МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ
Материальный баланс варки сульфитной целлюлозы
Для лучшего уяснения вопроса о том, каким образом связаны между собой разные величины, характеризующие процесс варки, рассчитаем материальный баланс варки среднежесткой целлюлозы, предназначенной для выработки беленых бумаг. Примем, что загрузка щепы производится с паровым уплотнением, что варка ведется непрямым паром, с принудительной циркуляцией и перепуском щелока, система регенерации-тепловая, кислота готовится на натриевом основании и котел опоражнивается выдувкой.
Зададимся следующими основными величинами:
Объем котла (биметаллический с наружной тепловой
изоляцией), м3 . .................................................... 320
Выход целлюлозы из древесины, % ..........49
Состав кислоты, %:
всего S02............................................................. 8,0
NaaO................................................................... 0,9
Объемная степень наполнения котла щепой ...... 0,42
Влажность щепы, %................... 40
Плотность древесины (ель) в абсолютно сухом состоянии, кг/м3 ... 430
При влажности 40% плотность древесины составляет 389 кг/м3. Значит, в 1 м3 объема котла загружается абсолютно сухой древесины 389х0,42=163,5 кг.
Выход целлюлозы из 1 м3 котла составит: абсолютно сухой 163,5х0,49=80,1кг воздушносухой 80,1:0,88=91 кг. Выход воздушносухой целлюлозы из котла за одну варку равен 91,0х320=29 120 кг, или 29,1 т.
Расчет материального баланса ведем на 1 т воздушносухой целлюлозы из котла.
График изменения основных показателей во время варки: температуры, давления, содержания SO2 и Na20 в щелоке, выхода целлюлозы и количества удаляемой из котла жидкости примем согласно рис.
|
|
|
Для удобства расчета разобьем процесс варки на следующие основные этапы: 1) наполнение котла щепой и кислотой; 2) заварка до 110° С и пропитка; 3) подъем температуры до конечной и варка на конечной температуре; 4) конечная сдувка (спуск давления); 5) выдувка.
Наполнение котла щепой и к и. с л о т о й. На 1 т воздушносухой целлюлозы, получаемой из котла (880 кг абсолютно сухой), в котел должно быть загружено абсолютно сухой древесины 880 ,: 0,49=1800 кг, С ней поступит воды в виде влаги 1800-(40:-60) = 1200 кг/т целлюлозы, или 1200- (91,0 : 1000) = 110 кг/м3 котла.
Примем, что расход пара на паровой уплотнитель составляет 0,2 т/т целлюлозы, и что 90% этого пара конденсируются и остаются в котле. Конденсата пара тогда получим 200-0,90=180 кг/т целлюлозы, или 180 X X (91,0 : 1000) = 16 кг/м3 котла.
Будем считать, что этот конденсат размещается целиком в пространстве между щепками. Тогда свободный ( объем в 1 м3 котла за вычетом объема, занятого щепой и конденсатом, составит 1000—(420+16) =564 л.
Примем, что при закачке горячей кислоты и перепуске жидкости в щепу впитается 30% кислоты от объема щепы. Объем закачиваемой кислоты на 1 м3 котла составит 564+(0,30-420) =690 л. Общий объем кислоты в котле будет равен 690-320 = 220 800 л.
|
|
|
На 1 т целлюлозы закачивается регенерационной кислоты и Перепускной жидкости 220 800:29,1=7560 л. С ними в котел поступит на 1 т целлюлозы 7560-0,08=605 кг S02 и 7560-0,009=68,0 кг Na20.
Кроме того, примем во внимание, что варочная кислота и перепускной щелок содержат некоторое/ количество органических веществ — Сахаров, лигносульфоновых соединений и т. п., перешедших в раствор от предыдущих варок. Ориентировочно примем количество органических растворенных веществ в регенерационной кислоте и перепускной жидкости равным 190 кг/т целлюлозы; тогда содержание их в кислоте составит 190-1000 :7560=25,2 г/л.
Общий приход веществ, поступающих в котел при загрузке щепы и закачке кислоты, приведен в табл. 52.
Вещества, загруженные в котел
Заварка до 110°С и пропитка. Во время подъема температуры до 110° из котла с первыми сдувками уходит жидкость в количестве 5% (см. рис. 169) от общего ее объема, что составит 8940-0,05=450 л/т целлюлозы.
Рис.169
Диаграмма изменения основных показателей во время варки (к расчету материального баланса варки)
| Вещество, загруженное в котел | Поступило в котел при наполнении
| |||||
| со щепой | С паром при уплотнении | С кислотой и перепуском | Всего | |||
| Вода, л | 1200 | 180 | 7560 | 8940 | ||
| Древесина, кг | 1800 | — | — | 1800 | ||
| Органические растворенные вещества, кг | — | — | 190 | 190 | ||
| S02, кг | — | — | 605 | 605 | ||
| Na20, кг | —— | 68,0 | 68,0 | |||
Среднее содержание в удаляемой жидкости приблизительно составит (см. кривые на рис. 169)
6.5 + 5,6 = 6)0% 50г и 0,71-0,60 =0,67%/На2О
5 2
Следовательно, с жидкостью уйдет
Учитывая уплотнение щепы и пониженное отношение Na20: древесина, расход SO2 на химические реакции примем равным 9% от абсолютно сухой древесины и условно отнесем его целиком к периоду пропитки. Расход S02 составит 1800*0,09= 162 кг/т целлюлозы.
Общее количество жидкости в котле к концу заварки будет равно 8940— 450=8490 л/т целлюлозы.
При титре кислоты в конце стоянки 4,5% S02 и 0,3% Na20 в растворе будет содержаться
Имея в виду, что в начале варки в котле было 605 кг S02, получим, что в виде газа с первой сдувкой из котла должно уйти S02 605—(27+162+382) =34 кг/т целлюлозы.
Парообразование при первой сдувке вследствие относительно низких температур весьма незначительно и для простоты его можно не учитывать.
По разности расход Na20 на химические реакции составит
|
|
|
68,0 — (3,0 + 25,5) = 39,5 кг/т целлюлозы.
За время заварки переходит в раствор органических веществ: 100—85=15% от массы древесины.
На 1 т целлюлозы это составит 1800-0,15=270 кг.
Из них очень небольшая часть уходит со сдувочной жидкостью. Ко времени получения жидкости успевает перейти в раствор приблизительно 2% веществ от древесины, или 1800-0,02=36 кг.
Средняя концентрация органических веществ в растворе с учетом веществ, поступивших в котел с кислотой и перепускной жидкостью, составит
, 
.
С 450 л сдувочной жидкости из котла уйдет
Итоговый материальный баланс заварки (на 1 т целлюлозы) приведен в табл. 53.
Подъем температуры до конечной и варка на конечной температуре (140°С). Во время подъема температуры после стоянки на 110° С производят перепуск щелока в следующий котел, с которым уходит 20% общего первоначального объема жидкости, или 8940 0,20=1790 л/т целлюлозы.
Таблица 53
| Вещества | Приход i | Расход | Осталось в котле | |||
| от химических реакций | со сдувочной жидкостью | со сдувоч- ными газами | на химические реакции | всего | ||
| Вода, Л . . . . . . . . | 450 | _ | 450 | 8490 | ||
| Древесина, кг . | — | — | — | 270 | 270 | 1530 |
| Органические растворенные ве- щества кг | 270 | 12 | - | - | 12 | 448 |
| S02, кг . . . . . . . .... | — , | 27 | 34 | 162 | 223 | 382 |
| Na20, кг. . . | 3,0 | — | 39,5 | 42,5 | 25,5 | |
Среднее содержание в сдувочной жидкости, спускаемой из котла между 5,5 и 6,5 ч варки (см. рис. 169), приблизительно составит
Расход Na2G на химические реакции, по разности, составит 25,5 —(4,1 +6,7)= 14,7 кг. Расход S02 на химические реакции мы условно целиком отнесли на период пропитки (заварки). Следовательно, уменьшение содержания S02 в щелоке должно было произойти за счет S02, уходящего со сдувками. В виде газообразного S02, следовательно, должно уходить 382—(64+100) =218 кг S02.
Подссчитаем теперь более точно, сколько уходит водяного пара со сдувками. Для упрощения допустим, .что в газовом пространстве котла находится лишь S02 и водяной пар. Тогда, по закону Дальтона, общее давление в котле равно
P = Pl + P2
где Р1 — парциальное давление водяного пара; Р2 — парциальное давление S02.
Для каждого из газов можно написать уравнение Клапейрона — Менделеева:
для водяного пара
для S02 
где p 1 — парциальное давление водяного пара, Па; р2— парциальное давление SO2, Па; V — объем газовой смеси (примем его равным 1 м3); Gi— масса водяных паров, заключенных в этом объеме, кг; G2 щ масса SO2, заключенного в этом объеме, кг; R\— 461,2 Дж/(кг-°С) —газовая постоянная водяного пара; R2—129,8 Дж/(кг-°С)—газовая постоянная SO2; 71 — абсолютная температура газовой смеси, К.
В нашем случае (см. рис. 169) сдувки во время варки начинаются через полчаса после окончания стоянки и продолжаются непрерывно до достижения температуры 140° С. Средняя температура в котле за это время составляет (116+140) : 2=128° С и, следовательно, Т= 128+273=401 К.
Температуре 128° С по таблицам насыщенного пара отвечает абсолютное давление водяного пара pi=254 800 Па (2,6 кгс/см2). Примем, что в результате незначительных колебаний среднее избыточное давление в котле за время сдувки составляет 593 880 Па (6,06 кгс/см2). Общее абсолютное давление будет больше на 101 325 Па (на одну физическую атмосферу), т. е. будет равно р=593 880+101 325=695 205 Па.
Тогда парциальное давление SO2 составит Р2=Р—Р1=695 205—254 800= = 440 405 Па.
Подставив значения в уравнение КлапейронаМенделеева, найдем массу водяного пара в 1 м3 парогазовой смеси
Так как расхождение с предварительно принятой цифрой 40 кг/т целлюлозы получилось небольшое, оставим ее без изменения.
К концу варки выход целлюлозы составляет 49% от древесины, или 1800-0,49=880 кг.
После стоянки при температуре 110°С оставалось нерастворенной древесины 1530 кг (см. табл. 53). Переходит в раствор органических веществ за время варки 1530—880=650 кг. Из этого количества часть уходит со сдувками в виде газообразных и летучих веществ и часть — с перепускной жидкостью в виде растворенных веществ.
К началу перепуска, согласно кривой выхода (см. рис. 169), в раствор переходит 100—77=23% органических веществ от древесины, или 1800-0,23^ =414 кг, а к концу перепуска 100—62=38%, или 1800-0,38=684 кг.
Из этих количеств 270 кг перешло в раствор за время заварки; следовательно, с момента начала подъема температуры в раствор перешло органических веществ: к началу перепуска 414—270=144 кг, к концу перепуска 684— —270=414 кг.
Вместе с 448 кг органических веществ, имевшихся в растворе после заварки (см. табл. 53), будем иметь органических веществ в растворе: к началу перепуска 144+448=592 кг, к концу перепуска 414+448=862 кг.
К началу перепуска в котле находится 8490 л жидкости. Концентрация органических веществ в растворе в этот момент равна
Всего за время заварки и варки со сдувочной и перепускной жидкостью уйдет растворенных органических веществ 12+178=190 кг. Эти вещества перейдут в варочную кислоту для следующей варки. Мы как раз принимали, что с варочной кислотой и перепускной жидкостью поступает в котел органических веществ 190 кг/т целлюлозы (см. табл. 52).
Количество газообразных и летучих продуктов, уходящих со сдувками, примем, по данным лаборатории ЛTA, в процентах от абсолютно сухой древесины: углекислого газа 0,75; ацетона 0,33; метилового спирта 0,48; фурфурола и цимола 2,20; уксусной кислоты 0,21; муравьиной кислоты 0,22; всего 3,99, или округленно 4% от массы древесины. В пересчете на 1 т целлюлозы это составит 1800*0,04=72 кг.
За вычетом этих веществ из общего количества 650 кг органических веществ, перешедших в раствор при варке, останется в растворе 650—72=^ =578 кг. Из них в свою очередь 178 кг уходит с перепускной жидкостью;^ остается в котле 578—178=400 кг. Вместе с ранее имевшимися в растворе 448 кг органических веществ это составит 400+448=848 кг.
Концентрация органических веществ в щелоке к концу варки будет равна
Итоговый материальный баланс на 1 т целлюлозы для периода варки представлен в табл. 54.
Конечная сдувка (спуск давления). Пои конечной сдувке давление снижается с 0,6 до 0,2 МПа (с 6 до 2 кгс/см?) . Ш время конечной сдувки из котла уходит значительное количество SO2: титр щелока снижается
Таблица 54
| Вещества | Приход | Расход | осталось в котле | |||
| от хими-ческих реак-цией | с пере-пуск-ной жидкостью | со сдувочными газами | на химичес-кие реакции | всего | ||
| Вода (и пар), л (кг) | 1790 | 40 | 1830 | 6660 | ||
| Древесина (целлюлоза), кг | — | — | — | 650 | 650 | 880 |
| Органичес-кие вещества, кг: | ||||||
| газообразные и летучие | 72 | 72 | — | 72 | — | |
| растворенные | 578 | 178 | — | — | 178 | 848 |
| S02, кг | — | 64 | 218 | — | 282 | 100 |
| Na20,» кг | — | 4,1 | — | 14,7 | 18,8 | 6,7 |
с 1,5 до 0,3% SO2 (см. рис. 169). Можно с небольшим приближением считать, что в конечный момент спуска давления в газовом пространстве котла не будет содержаться SO2, а будет находиться только водяной пар. Давлению насыщенного пара 0,2 МПа (2 кгс/см2), т. е. 0,30 МПа (3,03 кгс/см2) абсолютного давления, отвечает температура около 133°С. Следовательно, будем считать, что в конце спуска давления температура содержимого котла равна 133° С. Снижение температуры содержимого котла вызывает выделение водяного пара, уходящего с конечной сдувкой.
Если принять теплоемкость целлюлозы и органических растворенных веществ щелока равной 1,34 кДж/(кг«°С), то при снижении температуры содержимого котла со 140 до 133° С выделится всего тепла
[6660-4,19 + (880 — 848)-1,34]-(140 — 133) = 211 410 кДж.
Средняя температура жидкости в котле за время конечной сдувки равна (140+133) : 2=136,5° С. Этой температуре, по таблицам насыщенного пара, отвечает теплота испарения 2158,8 кДж/кг (515,6 ккал/кг). Следовательно, пара при конечной сдувке выделится 211 410 : 2158,8=98 кг.
Жидкости в котле в конце спуска давления будет 6660—98=6562 л.
В щелоке после спуска давления останется S02 6562*0,003 = 20 кг.
При конечной сдувке уходит из котла SO2 100—20 = 80 кг.
Итоговый баланс конечной сдувки приведен в табл. 55.
Концентрация органических веществ в щелоке к моменту выдувки равна
Таблица 55
| Вещества | Находилось в котле к концу варки | Уходит с конечной сдувкой | Остается в котле к моменту выдувки |
| Жидкость (и пар), л (кг) | 6666 | 98 | 6562 |
| Целлюлоза, кг | 880 | — | 880 |
| Органические растворенные веще | |||
| ства, кг | 848 | — | 848 |
| S02, кг | 100 | 80 | 20 |
| Na20, кг | 6,7 | — | 6,7 |
Выдувка. Во время выдувки избыточное давление падает со 196 кПа (с 2 кгс/см2) до 0 и температура соответственно с 133 до 100° С. За счет охлаждения содержимого котла выделяется тепла
[6562-4,19 + (880 + 848)-1,34].(133 — 100) = 983090 кДж.
При среднем избыточном давлении (196+0): 2=98 кПа или 199 кПа (2,03 кгс/см2) абсолютного давления теплота испарения равна 2205,3 кДж/кг. Пара выделится 983 090:2205,3=445 кг/т целлюлозы. Остается щелока в сцеже 6562—445=6117 л/т целлюлозы.
Концентрация органических веществ в щелоке равна
Количество SO2, уходящего с парами вскипания, примем равным 50% от SO* содержавшегося в щелоке, т. е. 20 • 0,5= 10 кг. Остальные 20—10= 10 кг SO2 останутся в щелоке.
Суммарный материальный баланс для разобранного примера сульфитной варки приведен в табл. 56. Общее количество сдувочной и перепускной жидкости уходящей из котла, с учетом конденсата водяных паров (см. табл. 56) составит 2240+138=2378 л/т целлюлозы.
Процент регенерации жидкости по отношению к количеству варочной кислоты в котле составит
Общее количество SO2, уходящего в регенерационную систему,91 +332 = 423 кг/т целлюлозы.
Процент регенерации SO2 (по отношению к количеству SO2 кислоте)
42Q
Общий расход SO2 на варку (химические реакции плюс потери в конечном щелоке) составит 162+20=182 кг/т целлюлозы, что эквивалентно 91 кг серы на 1 т целлюлозы.
Направив на улавливание 10 кг SO2, выделяющегося из сцежи с парами вскипания, можно уменьшить расход серы до 86 кг/т целлюлозы.
Таблица 56
|
Вещества | Приход | ||||
| Со щепой | С кислотой и перепускной жидкостью | С кон-денсатом пара | От хими-чесих реа-й | Всего | |
| Вода (и пар), л (кг) . | 1200 | 7560 | 180 | 8940 | |
| Древесина (целлюлоза), | |||||
| кг............................. | 1800 | — | — | — | 1800 |
| Органические вещества, кг: | |||||
| Газообразные и летучие | — | — | — | 72 | 72 |
| растворенные....... | — | 190 | — | 848 | 1038 |
| S02, кг...................... | — | 605 | _ | — | 605 |
| Na20, кг.................... | — | 68,0 | — | - | 68,0 |
Продолжение Таблицы 56
|
Вещества
| Расход | |||||
| со сдувоч-ной и перепускной жидкостью | со сду-воч- ными газами | на химические реакции | с выду-воч- ными газами | Оста-лось в сцеже | всего 1 | |
| Вода (и пар), л (кг) . . . | 2240 | 138 | 445 | 6117 | 8940 . | |
| Древесина (целлюлоза), | 1800 | |||||
| кг............................. | — | — | 920 | — | 880 | |
| Органические вещества, кг: | ||||||
| газообразные и летучие | — | 72 | — | — | — | 72 |
| растворенные....... | 190 | — | — | — | 848 | 1038 |
| S02, кг...................... | 91 | 332 | 162 | 10 | 10 | 605 |
| Na20, кг................... | 7,1 | — | 54,2 | —— | 6,7 | 68,0 |
Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 86; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!