Котлы сульфитной и сульфатной варки целлюлозы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Университет промышленных технологий и дизайна

Заочное отделение

РЕФЕРАТ

Котлы сульфитной и сульфатной варки целлюлозы

1. Типы котлов сульфатной и сульфитной варки целлюлозы

Для производства целлюлозы , согласно действующему ОСТ 26-08-328-79 , в промышленности России изготавливают два типа котлов и принято два их обозначения: КВСа и КВСи. Для сульфатного с предгидролизом способов варки предусмотрено три типа размера : 100,140,200 м3 в двух исполнениях :I- из углеродистой стали для сульфатного производства целлюлозы и полуцеллюлозы;II - из двухслойной коррозионной стойкой стали для сульфатного с предгидролизом производства целлюлозы.

Пример обозначения варочного котла типа КВСа объемом 140м3из углеродистой стали: КВСа 140-IОСТ 26-08-328-79

Пример обозначения варочного котла типа КВСа объемом 140 м3 изиз двухслойной коррозийной стойкой стали: КВСа 140-II ОСТ 26-08-328-79

Основные размеры котлов типа КВСа приведены в табл.1.АДиаметр (D) цилиндрической части котла колеблется в зависимости от ёмкости от 3600 до 4500 мм , высота (H) от 13300 до 16900 мм. Радиус перехода цилиндрической части к конической равен радиусу цилиндрической части котла. Диаметр верхней горловины(d)= 800 мм, диаметр нижней части горловины (d1) =700 мм. ОтношениеH/D , как 3,70-3,75

Табл.1.А. Котлы типаКВСа исполнения IиII(размеры даны в мм ).

Для сульфитного производства целлюлозы и полуцеллюлозы предусмотрен тип котлов КВСи с пятью различными ёмкостями : 160,200,250,320,400 м3 .Материал корпуса изготовляется из двухслойной стали (биметалла) и коррозионной стойким плакирующим слоем, а основной слой из углеродистой стали.

Пример обозначения варочного котла типа КВСи объемом 200 м3 , давлением Ру = 1,0 МПа :КВСи 200-1,0 (ОСТ 26-08-328-79)

Диаметр цилиндрической части в зависимости от ёмкости котла в пределах от 5 000 мм до 6 400 мм, высота от 12 900 мм до 18 500 мм ,Радиус перехода цилиндрической части к конической равен радиусу цилиндрической части, диаметр верхней горловины(d) от 800 мм до 1000 мм ,диаметр нижней горловины (d1) - 800 мм, отношение H/D, как 2.58 - 2,98. Основные размеры котлов КВСи приведены в табл. 1.В.

котел варочный сульфитный целлюлоза

Табл.1.В. Котлы типа КВСи для сульфитного и бисульфитного способов варки целлюлозы (размеры даны в мм)

Котлы типа КВСа отличаются от КВСи отношениемH/D; первые более вытянутые, относительно более высокие, максимальная ёмкость у них 200 м3. Котлы типа КВСи с максимальным объёмом ёмкости 400 м3. Различие в ёмкостях объясняется тем, что котлы типа КВСа имеют короткий цикл варки ( 4 - 6 ч.), а котлы КВСи от 8 ч. до 12 ч. При увеличении объёма котла типа КВСа увеличивается время загрузки , выгрузки и продолжительность нагрева содержимого котла, т.е. увеличивается время, не связанное с процессом варки. С увеличением объёма котла типа КВСи более 400 м3 снижается эффективность его работы из-за увеличения времени загрузки , выгрузки и продолжительности нагрева содержимого котла. Чем больше емкость котла, тем меньше удельные расходы на металл для изготовления корпуса , монтаж корпуса, на здания и сооружения, различные коммуникации , систему АСУ ТП и КИП , на зарплату персонала занятому при этом и др. Опыт показал при эксплуатации варочных котлов, что существует предельная емкость котлов , выше которой экономическая эффективность снижается. При замене старых котлов на новые допускается , технически обоснованно случаях ,применять нестандартные габариты котлов, принятых по ОСТ 26-08-328-79 , с отклонением до ± 25% , за счет изменения высоты цилиндрической части котла и изготовление верхнего днища полусферическим.

2. Котлы для варки сульфитной целлюлозы

В варочных цехах целлюлозных заводов применяются котлы с различной формой корпуса. Самые распространенные формы корпуса котлов представлена на рис.1

Рис. 1

На рис. 1. показана форма корпуса котла старой конструкции. Недостатком этой конструкции является то, что при заполнении котла щепой в верхней части котла остается пространство, не заполненное щепой.

Для его заполнения щепу приходится разгребать к стенкам вручную, это трудоемкая операция, требующая значительных затрат времени. При разгрузке таких котлов такого типа в нижнем сферическом днище остается сваренная целлюлоза, особенно когда удаление целлюлозы производится выдувкой.

На рис. показана форма корпуса котлов современной конструкции. Корпус состоит из верхней конической части с углом раскрытия 90° , что согласуется с углом естественного откоса щепы, равным 45-55° и позволяет полностью заполнить верхнюю часть котла щепой даже без применения парового уплотнителя. Верхний конус соединятся с цилиндрической частью котла с помощью тороидального перехода, позволяющего избежать дополнительных напряжений в корпусе котла от действия краевой силы и момента, которые возникают в месте сочленения, результате различной способности к деформации под действием внутреннего давления. Соединение цилиндрической части с нижним конусом производиться так же тороидальным переходом. Нижний конус имеет угол раскрытия 60° , что обеспечивает полное удаление из котла сваренной целлюлозы.

На рис. показана форма корпуса котла современной конструкции, отличающаяся от предыдущих тем, что заборное сито циркуляционно-подогревательной системы располагается вровень с внутренней поверхностью котла, благодаря чему полезный объем увеличивается на 1-4 м3 и увеличивается выход целлюлозы за варку (на 80- 300кг).

Основной характеристикой котла является его объем нетто, т.е. полезный объем, при вычислении которого не учитывается пространство, занимаемое ситами циркуляционно-подогревательной системы. При модернизации варочных котлов допускается применение промежуточных объемов за счет уменьшения высоты цилиндрической части котла. Второй характеристикой котлов является отношение высоты к диаметру. Высота котла - это расстояние между верхним и нижним фланцами котла. Для котлов, предназначенных для варки сульфатной целлюлозы, H/Dв пределах от 2,50 до 2,98.Большое отношение характерно для котлов меньшей емкости с более коротким циклом варки, в частности, для варки жесткой целлюлозы.

3. Расчет корпуса котла на прочность

Расчет элементов корпуса котла на прочность производиться по ГОСТ 14249- 80 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность ». ГОСТ применим при условии, что отклонения от геометрической формы и не точности изготовления элементов не превышают допусков по нормали МН 72-62 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования».

Материалы корпуса котла должны удовлетворять техническим условиям и стандартам , а их механические характеристики должны быть подтверждены сертификатами заводов-поставщиков.

Варочные котлы относятся к тонкостенным сосудам , т.к. отношение Dнар.. /Dвн<1,2 , при этом считается, что напряжения в стенке котла распределяется по толщине равномерно. Расчет, согласно ГОСТ, производится по третьей теории прочности ( в Швеции и Финляндии- по четвертой теории прочности).

Толщина стенки цилиндрической части котла рассчитывается по формуле:

PD

S = --------------------------+C+C

где P- расчетное давление;

2?[?] -PD - внутренний диаметр котла;

? - коэффициент прочности продольного сварного шва. Для двустороннего шва котлов ? = 0,95

[?] - допустимое напряжение.

Оно определяется по формуле:

[?] = ??*

где ?*- нормативное допускаемое напряжение, выбираемое из таблицы ГОСТа в зависимости от материала и температуры корпуса;

?- поправочный коэффициент , учитывающий условия эксплуатации сосуда, взрыво- пожаро-опасность и токсичность обрабатываемой среды. Значения коэффициента от 0,85 до 1,0 определяется проектирующей организацией. Для варочных котлов коэффициент ?принимается равным 1,0 ;

С - прибавка на коррозию, назначаемая с учетом скорости коррозии и срока службы сосуда,

С = V?

где V - скорость коррозии , мм/ год, выбираемая из справочников;

? - срок службы сосуда. Для варочных котлов расчетный срок службы принимается равным 22 годам, т.е. сроку амортизации котла;

С1 - прибавка по технологическим , монтажным и другим условиям.

Под рабочим давлением в сосуде принимается максимальное избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительных устройств.

Расчетным, как правило , является рабочее давление. Гидростатическое давление столба жидкости при определении расчетного давления учитывается, если оно превышает 5% рабочего. При расчете цилиндрической и конической части котла гидростатическое давление следует учитывать. Котлы рассчитываются на максимальное давление 1,2 МПа.

Для котлов , изготовленных из биметалла, т. е . из основного слоя стали 20К и слоя нержавеющей стали - прочно соединенных металлургическим способом, прибавка на коррозию принимается равной толщине слоя нержавеющей стали 4 - 6 мм. Она используется также для округления расчетного размера до ближайшей стандартной толщины листа.

Расчет толщины конических частей котла производится по следующим формулам:

PDy

S1 = -------------------------- +C+C1;

4?[?]

PDp

S2 = -------------------------- +C+C1 ,

2cos?(?[?] - P)

где: у -коэффициент формы днища , выбираемый из графика ГОСТа в зависимости от отношенияr / D и угла ?(рис.3).

При r / D=0,5 и ?= 300 (нижний конус) у = 1,1.

При r / D=0,5 и ?= 450 (верхний конус) у > 1,1.

Рис.2. Коническое днище с тороидальным переходом

В качестве окончательной толщины стенки конической части выбирается наибольшее из полученных значений. В приведенных формулах Dp- расчетный диаметр для днищ с тороидальным переходом, вычисляется по формуле:

Dp = D - 2[r (1-cos?)+10 S sin? ]

Прибавки С и С1 принимаются так же ,как и при расчете цилиндрической части котла.

С целью экономии металла расчет толщины конических частей обычно производится в нескольких местах по длине образующей, поэтому котел имеет различную толщину стенки по высоте.

3. Биметаллические варочные котлы

С целью экономии Первоначально внутренняя поверхность котлов для варки сульфитной целлюлозы защищалась свинцовыми листами, позже в начале ХХ в., стали применять для защиты - керамические плитки. С 1960 г. в нашей стране устанавливаются только биметаллические котлы, которые имеют следующие преимущества перед футерованными :

1. Увеличение рабочего объема котла, а следовательно, и производительности на 10-15% за счет отсутствия футеровки.

2. Увеличение плотности загрузки щепой на 10-20% благодаря тому, что щепа хорошо скользит по гладкой внутренней поверхности котла.

3. Уменьшения объема ремонтных работ.

4. Снижение массы варочной установки в 1,7-1,8 раза.

5. Уменьшение загрязнения целлюлозы минеральными включениями.

Однако стоимость биметаллических котлов на 85% выше обмурованных.

В настоящее время котлы из биметалла изготовляют марки 20К+0Х17Н16МЗТ. Зарубежные фирмы применяют взамен основного слоя из стали 20К низколегированную сталь типа 16ГС (добавка марганца и кремния). Толщина слоя нержавеющей стали составляет 3- 6 мм. Одним из основных требований к плакирующему слою является отсутствие межкристаллической коррозии, резко снижающей прочность металла и приводящей к преждевременному выходу котла из строя. Необходимо , чтобы слой нержавеющей стали содержал меньше углерода (0,06 - 0,08% ), так как такое снижение препятствует возникновению межкристаллической и других видов коррозии. В целях обеспечения более высокой стойкости плакирующего слоя биметалла , предназначенного для сульфитварочных котлов, разработаны рекомендации по применению нержавеющих сталей следующих марок : 0Х23Н28М3Д3Т , 000Х16Н15М3 и 000Х21Н21М4Б. Эти стали имеют пониженное содержание углерода , так же добавки ниобия и ванадия, что препятствует возникновению в металле межкристаллической и точечной коррозии.

4. Арматура варочного котла

Для осуществления необходимых технологических операций варочный котел оснащается соответствующей арматурой .Верхняя горловина котла на время варки закрывается либо плоской крышкой ( рис.4) , присоединяемой к фланцу горловины откидными болтами , либо одним из типов механизированных крышек (6).Наиболее часто из механизированных крышек применяются крышки с пневмоприводом типа обратного клапана , когда крышка прижимается к уплотняющей поверхности давлением в котле, крышки с байонетным затвором и крышки с шаровым клапаном.

В верхней горловине располагается сдувочная сетка (5) , препятствующая попаданию щепы в сдувочную линию (7) при заполнении котла кислотой и при проведении сдувок. Очистка сетки производится путем подачи пара в штуцер (4). Сетка изготавливается из нержавеющей стали с отверстиями диаметром от 6 до 8 мм.

В верхней части конуса располагается паровой уплотнитель щепы (8) , ниже - коллектор (3) , в который подается теплая вода для промывки котла после освобождения его от сваренной целлюлозы.

В верхнем конусе располагается разбрызгивающее устройство (2), в которое подается нагретая кислота из циркуляционно-подогревательной системы котла. В нижней части цилиндрической обечайки котла располагается заборное сито (9) циркуляционно-подогревательной системы . Кислота через штуцеры (20) отбирается насосом на подогрев.

Рис.3. Варочный котел с арматурой

Под ситом располагается коллектор и конические сопла (10) , через которые подается оборотный щелок для разбавления массы при выгрузки котла. Сопла расположены под углом 600и повернуты на 450 относительно вертикальной оси , что позволяет придать массе, находящейся в нижнем конусе, вращательное движение , способствующее более быстрой разгрузки котла. Штуцеры (12) служат для подачи пара в котел.

В нижней горловине расположено сито (19) , через которое подается циркуляционный щелок из штуцера (14) или оборотный щелок из штуцера (18) при опоражнивании котла.

Здесь же расположен штуцер (13) для подачи пара.

К нижней горловине присоединяется выдувное колено (15), на котором расположен штуцер (16) для подачи пара в случае образования пробки в нижней горловине. Там же - паровой штуцер (17) , через который подается толчками пар при образовании пробки из сваренной целлюлозы в выдувном колене или запорном клапане , который расположен после выдувного колена. Корпус (1) котла имеет четыре опорные лапы(11).

Циркуляционно-подогревательная система котла служит для выравнивания температуры и концентрации кислоты, поэтому реакции взаимодействия кислоты с древесиной протекают равномерно по всему объему котла. Это позволяет получать целлюлозу более равномерного качества и снизить количество непровара. Принципиальная схема циркуляционно-подогревательной системы показана на рис.4.

Рис.4. Циркуляционно-подогревательная система котла для варки сульфитной целлюлозы

В цилиндрической части котла циркуляция кислоты идет сверху вниз , а в нижнем конусе , чтобы уменьшить уплотнение щепы во время варки и улучшить условие удаления сваренной целлюлозы, снизу-вверх. В нижнюю часть котла подается не нагретая кислота. Это объясняется тем, что в нижней части котла давление больше за счет гидростатического столба жидкости, поэтому количество растворенного в кислоте SO2 ,больше , вследствие чего пропитка и варка здесь идут быстрее. Выравнивание скоростей процесса варки достигается за счет более высокой температуры в цилиндрической части котла , куда подается нагретая кислота. В нижний конус направляется примерно одна треть циркулирующего щелока, остальное через подогреватель идет в верхнюю часть котла. Кратность циркуляции варочной кислоты составляет 4-6 объемов котла в час и исходя из этого выбирается производительность циркуляционного насоса. Требуемый напор этого насоса составляет 20м . Заборное сито циркуляционно-подогревательной системы состоит из отдельных секций с длиной по хорде 600-650 мм и крепится к кольцу, которое приварено к внутренней поверхности котла. Сито имеет отверстия диаметром 6-8 мм, расположенные по вершинам равнобедренных треугольников , с шагом по окружности 10,2 мм. Подогреватели кислоты - двухходовые, с плавающей головкой, что позволяет избежать температурных напряжений в конусе подогревателя и греющих трубах. При эксплуатации подогреватель необходимо вводить в работу постепенно , нельзя сразу давать большой расход греющего пара, так как может произойти перекос плавающей головки в результате одностороннего нагрева трубок в верхней части и вырыв их из трубной решетки.

Размещено на Allbest.ur