Проект варочного цеха для выпуска сульфатной целлюлозы мощностью 400 тыс.т/год

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Стандартизация

2. Описание технологической схемы

3. Технологические расчеты

3.1 Материальный баланс варки

3.2 Тепловой баланс варки

3.3 Расчет и выбор основного оборудования

4. Технико-экономические показатели

Заключение

Библиографический список

Реферат

В курсовой работе приведен технологический расчет варочного цеха в составе целлюлозного завода на выпуск 400 тыс. т/год целлюлозы марки СН-1. Произведен расчет материального баланса варки сульфатной целлюлозы в котлах периодического действия.

Работа содержит 36 страниц печатного текста, 14таблиц, 1 графическую часть, состоящую из 1 чертеж на формата А1.

Введение

Периодическая варка - традиционный способ получения целлюлозы. К ее преимуществам относятся: высокая надежность работы оборудования; гибкость и простота управления процессом; нечувствительность к изменениям породного состава и качества щепы; стабильность степени провара целлюлозы; низкие эксплуатационные расходы.

Можно назвать ряд ситуаций, когда варка в котлах периодического действия предпочтительней:

при необходимости перерабатывать растительное сырье, породный состав и качество которого часто и спонтанно меняется из-за неритмичной поставки;

при выработке на одном предприятии целлюлозы нескольких марок с разными свойствами;

- при производстве целлюлозы, предназначенной для химической переработке.

Хвойные породы были и пока остаются основным сырьем для целлюлозно-бумажного производства.

Одно из главных мест в структуре лесосырьевой базе ЦБП принадлежит ели. Основным анатомическим элементом еловой древесины, как и других хвойных пород, являются трахеиды. В сравнении с другими хвойными породами ель несколько богаче гемицеллюлозами и содержит меньше смолы. До 23 % лигнина сосредоточенно в срединной пластинке, остальной лигнин распределен во вторичной стенке клетки, что характерно для всех хвойных пород. Получение из ели всех волокнистых полуфабрикатов не встречает затруднений, чем и обусловлено ее широкое использование во всех областях ЦБП.

1. Стандартизация

Таблица 1-Стандарты на исходное сырье и химикаты

Наименование стандарта	Регистрационный номер	Показатели качества	Нормы
Щепа		1 Массовая доля коры, %,
технологическая	ГОСТ 15815-83	не более	3,0
		2 Массовая доля гнили, %,
		не более	7,0
		3 Массовая доля минераль-
		ных примесей, %, не более	0,3
		4 Массовая доля остатков
		на ситах с отверстиями
		диаметром:
		30 мм, не более	6,0
		20 и 10 мм, не менее	81,0
		5 мм, не более	10,0
		на поддоне, не более	3,0
Крепкий белый	СТП-СК-23-13-	1 Общая щелочность, г/дм3
щелок	2004	ед. Na2O	100-120
		2 Активная щелочность,
		г/дм ед. Na2O	90-105
		3 Сульфидность, %
		не менее	25
		4 Взвешенные вещества,
		мг/дм3, не более	100

Таблица 2- Стандарты на готовую продукцию

Наименование стандарта	Регистрационный номер	Показатели качества	Нормы
Целлюлоза	ГОСТ-9571-89	1 Механическая прочность
марки ХБ-0		при размоле в мельнице
		ЦРА до 60 ШР
		разрывная длина, км,
		не менее	9,0
		прочность на излом при
		многократных перегибах,
		число двойных перегибов,
		не менее	1300
		2 Белизна, %, не менее	90
		3 Сорность, число соринок
		на 1 м, площадью:
		от 0,1 до 2,0 мм, не более	0
		от 2,0 до 3,0 мм, не более	0
		свыше 3,0 мм	0
		4 pH водной вытяжки	5,5…7,0
		5 Влажность, %, не более	20

2. Описание технологической схемы

Процесс варки начинается с наполнения котла (6) щепой. Отсортированная технологическая щепа (7) загружается непосредственно с транспортера, расположенного над горловиной варочного котла и соединенного с элеватором, подающего щепу из склада. Затем щепа уплотняется паром, в результате чего увеличивается объемная степень наполнения, прогрев щепы с частичным вытеснением воздуха. После уплотнения щепы в варочный котел насосами закачивается белый и черный щелока из баков-мерников (13) и (15). Температура белого щелока равна 55 °С, черного - 75 °С. Для сокращения продолжительности заварки щелок подогревают в теплообменнике (8), обогревающийся греющим водяным паром (9).

После окончания загрузки щепы и заливки щелоков начинаем нагревать содержимое варочного котла глухим паром до 125 °С в течении 30 мин, давление в котле 0,3 МПа. При этом давлении открываем сдувочный вентиль на утилизационную установку. Подъем температуры и давления ведем при непрерывной сдувке в течении 1,5 часа. Максимальная температура 172 °С, давление - 0,8 МПа при достижении конечной температуры подачу пара прекращаем со сдувками и выдерживаем котел при продолжающейся циркуляции щелока 2 часа. Затем, остановив циркуляционный насос, за 35 минут давление спускаем до 0,5 МПа за счет конечной сдувки. В течении 25 минут производим выдувку массы (16) в выдувной резервуар (17). В нижней части выдувного резервуара масса разбавляется слабым черным щелоком (22) из промывного отдела, перед откачкой на промывную установку.

В процессе терпентинной сдувки парогазовая смесь направляется по сдувочному трубопроводу (11) в утилизационную установку, которая обеспечивает улавливанию ценных побочных продуктов и утилизацию тепла сдувочных паров и газов. Сдувки поступают в щелокоуловитель (1), где отделяется увлеченный со сдувками щелок (5). Щелок периодически спускаем в бак-мерник черного щелока. Пары из щелокоуловителя перепускаем в терпентинный конденсатор (32). За счет тепла конденсации паров охлаждающая вода (4) нагревается до 40 °С (3) и направляются в непрерывно действующий отстойник - флорентину (30), в которой происходит разделение маслянистого и водного слоев. Сырой скипидар, имеющий плотность 0,86 г/см2, всплывает на поверхность и сливается по трубе (31) в приемный бак. Вода со дна флорентины отводится по коленчатой сливной трубе (26).

Выдувные пары из котла (12) и выдувного резервуара (20), пройдя циклон ловушку, по трубе поступает в струйный конденсатор (23), куда подается охлажденный конденсат (28). Горячий конденсат с температурой 90 °С, вытекает в бак-аккумулятор (25), снабженный вентиляцией (29). В верхней части бака-аккумулятора расположен сливной зонт по которому с помощью центробежного насоса горячий конденсат подается в спиральный теплообменник (27). В теплообменнике за счет тепла конденсата производится нагрев свежей воды для промывки целлюлозы, а конденсат охлаждается до 40 °С, и поступает в нижнюю часть бака-аккумулятора.

3. Технологические расчеты

3.1 Материальный баланс варки

Варка целлюлозы ведется в котлах периодического действия вместимостью 180 м3 с непрямым обогревом и принудительной циркуляцией щелока. Варочный цех входит в состав целлюлозного завода, вырабатывающего 200000 тонн товарной целлюлозы в год. Расчеты ведутся на 1 тонну воздушно-сухой целлюлозы с влажностью 12% (коэффициент сухости 0,88).

Таблица 3 -Исходные данные для расчета материального баланса периодической сульфатной варки

Наименование показателей	Величина показателя	Источник информации
Порода древесины	Сосна	[1]
Влажность древесины (абсолютная), %	40	[1]
Выход целлюлозы из древесины, %	48	[1]
Степень обьемного наполнения котла щепой	0,43	[1]
Расход пара на уплотнение щепы,т на 1 т
целлюлозы	0.2	[1]
Расход активной щелочи, кг N2O на 1 т
целлюлозы	330	[1]
Плотность черного щелока (при 15 0С), кг/дм3	1,09	[1]
Количество жидкости в 1 м3 котла, дм3	560	[1]
Параметры белого щелока:
концентрация активной щелочи, кг N2O/м	120	[3]
степень сульфидности	0,30	[3]
степень каустизации	0,86	[3]
степень восстановления	0,90	[3]
Температура варки, 0С	172	[1]



1 - температура; 2 - давление; 3 - выход целлюлозы из древесины

Рисунок 3.1 - Температурно-временной график варки

3.1.1 Загрузка щепы и заливка щелоков

Абсолютную влажность древесины с принятой относительной влажностью 40% (таблица 3) вычисляем по формуле :

Wабс = 100 • Wотн / 100 - Wотн = (100 • 40)/100 - 40 = 66,6 %.

Так как Wабс > 30%, содержание абсолютно сухой древесины в 1 м3 плотной древесины может быть принято равным базисной плотности А30, то есть 415 кг/м3.

Количество а.с. древесины, загружаемой в 1 м3 котла ( при степени объемного наполнении котла щепой g = 0,43).

А30 • g = 415•0,43 = 178,45 кг.

Выход целлюлозы из 1 м3 котла (при принятом выходе целлюлозы из древесины 48 %): а.с.

178,45•0,48=85,65 кг;

воздушно-сухой

85,65/0,88=97,32 кг.

Для получения 1 т в.с. целлюлозы Х4,8 в котел нужно загрузить а.с.древесины :

Х1,2=880/0,48=1833 кг;

с этой древесиной поступит воды в виде влаги

Y1,2=X1,2•(Wотн/(100-Wотн)=1833•(40/(100-40)=1222,006 кг

на 1 м3 котла поступит воды со щепой

178,45•40/(100-40)=118,96 кг (дм3).

Расход пара на уплотнение щепы

97,32•0,20=19,46 кг (дм3)

на 1 м3 котла. Можно принять, что 90% этого пара конденсируется и остается в котле, что составит

19,46•0,90=17,51 кг

на 1м3 котла, или

Y0,2=17,51•(1000/97,32)=179,92 дм3

на 1 т целлюлозы.

Общее количество воды, поступающей в котел со щепой и конденсатом пара на 1 т целлюлозы

Y1,2+ Y0,2=1222,006+179,92=1401,9 дм3;

Объем щелоков, закачиваемых на 1 м3 котла

550-118,96-17,51=413,5 дм3,

или на 1 т целлюлозы

(413,5•1000)/97,32=4248,8 дм3;

в том числе: белого щелока( при расходе активной щелочи 330 кг/т и ее концентрации 120 кг/м3)

Y5,2=(330 •1000)/120=2750 дм3

что составляет

(2750•100)/4248,8=64,7 %

от общего объема щелоков; черного щелока

Y6,2=4248,8-2750=1498,8 дм3,

что составляет

100-64,7=35,3 %

от общего объема щелоков.

Таблица 4- расчет состава белого щелока

Компоненты		Концентрации,	кг/м3
щелока		в единицах Na2O {62}		в собственных единицах
Na2O {40}		120•(1-0,30)=84		84•(40•2/62)=108,4
Na2S {78}		120•0,30=36		36•(78/62)=45,2
Na2CO3{106}		84•(1-0,88)/0,88=11,45		11,45•(106/62)=19,5
Na2SO4{142}		36•(1-0,90)/0,90=3,9		4•(142/62)=8,9
Всего		135,35		181,9

Степень активности белого щелока

(84+36)/135,35=0,88;

Общее количество содопродуктов, поступающих на 1 т целлюлозы с белым щелоком, в единицах Na2O

330/0,88=375 кг;

Коэффициент пересчета количества содопродуктов из единиц Na2O в собственные единицы:

b=181,9/135,35=1,34;

Количество содопродуктов на 1 т целлюлозы, поступающих в котел с белым щелоком, в собственных единицах

N5,2=375•1,34=502,5 кг.

Наличие в белом щелоке других минеральных веществ, кроме приведенных в таблице 4 , можно не принимать во внимание.

Черный щелок, подаваемый в котел вместе с белым щелоком, при плотности 1,109 кг/дм3 имеет концентрацию сухих веществ 0,183 кг/дм3, П.22 [1] . Примем, что сухой остаток черного щелока состоит на 70 % из органических и на 30 % из минеральных веществ ([3],с.373). Общее количество сухих веществ, поступающих в котел с черным щелоком

Y6,2c6,2=1498,8•0,183=274,2 кг

В том числе: органических веществ

Z6,2=274,2•0,70=191,94 кг;

Минеральных веществ в собственных

N6,2=274,2•0,30=82,26 кг;

Минеральных веществ в единицах Na2O

N6,2 b=82,26/1,34=61,3 кг.

Всего в котел загружается (таблица 5):воды

?Y*,2=Y1,2+Y0,2+Y5,2+Y6,2=1222,006+179,92+2750+1498,8=5650,7 кг;

минеральных веществ

?N*,2=N5,2+N6,2=502,5+82,26=584,7 кг.

В таблице 5 подсчитано общее количество веществ, поступающих в котел при загрузке щепы и закачке щелока.

Таблица 5-Баланс загрузки щепы и заливки щелоков, на 1 т целлюлозы

Вещества, загруженные в котел	Поступило в котел
	со щепой и конденсатом	с белым щелоком	с черным щелоком	всего
Вода, кг (дм3)	1401,9	2750	1498,8	5650,7
Органические вещества, кг:
с древесиной	1833	-	-	1833
растворенные в черном щелоке	-	-	191,94	191,94
Минеральные вещества, кг	-	502,5	82,26	584,76
Всего	3234,9	3252,5	1773	8260,4
В том числе всего Na2О, кг	-	375	61,3	436,3

3.1.2 Заварка

Во время терпентинной сдувки из котла уходит около 90 кг водяного пара на 1 т абсолютно сухой древесины. В пересчете на 1 т воздушно-сухой целлюлозы это составит

Х1,2•90•0,001=1833•90•0,001=165,0 кг (дм3).

Переброс щелока, увлекаемого со сдувками, составляет 1% от объема жидкости в котле

0,01•?Y*,2=0,01•5650,7=56,5 кг (дм3).

Всего с терпентивнной сдувкой уходит воды

Y2,7=165,0+56,5=221,5 кг (дм3).

Согласно кривой выхода (рисунок 3.1), к началу терпентинной сдувки в раствор переходит 13% древесного вещества, что на 1 т целлюлозы составляет

Х1,2•0,13=1833•0,13=238,29 кг

органических веществ. В котле к этому моменту находится

191,94+238,29=430,2 кг

растворенных органических веществ.

К концу сдувки в раствор переходит 37% древесного вещества (рисунок 3.1), что на 1 т целлюлозы составляет

Х1,2•0,37=1833•0,37=678,2 кг

органических веществ. За вычетом 20 кг летучих продуктов, ушедших со сдувками, в растворе к концу сдувки остается органических веществ

191,94+678,2-20=850,1 кг.

Среднеарифметическое количество растворенных органических веществ в котле во время сдувки составляет

0,5•(430,29+850,1)=604,19 кг;

количество жидкости, оставшееся в котле к концу сдувки

?Y*,2-Y2,7=5650,7-221,5=5429,2 дм3;

среднеарифметическое количество жидкости в котле во время сдувки

0,5•(5650,7+5429,2)=5539,9 дм3;

Средняя концентрация органических веществ в растворе во время сдувки

640,19/5539,9=0,115кг/дм3;

уходит из котла органических веществ с перебросом щелока

0,115•56,5=6,49 кг.

Средняя концентрация минеральных веществ в щелоке во время сдувки составляет

584,7/5539,9=0,105 кг/дм3;

уходит из котла минеральных веществ с перебросом щелока: в собственных единицах

0,105•56,5=5,93 кг;

в единицах Na2O

5,93/1,34=4,42 кг.

В таблице 6 приведен итоговый материальный баланс заварки.

Таблица 6- Материальный баланс заварки (на 1 т целлюлозы)

Вещества	Приход	Расход	осталось в котле к концу заварки
	Загружено в котел	От химических реакций	Итого	Ушло со сдувками	На химические реакции	Итого
				В виде паров	С перебросом щелока
Вода, кг (дм3)	5650,7	-	5650,7	165	56,5	-	221,5	5429,29
Органические веще-
ства, кг:
древесина	1833	-	1833	-	-	678,2	678,2	1154,8
растворенные	191,94	678,2	870,14	20	6,49	-	26,49	843,65
Минеральные веще-
ства, кг	584,7	-	584,7	-	5,93	-	5,93	578,77
Всего, кг	8260,3	678,2	8938,5	185	68,92	678,2	932,09	8006,42
В том числе всего
Na2 O, кг	436,3	-	436,3	-	4,42	-	4,42	431,88

3.1.3 Варка

В период стоянки на конечной температуре происходит дальнейшее растворение компонентов древесины до достижения выхода 50%

(рисунок 3.1 ),то есть за период варки растворяется

63-50=13 %

древесного вещества и в раствор переходит

Х1,2•0,13=1833•0,13=238,29 кг

органических веществ.

К концу варки в котле будет находиться (кг/т):

воды 5429,2;

целлюлозы 1154,8-238,29=916,5;

растворенных органических веществ 843,65+238,29=1081,94;

минеральных веществ 578,77;

всего 8006,41;

в том числе всего Na2O 578,77/1,34=431,9;

3.1.4 Конечная сдувка

Давление пара в варочном котле перед началом сдувки должно соответствовать температуре 1720С [1]. Для нахождения абсолютного давления следует воспользоваться линейной интерполяцией :

(0,792+((172-170)/(180-170)))•(1,000-0,792)=0,833МПа.

В технологических регламентах производства принято указывать избыточное (манометрическое) давление Ризб, МПа. Абсолютное давление Рабс, МПа, и избыточное давление связаны соотношением

Ризб= Рабс-0,101=0,833-0,101=0,732 МПа.

После открытия сдувочного вентиля в котле начинается вскипание воды, избыточное давление снижается с 0,732 до 0,5 МПа (рисунок 3.1),абсолютное давление - с 0,833 до 0,5 + 0,101=0,601 МПа. Теплосодержание воды i` при этих давлениях находится интерполяцией [1]:в начале сдувки

i`н=(716+((0,833-0,792)/(1,00-0,792))(766-716)=729 кДж/кг

в конце сдувки

i`к=(632+((0,601-0,476)/(0,618-0,476))(678-632)=668 кДж/кг

При этом за счет охлаждения воды в котле выделится тепла

Qв=(Y3,4(i`н-i`к))/1000=(5429,2(729-668))/1000=331,18 МДж;

за счет охлаждения целлюлозы и растворенных органических и минеральных веществ от 1720С до 1580С(рисунок 3.1) выделится тепла

Qц=((X3,4+Z3,4+N3,4)qц(172-158))/1000=((916,5+1081,94+578,77)1,34(172-158))/1000=48,34 МДж;

Всего выделяется тепла во время спуска давления

Qв+ Qц=331,18+48,34=379,52 МДж.

Среднее абсолютное давление в котле за время конечной сдувки

0,5•(0,833+0,601)=0,717 МПа.

Теплота парообразования при этом давлении 2,065 МДж/кг, П.23 [1].

Следовательно, образуется пара

379,52/2,065=183,78 кг.

Во время спуска давления выход целлюлозы снижается на 2 % (рисунок 3.1), то есть на

1833•0,02=36,6 кг.

Переброс щелока со сдувочными парами можно принять равным 2 % от объема жидкости в котле

5429,2•0,02=108,58 дм3.

Количество жидкости в котле к концу сдувки, за вычетом уходящего пара и переброса щелока

5429,2-183,78-108,58=5136,8 дм3;

среднее количество жидкости за время конечной сдувки

0,5(5429,2+5136,8)=5283 дм3;

количество органических веществ в растворе к концу сдувки

1081,94+36,6=1118,54 кг;

среднее количество растворенных органических веществ

0,5(1081,94+1118,54)=1100,24 кг;

их средняя концентрация

1100,24/5283=0,208 кг/дм3;

количество органических веществ, уходящих из котла с перебросом щелока

Z4,10=0,208•108,58=22,6 кг.

Средняя концентрация минеральных веществ в щелоке за время конечной сдувки

578,77/5283=0,109 кг/дм3;

количество минеральных веществ, уходящих из котла с перебросом щелока

N4,10=0,109•108,58=11,83 кг,

в том числе всего Na2О

11,83/1,34=8,82 кг.

Материальный баланс конечной сдувки приведен в таблице 7.

Таблица 7- Материальный баланс конечной сдувки (кг/т)

Вещества	Приход	Расход	Осталось в котле перед выдувкой
	В конце варки	От химических реакций	итого	На химические реакции	Ушло со сдувками	Итого
					В виде пара	С перебросом щелока
Вода	5429,2	-	5429,2	-	183,78	108,58	292,36	5136,8
Органические
вещества:
целлюлоза	916,5	-	916,5	36,6	-	-	36,6	880,0
растворенные	1081,94	36,6	1118,54	-	-	22,6	22,6	1095,94
Минеральные
вещества	578,77	-	578,77	-	-	11,83	11,83	566,94
Всего	8006,41	36,6	8043,01	36,6	183,78	143,01	363,39	7679,68
В том числе
Na2 O	431,9	-	431,9	-	-	8,82	8,82	423,08

3.1.5 Выдувка

При выдувке избыточное давление падает от 0,5 МПа до нуля, температура снижается с 156 до 100 °С, теплосодержание воды - с 668 до 419 кДж/кг, П.23 [1].

Выделение тепла за счет охлаждения воды

5136,8•(668-419)/1000=1279,06 МДж;

целлюлозы и растворенных веществ

(880,0+1095,94+566,94)•(156-100)•1,34/100=190,8177 МДж;

всего

1279,06+190,8177=1469,8777 МДж.

Среднее давление в котле за время конечной сдувки

0,5•(0,601+0,101)=0,351 МПа.

Теплота парообразования при этом давлении 2,148 МДж/кг, [3].

Следовательно, образуется пара

1443/2,148=671,7877 кг.

Весь этот пар уходит в струйный конденсатор системы рекуперации тепла, на эту величину уменьшается количество воды, поступившей в выдувной резервуар из варочного котла :

5136,8-671,7877=4465,0123 кг.

Остальные вещества перемещаются из варочного котла в выдувной резервуар в количествах, приведенных в последней колонке таблицы 7. Концентрация растворенных (органических и минеральных) веществ в черном щелоке по завершении выдувки ( в верхней части выдувного резервуара)

С8,9=(1095,94+566,94)/4465,0123=0,3724 кг/дм3

Доля органических веществ в сухом остатке щелока

1095,94/(1095,94+566,94) •100=65,9 %,

Доля минеральных веществ

100-65,9=34,1 %.

Потери щелока с перебросом в конденсатор при выдувке могут быть приняты 1,5 % от количества жидкости [1], что составит

4465,0123•0,015=66,975 дм3.

Потери растворенных веществ с перебросом

66,975•0,3724=24,94 кг,

в том числе органических веществ

24,94•0,65=16,4 кг,

минеральных веществ

24,94•0,34=7,75 кг,

или в единицах Na2O

7,75/1,34=5,78кг.

В выдувной резервуар поступит (кг/т):

воды (щелока) 4465,0123-66,975=4398,0373;

целлюлозы 880,0;

растворенных органических веществ 1095,94-16,4=1079,54;

минеральных веществ 566,94-7,75=559,19;

всего 6916,7673;

в том числе всего Na2O 423,8-5,78=418,02.

Общее количество жидкости, остающееся в выдувном резервуаре по окончанию выдувки (включая воду и растворенные в ней органические и минеральные вещества),

4398,0373+1079,54+559,19=6036,7673 кг.

В нижней части выдувного резервуара волокнистая суспензия разбавляется оборотным черным щелоком до концентрации (массовой доли) волокна 4,0% (таблица 3) и перекачивает в промывной отдел. Общее количество жидкости, уходящей с этой суспензий,

(880,0•(100-4,0))/4,0=21120 кг.

Необходимо черного оборотного щелока для разбавления волокнистой суспензии

21120- 6036,7673=15083,2327 кг

Сводный материальный баланс варки и выдувки приведен в таблице 8.

Таблица 8- Сводный материальный баланс варки и выдувки.

Вещество	Приход	Расход	В выдувной резервуар
	Древесина	Белый щелок	Черный щелок	Пар со сдувками	Переб-рос	Целлю-лоза	Черный щелок
Вода	1401,9	2750	1498,8	165 183,78 671,7877	56,5 108,58 66,97	-	4398,1
Органичеc- кие вещества	1833	-	191,94	20	6,49 22,6 16,4	880,0	1079,5
Минераль- ные вещества	-	502,5	82,26	-	5,93 11,83 7,75	-	559,19
Сумма	3234,9	3252,5	1773	1040,567	303,05	880,0	6036,7
Всего	8260,4	8260,4

Количество целлюлозы в оборотном щелоке невелико (менее 0,05% от общего количества целлюлозы в выдувном резервуаре), на данном этапе расчета этим количеством можно пренебречь. При принятой плотности оборотного черного щелока 1,09 кг/дм3 (таблица 3) массовая доля растворенных в нем веществ равна 0,167 (16,7% таблица П.22,[1]), поэтому с оборотным щелоком в выдувном резервуаре поступает растворенных органических и минеральных веществ (на 1 т в.с. целлюлозы по варке)

Z0,9+N0,9=15083,2327•0,167=2518,8998 кг,

воды -

Y0,9=15083,2327-2518,8998=12564,3329 кг.

Всего из выдувного резервуара направляется в промывной отдел :

Целлюлозы 880,0;

Воды

Y9,0= Y8,9+ Y0,9=4398,0373+12564,3329=16962,3702 кг;

Растворенных органических и минеральных веществ

Z0,9+ N0,9+ Z0,9+ N0,9=1079,54+559,19+2518,8998=4157,6298 кг.

3.2 Тепловой баланс варки

Таблица 9 -Исходные данные для расчета теплого баланса периодической сульфатной варки

Наименование показателя	Величина показателя	Источник информации
Средняя толщина стенки варочного котла, м	0,034	[3,4]
Толщина тепловой изоляции, м	0,050	[3,4]
Теплоемкость, кДж/(кг 0С)
древесина, целлюлоза, растворенных органи-
ческих веществ	1,34	[3]
растворенных минеральных веществ	1,13	[3]
вода	4,19	[3]
стали	0,50	[3]
теплоизоляции (стекловата)	0,82	Таблица П.24[1]
Плотность котельной стали, т/м3	7,85	[3,4]
Начальные температуры, 0С
щепа и влаги в ней	10	[3]
белого щелока	50	[3]
черного щелока (при заливки в котел)	70	[3]
Средняя температура стального корпуса, 0С
в начале заварки	140	[3]
в конце заварки	172	[3]
Средняя температура теплоизоляции, 0С
в начале заварки	80	[3]
в конце заварки	120	[3]

Количество воздушно-сухой целлюлозы, получаемое из котла за одну варку

97,32•180 :1000=17,51 т.

1833•17,51=32095,83;

1401,9•17,51=24547,2;

2750•17,51=48152,5;

502,5•17,51=8798,77;

1498,8•17,51=26243,9;

191,94•17,51=3360,86;

82,26•17,51=1440,372;

Абсолютно-сухая щепа

Влага в щепе

Вода с белым щелоком

Минеральные вещества с белым щелоком

Вода с черным щелоком

Органические вещества с черным щелоком

Минеральные вещества с черным щелоком

Количество веществ, удаляемых из котла при терпентинной сдувке, кг (таблица 6):

Водяной пар 165•17,51=2889,15;

Пары органических веществ 20•17,51=350,2;

Вода со щелоком 56,5•17,51=989,315;

Органические вещества со щелоком 6,49•17,51=113,6399;

Минеральные вещества со щелоком5,93•17,51=103,8343.

Количество тепла Q, которое затрачивается (или отбирается) при изменении температуры вещества с массой т и теплоемкостью q на величину At, вычисляется по формуле

Q=m•q•At.

3.2.1 Нагрев абсолютно-сухой щепы и растворенных органических веществ

Органические вещества, уходящие с терпентинной сдувкой, имеют среднюю температуру (рисунок 3.1)

(120+172):2=146 °С.

Следовательно

Q1=32095,83•l,34(172-10)+3360,8694•l,34• (172-70)-(350,2-113,6399) •l,34

(172-146)=7,41•106 кДж

3.2.2 Нагрев влаги в щепы

Q2=24547,269•4,19(172-10)=16,66•106 кДж

3.2.3 Нагрев щелока и растворенных минеральных веществ

Q3=(48152,5•4,19+8798,775•l,13)(172-50)+(26243,988•4,19+3360,8694•l,13)•

• (172-70)-[(2889,15-989,315)•4,19+113,6399•1,13](172-146)=37,41•106 кДж.

3.2.4 Нагрев котла

Поверхность котла S зависит от его вместимости V и формы (отношения высоты Н к диаметру D). Эта зависимость представлена на П.41 [1]. Для котла вместимостью V=180 м2 при H/D=3,5 поверхность корпуса S=190 м2. Масса стального корпуса с арматурой (масса арматуры принята равной 20% от массы корпуса)

190•0,034•7,85•1,2=60,8 т;

количество тепла на нагрев корпуса

Q4=60,8•1000•0,50• (170-140)=0,91•106 кДж;

Масса теплоизоляции (с учетом дополнительных 20% на подогреватель и трубопроводы)

190•0,050•0,40•1,2=4,56 кДж;

Количество тепла на нагрев теплоизоляции

Q5=4,56•1000•0,82(120-80)=0,15•106 кДж.

варка котел целлюлоза нагрев

3.2.5 Потери тепла с поверхности котла

Удельная величина потерь равна 550 кДж/ч с 1 м2 поверхности,

П.24 [1]. Полный оборот котла равен 5,25 ч (5 ч по графику варки, рисунок 3.1, и 0,25 ч на осмотр котла и его подготовку к следующей варке). С учетом 20% дополнительных потерь с поверхности подогревателя, трубопроводов и арматуры общие потери составят

Q6=190•550•5,25•1,2=0,66•106 кДж.

3.2.6 Потери тепла с терпентинной сдувкой

Потери тепла со сдувками включают теплоту испарения воды и органических соединений. При средней температуре сдувки 146°С скрытая теплота парообразования воды таблица П.23 [1]. Теплота парообразования летучих органических соединений принята равной 287 кДж/кг [3, с.134]. Тогда

Q7=2128•2960+287•359=6,53•106 кДж

3.2.7 Приход тепла от экзотермических реакций

Удельная теплота экзотермических реакций при сульфатной варке принята 230 кДж на 1 кг абсолютно-сухой древесины [3], что составит на одну варку

Q8= -17,51•1833•230= -7,38•106 кДж.

Сводный тепловой баланс варки отражен в таблице 10

Если обогрев котла производится насыщенным водяным паром с давлением 1,1 мПа и теплосодержанием 2788 кДж/кг, П.23 [1], а конденсат из подогревателя выходит с температурой 180°С, то расход пара на всю варку составит

62,35•106:(2788-180•4,19)=30656 т,

На 1 т воздушно сухой целлюлозы

30656/17,51=1,75 т.

Таблица 10 - Тепловой баланс варки

Статьи баланса	Q	Количество тепла, кДж	Доля,%
Нагрев: абсолютно сухой древесины и органических веществ влаги в щепе щелока и минеральных веществ корпуса котла теплоизоляции Потери: теплоотдачей с терпентинными сдувками Теплота экзотермических реакций	Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8	7,41•106 16,66•106 37,41•106 0,91•106 0,15•106 0,66•106 6,53•106 -7,38•106	11,26 25,69 58,16 1,32 0,28 0,92 13,78 11,41
Итого	62,35•106	100

3.3 Расчет и выбор основного оборудования

3.3.1 Варочные котлы и выдувные резервуары

Таблица 11 Исходные данные

Наименование показателей	величина показателя	источник информации
Годовая производительность целлюлозного завода, тыс. т в год товарной целлюлозы Годовой фонд времени работы оборудования, ч Полный оборот варочного котла, ч Безвозвратные Потери целлюлозы (отходы очистки ), % Выход воздушно сухой целлюлозы из варочного котла за одну варку, т	400 8280 5,25 0,5 19,04	[4] подразделЗ.2 [1] подраздел3.2

3.3.1.1 Число варочных котлов

Годовая производительность варочного цеха с учетом потерь целлюлозы

400000•100:(100-0,5)=402010,05 т;

среднечасовая производительность одного котла по варке, воздушно сухой целлюлозы

17,51/5,25=3,335 т;

годовая производительность одного котла по варке

3,335•8280=27613,8 т;

необходимое число котлов

402010,05/27613,8=14,5.

При числе котлов 15 штук фактическая годовая производительность по варке будет

3.3.1.2 Выдувные резервуары

Выдувные резервуары устанавливаем по одному на группу из четырех варочных котлов. Вместимость выдувного резервуара V равна 600 м3, следовательно устанавливаем четыре выдувных резервуара.

3.3.2 Сдувочный (терпентинный) конденсатор.

Назначение - конденсация паров терпентинной сдувки и нагрев воды утилизируемым теплом.

Таблица 12- Исходные данные

Наименование показателей	Величина показателя	Источник информации
Тип конденсатора Температура начала сдувки, °С Температура конца сдувки, °С Продолжительность сдувки, ч Коэффициент теплопередачи для периода конденсации пара, Вт/(м2•К) Коэффициент теплопередачи для периода охлаждения конденсата, Вт/(м2•К) Выход целлюлозы из котла за одну варку, т Конденсат пара охлаждается до, °С Охлаждающая вода нагревается,°С: от до	спиральный 120 172 0,83 1500 1000 17,51 60 10 70	Рисунок 3.2 Рисунок 3.2 Рисунок 3.2 [1] [1] Подраздел 3.2

Количество водяного пара и летучих органических веществ, уходящих из варочного котла при сдувке

165+20=185 кг

на 1 т целлюлозы (таблица 3.4), или

185•17,51:0,83=3902,8 кг/ч.

При ритмичной работе девяти варочных котлов с оборотом 5,25 ч интервал времени между двумя последовательными сдувками из разных котлов должен составить

5,25:15=0,35 ч.

Это означает, что будут периоды продолжительностью

0,83-0,35=0,48 ч,

во время которых одновременно ведутся сдувки из двух котлов.

Следовательно, максимальный расход пара, идущего на конденсацию, составит

3902,8•2=7805,6 кг/ч.

Термодинамические параметры терпенов и сопутствующих органических веществ при разных температурах отсутствуют в справочниках, поэтому их значения примем как у воды.

Средняя температура пара за период сдувки

(120+172)/2=146°С.

Этой температуре соответствует теплосодержание водяного пара 2743 кДж/кг и теплота жидкости 615 кДж/кг, П.23 [1]. При конденсации пара в конденсаторе выделится тепла,:

7805,6• (2743-615)=16610316,8 кДж/ч,

при охлаждении конденсата до 60°С

7805,6• (615-60•4,19)=2838116,1 кДж/ч;

(4,19 кДж/ч•К - теплоемкость воды при 60 °С ); общее количество выделившегося тепла

16610316,8+2838116,1=19448432,96 кДж/ч,

максимальный расход охлаждающей воды составит

19448432,96/(4,19(70-10))=77360,5т/ч,

среднее количество получаемой горячей воды

185• (2743-60•4,19):[(70-10)•4,19]=1834 м3

на 1 т целлюлозы.

Температура воды в конденсаторе на границе между зонами конденсации пара и охлаждения конденсата при противотоке

10+(2838116,1/(77360,5•4,19))=19 °С,

средняя разница температур для периода конденсации

[(146-70)+(146-19)] /2=102 °С,

поверхность зоны конденсации пара

16610316,8/[1500•3,6•102]=30,15 м2.

Среднелогарифмическая разность температур для периода охлаждения конденсата

[(146-19)-(60-10)]/[2,3•lg(146-19)/(60-10)]=83 °С,

поверхность зоны охлаждения конденсата

2838116,1/(1000•3,6•83•)=9,49 м2

Полная поверхность теплообмена конденсатора

30,15+9,49=39,64 м2.

3.3.3 Теплоутилизационная установка

Назначение-утилизация тепла, уходящего с парами самовскипания щелока при конечной сдувке и выдувке массы из варочного котла.

Таблица 13 -Исходные данные

Наименование показателей	Величина показателя	Источник информации
Средняя температура пара, поступающего из варочных котлов и выдувных резервуаров в струйный конденсатор, °С Выход целлюлозы из котла за одну варку, % Температура горячего конденсата, 0С Температура охлажденного конденсата, °С Свежая вода нагревается, °С: От До Коэффициент теплопередачи в теплообменнике, Вт/(м2•К)	105 17,51 90 40 10 40 1000	Рисунок 3.2 подраздел 3.2 [1]

Количество водяного пара, поступающего в установку в период конечной сдувки и выдувки, в расчете на 1 т целлюлозы

183,78+671,7877=855,56 кг,

что при 14,5 варочных котлов и среднечасовой производительности котла по варке 3,417 т целлюлозы (пункт 3.3.1) составит

855,56•14,5•3,417=42390

[42390• (2684-90•4,19)]/[(90-40)•4,19]=466775,6 кг/ч

где 2684 кДж/кг - теплосодержание пара при температуре 105 °С, П.23 [1]; 4,19 кДж/кг•К - теплоемкость воды ; всего будет получено горячего конденсата

42390+466775,6=509165,6 =5,09•105 кг/ч.

Для двухчасового запаса конденсата необходим бак-аккумулятор вместимостью около 615 м3.

Количество тепла, отдаваемого конденсатом свежей воде в спиральном теплообменнике

466775,6•(90-40)•4,19=97789488=9,77•107 кДж/ч;

средняя разность температур в теплообменнике (при противотоке)

0,5•[(90-70)+(40-10)]=25 °С;

необходимая поверхность теплообмена

9,77•107/(1000•3,6•25)=1086,5 м2.

Количество чистой горячей воды, получаемой в теплоутилизационной установке

9,77•107/[4,19(70-10)]=388623кг/ч=388 м3/ч,

Что при годовой производительности 402010,05 целлюлозы по варке и годовом фонде рабочего времени 8280 ч составит

388•8280/402010,05= 7,99 м3

на тонну целлюлозы.

С учетом горячей воды, получаемой в терпентинном конденсаторе, общее количество горячей воды от использования утилизируемого тепла составит

1,83+7,99=9,82 м3.

4 Технико-экономические показатели

Таблица 14 - Сводная таблица технико- экономических показателей на выпуск 1 т воздушно-сухой целлюлозы

Наименование показателя	Величина показателя
1Расход древесины, кг/т 2Выход целлюлозы, % 3 Расход активной щелочи, кг/т 4 Расход пара на варку, т/год 5 Расход белого щелока, т/час 6 Расход черного щелока, т/час	1833 48 330 3,547 3,342 1,3

Заключение

В данном курсовом проекте спроектирован варочный цех на выпуск сульфатной целлюлозы мощностью 400 тыс.т/год.

Выполнены технологические решения: расчеты теплового и материального балансов, основного оборудования.

По результатам полученных данных можно судить о том, что по сравнению с варкой целлюлозы в котлах объемом 140 м3 выход целлюлозы будет выше. Годовой выпуск целлюлозы будет выше за счет увеличения объемной доли варочного котла. Но при использовании котлов большего объема также увеличивается расход пара, щепы, варочного щелока, а также параметры варочного цеха. В зависимости от того какое количество целлюлозы нужно получить подбирается оборудование.

Мощным средством интенсификации работы периодических варочных котлов в современных условиях является применение теплоэкономических методов варки, связанных с подогревом заливаемых на варку щелоков за счет тепла конечного щелока. При этом не только существенно сокращается расход пара на варку, но и достигается значительное ускорение заварки и сокращение общего оборота котла.

Библиографический список

1 Пен, Р.З. Технология целлюлозы. Примеры технологических расчетов: учебное пособие / Р.З. Пен, И.Л. Шапиро - Красноярск: СибГТУ, 2011. - 336 с.

2 Технология целлюлозы: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов очной, очной сокращенной, заочной, заочной сокращенной формы обучения специальности 240406 Технология химической переработки древесины / Составители Р.З. Пен, В.В. Седых. - Красноярск: РИЦ СибГТУ, 2009. -28 с.

3 Непенин, Ю.Н. Технология целлюлозы: в 3-х томах. Т.2. Производство сульфатной целлюлозы [текст] / Ю.Н. Непенин. - М.: Лесная промышленность, 1990. 600 с.

4 Оборудование целлюлозно-бумажного производства. В 2-ух т. Т.1. Оборудование для производства волокнистых полуфабрикатов [Текст] / Под ред. В.А.Чимчаева. -М.: Лесная пром-сть, 1981.-368 с.

Размещено на Allbest.ru