книги из ГПНТБ / Болдырев Ю.Н. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов целлюлозно-бумажного, лесохимического и гидролизного производств учеб. пособие для целлюлоз.-бумаж. техникумов
.pdfКонцентрация целлюлозы после шнек-пресса 40%- Коэффициент промывки є =0,9.
Р е ш е н и е 1. Количество щелока, отбираемого на выпарку находим из выражения:
V=mL = 1,65- 7=11,55 кг/кг.
2. |
Концентрацию используемого -щелока определяем по фор |
|||
муле: |
|
|
|
|
|
X n = fC0 = 0,6- 21 = 12,6%, или 0,126 кг/кг. |
|||
3. |
Расход воды с массой составит: |
|
|
|
|
100 — 40 |
60 |
, с |
, |
|
Q = — з о — = = ч о _ = 1 > 5 |
к г \ к г - |
||
4. |
Постоянная промывки (3 равна: |
|
|
|
|
Р = = т г = 0 > 6 - |
|
|
|
. 5. |
Потери при промывке рассчитаем по формуле |
G = LC 0 — дгп У= (7 • 0,21) — (0,12611,55) = = 1,47—1,45 = 0,02 кг/кг целлюлозы.
6. Комплекс Л находим по выражению (14-23):
Л..- |
0.126 |
. . . р . |
Л~ 0,6-0,02 ~ Ш , 0 >
7.Расход воды на промывку определяем по формуле
Го = 11,55+1,5 —7 = 6,05 кг.
8. Постоянная промывки у равна:
0,9 • 6,05
Т= — П 5 — = 3 0, 6с 3о .
•9. Число ступеней промывки находим через комплекс А по выражению
|
• |
Igfl + ( 7 - 1 ) Л] _ l g [1 + |
(3,63-1) 10,5] |
о |
|
|
||
|
|
lg 7 |
|
lg 3,63 |
|
' • |
|
|
Принимаем / г = 3 . |
|
|
|
|
|
|
||
3. Материальный баланс процесса экстракции |
соответствует |
|||||||
общему для массообменных процессов |
уравнению |
|
|
|
||||
|
|
G=(yi |
— y 2 ) = L ( x i — хг), |
|
(14-42) |
|||
здесь |
G — количество реагента, |
кг/сек; |
|
|
|
|
||
УІ |
L |
— количество |
исходного |
растворителя, |
кг/сек; |
|
||
и уг — содержание |
распределяемого |
компонента |
в |
экс |
||||
|
|
тракте и в экстрагенте, кг/кг |
экстрагента; |
|
|
|||
хі |
и хг — содержание |
распределяемого |
компонента в |
исход |
||||
|
|
ном растворе и в рафинате, |
кг/кг исходного |
рас |
||||
|
|
творителя. |
|
|
|
|
|
|
Расход экстрагента |
|
|
|
Q=L |
Хх |
(14-43) |
|
|
У1 — У2 |
,v |
; |
Из уравнения материального баланса определяют удельный |
|
||
расход экстрагента: |
|
|
|
|
/ = 4 - - |
(14-44) |
|
Расчет экстракционных колонн заключается в определении их диаметра и высоты. Диаметр колонны определяют по ее предельно допустимой производительности, которая должна быть ниже про изводительности, соответствующей захлебыванию колонны. Пре дельно допустимую производительность рассчитывают по характе ристической скорости капель дисперсной фазы, т. е. скорости их осаждения в неподвижной сплошной фазе. Так как движение ка пель в колонне является стесненным, поэтому используется сле дующая зависимость:
|
+ |
T ^ F = e w o ( l |
- • * ) , |
(14-45) |
||
здесь Vc и У д — объемные |
скорости сплошной и дисперсной фазы, |
|||||
м3/м2 |
• сек; |
|
|
|
|
|
х — объемная |
доля дисперсной |
фазы, |
удерживаемой |
|||
в колонне (удерживающая |
способность); |
|||||
е — доля |
объема |
колонны, |
свободного |
для прохода |
||
жидкости |
(в |
насадочных экстракторах — свобод |
||||
ный объем насадки); |
|
|
|
|||
wg — характеристическая скорость капель (при VC = Q |
||||||
У д - > 0 ) , |
м/сек. |
|
|
|
Предельную производительность колонны по сплошной или по дисперсной фазе при захлебывании (соответствующую хтах) опре деляют по выражениям:
Vn = 2zwQx2max{\-xmax); |
(14-46) |
Ус = ЄШо(1 — ^Хтах) ( 1 — W c ) 2 . |
(14-47) |
Удерживающую способность колонны находят по уравнению:
|
yW+Jb — 3b |
(14-48) |
|
4 ( 1 - * ) |
|
|
|
|
где |
b=-rf-. |
|
VС
Характеристическую скорость капель шо можно найти по урав нениям, полученным на основе обработки опытных данных [33].
Например, для роторно-днскового экстрактора характеристиче скую скорость капель дисперсной фазы приближенно находят по формуле
|
а |
|
|
здесь |
ц.с — вязкость сплошной фазы, спз; |
дин/см; |
|
|
о — граничное натяжение между фазами, |
||
|
Ар — разность плотностей сплошной и |
дисперсной |
|
|
фаз; |
|
|
|
g — ускорение силы тяжести, |
м/сек2; |
|
|
п — число оборотов ротора, |
об/сек; |
|
|
h — высота секции, м; |
|
|
Dp, D0, D—диаметры дисков ротора, отверстия перегородок и внутренней колонны, м.
Предельную производительность насадочных экстракционных колонн (с насадкой из колец) определяют из выражения
1 |
(t)'" №Г - 0,89 4 |
№У(Ь) |
tcVl) |
' |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
(14-50) |
здесь |
р с и р д — плотность |
сплошной |
и дисперсной фаз, |
кг/м3; |
|
|
f — удельная |
поверхность насадки, |
м2/м3. |
|
|
Производительность экстрактора |
принимают |
на 20—40% ниже |
предельной производительности, соответствующей состоянию за хлебывания.
Рабочая высота экстракционных колонн рассчитывается по фор
муле |
|
|
|
|
|
|
|
|
Я = лА, |
(14-51) |
|
здесь |
п — число единиц переноса; |
|
|
||
|
h — высота единицы переноса, |
|
|||
|
|
|
п=Л=Ж.> |
|
( 1 4 _ 5 2 ) |
здесь |
Аср — среднелогарифмическая |
движущая сила. Она |
нахо |
||
|
дится по уравнению |
|
|
||
|
|
Д, |
Д[ — д 2 |
|
|
|
|
2,3 i g A . ' |
(14-53) |
||
|
|
С Р |
|||
где Ai и А2 — значения |
движущей |
силы на входе и выходе |
из ап |
||
|
парата. |
|
|
|
|
|
|
|
h=-f§r> |
|
( 1 4 _ 5 4 ) |
здесь |
К — коэффициент |
массопередачи; |
|
5 — площадь поперечного сечения аппарата, м2\ |
|
f — удельная поверхность соприкосновения фаз в |
единице |
объема аппарата, м2/м3. |
|
Величину К определяют по выражению |
|
Т = Т Г + і Ь |
< 1 4 " 5 5 > |
где Pi и Рг—коэффициенты массоотдачи;
К— коэффициент, равный тангенсу угла наклона линии равновесия [54].
Для насадочных экстракционных колонн высота единицы пере носа приближенно находится по формуле
h= U 5 r f - i P , f h , |
(14-56) |
где d3KB — эквивалентный диаметр насадки, м;
Рг' — диффузионный критерий Прандтля. Он равен
|
|
( 1 4 " 5 7 ) |
где D — диаметр экстрактора. |
|
|
Производительность |
экстрактора [54] отстойного |
центрифуги |
рования находят по уравнениям: |
|
|
Q |
= j № _ W | |
( м . 5 8 ) |
|
Q = 4 j f ^ |
(14-59) |
где So = 2nRcpL — средняя поверхность осаждения;
/ = со2/?Ср — среднее центростремительное ускорение; - ^ с р = — — средний радиус сепарационной камеры ротора;
РApd2
£ о = — ^ разделяемость эмульсии;
L — расчетная длина сепарационной камеры ротора. Производительность экстрактора при тонкослойном центрифуги
ровании по дисперсионной среде равна:
Q,=Zmq,= |
|
, |
(14-60) |
|
|
|
3,35 4- 0,335Е — ыЩЕ0 |
sin а |
|
здесь |
|
Zm — число межтарелочных пространств; |
||
|
|
С — поправочный |
коэффициент |
(С = |
|
|
= 0,5^0,9); |
|
|
Si=it(R22— |
R2)Zmtga |
— вертикальная |
проекция поверхно |
|
|
|
стей тарелок |
экстрактора; |
|
|
|
/ = (.o2Rup — центростремительное |
ускорение; |
|
D |
1 / D , |
£ |
\ |
|
НЩ>=-ЇГ[Ri-i—n |
і о |
) — приведенный радиус |
тарелки; |
^V А1 + А2/
є— поправочный коэффициент, учиты вающий влияние концентрации и
косинус угла наклона образующей тарелки к основанию барабана («);
б—зазор между тарелками;
v— вязкость дисперсионной среды.
Пример 5. Рассчитать двухступенчатую экстракционную уста новку, состоящую из трубчатых смесителей и тарельчатых сепара торов САЖ—ЗМ. Система имеет следующие данные: расход исход
ного раствора |
Qp = 4000 л/ч; |
расход |
экстрагента QB= 1000 л/ч; |
||||
начальная концентрация |
вещества |
в исходном |
растворе |
х н =0,1б; |
|||
концентрация вещества в рафинате'л'к = 0,01. Физические |
константы |
||||||
имеют значения: а = 2 0 ; р д = 1 г/см3; |
р с |
= 1,02 г/см3; о"с - д = 20 дин/см; |
|||||
v c = 0,01 см2/сек, |
D 0 = 1 0 - 5 |
см2/сек. |
скорость движения |
жидкостей |
|||
Р е ш е н и е . |
Примем |
среднюю |
|||||
в трубчатом смесителе |
~оТр = 1,5 |
м/сек. |
|
|
|||
|
|
|
|
||||
1. Площадь сечения трубы |
равна |
|
|
|
|||
|
|
|
J ™ ^ " _ 9 , 2 5 |
™ , |
|
2. Диаметр трубы находим по выражению:
0*-УЦ-1/3^-3,5,,,
Число Рейнольдса протекания жидкости
150 • 3,5 = 0,01 52500.
Число Вебера равно:
с9П
W e — i F i % — 15Q2 . Г.02 • 3,5 ^ 2 ' 5 5 •1 0 ~ 4 -
тргс тр
5. Коэффициент трения
/ о =
J 0
^ |
0,0053. |
J^Re |
^ 5 2 500 |
6. Диаметр капель, устойчивых в турбулентном ядре, du
^ = 2 0 О т р \ У е 3 / 5 = 2 0 • 3,5(2,55 • |
\ОҐ)'и(&0,49-см. |
7. Диаметр капель, устойчивых в пограничном слое, dz\
4 = 8 0 0 , ^ = 8 0 • 3 , 5 i ^ - ^ J - ^ 0 , 0 1 3 см.
8. Принимаем |
величину а = 10. |
Тогда средний размер |
капель |
||
в трубчатом смесителе находим по формуле |
|
|
|||
dcp=^- |
(1 - 1 ' " ) +^{а |
+ 1-°+\) |
= |
|
|
= |
- 2 ) |
7 - 1 0 ) + - ^ ^ - ( 1 0 + 2 J - I o + |
l ) = 0 , 0 6 |
см. |
9. Средняя пульсационная скорость обтекания капель потоком
равна: |
|
|
|
|
|
|
\/2f° |
7 ^ Г = 1 |
5 0 ]Х2 |
' ° ' 0 0 5 3 |
"ТГ~ ~ 9 с м 1 с е к - |
10. |
Число Рейнольдса при обтекании капель |
||||
|
|
Vdc/cP |
9 . о 0 6 |
|
|
|
|
Кв., = |
= |
— = |
54. |
11. |
|
"ср |
vc |
0,01 |
|
Число Прандтля |
|
|
|
P r ' = - ^ f - = 1 0 3 .
12. Число |
Нуссельта |
N u ' = 2 + 0 |
, 5 2 2 R e ° 4 p ( P r ' ) , / 3 = 2 + 0 , 5 2 2 • 540 , 5 - ( l O 3 ) " 3 « 42,0. |
13.Коэффициент скорости экстракции
14.Коэффициент экстракции
Q P ~ 2 U ^ O 0 T — й -
15.Для двухступенчатой экстракции степень понижения кон центрации равна
16.Длина трубчатых экстракторов первой и второй ступени
равна;
|
|
Ql^cp |
|
£ |
+ |
fl |
£f2— (t — 1) |
|
|
|
|
||
|
1 — |
6/'P |
|
" |
£ |
+ 1 |
|
Ш |
Ei — ( i z —1) |
|
— |
|
|
4000-0.06 (5 + |
20) |
|
|
|
|
5 . |
4 2 - ( 4 - 1 ) |
|
|
|
|
||
" " 3,66 |
. 9,25 . 7. |
10~3 |
(5 + |
1) |
|
|
5 - 4 - ( 4 2 - 1 ) |
~ |
1 |
У й и |
^ |
||
|
|
Qprfcp_ |
|
£ |
+ g |
| n |
Ei |
|
|
|
|
||
|
|
6/p |
|
£ |
+ |
1 |
|
£ — ( г —1) |
|
|
|
|
|
|
4000-0,06 (5 + |
20) |
|
|
|
5 - 4 |
|
| f |
t |
|
|||
~ 3 , 6 |
• 6 • 9,25 |
• 7 • 10-3 (5 +-1) |
l |
n |
5—(4— 1) ~ |
1 |
D |
W |
C M - |
17. Проверяем величину а:
/ ? = < > , 4 - i f f - у Щ * - ^ 1,6;
a 2 = 0 , 4 - ^ ] / A = 0 , 4 ^ / ^ f l = 9,8.
Таким образом, величина а = 1 0 была принята правильной, так
как
9 , 8 < а < 1 1 , 6 .
Следовательно, для осуществления экстракции с заданной степенью понижения концентрации необходимо на первой ступени экстракции иметь трубчатый смеситель длиной Li = 19,5 м, а на второй /_.2 = = 16,4 м.
Контрольные задачи
Задача 1. Рассчитать константы промывки |3; и \ц при четырех ступенчатой промывке сульфатной целлюлозы на вакуум-фильтрах.
На 1 г сухой целлюлозы из котла |
в выдувной резервуар |
посту |
пает щелочи 6,8 м3 при концентрации |
Со = 235 кг/м3, воды |
на про |
мывку расходуется 7,8 м3/т целлюлозы. Концентрации массы на вы ходе фильтров:
/ (, = 14,2%; / ( 2 = 1 4 % ; /( 3 =13,5% ; /(4 =13,8% .
Концентрации массы на входе в ванны фильтров: * ; = / ( а ' = / ( з ' = / ( ' 4 = 1,2%.
Коэффициенты вытеснения |
|
|
|
|
||||
|
фі=0,75; |
ф2 = 0,7; |
фз = 0,6; |
ф4 = 0,65. |
|
|||
Коэффициенты промывки одинаковы и равны 1. |
|
|||||||
Задача |
2. Используя |
данные задачи 1,- найти показатели про |
||||||
мывки целлюлозы установки вакуум-фильтров. |
|
|
||||||
Задача 3. Рассчитать |
показатели вакуум-промывной |
установки, |
||||||
состоящей |
из |
четырех |
фильтров, |
на производительность 300 т |
||||
в сутки сухой |
целлюлозы, |
если |
из котла |
поступает |
/,=2250 т |
|||
в сутки щелока |
концентрацией Со = 23%. При промывке нужно по |
|||||||
лучить щелок концентрации ха^18% |
при эффективности |
промывки |
||||||
11^97%. Концентрации |
массы равны: на входах в ванны фильтров |
|||||||
1,25%, на выходе после сгущения |
14%. Коэффициенты вытеснения |
|||||||
Ф=0,6; коэффициенты промывки є =0,95. |
|
|
|
|||||
Задача 4. Какие будут показатели промывки |
для условий за |
|||||||
дачи 3, если концентрация |
массы на выходе с фильтров |
понизится |
||||||
до 13%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Задача 5. Рассчитать постоянные промывки |
каустизационного |
|||||||
шлама в многокамерных промывателях, если в установку |
поступает |
|||||||
187,5 т шлама в сутки при его концентрации |
на входе до разбавле |
ния 257о, после разбавления промывной жидкостью— 12,5%, после
уплотнения — 33,3%- |
Концентрация |
солей натрия в исходном рас |
||||||||||
творе |
(в пересчете на NaOH) |
12,8%. Коэффициент |
промывки |
в = 1. |
||||||||
Получить эффективность промывки г | ^ 9 8 % |
и принять условия про |
|||||||||||
мывки в аппаратах одинаковыми. |
|
|
|
|
|
|
||||||
Задача 6. Для условий задачи 5 найти показатели промывки |
||||||||||||
шлама в многокамерных промывателях. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Тема |
15. Сушка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные понятия и расчетные |
формулы |
|
|
||||||
1. |
Влажный |
материал состоит из сухого вещества и влаги: |
||||||||||
|
|
|
|
|
Ga = Gc + G-вл, |
|
|
|
|
(15-1) |
||
где |
Go — масса влажного материала, кг; |
|
|
|
|
|
||||||
|
Gc |
— масса сухого вещества, кг; |
|
|
|
|
|
|||||
СВ л |
— масса влаги, кг. |
|
|
|
|
|
|
массе, |
||||
Влажность материала — отношение массы влаги к общей |
||||||||||||
т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а > = - ^ - , |
|
|
|
|
05-2) |
||
где w — влажность материала. |
|
|
|
|
|
|
||||||
Влагосодержание |
материала — отношение |
количества |
влаги |
|||||||||
в материале, приходящееся |
на единицу массы |
сухого |
вещества, |
|||||||||
|
|
|
|
|
а=-%Г' |
|
|
|
|
|
<15-3> |
|
где « — влагосодержание материала. |
|
|
|
|
|
|||||||
Сухость |
материала — отношение |
массы |
сухого |
вещества |
к об |
|||||||
щей массе |
материала |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
S = - ^ , |
|
|
|
|
|
(15-4) |
|
где 5 — сухость |
материала. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Влажность, |
влагосодержание и |
сухость |
могут |
быть |
выражены |
|||||||
в долях соответствующего вещества |
или в процентах. Между |
этими |
||||||||||
величинами имеются следующие зависимости: |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
(15-5) |
|
|
|
|
|
1—да |
S ' |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Ш = Т | Т 1 0 0 ° / 0 . |
|
|
|
|
(15-6) |
||
Из уравнений (15-2) |
и (15-4) следует, что |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
ш + 5 = 100%, |
|
|
|
|
(15-7) |
||
здесь w и 5 в процентах. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
15* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
227 |
Количество влаги, испаряемой из материала в процессе сушки, равно:
* - 0 . - 0 , - о , - а ^ - о . - й Е = г . |
( 1 5 ' 8 ) |
где Gi — масса влажного материала, поступающего |
на сушку, кг; |
Go — масса высушенного материала, кг; |
|
|
wi — влажность материала, поступающего на |
сушку, %; |
|
w2 — влажность высушенного материала, %. |
приходящейся |
|
Количество испаренной влаги в |
килограммах, |
|
на 1 кг воздушносухой бумаги, определяют по формуле: |
||
W= S 2 ~ S l |
, |
(15-9) |
где Si — сухость бумаги, поступающей на сушку, %; So — сухость бумаги после сушки, %.
2. Барометрическое давление влажного воздуха равно:
б = Рп+рс.в, |
(15-10) |
где В — общее барометрическое давление воздуха, н/м2; |
|
ра — парциальное давление водяного пара, |
н/м2; |
Рс. в — парциальное давление сухого воздуха, |
н/м2. |
Абсолютной влажностью воздуха называется |
масса водяного |
пара, .содержащаяся в единице объема влажного воздуха, т. е.
плотность водяного пара р п , |
кг/м3. |
|
|
Относительная |
влажность воздуха ф выражается или отноше |
||
нием абсолютной |
влажности |
воздуха к максимально возможной |
|
массе водяного пара, необходимой для |
полного насыщения 1 м3 |
||
влажного воздуха |
при тех же условиях, |
или отношением действи |
тельного парциального давления водяных паров во влажном воз
духе к максимально возможному |
при заданной |
температуре: |
|
|
|
< Р = Т - Н Г « |
( 1 5 - П ) |
||
|
Рп |
Рн |
|
|
где рд — плотность водяного пара, содержащегося в воздухе, |
кг/м3; |
|||
р н |
— плотность водяного пара |
при полном |
его насыщении |
воз |
|
духа, кг/м3; |
|
|
|
р н |
— парциальное давление водяного пара, |
насыщающего |
воз |
|
|
дух при данной температуре, н/м2. |
|
|
Влагосодержание воздуха х определяется отношением массы
водяного пара, содержащейся в воздухе, к |
1 кг сухого воздуха |
х=0,622 я р \ . |
(15-12) |
При расчетах принимается более крупная единица влагосодержания воздуха, т. е.
d=W00x _ £ водяного пара кг сухого воздуха
3. Теплосодержание воздуха равно:
/•=(1,01 + 1,97*) ^ + 2493А-, |
|
где / — теплосодержание воздуха, кдж/кг сухого |
воздуха; |
t — температура воздуха, °С. |
|
Рассмотренные параметры воздуха легко можно |
определить по |
диаграмме/ — х (рис. 15-1). |
|
0,01 0,02 0,03 0,00- 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Влагосодержаниє х кг/кг сухого воздуха
Рис. 15-1. Диаграмма Рамзина для влажного воздуха
Удельный расход воздуха / на 1 кг испаренной влаги
|
1 |
(15-14) |
|
ЛГ2 — Х\ |
|
|
|
|
где х\ — влагосодержаниє воздуха перед сушкой, |
|
|
кг |
кг воды |
|
сухого воздуха ' |
|
|
л*2 — влагосодержаниє воздуха после сушки, |
|
|
кг |
кг воды |
|
сухого воздуха ' |
|