Жудро С.Г. Технологическое проектирование целлюлозно-бумажных предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

где

Я-

Ло

площадь сечения потока, т. е. произведение

высоты, на которую поднят щит, на ширину

отверстия;

- полный напор перед щитом;

- геометрический напор;

- скоростной напор;

- «сжатая» глубина струи за щитом;

=Z4

—

=ЯЧ гё

— «перепад»;

2g 2g

— «скорость подхода» к щиту.

Расход Q при затопленном отверстии, т. е. при горизонте воды в нижнем

бьефе, превышающем верхнюю кромку отверстия,

где h — глубина потока ниже щита.

Пусть, например, вода, протекаю-

щая по каналу прямоугольного сечения

шириной 6=2 м, преграждаемому щи-

том, выпускается из канала поднятием

щита на высоту а=0,5 м. Определить

расход Q вытекающей из-под щита

воды, если глубина воды перед щитом Я

установилась 2 м. Ниже щита течение

свободное (рис. 4).

Рис.

Для решения этой задачи мы можем воспользоваться формулой

= [ко

V2gZ

2g\H +

-К

Принимая коэффициент сжатия в=0,66 и [х=0,64, пренебрежем в первом

приближении скоростью подхода

Vc,:

=sa = 0,66-0,5 = 0,33.

Q =(x<o"l/2g (Я —ft

) = 0,64-0,5-2-4,43 У 2 —0,33 = 3,65 м

/сек.

Вычислим теперь величину скорости подхода

Q 3,65

ЬН

Скоростной напор

2-2

0,913 м/сек.

Окончательно имеем

2£

0,04 м.

Q =0,64-0,5-2.4,43У2,04 — 0,33 = 3,75 м^/сек.

Пример 18. Определить напор Я перед щитом в условиях преды-

дущей задачи (рис. 4) в том случае, если вода ниже щита подперта до глу-

бины Я= 1,5 м и истечение происходит через затопленное отверстие.

Берем из предыдущего примера а=0,5 м; 6=2 м;

= 3,70 м

/сек.

Предполагая, что и в этом случае коэффициент расхода jx=0,64, получим

Q =

i>.ab

У 2g (Я — К),

или, пренебрегая значением v

, будем иметь

3,70

0,64-0,5-2-4,43 ]/#—1,5,

откуда

1,70+1,50=3,20

м.

Проверяем величину скорости подхода

3,70

Окончательно

—

320-2

0,58

19,62

= 0,58

0,017

м/сек

м.

3,20

—

0,017

3,183

м.

Пример

19.

Требуется определить общую нагрузку

р на дно

деревян-

ного бака

для

кислоты диаметром

8 м,

если высота слоя кислоты # =

м,

а удельный вес кислоты Y

1,02 г/ам

= 1020 кг/м

Давление кислоты

на

1 м

дна бака

# =

1020-6

6120 кг/м

Площадь дна бака

Л1

14-8

= — =

£ii±_2_

50,3 мК

Общая нагрузка

на

дно бака р=6120

• 50,3

800 кг=30,8 т.

Пример

20.

Внешнее давление

на

поверхности щелока

баке р

—

= 1470

мм рт. ст.

Высота уровня щелока #=10

м.

Необходимо определить

давление

на

дно, если удельный

вес

щелока

ущ

1200 кг/м

площадь

дна

бака F=20

Так как 1

ати

техническая равна 735,6 мм рт. ст.,

то

° = 2

кг/см*

20 000 кг/ж

735,6

Таково избыточное давление над щелоком.

Давление

на

единицу площади

дна

бака

р\

будет суммой давлений

от

веса щелока

избыточного давления над поверхностью щелока Ро-

Общая нагрузка

на

дно бака

F =

32 000-20

640 000 кг

640,0

т.

Пример

21.

Определить давление

нижней горловине варочного

котла

конце варки

при

следующих условиях: котел заполнен целлюлозной

массой, имеющей концентрацию а

14%,

удельный

вес

целлюлозы

= 1500 кг/м

, количество щелока а

=(100—14)%; удельный

вес

щелока

Y2=H30 кг/м

, высота слоя массы

жидкости #=11

м,

давление

паровом

пространстве р

зб=8 ати физических. Удельный

вес

смеси щелока

целлю-

лозы определим

по

формуле

ТЛ+ТЛ

1500-14+ 1130(100-14)

100

Тогда давление

нижней горловине определится

Риз6

Тсм

8-10 333

П82- И

82 600

000

= 95 600 кг/м? — 9,6 агпм технических,

где 10 333 — коэффициент перевода физических единиц давления в технические,

Пример 22. Давление у дна регенерационной цистерны с варочной

кислотой удельного веса •у=

1>05

г/см

составляет р=2000 мм рт. ст. Какова

высота уровня кислоты в цистерне Н, если давление в паровом простран-

стве по обычному манометру р

ИЗ

б =

кг/см

Давление у дна цистерны

„ =

2000

= 2,72 кг/см* = 27 200 кг/м*;

735,6

! ,, и. и Р Ризб

р = Ризб + [И; и = — ;

зб = 2 кг/см* = 20

ООО

кг/м*; -( = 1,05 г/см

= 1050 кг/м

27 000 — 20 000

„

ос

Я = = 6,85 м.

1050

Пример 23. В открытый железный бак прямоугольной формы налита

горячая вода, имеющая температуру 70° С. Необходимо определить нагрузку

на дно и стенки бака, если его длина /=8 м; ширина

м и высота Н =

м. Удельный вес воды

— 977,7

кг/м

Нагрузка на дно Я=977,7

•

4= 156 000 кг= 156 г.

Нагрузка жидкости на плоскую вертикальную стенку прямоугольного

очертания определяется соотношением

р = -L -ф№,

где у — удельный вес жидкости;

— ширина стенки;

Н — глубина жидкости.

Следовательно,

нагрузка на меньшую стенку:

— 977,7-4-5

= 48800 кг = 48,8 т;

нагрузка на большую стенку:

= -L 977,7-8,5

= 97 600 кг = 97,6 от.

Пример 24. В варочном котле манометр верхнего штуцера показывает

5,5 кг/см

. Какое давление покажет нижний манометр, если расстояние по

высоте между манометрами #=5 м, а котел заполнен массой со средним

удельным весом у= Ы г/сж

=1100 кг/м

Давление в месте присоединения нижнего манометра

Р2 = Pi +

(*i

—

где р^

—

давление верхнего манометра, a z

—z

— расстояние между маномет-

рами Z\—г

= Я =

м.

= 55 000 +

1100 • 5

= 60 500 кг/ж

= 6,0 кг/см%.

Пример 25. В тех случаях, когда возникает необходимость опреде-

лить время, нужное для удаления жидкости из какого-нибудь резервуара,

исходят из того, что в общем случае время t, необходимое на понижение

уровня в резервуаре с площадью поперечного сечения Q на высоту

/г

—

Hi—#2 при вытекании через отверстие площадью со (рис. 5), равно

Я,

Qdh

-. / »

[J.M у 2gh — q

где q — количество жидкости, притекающей в резервуар. В частном случае

при <7=0 и.

= const время, потребное для частичного снижения уровня на

высоту h может быть определено по формуле

f =

2Q(V~H

-yih)

Время, необходимое для полного удаления жидкости из резервуара, в этом

случае (#2=0) равно

t =

JJKO

V*g '

Требуется определить, например, время, необходимое для освобождения

цилиндрического бака диаметром

£>

м, на глубину Я=1,5 м, если диаметр,

отверстия d=0,10 м и ji=0,61 (рис. 6).

— _

—_ -—

—

—-

ш^

L-

-аГ

Рис.

Время для освобождения бака при заданных условиях

t =

2D*VH _ 2-32 У\ ,5

tid*

Vtg

0,61-0,12-4,43

• = 816 сек = 13 мин 36 сек.

Пример 26. Определить время, необходимое для освобождения ре-

зервуара в форме шара, у которого сверху имеется отверстие для свободного

доступа воздуха; жидкость вытекает через отверстие, расположенное в самой

нижней точке шара (рис. 7). Диаметр шара

= 2 м, диаметр отверстия d =

= 0,1 м, ц =

0,61.

Уравнение окружности, отнесенное к осям, начало координат которых на-

ходится на окружности в нижней точке последней,

= Dz — г

Площадь сечения шара горизонтальной плоскостью на глубине

= 71*8 = г. (£)

2).

Время освобождения резервуара в данном случае будет равно

t =

16ZA

ц,<й j/2g ,

16-2'/*

I5ndiy2g 15-0,61-0,01-4,43

(Dz — г

) dz

= 222 сек = 3

4itD'

15(iM Y2g

мин 42 сек.

Пример 27. Большая часть формул, применяемых при практических

гидравлических расчетах, составлена для движения жидкости, имеющего

турбулентный характер. Характер движения жидкости проверяют, опреде-

ляя для данных условий критерий Рейнольдса Re. Если Re больше критиче-

ского значения Re

, то режим турбулентный, при Re меньше Re

—режим

ламинарный.

Величины критических значений Re

p приводятся в справочниках по гид-

равлике, например для движения жидкости в открытых руслах Re

=300;

для труб круглого сечения Re

=2320. Число Рейнольдса — параметр без-

размерный.

Требуется, например, определить характер движения воды, имеющей

температуру 10°С и текущей по трубе диаметром rf=0,l м, если ее весовой

расход. <? =

10 ООО

кг/ч; удельный вес равен 999,6 кг/м

, коэффициент абсолют-

ной вязкости |х=133- 10~

кг

•

сек/м

Критерий Рейнольдса

Re =

плотность воды

999,6

dvp

[Л

9,81

102 кг-секУм*.

Весовой расход G=yfv, где f

—

площадь поперечного сечения трубы,

откуда

G G-4

v = — = м/сек.

if -уЗбООтг^

В нашем случае

10 000-4

_ ,

0,35 м/сек;

999,6-3600-3,14-0,1

Re =

.Q,35.102-10e

= 2700Q

133

Так как Re>Re

, то движение турбулентное.

Пример 28. Определить характер движения воды, имеющей темпера-

туру

15°

С и коэффициент кинематической вязкости v=0,011 смУсек, для

случаев:

канал трапецеидального сечения с шириной по дну

м, глубиной h=

=3,5 .« и коэффициентом откоса /и=1,5 м, скорость движения воды в ка-

нале v=0,8 м/сек;

водопроводная труба диаметром rf=5 см; скорость v = \ м/сек.

Для канала критерий Рейнольдса определяем по формуле

Re = ,

где R — гидравлический радиус.

Площадь живого сечения канала

» = (Ь + mh) h = (10 +

1,5-3,5)

3,5 = 53,3 л

Смоченный периметр

x = b + 2hVl +«

= 10 + 2-3,5 V 1 +2,25 = 22,6 м.

Гидравлический радиус

« 53,3

ос

R = — = = 2,36 м.

22,6

Итак, критерий Рейнольдса для канала

Re =

80-236

720

ООО,

ч 0,011

что больше значения Re

, т. е. движение турбулентное.

Для водопроводной трубы критерий Рейнольдса

Re-

nd 100-5

4-0,011

= 11400,

что тоже больше Re

Следовательно, режим движения жидкости в обоих случаях турбу-

лентный.

Пример 29. Определить характер движения сульфитного щелока ме-

жду трубами теплообменника, если щелок движется параллельно осям тру-

бок. Внутренний диаметр корпуса

= 1000 мм; число трубок (рис. 8) п=180

с наружным диаметром d=50 мм. Расход щелока

500

т/сутки, темпера-

Щелок между

о о од труд

о о о о

о о о о о

о о о о

ооо о о

;

о о

Рис.

тура 20° С, концентрация 10% сухого вещества, удельный вес

1048,5 кг/м

и относительная вязкость Т|

тн при 20°

= 1,58.

Критерий Рейнольдса

Re = ^L-1000.

Вязкость для воды при температуре 20° г)= 1,009 спз, вязкогп. щелока

при температуре 20° г\= 1,009

•

1,58=1,594

спз.

•:.•:,

Эквивалентный диаметр d

=4—, где В— смоченный периметр ...

F= — 180— = — (№—180^) = 0,432 л*=;

4 4 4

В =7tD + 180r.d = 3,14-1 + 180-3,14-0,05 = 31,4 м;

4-0,432

= 0,055 м.

Весовой расход

откуда

31,4

G = -ft)F кг/сек,

= =

500 000

~ '(F

24-3600-1048,5-0,432

Критерий Рейнольдса

: 0,0127 м/сек.

0,055-0,0127-1048,5-1000

леп

Re =

—

- =459,

1,594

что меньше Re

, т. е. движение ламинарное.

Пример

30.

Необходимо определить характер движения того

же ще-

лока

по

открытому каналу шириной

0,5

м,

если канал заполнен

на

глу-

бину

0,25

м и

щелок движется

со

скоростью

0,8 м/сек

(рис. 9).

л л

0,5-0,25

= 4 —

;

= 4 = 4 — ' = 0,5 м;

b + 2h 0,5 +

2-0,25

Re =

Ю00

О.В-0.в-104В.5.1000

= ш т

icn

1,594

В данном случае

больше Re

, следовательно, движение турбу-

лентное.

РАСЧЕТЫ, СВЯЗАННЫЕ

ТЕПЛООБМЕНОМ

При проектировании целлюлозно-бумажных производств при-

ходится часто прибегать к расчетам, связанным с различными

видами теплообмена, в частности при составлении тепловых ба-

лансов, выборе теплообменных аппаратов, сушке волокнистых

материалов и др. Учитывая, что методы и приемы таких расчетов

подробно изложены в учебных пособиях по целлюлозно-бумаж-

ным производствам, ниже приводится лишь несколько примеров

решения задач, связанных с теплообменом, наиболее часто встре-

чающихся при технологическом проектировании разных произ-

водств.

Пример

31.

Требуется определить потерю тепла через стенку бассейна

с коэффициентом теплопроводности Х = 0,66 ккал/м •

•

град,

при

темпера-

туре поверхности стенки

/i =

15°C

и t

—35°С.

Длина стенки

10 м,

высота

м,

толщина 6

300

мм. В

данном случае

мы

имеем дело

теплопровод-

ностью плоской стенки.

Количество тепла

передаваемое через один квадратный метр стенки,

прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности

разности темпе-

ратур наружных поверхностей стенки

обратно пропорционально толщине

стенки

б, т. е.

—^-

—

t%)

ккал/м

•

ч.

Для нашего случая

0,66

.._ , „_.,

0,66-50

,.„ , „

— ——

[15 —(—35)1

= — = 100 ккал м

-ч.

0,3 0,3

Поверхность стенки F=

-5 =

Количество тепла Q, теряемое через стенку, определяем по формуле

Q = qFz ккал,

где т — время, ч.

За 1 ч потеря тепла составит

100-50

5000 ккал/ч.

Пример

32.

Необходимо определить тепловые потери

на

погонном

метре трубопровода

внутренним диаметром трубы

rfi =

160

мм,

внешним

диаметром d

=170

мм,

покрытого двухслойной изоляцией. Толщина первого

слоя изоляции б

=30

мм,

второго б

мм,

коэффициенты теплопроводности

трубы

?ч

50;

первого слоя изоляции Я2=0,15

второго слоя

= 0,08 ккал/м

•

град.

Температура внутренней поверхности трубопровода

^ =

300°

С и

внешней

поверхности изоляции ^

=50°С.

Величина теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку

определяется соотношением

2зх

— 4)

— — - ккал/м-ч.

rfo

__—_

rfj

Для нашего случая

di=0,16 м; d

=0,17 ж; d

=0,17+0,03+0,03=0,23 м; d

=0,23+0,05+0,05=

= 0,33 м.

In ^- = 0,06; In ^- = 0,302; In ^-=0,362;

di d

2-3,14(300 — 50) 1570

о = -— = = 240 ккал/м

•

ч.

0,06 0,302 . 0,362 6,5512

50 0,15

0,08

В том случае, если толщина отдельных слоев трубы настолько мала, что

выдерживается соотношение' <2, то можно применить упрощенную

формулу

'ч"ли ^Фтг '

з"тз

где 5i — толщина слоя трубы;

di + d^j

i — средний диаметр слоя, равный

—

i + \

В нашем случае для всех трех слоев <2, поэтому можно приме-

нить упрощенную формулу

160+170 ,„ , 170 + (170 + 2-30) ...

= = 165 мм; d

= = 200 мм;

230 +(230 + 2-50)

оол

-г -on кп .

= —• = 280 мм; о

= 5 мм; о

= 30 мм; о

•..- 50 мм.

3,14(300 —50)

q = - - = 242 ккал/м

•

ч.

0,005 0,03 0,05

50-0,165 0,15-0,2 0,08-0,28

В данном случае применение упрощенного расчета дает ошибку

меньше 1,0%.

Пример 33. Необходимо определить значение эквивалентного коэффи-

циента теплопроводности сложной стенки, состоящей из железного листа тол-

щиной 10 мм и асбеста толщиной 40 мм. Коэффициент теплопроводности же-

леза Л

и асбеста Х

=0,16 ккал/м

•

град.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной стенки вво-

дят для упрощения расчетов. Его значение для двухслойной стенки опреде-

ляют по формуле

ккал/м-ч-град,

»2

где Д=61 +

— суммарная толщина стенки.

В нашем случае

, 0,01+0,04

эк

= ' =0,2 ккал/м-ч-град.

0,01 0,04

50 0,16

Пример 34. Определить тепловые потери через стенку вращающегося

шарообразного варочного котла, внутренний диаметр которого di—l,2 м,

а общая толщина стенки котла и слоя изоляции

= 100 мм. Температура

внутренней поверхности

£i

= 140°C и внешней ^2 =

40"

С; эквивалентный коэф-

фициент теплопроводности Я,=0,1 ккал/м-ч-град.

Количество тепла Q, проходящего через шаровую стенку, определяется

соотношением

Q =

TUAt

1 2

ккал/ч,

где At-—разность температур внутренней и внешней поверхности шара;

rfi — внутренний диаметр котла;

— внешний диаметр котла;

6 — толщина стенки котла;

= d, + 26= 1,2 + 0,2= 1,4 м; Q =

14-0

100

'' '

=528 ккал/ч.

0,1

Если эти потери отнести к единице внешней поверхности

F=nd\

то получим

q = = = 85 ккал/м

-ч.

Ы\ 6,16

РАСЧЕТЫ ОБЪЕМА БАССЕЙНОВ ДЛЯ ВОЛОКНИСТЫХ МАСС

При всех процессах целлюлозно-бумажного производства

применяются бассейны для хранения волокнистой массы в тече-

ние некоторого времени или получения каких-либо технологиче-

ских результатов, например определенной композиции массы, вы-

равнивания свойств массы по однородности, набухания волокна

и пр. Часто бассейны применяются для той и другой цели

одновременно.

В зависимости от технологического назначения бассейн может

заполняться и освобождаться периодически или непрерывно.

Концентрация массы в бассейнах наиболее часто бывает

2—6%.

Для соблюдения условий перемешивания массы и рас-

хода электроэнергии желательно, чтобы концентрация в бассейне

не превышала 4,5%, по условиям же экономии места целесооб-

разно иметь в бассейне массу максимальной из возможных для

технологического режима концентраций.

В последнее время применяют бассейны высокой концентра-

ции специальной конструкции, позволяющей хранить в них массу

концентрацией до 12%.

Во всех бассейнах для волокнистых масс предусматриваются

устройства для перемешивания, исключающего отстаивание

массы и осаждение волокон.

Конструктивно бассейны для волокнистых масс делятся на го-

ризонтальные и вертикальные, а по типу перемешивающих ус-

тройств — на лопастные, циркуляционные и пропеллерные.

Конструкция бассейнов зависит от их назначения, но наи-

большее распространение имеют горизонтальные бассейны с про-

пеллерными устройствами.

Определяющими факторами при расчете объема бассейна яв-

ляются максимальное количество массы, подлежащее хранению

в бассейне в единицу времени, и расчетное время нахождения

массы в бассейне. Эти факторы зависят от принятого для проек-

тируемого вида продукции технологического регламента.

Если заданы количество поступающей в бассейн массы в еди-

ницу времени и число часов хранения массы, то, принимая, что

1 т жидкой массы любой концентрации занимает объем 1 м

бассейна, необходимую емкость в кубических метрах опреде-

ляем соотношением

(100-

n)t ^

где

Q —

количество воздушносухой массы, т/ч;

п—влажность воздушносухой массы, % (обычно п= 12%);

—

время хранения массы, ч;

с — концентрация массы, %;

—

коэффициент, учитывающий неполноту заполнения

бассейна (обычно К

=1,2).

Объем бассейна обычно рассчитывают из условий прекраще-

ния поступления массы после заполнения бассейна или с учетом

перехода его на режим, при котором количества поступающей и

отбираемой массы равны.

Пример 35.

4,0

т/ч;

п=12%;

ч; с =

4%;

К=1,2;

'.['..

у=

4,0(100-12)3

17ж>-

Часто нужно бывает решить обратную задачу: определить время, на ко-

торое рассчитан запас массы в бассейне.

Например, требуется определить при тех же данных запас массы по вре-

мени, если объем бассейна равен 250 м

c 250-4 „ . „ ..

t = - = = 2,4 ч или 2 ч 24 мин.

Q (100 — п) К 4(100—12)1,2

Подобную задачу приходится решать при унификации бассей-

нов.

Большое разнообразие размеров бассейнов в составе одного

производственного потока, а иногда и в составе одного предприя-

тия,

затрудняет их изготовление, целесообразную компоновку и

последующую эксплуатацию, ремонт и др. В связи с этим стре-

мятся их унифицировать, с тем чтобы максимально сократить

количество их типоразмеров. Покажем это на примере.