Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗУ ЧЕНИЮ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ ВЫПАРИВАНИИ ВО ДЫ И РАСТВОРОВ В ТРУБАХ ВЫПАРНЫХ АППАРА ТОВ
1.1 Аппаратурное исполнение станций для выпаривания отработанных растворов целлюлозного производства
1.2 Теплообмен при кипении восходящего потока воды в трубах
1.2.1 Механизмы кипения в условиях восходящего потока и интенсивность теплообмена, усредненная по поверхности трубы
1.2.2 Классификация восходящих режимов течения 25
1.2.2.1 Теплообмен в зоне пузырькового кипения 25
1.2.2.2 Теплообмен в зоне дисперсно-кольцевого течения жидкости
1.3 Нисходящее течение жидкости в трубе. Классификация режимов течения
1.3.1 Гидродинамические режимы течения падающей пленки 32
1.3.1.1 Ламинарный режим 32
1.3.1.2 Волновое течение 34
1.3.1.3 Турбулентное течение 35
1.3.2 Средняя толщина квазистационарной пленки 36
1.3.3 Влияние теплового потока на режимы парообразования в пленке
1.3.3.1 Теплоотдача при нагреве пленки в условиях ее течения по вертикальной поверхности
1.3.3.2 Теплоотдача при поверхностном испарении пленки, нагре той до Тн
1.3.3.3 Теплоотдача при пузырьковом кипении в пленке жидкости
1.3.3.4 Кризисные явления в пленке жидкости при теплообмене 44
1.3.3.5 Другие факторы, влияющие на теплообмен при гравита ционном течении пленки
1.4 Теплообмен при кипении растворов 53
1.4.1 Теплообмен при кипении отработанных растворов ЦБП 55
1.4.1.1 Физические свойства черных сульфатных щелоков 55
1.4.1.2 Характеристика и состав предгидролизата 60
1.4.1.3 Накипеобразование в трубах выпарных аппаратов ЦБП 62
1.4.2 Анализ работ по теплообмену при кипении отработанных растворов ЦБП
1.5 Тепломассообмен при конденсации парогазовой смеси на вертикальных пучках кипятильных труб выпарных аппаратов
Выводы по анализу рассмотренной литературы и постановка задач работы
Глава 2 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК ЦБП
2.1 Методика проведения теплотехнических исследований теплообмена на выпарных станциях
2.2 Исследования теплообмена на выпарных станциях ЦБП 73
Выводы 77
Глава 3 КОНСТРУКЦИИ ОПЫТНЫХ СТЕНДОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Анализ процесса теплообмена; планирование теплотехнического эксперимента
3.2 Стендовая установка для исследования теплоотдачи и гидродинамики восходящего потока кипящей жидкости
3.2.1 Описание стендовой установки для восходящего потока кипящей жидкости
3.2.2 Методика проведения опытов и обработки опытных данных при исследовании теплоотдачи к восходящему потоку
3.2.3 Тарировка стендовой установки на воде для восходящего потока
3.3 Экспериментальная установка для исследования гидроди-намики гравитационно стекающей пленки жидкости; мето дика эксперимента
3.3.1 Описание установки для исследования гидродинамики стекающей пленки
3.3.2 Метод меток для исследования скоростей в пленке воды 98
3.4 Экспериментальная установка для исследования теплоот дачи к стекающему потоку
3.4.1 Описание установки для исследования теплоотдачи к стекающему потоку
3.4.2 Методика определения локальной теплоотдачи и длины начального участка
3.4.3 Определение температуры стенки и вычисление коэффи- ПО циентов теплоотдачи
3.4.4 Тарировка установки для исследования теплоотдачи к стекающему потоку
3.4.5 Оценка погрешностей эксперимента 114
3.5 Стенд для исследования процесса накипеобразования в ки пятильных трубах выпарных аппаратов ЦБК
Экспериментальный выпарной аппарат с падающей плен кой
Выводы
Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПЕННЫХ РАСТВОРОВ В ТРУБАХ ПОД НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
4.1 Восходящий поток кипящей жидкости в трубах.
4.1.1 Изменение коэффициента теплоотдачи по длине кипятильной трубы при различных гидродинамических и тепловых режимах
4.1.2 Основные режимы течения двухфазных потоков при кипении пенных растворов
4.1.3 Теплоотдача к кипящим растворам при пузырьковом режиме течения
4.1.4 Теплоотдача к кипящим растворам при эмульсионном (пенном) режиме кипения
4.1.5 Теплоотдача к кипящим растворам при дисперсно-кольцевом режиме течения
4.1.6 Анализ результатов исследований теплообмена при восходящем парожидкостном потоке
4.2 Гравитационное течение жидкости
4.2.1 Визуальные наблюдения
4.2.1.1 Опыты на воде
4.2.1.2 Опыты на черном сульфатном щелоке
4.2.2 Исследования гидродинамики пленки
4.2.3 Исследование теплообмена в пленке жидкости
4.2.3.1 Конвективный теплообмен при нагревании воды
4.2.3.2 Теплообмен при поверхностном испарении воды
4.2.3.3 Теплообмен при нагревании и испарении щелока
4.2.3.4 Влияние плотности теплового потока на теплоотдачу к пленке жидкости
Локальная теплоотдача и участок стабилизации
Выводы
Глава 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА НАКИПЕОБРАЗО-ВАНИЯ НА ВЫПАРНЫХ СТАНЦИЯХ ЦБК
5.1 Методика проведения опытов
5.2 Исследование режимов работы выпарных батарей для определения термического сопротивления накипи
5.2.1 Исследование режимов работы выпарных батарей картон-но-бумажного производства Котласского ЦБК
5.2.2 Исследование режимов работы выпарной батареи ТЕС-Ш Котласского ЦБК
5.3 Интенсивность изменений режимов работы выпарных станции
5.4 Продолжительность работы выпарных батарей между промывками
Выводы 182
Глава 6 КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ НА ПУЧКАХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБ
6.1 Термические сопротивления передаче теплоты при кон денсации
6.1.1 Термическое сопротивление при пленочной конденсации неподвижного пара
6.1.1.1 Результаты исследования гидродинамики и теплообмена при течении водяной пленки
6.1.1.2 Влияние касательных напряжений на границе раздела фаз 190
6.1.2. Термическое сопротивление фазового перехода 192
6.1.3. Диффузионное термическое сопротивление 194
Выводы 198
Глава 7 ОПТИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ВЫПАРИВАНИИ
7.1 Зависимость оптимального кажущегося уровня заполнения кипятильной трубы от скорости питания и тепловой нагрузки
7.2 Зависимость интенсивности теплообмена от истинного па росодержания и влагосодержания кипящего потока
7.3 Зависимость интенсивности теплообмена от массового расходного паросодержания
7.3.1 Механизм кризиса теплообмена первого рода до точки инверсии
7.3.2 Механизм кризиса теплообмена первого рода за точкой инверсии
7.4 Влияние плотности теплового потока на интенсивность на кипеобразования в условиях пленочного течения жидкости
7.5 Зависимость интенсивности теплообмена от условий выпаривания
7.6 Перспективы конструктивного развития выпарных аппаратов
7.7 Выбор оптимального количества ступеней выпаривания и распределение по ним поверхности испарения
7.8 Тепловой расчет выпарных станций 227
Выводы 229
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОМЫШЛЕННРСТИ
ЛИТЕРАТУРА 234
ПРИЛОЖЕНИЯ 263
Введение к работе
ЦБП имеет мощные теплоэлектростанции, крупные и дорогие водоподго-товительные сооружения, а также установки для очистки и обезвреживания сточных вод [161]. По потреблению тепла ЦБП занимает 4 место среди других отраслей промышленности, электроэнергии - 6, а по потреблению воды - 3. Расходы на цели энергетики составляют до 20 %.
Собственные ТЭЦ и котельные предприятий вырабатывают в настоящее время более 80 % всей потребляемой отраслью тепловой энергии и около 40 % всей потребляемой электроэнергии. Установленная мощность ТЭЦ достигла 20 млн. кВт. ТЭЦ ЦБП в виде топлива используют угли - 27 %, мазуты - 37 %, природный газ - 15 %, биотопливо в виде утилизируемых собственных отходов - 21 %: частично выпаренные черные сульфатные щелока; щепу; кору; опилки и другие вторичные энергоресурсы, за счет чего частично решаются задачи, возникшие после подписания Киотского протокола. Основной расход топлива направлен на производство тепловой (75 %) и электрической (17 %) энергии. На технологические цели расходуется до 6 % потребляемого топлива. До 2 % топлива расходуется на выработку тепловой энергии для коммунально-бытового потребления. Удельный расход топлива на выработку единицы тепловой и электрической энергии на энергетических ТЭЦ и котельных ЦБП вследствие большого количества устаревшего оборудования составляет «312 г/кВт ч или 782 кг/ГДж, что в два раза выше удельного расхода топлива на современных энергетических ТЭЦ.
Усть-Илимский; Братский; Сыктывкарский лесопромышленные комплексы; Котласский; Кондопожский; Сясьский; Архангельский; Соликамский; Све-тогорский, Балахнинский целлюлозно-бумажные комбинаты (ЦБК) потребляют до 50 % расходуемого тепла в отрасли, а 8 из них потребляют 50 % топлива и электроэнергии.
В составе различных производств ЦБК наиболее крупными потребителями электроэнергии являются следующие: бумаги -19,6 %; целлюлозы — 15,3 %; древесной массы - 13,6 % и разных видов картона - 7,1 %. Наиболее крупными потребителями тепловой энергии являются производства: целлюлозы - 36,1 %; бумаги - 15,9 %; картона - 8,5 %. На их долю приходится около 60,5 % всего расхода потребляемой тепловой энергии в отрасли. Данные, представленные в табл. 2 по производству основных видов продукции на примере ОАО «Архангельский ЦБК», подтверждают данное положение. Поэтому искать резервы повышения эффективности производства, интенсификации производственных процессов, экономии, в том числе электрической и тепловой энергии, устранять ее потери, лишние расходы необходимо, прежде всего, в этих производствах.
Среди них, как следует из табл. 2, производство целлюлозы осуществляет главенствующую роль. Исходя из этого, в работе рассматривается один из элементов целлюлозного производства.
В реальных эксплуатационных условиях все технологические и энергетические процессы являются взаимосвязанными. Поэтому совершенствование взаимосвязей между энергетикой и технологией производственных процессов должно в значительной мере способствовать качественному ведению технологического процесса, рациональному использованию топливно-энергетических и вторичных ресурсов, улучшению экологической обстановки и снижению себестоимости продукции. С помощью этих взаимосвязей на базе глубокого изучения тепловых и технологических процессов в ЦБП должно создаваться новое, экономически эффективное высокопроизводительное технологическое оборудование и осуществляться модернизация существующего. В соответствии с этим, работа выполнялась в рамках региональной программы фундаментальных и прикладных исследований по проблеме комплексного использования и воспроизводства лесных ресурсов на 1965- -1990 г.г. АН СССР по теме «Исследование процессов и разработка новых видов оборудования для производства бумаги и картона»; в рамках общесоюзной научно-технической программы Минлеспрома СССР по созданию и внедрению новой техники и технологии и государственной научно-технической программы "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" 1991 -г-1996 г.г.
В настоящее время в мировой практике в основном применяются сульфатный (щелочной) и сульфитный (кислотный) способы получения целлюлозы. В основу сульфатного способа положен замкнутый цикл оборота химикатов в производстве, что обеспечивает значительно лучшие экономические и экологические показатели. Кроме того требования к сырью при сульфатном способе производства целлюлозы значительно мягче. Поэтому доля сульфатной целлюлозы от общего объема ее производства в настоящее время составляет более 85 %. В соответствии с этим в данной работе рассматриваются процессы, касающиеся сульфатного способа производства целлюлозы.
Отработанные в процессе сульфатной варки древесины варочные щелока (черные) проходят цикл подготовки и регенерации, включая выпаривание, где подвергаются ряду последовательных физических и химических превращений. В конце цикла получают белый щелок - исходный продукт, вновь используемый при варке. При этом выпарные станции (ВС) являются первым звеном в цикле регенерации, вносящим свой вклад в снижение затрат на химикаты и улучшение экологических показателей. ВС обеспечивают повышение концентрации черных сульфатных щелоков до максимально возможной по условиям циркуляции, при которой щелока используются одновременно в виде биологического топлива и регенерируемого вещества в топках содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). Удаление ВС максимального количества воды (повышение концентрации) из щелока значительно улучшает процесс сгорания его органической части в топках СРК. Этим обеспечивается нормируемая экологическая обстановка в регионе вследствие резкого снижения серосодержащих выбросов с дымовыми газами.
Кроме того, ВС со всеми своими коммуникациями представляют на комбинатах определенного рода сборные (буферные) емкости для отработанных варочных растворов. Поэтому выпаривание щелоков осуществляется непрерывно вне зависимости от ритма работы основного потока предприятия. Таким образом, ВС является и стабилизирующим звеном в технологической цепочке предприятия.
Следовательно, бесперебойная, эффективная и надежная работа ВС, представляющих собой крупные самостоятельные технологические подразделения, обеспечивают бесперебойный кругооборот химикатов, участвующих в процессе производства целлюлозы (рис. 2), снижение себестоимости выпускаемой продукции; улучшение экологической обстановки региона; а также устойчивость производственного цикла комбината в целом.
выпаривания. Ее термическое сопротивление теплопередаче достигает 50 % и более от общего [57, 239]. Соотношение между отдельными составляющими общего термического сопротивления теплообмену имеет большое значение для анализа влияния различных факторов на интенсивность теплопередачи. Эти соотношения постоянно меняются для всех корпусов ВС в зависимости от продолжительности их работы вследствие постепенного увеличения термического сопротивления накипи. Периодическая химическая очистка поверхности теплообмена выпарных аппаратов (ВА) обуславливает необходимость поочередного их выведения из технологического режима, что снижает производительность ВС. Стремление увеличить продолжительность работы ВА между промывками при относительно малых температурных напорах определяет применение больших поверхностей теплообмена ВА и их работу при относительно низких значениях тепловых нагрузок (5 +15)-103 кВт. Малые полезные температурные разности 1ST = tsp — ввт и температурные напоры определяются не параметрами греющего пара, которые могут быть легко повышены, а ограничивается допустимой по технологическим условиям температурой кипения раствора. Ее превышение приводит к разложению щелоков с выделением летучих серосодержащих элементов. Поэтому локальные ухудшения теплообмена и, связан ные с этим, повышения средних и локальных значений температур раствора, допустимых с точки зрения общей интенсивности теплопередачи, могут оказаться крайне нежелательными. Температура вторичного пара из последнего корпуса определяется технико-экономическими возможностями конденсатора. При этом полезная разность температур, приходящаяся на один корпус, составляет 7 -fl5°C.
В настоящее время практически на всех предприятиях сульфат-целлюлозного производства установлены ВС, укомплектованные пятью -девятью вертикальными длиннотрубными ВА. На отдельных станциях установлены концентраторы различных конструкций, в том числе с гравитационным течением выпариваемого раствора и пластинчатой поверхностью теплообмена. Размеры суммарной поверхности теплообмена ВС в зависимости от конструкции аппаратов и тепловых схем лежат в пределах от 10000 до 30000м2. К рациональным конструкциям (ВА) предъявляются высокие требования с точки зрения стоимости их изготовления, технологической надежности и интенсивности процесса теплопередачи. Удовлетворение этим требованиям возможно только при наличии надежных данных и закономерностей по теплообмену в ВА.
Процесс выпаривания отличается значительной сложностью, поскольку представляет комплекс разнородных и по своей природе трудно исследуемых явлений. Интенсивность выпаривания определяется свойствами щелоков, конструктивными особенностями аппаратов, совокупностью явлений теплообмена при кипении, конденсации, режимными гидродинамическими характеристиками, отложением накипи на поверхности теплообмена и многими другими факторами. Многие режимные параметры и конструктивные факторы влияют на отдельные стороны процесса выпаривания в противоположных направлениях [257, 278]. Поэтому для изучения этих явлений в чистом виде необходимо устранить влияние множества факторов путем поочередного, отдельного их изучения. В этих условиях проявляется необходимость применения точных методов измерений, достижимых лишь в лабораторных условиях.
Несмотря на очевидную технологическую и экономическую актуальность проблемы интенсификации выпаривания за счет снижения интенсивности на-кипеобразования в настоящее время в ЦБП практически полностью отсутствуют научно обоснованные методы борьбы с накипью, расчеты и планирование периодичности промывки ВА. Это обусловлено сложностью исследования данных вопросов неразрывно связанных с изучением механизма теплообмена и гидродинамики при кипении сульфатного щелока и других отработанных растворов ЦБП, конденсацией парогазовой смеси. Практически отсутствуют данные, характеризующие процесс кипения щелочных растворов в длинных трубах ВА ЦБП, а имеющиеся отдельные разработки при выпаривании некоторых растворов носят частный характер, отличаются большой противоречивостью, сдерживая тем самым увеличение производительности по выпуску целлюлозы
Для условий оптимального режима при кипении в трубах, рядом исследователей на основании теории подобия получены полуэмпирические критери альные зависимости. Анализ литературных данных [221] показал, что большинство работ по исследованию теплообмена при кипении жидкостей выполнено применительно к чистой воде. Часть работ проведена на растворах, главным образом сахарных. В обоих случаях в основу обработки данных положены закономерности кипения чистых жидкостей. Распространение зависимостей, полученных для конкретных сред и условий, на область кипения сульфатных щелоков и других подобных растворов не правомерно. В весьма ограниченном количестве работ по теплообмену при кипении отработанных пенных растворов ЦБП [227] отсутствуют достаточно надежные рекомендации для расчета и регулирования режимов работы выпарной аппаратуры ЦБП. На основе опубликованных данных вывести критерии моделирования В А не представляется возможным, поэтому наиболее достоверные экспериментальные данные в настоящее время могут быть получены только при исследовании процессов выпаривания отработанных растворов ЦБП в трубах натуральных, по отношению к промышленным ВА, геометрических размеров и в рабочем диапазоне режимных параметров.
На основании выше изложенного, вопрос интенсификации выпаривания при применении научно обоснованных методов снижения и устранения отложений накипи на основе разработанных закономерностей теплообмена и гидродинамики движения пенных двухфазных потоков при выпаривании многокомпонентных отработанных варочных растворов в кипятильных трубах ВА, является крупной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение, решение которой позволяет получить значительный экономический эффект в отрасли.
В соответствии с этим сформулированы основные цели и задачи работы:
1. Для выявления диапазона изменения режимных параметров, необходимых для моделирования и изучения процессов теплообмена в процессе выпаривания черных щелоков, провести многоплановые промышленные испытания различных выпарных станций ЦБП.
2. Создать исследовательский комплекс и методику проведения лабораторных и натурных испытаний, как основу системы научных исследований процессов теплообмена в ВА.
3. Разработать физическую модель движения многокомпонентных пенных двухфазных парорастворных потоков в кипятильных трубах ВА в условиях восходящего и гравитационного течения.
4. Изучить механизм теплообмена на отдельных стадиях испарения воды из раствора, выявить условия стабильности отдельных характерных зон в испарительных трубах и разработать на основе экспериментальных данных и их анализа расчетные зависимости для определения интенсивности теплообмена в этих зонах.
5. Изучить процесс конденсации пара из парогазовой смеси на вертикальных трубах ВА и разработать на основе экспериментальных данных и их анализа расчетные зависимости для определения интенсивности теплообмена.
6. Определить оптимальные параметры тепловых и гидродинамических режимов, определяющих максимальные значения коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации с обеспечением длительной работы ВА в условиях минимального накипеобразования и высокой производительности станций.
7. Создать программный метод теплового расчета выпарных станций.
В соответствии с общими задачами работа состояла из комплекса частных исследований. При изучении теплопередачи, к примеру, главное внимание уделялось трем основным по своему значению проблемам: теплообмену при кипении и испарении воды из вязких растворов и, неотъемлемой составляющей этих процессов, термическому сопротивлению накипи, отдельным составляющим термического сопротивления при конденсации парогазовых смесей.
Все исследуемые процессы в значительной степени определяются гидродинамикой движения потоков, поэтому большое внимание было уделено исследованию общих закономерностей течения двухфазных потоков при низком давлении и повышенной вязкости многокомпонентных растворов.
Полученные данные дали возможность изучить основные процессы выпаривания растворов, предложить параметры для их контроля с целью оптимизации работы ВС и уточнить методику для расчета и проектирования ВС. Все это позволило и позволит при широком внедрении результатов работы стабилизировать работу целлюлозно-бумажных предприятий, увеличить их производительность при одновременном улучшении экологических показателей работы.
