第五章第三节 工艺平衡计算

一、生产技术经济指标在设计中的应用原则 1.生产技术经济指标的确定在工厂设计中占行 相当重要的地位，直接体现出设计项目的技术 先进性和经济合理性的程度。 应掌握的原则是：技术先进可靠、切合实际、 安全适用，经济效益好。 2.在具体计算和选定生产技术经济指标时，应 十分慎重。应采用的方法是：
(1) 采用试验研究的方法： 开发采用新的生产方法、工艺流程、生产技 术经济指标等时，应进行试验研究，再确定 最佳的生产方案和工艺条件及主要生产技术 经济指标。 (2)也可采用调查 研究的方法： 如本设计是沿用现有工厂的工艺，则不需做 试验，可采用收集制浆造纸有关 厂家实际生
t1′—升温期锅内物料的平均温度， ℃ t0′—升温开始时锅内物料的平均温度， ℃
α1—自蒸煮器内部物料到锅壁的传热系数 δ1—蒸煮器壁厚，m λ1—钢的导热系数，W／(m．K) δ2—保温层的厚度，m λ2—保温层导热系数，W／(m·K) α2—蒸煮器外壁至周围空气的传热系数
7）保温期蒸煮器辐射损失的热量
900/(1-8%)=978.2609kg 进入漂白段的浆料量为:
978.2609/ (3%) =32608.6967L
(1)氯化塔
m=m1=978.2609kg ω=ω1=3%
V=V1= 32608.6967L
(2)1#真空洗浆机
已知:m1=978.2609kg V1= 32608.6967L
Q5＝m4c4(t5-t4) 式中:m4—保温层质量(可从设备图纸中查到)，kg
C4—保温层的比热容，kJ／(kg-K) t4—保温层在放锅后里外的平均温度, ℃ t5—保温层在最高温度时里外的平均温度,℃
6）蒸煮升温时蒸煮器的热辐射损失的热量
式中: S—蒸煮锅热辐射的表面积，m2 K—通过蒸煮锅壁的传热系数，W／(m2.K) Z1—辐射时间，即升温时间，h
Q7=3600SK(t1-t0)Z2 式中 Z2—保温时间，h
8）装锅器耗汽、小放汽带出热量和喷放耗 汽视蒸煮器容积大小而定，一般约取0.4t 汽／t浆，即Q8＝0.4t汽／t浆。
9）管道中的热量损失可取各项耗热量的 10％，所以蒸煮一锅次需热量为
Q=(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8)X1.1
的依据数据的基础上即可根据能量守恒原 理进行热量平衡计算。
（二）蒸煮过程的热量平衡计算
间歇式蒸煮的热量平衡计算，一般以一锅次为基准， 根据传热的原理分别计算。 1. 蒸煮热平衡计算的方法
1）加热纤维原料到最高温度所需热量
式中 Q1—加热纤维原料到最高温度所需热量，kJ m1—每锅次装绝干纤维原料的质量，kg V—蒸煮锅(器)容积，m3 α—单位装锅量(绝干原料)，kg／m3 c1—绝干原料比热容，kJ／(kg.K) t1—蒸煮最高温度，℃ t0—原料初始温度，℃
四、热量平衡计算
（一）概 述 1．计算的目的 (1)可以掌握生产过程中热量的消耗情况和变 化情况，向供热设计、经济概算及生产管理提 供依据。
(2)可以计算和确定加热器、换热器的能力 和规格。
(3)掌握废热的排出量，从而可以合理地确 定废热回收和利用的基本方案。
2．计算原理 热平衡计算的原理是根据能量守恒原理，即
▪ 物料平衡总表：进出某一车间的纤维、辅 料、废料等的平衡情况。
▪ 5.物料（浆水）Leabharlann Baidu衡图及绘制方法（下页）
（二）制浆车间浆水平衡计算示例
例：日产50T漂白硫酸盐木浆(供抄造新闻纸 ，不含备料)生产车间的浆水平衡 计算。
1．确定生产工艺流程(绘出其方框图) 根据工艺设计绘制出生产流程方框图1、2， 同后面的浆水平衡图合二为一即为浆水平衡图1 、2。 2．选取浆水平衡计算的有关定额和依据数 据(见表6—17)
ω1=3% ω2=1.2% ω=10%
Vw1=10000L 氯化损失率:2% 洗涤损失率:0.5% 则:m2= m1=978.2609kg V2=m2/(ω2ρ)=81521.7417L Vw2=V2-V1=48913.0450L m3=978.2609X(2+0.5)%=24.4565kg m=m2-m3 V=m/(ωρ)
输入某一系统的热量必等于产品所带出的热量 和损失的热量之和，即：
Q1+Q2+Q3＝Q4+Q5 式中 Q1—原料或半成品带入的热量
Q2—加热介质所提供的热量 Q3—化学反应热(放热反应为正，吸热反 应为负) Q4—产品所带走的热量 Q5—整个过程的热损失
3．计算方法 (1)确定热量收支项目。 (2)选取数据。 (3) 计算过程。 在确定了热量的收支项目和选取了足够
4.绘制浆水平衡图（图6－2） 二、碱回收过程的物料平衡计算（课下自 学）
课下作业2
栏边喷水 洗网水
流浆箱
m1 1
v 3 v1
长网部
v4 m
v
真空箱
m2 2 浓
v2
白
水
池
已知： m=1086.21kg，v=36207L，w=3%， 网案纤维带出率：25％（对成品，成品纸水分： 7%） 栏边喷水v3=3650L 洗网水v4=14104L 上网浓度w1=0.56%
ω1 —进入设备的浆料浓度，％ ω2 —自设备中流失的的纤维浓度，％ ω—自设备中输出的浆料浓度，％
V1—自设备中流失的浆料总量，kg或L
V2 —自设备中流失的的浆料总量，kg或L
V —自设备中输出的浆料总量，kg或L
以上三方程联立求解， 对有白水循环的部位，总输入量要大于新料 加入量，而循环量 的大小，可用循环系数 来表示：
（4）1＃压力洗浆机
（5）压力混合罐
5）蒸煮段
4.绘制浆水平衡图（如图6－1） （三）造纸车间浆水平衡计算示例
以30T/D水泥袋纸造纸车间为例，浆水平衡计 算如下。
1.根据工艺设计生产流程图1、2 2.水泥袋纸造纸车间生产中有关定额数据选取 （如表6－18）
3.计算过程和结果（以1T成品纸为计算基） 1）复卷机
▪ 使用同一种原料和制浆方法，由于设备和流 程不同，也应选用不同的定额和工艺技术数 据。
▪ 随着生产设备和生产技术的不断 发展和改进， 实际生产中的工艺参数也在不断变化，所以 不可能制定一个通用的定额和工艺技术数据， 供一切工艺设计选用。
三、 物料平衡计算
▪ 物料平衡计算是工艺设计中一切计算的基 础，它包括：
3）总体物料的平衡要求 局部环节允许有0.3%~1%的误差。
4） 计算结果的有效数字 ▪ 有效数字保留到小数点后4位 5）浆料与白水的相对密度 浆料与白水的相对密度可看作是水的相对密
度
▪ 4. 物料（浆水）平衡明细表 ▪ 包括物料平衡明细表和物料平衡总表
▪ 物料平衡明细表：进出某一单元（设备） 的浆与水等的数量。
▪ 蒸煮、洗涤、漂白、造纸等生产过程的浆 水平衡计算；
▪ 碱回收生产过程的物料(或碱)平衡计算； ▪ 漂液的制备、蒸煮液的配制、矾土液、施
胶乳液、填料乳液等制备过程的物料衡算； ▪ 酸法制浆药液生产过程的硫平衡计算等等。
（一）浆水平衡计算及浆水平衡图
▪ 浆水平衡计算是指制浆造纸生产过程中浆的 平衡(即纤维加填料的平衡)和水的平衡，也 即浆和水总量的平衡。
第三节 工艺平衡计算
工艺平衡计算的目的？ 为制浆造纸工厂设计提供可靠的数据，为技术经济指标的确 定，设备能力的平衡以及生产流程和方案的确定提供依据。
可使生产企业和管理部门能够准确地判断制浆造纸各车间的 生产情况和浆水及其它各种辅助材料的消耗情况和流失情况， 为加强生产管理、提高产量和质量、降低原材料和辅助材料 的消耗提供可靠的资料。 主要包括： （1）物料平衡计算 （2）热量平衡计算。
978.2609/(1-2.0%)=998.2254kg 进一段CX筛的浆料量:
998.2254/(1.0%)=998225.000L.
(1)一段CX筛
(2)一段尾浆池
(3)二段CX筛
(4)一段除砂器、圆网浓缩机
4)洗涤工段 （1）高频振框筛
（2）高浓贮浆池
（3）2＃、3＃压力洗浆机
2）加热纤维原料所含水分到最高温度所需热量
式中： m2—原料中的水分，kg ω—原料中水分含量，％ C水—水的比热容，kJ／ (kg.K)
3）加热蒸煮药液所需热量 （1）预热药液所需热量
Q3′＝(m1γ－m2)c2 (t2－t0) 式中 c2—药液的比热容，kJ／(kg .K)
t2 —药液预热达到的最高温度，℃ γ—液比 （2）在蒸煮锅内药液加热到最高温度所需的热量
▪ 其侧面所示的为浆料或白水的浓度，以 “％”为
3.浆水平衡计算的注意事项
1) 可视为清水的溶液或乳液 （1）制浆过程中添加的助剂、漂白生产过
程加入的漂液及抄纸过程中添加量较少的 助剂。 （2）明矾溶液，施胶用溶液或乳液。 2）可视为纤维的物料 （1）填料可将其绝干量视为纤维。 （2）抄纸过程中加入量较大能留在纸页中 的功能助剂。
10）每锅(球)次蒸汽用量
D=Q/(H-H1) 式中 D—蒸汽用量，kg／锅(或球)
H—蒸汽热焓量，kJ／kg H1—使用压力下液体热焓量，kJ／kg
2.蒸煮热平衡计算示例 以下以立式蒸煮锅生产硫酸盐法荻苇浆为例进行
热平衡计算。
1）选取热平衡计算的依据数据(表6-24)P129 2）计算过程(以蒸煮一锅次为计算基准) （1）加热绝干荻节片耗热
K
m0 mn
新料加入量 总输入量
▪ 2. 计算的步骤与方法
▪ （1）先绘制生产工艺流程图 方框图，然后 按生产流程顺序的逆方向逐步推算，也有特 殊情况。
▪ （2）查找资料，选取物料平衡计算所需的 有关定额和工艺技术数据。
▪ （3）画一个环节（或设备）的物料进出方 框图并在图上标注设备名称和有关数据。
Q3″＝(m1γ－m2)c2 (t1－t2) 加热蒸煮药液到最高温度所需的热量
Q3＝ Q3′+ Q3″
4）加热设备及附件所需的热量
Q4＝m3c3(t1-t3) 式中: m3—蒸煮锅及附件质量(可从该设备图纸中查到)
c3—蒸煮锅及附件金属的比热容，kJ／(kg.K) t3—开始蒸煮时锅内温度， ℃ 5）加热保温层所需热量
3．计算过程 以1T风干浆水分含量10％为基准，计算过程中 视所有液体的密度ρ＝1kg/L。
1）漂后贮浆池
已知:m=900kg
ω=3% ω1=10%(从表中查到) 则:V=m/(ωρ)=30000L
m1=m=900kg V1=m/(ω1 ρ )=9000L Vw=V-V1=21000L
2）漂白段 已知漂白总损失为:8%(),进入漂白段的浓度为 :3%(表6-17). 则:进入漂白段的绝干纤维量为:
▪ 浆水平衡计算一般是以一个车间(或工段)为 计算单位。
1. 浆水平衡计算的原理 (1)基准：以生产1t成品纸或1t风干浆为基准
进行平衡计算。
(2)原理：根据物料(质量)守恒定律进行计算 ，即进入某一部位或某一设备的物料(浆料和 水)质量等于自该部位或该设备输出的及流失
的物料之和。
式中：m1 —进入设备的纤维量，kg m2 —自设备中流失的的纤维量，kg m —自设备中输出的纤维量，kg
V3=V2+Vw1-V ω3= m3/(V3ρ)
(3)螺旋输送机
Vw包括:A.加热冷凝水,取:900L; B.碱液,用碱量取:1.5%.碱浓度为:20g/L; C.水.
(4)碱处理塔
(5)2#真空洗浆机
(6)螺旋输送机
(7)漂白塔
(8)3#真空洗浆机
3)筛选工段 已知筛选总损失率:2.0% (对进一段CX筛浆量) 一段CX筛进浆浓度:1.0% 进一段CX筛绝干纤维量:
产的查定数据和统计资料，进行综合比较， 并同时查阅国内行关文献，再结合本设计项 目的特点，进行认真分析研究，确定合理数 值。
二、生产技术经济指标
下面列出制浆造纸厂几个主要车间的技术经济指标 1.贮料场及备料工序
2．化学浆车间
3. 造纸车间
4. 浆水平衡计算参考数据
▪ 生产同一种纸浆(张)时，原料和制浆(造纸) 方法不同，采用的设备和工艺也不一 样，所 以确定的有关定额和工艺技术数据就不同。
▪ （4）根据各物料之间的相互关系，在计算 时，必须已知m、 ω 、V中的两项，才能进 行平衡计算。
▪ （5）列出物料平衡表
▪ （6）按生产流程绘制物料平衡图。将计算 出来的数据填到浆水平衡图中，在浆水平 衡的分数中，
▪ 分母为浆料或白水总量，以“kg或L”为单 位，
▪ 分子为绝干纤维量，以“kg”为单位，