СУХАЯ ПЕРЕГОНКА ДЕРЕВА ЛИСТВЕННЫХ И ХВОЙНЫХ ПОРОД

Ретортные холодильники

На всех благоустроенных заводах употребляются водяные .холо­дильники с постоянным притоком охлаждающей воды. Необходимым материалом для' устройства таких холодильников является красная медь, так как она, во 1-х, отличается очень большой теплопровод­ностью и, во 2-х, хорошо противостоит разъедающему действию уксусно­кислых паров; железо/для холодильников не употребляется, так как оно очень быстро разъедается уксусной кислотой.

Конструкция ретортных холодильников должна удовлетворять необходимому практическому требованию—удобной чистки их внутри, так как выделяющиеся из реторты смолистые вещества осаждаются па внутренней поверхности холодильных труб и, обладая малой тепло­проводностью, препятствуют успешной передаче тепла паров и газов омывающей с наружной стороны трубы холодной воде; иногда осаждаю­щиеся смолистые вещества накапливаются в таком количестве, что совсем закупоривают трубы?

Горячие пары и газы 'при выходе из перегонного аппарата по соединительной трубе поступают в холодильник, стенки которого, поглощая теплоту, конденсируют пары и охлаждают газы; поэтому очевидно, что успешность охлаждения будет зависеть от величины охлаждающей поверхности и от разности температур паров и газов а стенок холодильника; чем эта разность больше, т.-е. чем скорее стенки холодильника передают теплоту омывающей их снаружи воде, тем лучше действует холодильник. Отсюда понятно также, что чем холоднее вода и чем'быстрее нагретая вода сменяется холодной, тем лучше идет охлаждение и конденсация паров.

Для {Национального действий холодильника необходимо, чтобы охлаждаемая (пар) и охлаждающая (вода) среда двигались в противо­положных направлениях, так, например, если пары идут в холодиль­ник сверху вниз, то охлаждающая их вода должна подниматься вверх-

Из вышеизложенного видно, что при конструировании холодиль­ника правильное определение поверхности охлаждения играет громад­ную роль. Приблизительный подсчет этой поверхности производятся следующим образом.

.Расчет ретортного водяного холодильника. Положим, что в ре­торту загружается 5 куб. м березовых дров, весом 2 015 кг, которые дают следующие выходы первичных продуктов: жижки—44,смо - лы~«ф/0 и газа—22»/о. Таким образом из реторты выходит:

Жижки = 897 кг,

СМОЛЫ ™ 121 кг,

- „ 2016.22 ^ . газа ■■ ■ = 444 кг.

Положим, что в смолоотделителе осаждается 6% жидких продуктов,

?. е. в~ 61 кг, следовательно, через холодильник проходит

(8974-121) — 61 = 957 кг жидких и 444 т газообразных продуктов.

Подожни далее, что продолжительность топки реторты — 19 час., из которых холодильник работает 17 часов, т. е. через него в течение часа проходит:

Паров 957 : 17 = 56,3 кг и газов 444 : 17 = 26 т. Теперь примем следующие условия, очень близкие к действи­тельности:

Температура воды, входящей в холодильник, равняется 15', температура воды, выходящей из холодильника, 50°, температура газов и паров, входящих в холодильник 300е, Температура вытекающей из холоди&ника жижки 20°, температура кипения жижки—104°.

Вода, входящая в холодильник, производит прежде всего такую работу: она охлаждает сконденсировавшийся пар и газы от темпера­туры конденсации (104°) до температуры выходящей из холодильника жижки, т. е. до 20°.

Теплоемкость газа равняется 0,23, а теплоемкость жижки можно принять равной 1, поэтому жижка, охлаждаясь от 104° до 20°, т. е. на 84°, отдает холодильнику в час:

56,3 • 1 84 = 4 729 кал., Н газы, охлаждаясь на 84°, отдают

26 • 0,23 • 84 = 503 кал. Следовательно, за этот период охлаждения конденсата и газа вода холодильника поглотит в час:

. 4 729 + 503 = о 232 кал. -Затем вода, входящая в холодильник, конденсирует пары, отнимая у них около 530 калорий на каждый килограмм паров, следовательно, ЭД'Ввриод конденсации вода получит в час:

56,3 • 530 = 29 839 кал.

Наконец, вода охлаждает1 ретортные пары и газы, входящие в холо­дильник от 300° до 104°, т. е. до температуры конденсации паров » при этом отнимает у газов;

26 -0,23 • (800 —104} = 1172 кйл. и у паров: ' .

56,8 .0,475 • (300 —104) б 241 яки/, где 0,475 —теплоемкость паров.

Таким обраЗЬм за этот период вода поглотит в час: 1172 + 5241 = 6 418 кал., А всего вода поглотит в час:

1) при охлаждении йонденсата и газа 5 232 хал.

2) при конденсации пара........................ 29 839 *

3) лри охлйждейи паров и газов от 104° 6 413 „

Всего. . . 41484 кал.

Принимая эти 41484 кал., теплая вода в холодильнике нагревается от 15° до &ос, т. е. на 35°, следовательно, в первый период, т. е, в пе­риод охлаждения конденсата и газа, она нагревается на 4,4а, так как 41484 :5 232 = 35 : х, откуда х = 4,4е, и будет конденсировать пар при начальной температуре = 15 + 4,4= 19,4°.

Во второй период, в период конденсации, вода нагреется на 25,2°, так как 41484 : 2d 839 = 35 : х, откуда х = 25,2°, и начнет охла­ждать пары и газы до 104° при своей начальной температуре = i«,4 + + 26,2=44,6°.

В третий период охлаждения паров и газов до 104- вода нагре­вается на 5,4°, так как 41484 6 413 = 35: х, откуДа х = 5,4е, и выйдет из холодильника с температурой = 44,6 + 5,4 = 50 Таким образом движение температуры паров и газов в разные периоды действия холодильник, и. изменение температуры охлаждающей воды можно представить на схеме двух противоположных токов: 300° L----- — 50*

; я g : ^ j

104° - — J £ g ; ' j----------------- 44,6'=

I •*£;«[

Jo*0 ...... j | s.; | i—IM5

Охлаждающая поверхность холодильника вычисляется частями по количеству поглощаемого ею тепла от паров, конденсата и газов в разные периоды по следующей общей формуле:

Н= СГК > где

М — охлаждающая поверхность холодильника в квадратных метрах. ■О —количество тепла, поглощаемого холодильником в течение часа его действия.

Tm__ средняя разность температур между охлаждаемой и охлаждаю­щей средой.

К — коэффициент теплопередачи между охлаждаемой средой и водой, разделенными медной стенкой и текущими с определенной ско­ростью.

Тепло, переданное холодильнику в разные периоды, т. е, вели­чина С, нам уже известно: так в первом периоде при охлаждении кон­денсата она равняется 4 729 кал.

Tm определяется также для каждого периода отдельно следующим образом. Охлаждаемая среда(наиример, пары, газы и конденсат) движется в холодильнике сверху вниз, при чем начальная ее температура 300" понижается до 104°, на которой она и держится до тех пор, пока не сконденсируются пары, после чего конденсат постепенно охла­ждается до 20°, Охлаждающая среда—вода движется в обратном на­правлении снизу вверх. При поступлении в нижнюю часть холодиль­ника вода имеет температуру 153 и постепенно нагревается, прини­мая тепло от охлаждающейся среды. Так мы видим; что в первый период, когда конденсатор охлаждается от 104" до 20°, температура воды поднимается с 15° до 19,4°; во второй период, в период конденсации, температура ее повышается с 19,4° до 44,6°, и в третий период охла­ждения паров и газов вода нагревается с 44,6° до 50°,—с такой тем­пературой удаляется из холодильника. Таким образом в период охлаждения конденсата наивысшая' разность температур будет 104 — 19,4 =84.6°, а наименьшая 20 — 15= 5°; для периода конденсации эти разности будут соответственно 104 — 19,4 = 84,Б3 и 104 —44,6 = 59,41 и для периода охлаждения паров и газов 800 — 50 = 250° и 104 — 14,6 — 69,4".

Средняя разность температур не представляет среднюю арифме­тическую величину, а определяется по формуле

'а - наибольшая разность, — наименьшая разность температур.

Для облегчения вычисления прилагается следующая таблица, Ггредставляющая величину T„ при разных значениях. Если:

~ 0,0025,0,005,0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0.05, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09,

* л *

ТО

Гя = 0,166, 0,188,0,215, 0,251, 0,277, 0,298, 0,317, 0,385, 0,352, 0,368, 0,378,, если

6 — 0,10, 0,11, 0.12, 0,13, 0,14, 0,16, 0,16, 0,17, 0,18, 0,19,

То

*w = 0,3Dl, 0,405, 0,418, 0,430, 0,440, 0,451, 0,461, 0,466, 0,478, 0,489;

Если T.

7-=0,20, 0,21, 0,22, 0,23, 0,24, 0,25, 0,30, 0,35, 0,40, 0,46, ТО

Tm = 0,500, 0,509, 0,518, 0,526, 0,535, 0,544, 0,583, 0,624, 0,658, 0,693;

Если

(,

■■р - = 0,5, 0,55, 0,60, 0,65, 0,70, 0,75, 0,80, 0,85, 0,90, 0,95, 1,«, ТО

Tm = 0,724, 0,756, 0,786, 0,815, 0,843, О,$72, 0,807, 0,921, 0,953, 0,982, 1,0. Из этих значений средняя разность температур—получается умножением iH на максимальную разность Tm. Возьмем один из выше­приведенных случаев, когда максимальная разность температур tm —

= 84,6, а минимальная Tt = 5, тогда — g-j - = 0,059. В таблице на­ходим соответствующее этой величине значение 0,333 и получаем среднюю разность температур для данного случая = 0,333 X = = 28,1°.

Коэффициент теплопередачи К определяется но двум формулам, в зависимости от состояния охлаждаемой среды (жидкой или паро­образной и газообразной), при чем предварительно вычисляются ско­рости движения охлаждаемой среды и охлаждающий води. При пере­даче тепла от жидкой охлаждаемой среды для определения Кы при­меняется следующая формула:

,, 200

Аж ^ 1 --------------- , '

__ ____

I - г 6 Ун, I +1! Уъ

Г,—скорость движения конденсата,

Г2— охлаждающей воды.

При передаче тепла от пара или газа коэффициент теплопере­дачи вычисляется по формуле:

K»=7bO_Vvt У 0,007+Vi, гле

Г, — начальная скорость пара или газа в холодильнике, о, — скорость движения или подъема охлаждающей воды.

Обе формулы имеют значение для охлаждающей поверхности из меди или латуни, толщина стенки которой обыкновенно не отличается большим колебанием и поэтому может быть оставлена без учета.

Скорость подъема воды в холодильнике может бить вычислена по количеству воды, идущей на охлаждение, и по свободной площади поперечного сечения обичайки холодильника. Так, если расход воды в секунду равен р куб. м, а свободная (без сечений труб) площадь сечения обичайки равняется qt то скорость подъема воды в обичайке *>2 будет равна р: д. Эта скорость vt бывает обыкновенно очень мала. В обыкновенных холодильниках, в змеевиковых, коленчатых и труб­чатых, вода поднимается по большей части только со скоростью 0,001 — 0,003 л в секунду. Поэтому ее можно принять равной 0,002 м.

Скорость конденсата обыкновенно бывает больше скорости охла­ждающей воды. Некоторые наблюдения позволяют считать, что она редко бывает больше 1 м в секунду и потому по Хаусбранду (Verdampfen, Kondensieren und Kiihlen41 стр. 375) ее принимают рав­ной 0,8 м.

Нижеприведенные расчеты относятся только к той охлаждающей поверхности, которая полностью смачивается охлаждающимся конден­сатом. В действительности им смачивается только часть этой поверх­ности, поэтому для холодильников с вертикальными трубками вычн - сленвую поверхность нужно удвоить, а эта поверхность у змеевиковых и коленчатых холодильников должна быть даже утроена.

__ 3 ________

В формуле Кп =- 760 V у, I-'O.'jO? + v2 скорость означает скорость пара, входящего в холодильник, если в нем происходят полная кон­денсация пара. Она определяется следующим образом. Вычисляется объем пара с температурой T, входящего в течение одной секунды в холодильник при определенной площади сечения трубы (в коленча­том холодильнике) или при определенной сумме площадей сечений труб (в трубчатом холодильнике). Бели площадь сечения трубы или груб равняется ц, а объем пара, входящего в холодильник с темпера­турой T (T в нашем случае 300°), равняется р, то скоростьпара v, — р .

В укачанной выше работе Ха у со ранда (стр. 375) приведена таблица, по которой определяется коэффициент теплопередачи К Для начальной скорости пара ^ = 1—вал и при скорости води

<V~ 0.001—4,0 .*.

Теперь перейдем к расчету охлаждающей поверхности холодиль­ника для первого периода, именно для охлаждения конденсата от 101 до 20е. В этом случае, как мы знаем, С — 4 729 пал,, TM была опреде­лена ранее и равняется 28,1°, остается определить:

200

_--------------- _ _ , Где

1 + б»Ч I 4-б

Vi можно принять равной 0,8 м, a v,—0,002 м в секунду. Подставив Зги величины в формулу для находим, что

Аж= - t 20° . -217.

1 +6 |/0,8 + 1 +6 У'оЩ

Теперь мы имеем все величины для определения охлаждающей поверхности н находим, что

С ' 4 729 Я' = Т~К~ = 2*,1 . 217 ~ 0,776 «. .«.,

Ttt. Ж

Так как в нашем коленчатом холодильнике конденсатом смачи­вается только около одной трети внутренней поверхности труб, то найденную поверхность следует увеличить втрое. Таким образом мы получаем: >

0,776X3 = 2,328 кв. М,

•

Охлаждающая поверхность холодильника необходимая для охла­ждения газов от 104° до '20°, вычисляется по той же формуле, но коэф­фициент тепла от передачи (между газом и водой) определяется по формуле:

Кп = 700 Ун, | 0,007 j V., где

С,—скорость газа в холодильнике—можно принять равной 9 м в се­кунду, а

Го — скорость охлаждают^ воды—остается та же, т. е. 0,002 м в се­кунду.

Следовательно:

Кп = 7;>0 I' ') I 0,007 + 0.002= 408.

О в данном случае, как мы вычисляли ранее, равняется 503 кал., Л остается та же. т. е. 28+- Поэтому

I/ с ч,<

= . ins = ">°!'s кв-

Таким образом охлаждающая поверхность холодильника на пе­риод охлаждения конденсата и газон с )ор до 20° равняется

' 2,328 + 0,048 — 2 Ш> кн. м.

Также вычисляется охлаждающая поверхность для периода конденса­ции. В этом случае С— 29 839 кал. Кп определяется но формуле:

£„ =750 Vv V oiOD7Tiw

Он остается тем же, что я в предыдущем случае, т. е. 468. Наибольшая разность температур в это^ периоде, как видно из схемы противопо­ложных потоков, будет ta = 104 — 1^,4 = 84,6°, а наименьшая %t = 104 - 44,6 = 59,4е и tm = 71,2°. Поэтому

Тт 29 вЗд Л / Л г

Для третьего периода охлаждения паров и газов от 300е до 104" наивысшая разность температур t9 = 300 — 50 = 2з0°, а наименьшая /, = 104 — 44,6 = 59,4° и im = 132,8, Коэффициент теплопередачи при­нимается, как и в период конденсации, равным 468. Общее количество тепла, выделенное парами и газами, как видно из предыдущего, рав­няется в 413 кал. Поэтому

#

Таким образом вся охлаждающая поверхность нашего холодильника равняется:

В = Hi + Нг + Нг + Я, » 2,928 - f 0,038 + 0,895 + 0,103 = 3,364 кв. м.

Эта поверхность будет достаточна только при условии равно­мерного поступления паров и газов из реторты. В действительности, во время экзотермической реакции выделение паров и га<(ов сильно увеличивается и превышает в 2 — з раза среднее количество, выде­ленное за все время перегонки. Так как холодильник должен быть рассчитан по максимальному выделению паров и газов, то будет близко к действительности, если найденную охлаждающую поверхность мы увеличим в три раза, т. е. примем ее равной: Я = 3,364 X 3 = 10,00 ки, м.

Для полного использования охлаждающей поверхности совсем не безразлично, в каком отношения находятся диаметр и длина труб холодильника. Для определения наиболее выгодного соотношения между этими величинами Хаусбраид („Выпаривание, конденсация н охлаждение" 1929 г., стр. 420) предлагает следующую формулу:

Г It f

/ — длина конденсационных труб, Л — их диаметр,

Г-t— скорость пара нрп - входе в холодильник, wj — скорость движения воды в холодильнике, с — теплота испарения 1 кг пара,

— вес 1 куб. м пара, г„,-— средняя разность температур.

В книге Хаус б ранда в таблице 92 приведены соотношения, полученные при помощи вышеуказанной формулы для труб, слу­жащих для конденсации водяного пара при температурах 134°, 121°, i00°, 60° и 40°, который поступает в трубы со скоростью «I = 4,0 —»>4 м в секунду, при скорости воды 0,001—3,0 м, и при средних раз­ностях температур tK = 10° — 70°.

Количество воды, которое нужно для холодильника, определяется следующим образом. Вода нагревается в холодильнике от 16° до 50°, т. е. каждый килограмм воды поглощает 35 кал. Всего в течение часа передается воде в холодильнике 41 484 кои., следовательно, для погло­щения етого количества потребуется 41 481 ; So = J 185 к* воды в час, или на всю операцию перегонки, т. е. на 17 часов, I 185 X = 20145 кг, Или 20,145 куб. м воды.

Мы уже знаем, что на некоторой стадии обугливания дерева происходит бурное развитие газов и выделяется большое количество теплоты (экзотермическая реакция), которое бывает различно смотря по форме перегонного аппарата, по величине загрузки и по роду дерева, и совершенно не подлежит учету. Поэтойу при устройстве холодильников приходится руководствоваться практическим опитом и на практике значительно увеличивать поверхности холодильников, что ведет к удорожай ню их стоимости. Чтобы избежать этого к некоторых странах, например в Америке, перешли к центральной конденсации, обслуживающей большое количество перегонных аппа­ратов, находящихся в разных стадиях обугливания, благодаря чему колебания в развитии газов и в выделении теплоты выравниваются, и происходит более равномерное поступление тенишь; в холодильник.

При соединении многих реторт с одной общей конденсационной системой необходим о удлинение паро - и газопроводов между ретор­тами и конденсатором; но чем длиннее эти привода, тем больше осаждается и коксуется в них смолы, тем чаще нужно их чистить и тем больше опасность закупорки проводов. Этот недостаток, связан­ный с общей конденсацией, а также трудность следить за ходом су­хой перегонки в отдельных ретортах послужили причиной, благодаря которой избегают устраивать центральную конденсацию, а предночи-

Сухяя иереюнна дерева 12 тают для каждой реторты ставить отдельный более простой, но и бо­лее дешевый холодильник.

На заводах сухой перегонки дерева чаще всего употребляют ко - левчатые холодильники (рис. 37), которые состоят из узкого желез­ного или деревянного ящика п медных холодильных труб, распо­ложенных одна над другой, с некоторым уклоном в противополо - ные стороны; холодильных труб обыкновенно берется пять, они про­ходят через узкие стороны ящика и снаружи соединяются друг с другом медными коленами. Верхняя труба своим свободным концом, выходящим из ящика, соединяется с патрубком реторты, а нижняя — с, так называемым, разделителем (рис. 38) который представляет не­

Большой деревянный или медиьш цилиндр с тремя отверстиями: для впуска дестнллята, лля выпуска дестиллята и для выпуска газов. Труба, по которой поступает дестиллят к разделитель, соединяется со свободным концом нижней трубы холодильника, в разделителе она спускается' ниже выпускного отверстия, черен которое проходит сифонная трубка, выпускающая дестиллят наружу. Несгустпвтиеся газй удаляются чере:; третье отверстие по отводной трубе или прямо на воздух, пли проводятся в ретортную топку, где они сжигаются. Таким образом, здесь происходит разделение газа н жидкости, а холодильник гидравлически закрывается от обратного впуска газа и воздуха в холодильные трубы.

Трубы. зля холодильннков употребляются или тянутые, или пая­ные, «-лорнутые из листовой красной меди. Диаметр холодильных труб берется в Ю— 1Г) ел,', а толщина стенок в 1 мм; для выступаю­щих наружу колен медь употребляется более толстая, так как коле­на, не охлаждаемые водой, разрушаются скореег Холодильные трубы, постепенно, по мере приближения к выходу, уменьшаются в диаме­
тре, который не должен быть очень мал, так как узкие трубы трудно чистить, но, с другой стороны,- холодильные трубы не должны быть и слишком широки, потому что газы конденсируются, главным обра­зом, на охлаждаемой поверхности, в средине же трубы, по причине малой теплопроводности газов, конденсация паров происходив очень незначительно.

Холодная вода поступает в ящик холодильника по трубе а, дохо­дящей почти до дйа ящика, а нагретая вытекает по трубе вверху ящика. Таким образом в коленчатом холодильнике пары дестиллята. опускаясь ло холодильным трубам вниз, встречают на своем пути все более холодную воду.

В обыкновенных холодильниках конденсация паров происходит не только от передачи тепла внешней среде, но и от механических причин—во время прохождения паров по холодильным трубам. Такими причинами являются, во первых, трение частиц пара о стенки труб я Удар этих частиц при перемене направления движения пара, отчего происходит потеря механической энер­гии и осаждение увлеченных паровым цптоком капельно-жидких частиц, и, во - вторых, переход пара из узких труб в тру'5ы с большим диаметром, вслед­ствие чего происходит расширение пара, потеря тепла, охлаждение и конденсация.

Водяной холодильник К и рн и ч - н и ко в а относится к числу тех холо­дильников, в которых пары конденси­руются не только вследствие передачи тепла, но и от механических причин. Этот холодильник (рис. 80) состоит из двух широких Мели их тру о, 4 — Ь вершков (18 -22,5 г. к) в диаметре, и одвоП 6о:н-'« Yi;;ol), диаметром в 2—3 вершка (0 — 13,5 с. ч); мти трупы соединен;.' несколькими пертнкалышми трубами <■ диаметром в 1".--2 вертка (i'i,-j — я <'"i(). К'онци широких труб закрываются глухими медными крышками, прижатыми железными флянцами; во время чистки Флянцы отвертываются, и трубы свободно вычищаются. Весь. холо­дильник помещается н деревянном чаие соответствующих размеров.

•За гргшицеи часто употребляются та): называемые труб чат г«е холодильники, состоящие in ряда вертикальных или горизонтальных труб, соединенных на концах медными камерами (рис. 40). Крышки этих камер отвертываются, н трубы могут быть очень легко вычищены. В виду того, что холодильные трубы ради удобства чистки не делаются длинными, конденсирующее действие этих холоди ль ни ко и ограничено.

12-

Выше было сказано, что с Америке при американских печач всегда устраивают центральную конденсацию, предетавля^щу и систему холодильников, один из элементов которой изображен на рис. 41, Каждый холодильник состоит из деревянного ящика с двум* внутренними днами, между которыми вставлены медные труб!;;

Ряс. 40. Рис. 41.

Охлаждающая вода проходит "по этим трубкам, а тары и газы, выхо дящие из печи, поступают в нижнюю часть ящика над нижним дном в пространство между холодильными трубками, отчасти конденси­руются здесь и вытекают через сифонообразную трубку, отчасти переходят в следующий такой же холодильник через отверстие в верхней части ящика непосредственно под верхним дном.

Применение подобных холодильников возможно только в той слу­чае, если газообразные продукты разложения дерева, пройдя длинный путь, входчт i: конденсационную систему уже настолько охлажден ныли, что здесь не может произойти зукупирка холодильника дегтярным коксом.