Высшая школа технологии и энергетики

Направление подготовки (специальность)	13. 04. 01
«Теплоэнергетика и теплотехника» , «Тепломассобменные процессы и установки»
Кафедра	Промышленной Теплоэнергетики

Научно-исследовательская работа магистра

Магистрант
(фамилия, имя, отчество, подпись)
Научный руководитель проекта
Доктор тех. наук, профессор, Казаков Владимир Григорьевич
(ученая степень, звание, фамилия, имя, отчество)
Руководитель магистерской программы
Доктор тех. наук, профессор, Суслов Вячеслав Александрович
(ученая степень, звание, фамилия, имя, отчество)

Санкт-Петербург

2017 г.

Оглавление

Введение. 3

1. Аналитический обзор процесса выпаривания черного щелока по данным литературы и опытной эксплуатации. 5

1.1. Аппаратурно-технологическая схема батареи. 5

1.2. Анализ работы выпарной батареи по данным поверочного теплового расчета. 7

1.3. Основные показатели эффективности выпарной батареи. 10

2. Методика и проведение исследований. 12

2.1. Формирование критерия оптимальности. 12

2.2. Матрица планирования эксперимента. 12

2.3. Расчеты.. 13

2.4. Исследование регрессивного уравнения. 16

2.5. Расчеты на автоматизированной программе по Алгоритму Ионина. 17

3. Методика и проведение исследований. 24

3.1. Матрица планирования эксперимента в кодированных и натуральных значениях для ротатабельного центрального композиционного плана. 24

3.2. Расчеты критерия оптимальности и получение регрессивного уравнения. 26

3.3. Расчеты на математической модели влияния варьируемых переменных и их взаимодействий на критерий оптимальности. 57

3.4. Определение аналитического минимума критерия оптимальности. 63

Общие выводы по работе. 65

Список рекомендуемой литературы.. 68

Введение

Выпаривание– сложный технологический процесс частичного либо полного удаления жидкого растворителя в виде пара из водных растворов твердых веществ.

Выпаривание применяют для повышения концентрации растворов нелетучих веществ, выделения из растворов чистого растворителя (дистилляция) и кристаллизации растворенных веществ.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электро-обогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

В целлюлозно-бумажной промышленности при сульфатном способе производства целлюлозы из отработанных щелоков выпариванием удаляется избыток влаги для эффективного сжигания последних в содорегенерационных агрегатах.

По теплотехническим признакам выпарные станции ЦБП относятся к рекуперативным многостадийным вакуум-выпарным установкам с элементами адиабатного и контактного концентрирования и, как правило, работают по 5-6-ступенчатой противоточной или смешанной схеме питания корпусов раствором с использованием одного или нескольких источников подвода теплоты.

Для концентрирования растворов может быть применен периодический метод выпаривания, при котором исходным раствором заполняют выпарной аппарат, нагревают его до температуры кипения и выпаривают до конечной концентрации. Готовый продукт удаляют из аппарата, и процесс повторяется. Периодическое выпаривание применяют для получения малых, но разнообразных по свойствам количеств продукта.

Непрерывный метод выпаривания осуществляется в многоступенчатых выпарных установках, укомплектованных аппаратами поверхностного типа с использованием образующегося над раствором вторичного пара данной ступени в последующих ступенях с более низким давлением.

Температуру греющего теплоносителя и кипящего раствора в каждом отдельном случае выбирают с учетом свойств выпариваемого раствора, минимальной стоимости выпарной установки и наименьших эксплуатационных затрат.

В химической промышленности в основном применяют непрерывно действующие выпарные установки с высокой производительностью за счет большой поверхности нагрева (до 2500 м² в единичном аппарате).

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется пленочные выпарные аппараты с и «падающей» пленкой. Работа проведена по инициативе руководства ОАО «Святогорский ЦБК» в рамках разработки технических предложений по интенсификации работы выпарной станции завода.

В настоящее время при переработке технологической щепы на целлюлозу затрачивается большое количество энергии в форме тепла пара, топлива, электроэнергии.

В структуре себестоимости целлюлозы 50% затрат составляет исходное сырье и примерно 40% - энергозатраты. В себестоимости переработки технологической щепы статья энергозатрат составляет более 80%. Стоимость древесины и энергетических затрат непрерывно растет. Заводы по выпуску целлюлозы уже сейчас работают на уровне рентабельности, а некоторые - с отрицательной рентабельностью. Существующее положение отягощается негативными тенденциями снижения спроса на потребительском рынке. На процессы снижения стоимости древесины и энергии мы влиять не можем - они регулируются рынком. Работ, направленных на существенное снижение потребления древесины в процессе производства нам также не известны. В сложившихся условиях единственный путь повышения рентабельности производства целлюлозы является снижение энергозатрат в процессе производства. В этом состоит актуальность рассматриваемой проблемы.

Для решения этой проблемы необходимо проведение комплекса термодинамических исследований. На основе этих исследований формулируются требования к технологической схеме, обеспечивающие высокий термодинамический КПД системы при снижении количества, взаимодействующих материальных и тепловых потоков, а, следовательно, и низкий расход топлива.

Следует отметить, что в процессе создания такой схемы, во многом решается проблема экологической безопасности производства. В последнее время эта проблема является важнейшей. Отсутствие технических приемов ее эффективного решения является сдерживающим фактором для дальнейшего развития производства целлюлозы в нашей стране.

Целевойзадачей настоящих исследований является решениенаучно-технической задачи синтеза технологии теплоты в процессе переработки растворов черных сульфатных щелоков целлюлозного производства.

На основе термодинамических исследований, анализа эксплуатации выпарных установок в производстве целлюлозы и смежных отраслях техники, а также литературных данных ставится задача разработать инновационную технологию теплоты процесса выпаривания.