнение этих условий обеспечивает эко­ номичность промывки.

Иногда с помощью воды требуется извлечь некоторые раствори­ мые в ней части твердого тела. Такой процесс называется в ы щ е л а ­ ч и в а н и е м . Он основан на способности извлекаемого вещества растворяться в воде лучше, чем остальные составные части материала. Выщелачивание является частным случаем э к с т р а г и р о в а н и я .

Процессы промывки и выщелачивания описываются одинаковыми уравнениями. Разница лишь в скорости извлечения вещества и вели­ чинах коэффициентов промывки. Ниже в основном рассматриваются процессы промывки, имеющие большее значение для целлюлознобумажного производства, чем Процессы выщелачивания. Всё уравне­ ния промывки справедливы и для выщелачивания.

меньше радиус частиц, тем больше общий коэффициент массопередачи и тем быстрее извлекается данное вещество из осадка.

283

Влияние толщины диффузионного слоя на скорость массопередачи установлено следующим опытом. Отдельное непромытое целлюлозное волокно поместили в воду. Потребовалось менее 1 сек, чтобы щелок продиффундировал в воду. Подобный опыт для пучка волокон объемом 1 см3 (в виде кубика) показал, что для завершения диффузии необхо­ димо время более 1 ч.

Влияние на массопередачу коэффициента массопроводности для данного вещества определяется температурой t процесса промывки: чем больше t, тем больше величина D,n. Влияние коэффициента массо­ отдачи ß определяется турбулентностью потока жидкости, которая омывает частицы осадка: чем больше относительная скорость жидко­ сти и частиц, тем больше величина ß.

Внекоторых случаях промывки сопротивления массопередачи

——и — резко отличаются одно от другого по абсолютной величине.

ßDm

отдачей в жидкой фазе. Про такой процесс говорят, что он идет в к и - н е т и ч е с к о й о б л а с т и . В данном случае промывка зависит от скорости движения жидкой фазы, омывающей частицы осадка.

Из уравнения массопередачи видно, что количество извлекаемого вещества зависит также от поверхности массопередачи и движущей силы процесса. Если частицу осадка, имеющую диаметр d0, раздро­

Ц )

растанию поверхности скорость промывки увеличится также в

раз. В действительности скорость будет еще большей вследствие уменьшения толщины диффузионного слоя (радиуса частиц), влияние которого рассмотрено выше.

Увеличение давления при промывке приводит к уплотнению осадка, увеличению толщины диффузионного слоя, уменьшению сечения ка­ налов между частицами и, как следствие этого, к замедлению про­ мывки. Примером такой промывки является промывка целлюлозной массы в диффузорах периодического дейстия.

Коэффициенты массопроводимост'и для осадков целлюлозно-бу­ мажного производства неизвестны, трудно определить также и коэффи­ циенты массоотдачи, поэтому кинетику массообмена будем ’ учиты­ вать с помощью практических коэффициентов промывки и выщелачи­

вания.

284

СПОСОБЫ ПРОМЫВКИ ОСАДКОВ

В осадках из растительных волокон, в частности в целлюлозной массе, жидкая фаза находится не только в капиллярах и порах между волокнами, но и в их внутренних каналах и полостях и клеточных стенках. Для целлюлозной массы, приходящей на промывку после варки, общий объем жидкой фазы распределен приблизительно сле­ дующим образом (в массовых процентах):

Следовательно, при свободном отекании жидкости можно удалить из массы только 15—20% извлекаемого вещества. Остаточное влагосодержание массы после отекания зависит от характера волокна и плотности и вязкости жидкости.

Жидкость, заключенная в порах между волокнами, наиболее просто удаляется отжимом. Однако всю жидкость из пор отжать невозможно, так как часть ее, находящаяся в мелких порах, обладает настолько большими капиллярными силами и силами молекулярного взаимо­ действия с волокном, что преодолеть их не удается даже при сверх­ высоких давлениях отжима. Концентрация массы, получаемая на практике при отжиме, составляет 40—50% массовых по сухому во­ локну. При концентрации 65% на волокне оставался бы мономоле­ кулярный, слой жидкости; при отжиме это недостижимо.

Из пор осадка жидкость может быть удалена также вытеснением ее промывной жидкостью. Аналогично работе поршня насоса, вытал­ кивающем жидкость из цилиндра, действие промывной жидкости при такой промывке заключается в вытеснении раствора из пор осадка. Если вытесняющая жидкость не смешивается с раствором, способ называется п р о м ь Г в к о й и д е а л ь н о г о в ы т е с н е н и я . Концентрация удаляемого раствора равна концентрации раствора в порах осадка до промывки. В реальных условиях промывная жид­ кость и раствор до некоторой степени перемешиваются в порах осадка и такая промывка называется в ы т е с н я ю щ е й п р о м ы в к о й . Концентрация удаляемого раствора становится меньшей, чем его кон­ центрация в порах до промывки.

дующем. В осадок подается промывная жидкость, которая равномерно перемешивается с раствором в порах осадка, и в промывном аппарате получается разбавленный раствор какой-то средней концентрации с равномерно распределенными частицами осадка. После смешения жидкая фаза отделяется от осадка, чаще всего с помощью фильтрации или отстаивания, и вместе с ней удаляется определенное количество извлекаемого вещества. Затем раствор в осадке разбавляется новой порцией промывной жидкости и цикл повторяется до достижения за­

285

данной степени извлечения вещества из осадка. Характерной особен­ ностью метода последовательных разбавлений является равенство концентраций удаляемого и остающегося в порах осадка растворов.

Из внутренних полостей волокон жидкость и извлекаемое вещество могут быть удалены прессованием. Однако при повышении сухости до 18% жидкость из волокон не выжимается, так как расстояния ме­ жду ними еще велики и давление на стенки волокон незначительно. С увеличением концентрации массы сверх 18% жидкость начинает выжиматься из внутренних полостей волокон, а при концентрации 33% содержание жидкости внутри и вне волокон становится одина­ ковым.

Из клеточной стенки при отжиме жидкость не удаляется. Вещество, не удаленное из осадка рассмотренными способами,

извлекается д и ф ф у з и е й , движущей силой которой является разность концентраций извлекаемого вещества. Это значит, что диф­ фузионная промывка, как и вытесняющая и разбавительная промывки, обычно сопровождается разбавлением отбираемых растворов. В ре­ альных условиях диффузия всегда сопутствует разбавительной и вы­ тесняющей промывкам.

В практике целлюлозно-бумажного производства в разных соче­ таниях находят применение все рассмотренные виды промывок. На­ пример, при промывке целлюлозы на фильтрах наблюдаются такие элементы промывки, как отбор всего свободного щелока и частичный отвод щелока из пор осадка фильтрацией, вытеснение щелока промыв­ ной жидкостью из слоя осадка с участием диффузии и отжим щелока с помощью прессового валика. При промывке на шнек-прессах имеют место последовательные отжим жидкости, разбавление оставшегося вещества, диффузия и снова отжим; при промывке в диффузоре — вытеснение и диффузия и т. д. При этом чем больше эффекты отжима и вытеснения, тем выше концентрация отбираемых щелоков и другие показатели промывки.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ ПРОМЫВКИ

Под общей эффективностью промывки установки т] понимают от­ ношение количества извлеченного вещества, уходящего с отбираемым раствором, к содержанию вещества в осадке до промывки. Ее величина зависит от многих факторов промывки. Наиболее существенными из них являются скорость внутренней диффузии вещества, движущегося изнутри частиц к поверхности, массоотдача в окружающую жидкость и продолжительность процесса. Допустим, что при промывке в данных условиях скорость массопередачи и продолжительность процесса .та­ ковы, что в системе пористое вещество — окружающий раствор уста­ навливается равновесие. При этом концентрация раствора внутри по­ лостей частиц равна концентрации раствора в порах между частицами; она называется р а в н о в е с н о й к о н ц е н т р а ц и е й ср. Если массопередача при промывке малоинтенсивна или недостаточна про­ должительность процесса, равновесие при промывке не достигается. При этом концентрация раствора с в порах между частицами будет

286