Исследование динамического режима работы питателя высокого давления при получении целлюлозы нерерывным способом

УДК 676.1.022.1: 688.743.55

В. П. Сиваков, А. В. Вураско, О. В. Стоянов ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПИТАТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НЕРЕРЫВНЫМ СПОСОБОМ

Ключевые слова: поток, площадь, каналы ротора, давление, скорость.

В работе рассмотрен технологический режим изменения плотности, скорости и давления суспензии в питателе высокого давления при получении целлюлозы непрерывным способом. Указанные характеристики рассчитаны в зависимости от площади открытия канала ротора. Из уравнения неразрывности потока определены скорости движения потока суспензии. Определение давление в каналах ротора производилось по уравнению Бернулли. Установлено, что фактическое давление при наполовину открытом канале ротора уменьшается не только от изменения площади поперечного сечения, но и от сопротивления дроссельных регулирующих устройств.

Keywords: stream, area, rotor channels, pressure, speed.

The paper discusses the technological regime changes of density, velocity and pressure of the slurry in the high pressure feeder when obtaining cellulose in a continuous way. From the equation of continuity of flow rate determined by the suspension flow. Determination of the pressure in the rotor channels produced by the Bernoulli equation. It is found that the actual pressure is half open, the rotor is not only decreases the channel by changing the cross-sectional area, but also on the resistance of the throttle control devices.

Введение

В настоящее время основное количество сульфатной технической целлюлозы получают в варочных котлах непрерывного действия. Наиболее распространенными в России являются установки фирмы «Камюр». К основным агрегатам этих установок относятся однососудные вертикальные гидравлические варочные котлы, непрерывно действующие линии загрузки сырья и химикатов, выгрузки целлюлозной массы. Одним из требований к непрерывным технологиям является постоянный и качественный подвод сырья и химикатов в систему и отвод целевых и сопутствующих продуктов. В установках «Камюр» для непрерывной загрузки щепы в верхнюю часть варочного котла используется система возвратной циркуляции с питателем высокого давления (ПВД). При этом ПВД является запорным устройством между варочным котлом с зоной высокого давления (1,0___1,3 МПа) и пропарочной камерой - областью низкого давления (0,07_0,2 МПа) [1]. Суспензия из варочного щелока и технологической щепы перекачивается по трубопроводу системы возвратной циркуляции, которая состоит из линии всасывания и линии нагнетания [2,3]. ПВД представляет собой непрерывно вращающийся двухходовый или четырехходовый ротор, в котором имеется камера с решеткой для поступления щепы и щелока.

Когда ротор повернут таким образом, что канал занимает вертикальное положение (рис. 1), в камеру поступает порция щепы и щелока, причем избыточный щелок фильтруется через решетку и возвращается насосом в верхний патрубок. При повороте ротора в горизонтальное положение (рис. 2), щепа из питателя вымывается струей щелока, подаваемого циркуляционным насосом, в котел.

Питатель вращается с числом оборотов 3_8 в 1 мин, но перерывы в подаче в продолжение каждого оборота приводят к изменению давления в нагнета-

тельном трубопроводе, гидравлическим ударам и даже авариям [2].

Рис. 1 - Поступление суспензии из варочного щелока и щепы в ПВД: 1 - питательная камера; 2 -корпус ПВД; 3 - патрубок для слива избытка щелока; 4 -циркуляционный насос; 5 - патрубок для поступления циркулирующего щелока в питатель; 6 - патрубок для соединения с варочным котлом; 7 - решетка

В предыдущих исследованиях [3-8] отмечено, что перемещение сырья из зоны низкого давления (0,2 МПа) в зону высокого давления (1,20_ 1,27 МПа) нагнетательной линии загрузочной циркуляции сопровождается гидравлическим ударом и возникновением пульсации давления в суспензии. Гидравлический удар и пульсация давления в суспензии вызывают перегрузку привода циркуляционного насоса, что негативно сказывается на стабильности загрузки варочного котла и может привести к нарушению непрерывности загрузки. Однако, режим пульсации давления, как в работах [4,9,10], так и других работах не исследован.

Таким образом, ограниченный уровень исследований технологических и динамических процессов режима подачи сырья из зоны низкого давления в

зону высокого давления требует детального изучения для повышения технологической надежности системы загрузки варочных котлов непрерывного действия.

^ = — = 1,88 или = 1,88 • Ух

У± 2,39 4,5 1

Рис. 2 - Поступление суспензии из варочного щелока и щепы в варочный котел

Целью данной работы является изучение технологических условий возбуждения пульсации давления в суспензии. В работе решаются задачи расчетного определения максимальных уровней скорости суспензии и амплитудных значений пульсации давления при выгрузке суспензии из ПВД в линию нагнетания загрузочной циркуляции варочного котла.

Расчетно-технологическая часть

При перемещении суспензии из зоны низкого в зону высокого давления происходит её разбавление щелоком загрузочной циркуляции от жидкостного модуля 4,5...7,9дм3/кг до жидкостного моду-ля20...30 дм3/кг. Технологическая щепа предварительно пропаривается при давлении 0,1 МПа в течение 3 мин и температуре 105 0С. Плотность пропаренной щепы из древесины ели как насыпного материала рн = 138 кг/м3[1]. Плотность пропаренной дре-

3

весины в пересчете на плотные м определяем по формуле

Рп = Рн^= 138^ = 418 кг/м3(1) где £ - коэффициент рыхления, £ = 0,33 [1];

Объем ) занимаемый 1 кг плотной древесины (^= 1 кг) определяем по формуле [1]

Уг =

= — = 2,39^10"3м3

418 '

где шпл - масса одного плотного м , шпл = 418 кг [1];

^пл - объем занимаемый шпл, = 1 м3.

Объем жидкости в суспензии при жидкостном модуле^4,5 равен К4,5= 4,5 дм3, масса щепы m = 1 кг.

Объем суспензии определим по формуле у4°5 = К4,5 + Уг = 4,5 + 2,39 = 6,89 • 10"3, м3 (3).

Отношение объемов жидкости и щепы с постоянными свойствами для одного жидкостного модуля суспензии величина постоянная:

После замены У43 на Уг формула (3) запишется в виде:

У4°5 = 1,88 • Уг + Уг = 2,88 • Уг.

Суспензия при выгрузке из ПВД в трубопровод разбавляется щелоком. При разбавлении жидкостный модуль увеличивается с ^4,5до ^20...^36. Определим объем суспензии ^р20 прижидкостном модуле^20= 20 дм3/кг по формуле: Ур20 = У20 + Уг = 20 + 2,39 = 22,39 дм3или0,22 м3

где У20 - объем щелока в суспензии, У20 =20 дм3.

Объем щелока, добавляемого насосом при разбавлении суспензии

Уо = ^р2о - У4% =22,39 - 6,89=15,5 дм3. (6) В типовой варочный котел подается технологическая щепа с расходом М = 1400 кг/час или 23,3 кг/мин. Производительность П тракта загрузочной циркуляции по суспензии с жидкостным модулем В20 определяем по формуле:

П = М'Ур20 = 23,3-0,22 = 5 1 _м! (7) т2 о 1 ' мин

где ш2о - минутная производительность по массе, кг

™20 = 1 -.

мин

м3

Производительность по суспензии П = 5,1 —,

мин

полученная на основании проведенных расчетов, использовалась в дальнейших вычислениях.

Режим перегрузки происходит с периодическими изменениями площади поперечного сечения открытых каналов ротора ПВД, скорости и давления потока суспензии.

Характеристики режима перегрузки суспензии типового тракта загрузочной циркуляции варочного котла изучали при следующих исходных данных:

- внутренний диаметр трубопровода ¿=0,25.0,30 м;

- плотность суспензиир = 1050.1100 кг/м3;

- давление суспензии на входе в ПВД Р1=1,27 МПа.

Определим скорость суспензии в де, :

4П

4-5,1

= 1,73 м/с,

^ 60 п-й2 60тс-0,252

где П - производительность, м3/мин;

й - внутренний диаметр трубопровода, м.

Канал ротора ПВД имеет площадь поперечного сечения такую же, как и трубопровод, следовательно, скорость суспензии в канале ротора (^р)и трубопроводе будет равна = = 1,73 м/с.

Перемещение суспензии в ПВД происходит с периодическим переключением одноканального течения на двухканальное. Общая площадь открытия каналов изменяется по схеме, приведенной на рис. 3.

На схеме выделено четыре характерных участка площадей. Отметим, что минимальная площадь (А2) равна 50% открытия одного канала ротора, максимальная площадь (А1) равна 100% открытия канала ротора.

Рис. 3 - Схема изменения площади открытых каналов ротора: 1 - минимальная площадь, 2 -участок увеличения площади, 3 - максимальная площадь, 4 - участок уменьшения площади

Скорость ш2 определим из уравнения неразрывности потока суспензии по формуле:

где А1и А2 - площади поперечных сечений при каналах ротора ПВД открытых на 100% и на 50% со-

2

ответственно, м .

А2 = - А, = - nd2,M2

z 2 ^ 8

При уменьшении площади с Ai до А2 происходит, по условиям непрерывности потока суспензии, увеличение скорости:

Ш2 = = 2шг = 2 • 1,73 = 3,5 м

Изменение скорости потока сопровождается не полным гидравлическим ударом [11], который возбуждает колебания конструкции системы циркуляции суспензии.

Для определения давления в канале ротора ПВД, открытом на А2=0,5А1 воспользуемся уравнением Бернулли [11]. Принимаем, что суспензия имеет постоянную плотность р=1100 кг/м3 и непрерывно течет через горизонтально расположенный ПВД.

По уравнению Бернулли имеем:

Р2 =Р1+^К-^22) ,МПа (11) где P1 - давление суспензии на входе в ПВД, МПа [4].

При подстановке значений параметров в (5) получим:

Р2 = 1,27 • 106 + ^(1,732 - 3,52) = 1,26 МПа.

Давление Р2 при наполовину открытом канале ротора ПВД снижается незначительно, вследствие малой скорости потока суспензии.

Для установления режима течения суспензии определяем критерий Рейнольдса и относительную шероховатость каналов ротора. Критерий Рейнольдса считаем по формуле:

Де„ = • d • — =

р 2 M

= 3,5 • 0,25 • 110° = 9,6 • 105

1,005 10_3

где л - динамическая вязкость суспензии, р =

о н-с

1,005 • 10-зН-с- [12].

Относительную шероховатость каналов ротора определяем по формуле:

0,5Ю_3 _ 0 ,, п_3

6 d

= 2-10"

где а - абсолютная шероховатость канала, для труб из стали, старых и загрязненных принимаем а= 0,5 мм [12].

Проверяем расчетный критерий Рейнольса на принадлежность автомодельному режиму течения суспензии. При автомодельном режиме течения суспензии критерий Рейнольдса ограничен неравенством:

560

Re > — =

560 2 10_3

= 2,8 • 105.

Из сравнения расчетного Дер и предельногойе следует, чтойер > Re, а поток суспензии относится к автомодельному режиму течения.

Ротор питателя при вращении изменяет поток суспензии в каналах подобно регулирующему клапану. Зависимость коэффициента сопротивления (£) дроссельных регулирующих клапанов от Дер приведена в [12]. Например, при повороте дискового дроссельного клапана на 450 поток суспензии перекрывается на 50% площади поперечного сечения канала ротора, а коэффициент сопротивления становится равным ^ = 16,5.

Фактическое давление в канале ротора открытом на 50% площади поперечного сечения с учетом потерь на преодоление местных сопротивлений определяем по формуле:

2

3,52

= 1,26 • 106 - 16,5 • 1100 • ^ = 1,15МПа

Давление Р2ф в канале ротора ПВД с учетом потерь на местных сопротивлениях снижается из-за возрастания скорости течения суспензии и сопротивления на входе в канал. Таким образом, перегрузка суспензии в питателе из зоны низкого в зону высокого происходит с пульсацией давления: Ар = Р1 - Р2ф = 1,27 - 1,15 = 0,12 МПа.

Изменения скорости потока и пульсации давления при перегрузке суспензии вызывают колебания конструкций системы циркуляции суспензии.

Выводы по работе

В ходе работы установлены следующие причины возбуждения пульсации давления суспензии, возникающей от гидравлического удара: снижение давления из-за возрастания скорости течения суспензии; увеличения местных сопротивлений на входе в канал. Показано, что течение потока суспензии в исследуемой системе относится к автомодельному режиму течения. С учетом потерь на местных сопротивлениях рассчитана величина пульсации давления равная 0,12 МПа.

Из анализа формул (11-15) следует, что пульсация давления является следствием технологического процесса выгрузки суспензии из ПВД. По условиям технологического процесса следует для снижения пульсации давления производить выгрузку при минимальных скорости ш и плотности р суспензии. Рекомендуется для снижения колебаний конструкции в системе циркуляции суспензии применять демпфирующие устройства в опорных конструкциях.

Литература

1. Технология целлюлозно-бумажного производства: Справочные материалы. В 3-х т. Т. 1. Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2. Производство полуфабрикатов. - СПб.: Политехника, 2003. - 633 с.

2. Ю.М.Непенин Технология целлюлозы, т. 2. Производство сульфатной целлюлозы: Учебное пособие для вузов. - М: Лесн.пром-сть,1990. - 600 с.

3. Г.А.Тордуа. Машины и аппараты целлюлозного производства: Учебное пособие для вузов. М.: Лесная промышленность, 1986. - 440 с.

4. И.К.Кашапов, И.А.Партин, В.П.Сиваков. К вопросу расчета мощности привода насоса высокого давления загрузочной циркуляции варочного котла. Материалы II Всероссийской отраслевой научно-практической конференции. - Пермь: Пермский ЦНТИ, 2014.- 135-138с.

5. В.П.Сиваков, В.Н.Микушина, А.В.Вураско, О.В.Стоянов, Ю.М.Гребенщиков. Применение трендо-вого анализа при диагностировании технического состояния оборудования. Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 2. С. 390-392.

6. В.П.Сиваков, И.А.Партин. Динамические процессы в питателе высокого давления при выгрузке. Известия

высших учебных заведений. Лесной журнал. 2011. № 1. С. 117-121.

7. В.П.Сиваков, И.А.Партин. Кинематические силы процесса выгрузки суспензии из питателя. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2013. № 1 (331). С. 153-158.

8. В.П. Сиваков, В.И.Музыкантова, Ю.М.Гребенщиков. Диагностирование засорения сит питателя высокого давления варочного котла. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2015. № 1 (343). С. 144-151.

9. В.П.Сиваков В.П., Е.Н.Степанова, А.В.Вураско, О.В.Стоянов. Кластерное диагностирование при комплексной оценке работоспособного состояния технического оборудования Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С. 357-358.

10. В.П.Сиваков, И.А.Партин. Критерии подобия модели деформации суспензии в питателе высокого давления. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2013. № 4 (334). С. 106-110.

11. А.Д.Альтшуль, П.Г.Киселев. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости). - М.: Госстройиздат, 1965. - 68-71с.

12. И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.- М.: Машиностроение, 2012. - 466 с.

© В. П. Сиваков - д-р техн. наук, проф. кафедры технической механики и оборудования целлюлозно-бумажных производств, Уральский государственный лесотехнический университет, Институт лесопромышленного бизнеса и дорожного строительства, sivakov@usfeu.ru; А. В. Вураско - д-р техн. наук, доцент, директор института химической переработки растительного сырья и промышленной экологии, зав. каф. технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, Уральский государственный лесотехнический университет, vurasko2010@yandex.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.

© V. P. Sivakov - Doctor of Technical Sciences, professor, Department of technical mechanics and equipment pulp and paper industries, Ural State Forest Engineering University, Institute of forestry business and road construction, sivakov@usfeu.ru; A. V. Vurasko - Doctor of Technical Sciences, professor, director of the Institute of chemical processing of vegetable raw materials and industrial ecology, Ural State Forest Engineering University, vurasko2010@yandex.ru; O. V. Stoyanov - Doctor of Technical Sciences, professor, head of Department of of Plastics Technology, KNRTU, ov_stoyanov@mail.ru.