Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода (работа 2)

Санкт-Петербургский государственный Университет

низкотемпературных и пищевых технологий.

Кафедра криогенной техники.

Курсовой проект

по дисциплине «Установки ожижения и разделения газовых смесей»

Расчёт и проектирование установки

для получения жидкого кислорода.

Работу выполнил

студент 452 группы

Денисов Сергей.

Работу принял

Пахомов О. В.

Санкт – Петербург 2003 год.

Оглавление.

Задание на расчёт…………………………………………………………………..3

  1. Выбор типа установки и его обоснование……………………………………3

  2. Краткое описание установки…………………………………………………..3

  3. Общие энергетические и материальные балансы……………………….……4

  4. Расчёт узловых точек установки…………………………….…………………4

  5. Расчёт основного теплообменника…………………………….………………7

  6. Расчёт блока очистки……………………………………………….…………..17

  7. Определение общих энергетических затрат установки…………………..…..20

  8. Расчёт процесса ректификации…………………………………….…………..20

  9. Расчёт конденсатора – испарителя…………………………………………….20

  10. Подбор оборудования…………………………………………………..………21

  11. Список литературы……………………………………………..………………22

Задание на расчёт.

Рассчитать и спроектировать установку для получения газообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч, расположенную в городе Владивостоке.

  1. Выбор типа установки и его обоснование.

В качестве прототипа выбираем установку К – 0,4, т. к. установка предназначена для получения жидкого и газообразного кислорода чистотой 99,5 %, а также жидкого азота. Также установка имеет относительно несложную схему.

2. Краткое описание работы установки.

Воздух из окружающей среды, имеющий параметры Т = 300 К и Р = 0,1 МПа, поступает в компрессорную станцию в точке 1. В компрессоре он сжимается до давления 4,5 МПа и охлаждается в водяной ванне до температуры 310 К. Повышение температуры обусловлено потерями от несовершенства системы охлаждения. После сжатия в компрессоре воздух направляется в теплообменник – ожижитель, где охлаждается до температуры 275 К, в результате чего большая часть содержащейся в ней влаги конденсируется и поступает в отделитель жидкости, откуда выводится в окружающую среду. После теплообменника – ожижителя сжатый воздух поступает в блок комплексной очистки и осушки, где происходит его окончательная очистка от содержащихся в нём влаги и СО>2> . В результате прохождения через блок очистки воздух нагревается до температуры 280 К. После этого поток сжатого воздуха направляется в основной теплообменник, где охлаждается до температуры начала дросселирования, затем дросселируется до давления Р = 0,65 МПа. В основном теплообменнике поток разделяется. Часть его выводится из аппарата и поступает в детандер, где расширяется до давления Р = 0,65 МПа и поступает в нижнюю часть нижней колонны.Поток из дросселя поступает в середину нижней колонны. Начинается процесс ректификации. Кубовая жидкость (поток R, содержание N>2> равно 68%) из низа нижней колонны поступает в переохладитель, где переохлаждается на 5 К , затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в середину верхней колонны. Азотная флегма (поток D, концентрация N>2> равна 97%) забирается из верхней части нижней колонны, пропускается через переохладитель, где также охлаждается на 5К, затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в верхнюю часть верхней колонны. В верхней колонне происходит окончательная ректификация, внизу верхней колонны собирается жидкий кислород, откуда он направляется в переохладитель, где переохлаждается на 8 – 10 К. Далее поток кислорода направляется в жидкостной насос, где его давление поднимается до 10 МПа, и обратным потоком направляется в основной теплообменник. Затем он направляется в теплообменник – ожижитель, откуда выходит к потребителю с температурой 295 К. Азот из верхней части колонны последовательно проходит обратным потоком переохладитель азотной флегмы и кубовой жидкости, оснновной теплообменник и теплообменник – ожижитель. На выходе из теплообменника – ожижителя азот будет иметь температуру 295 К.

3. Общие энергетические и материальные балансы.

V = K + A

0,79V = 0,005K + 0,97A

МVΔi>1B – 2B> + V>дет>h>ад>η>ад>М = МVq>3> + М>к> KΔi>2K – 3K> + VΔi>3В – 4В> М

М – молярная масса воздуха.

М>к> – молярная масса кислорода.

Принимаем V = 1 моль

К + А = 1

К = 1 – А

0,79 = 0,005(1 – А) + 0,97А

А = 0,813

К = 1 – 0,813 = 0,187

Определяем теоретическую производительнсть компрессора.

(1/0,187) = х/320 => х = 320/0,187 = 1711 м3/ч = 2207,5 кг/ч

4. Расчёт узловых точек установки

Принимаем:

Давление воздуха на входе в компрессор……………………….

Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Р>вых>к = 4,5 МПА

Температура воздуха на входе в компрессор…..………………...

Температура воздуха на выходе из компрессора…….…………..

Температура воздуха на выходе из теплообменника – ожижителя…..

Температура воздуха на выходе из блока очистки…………………

Давление в верхней колонне……………………………………..

Давление в нижней колонне………………………………………

Концентрация азота в кубовой жидкости ………………………..

Концентрация азота в азотной флегме……………………………

Температурный перепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении

через переохладитель…………..……………………………..

Температура кубовой жидкости…………………………………….

Температура азотной флегмы………………………………………

Температура отходящего азота…………………………………….

Температура жидкого кислорода…………………………………..

Разность температур на тёплом конце теплообменника – ожижителя………………………………………..…………….

Температура азота на выходе из установки………………….

Температурный перепад кислорода …………………………ΔТ>1К – 2К> = 10 К

На начальной стадии расчёта принимаем:

Составляем балансы теплообменных аппаратов:

а) Баланс теплообменника – ожижителя.

КС>р >кΔТ>4К – 5К> + АС>р>АΔТ>3А – 4А> = VC>p>vΔT>2В – 3В>

б) Балансы переохладителя:

находим из номограммы для смеси азот – кислород.

в) Баланс переохладителя кислорода.

КC>p>K ΔT>1К – 2К> = RC>p>R ΔT>2R – 3R>

Принимаем ΔT>1К – 2К> = 10 К

ΔT>2R – 3R> = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4

Т>3R> = Т>2>>R> + ΔT>2R – 3R> = 74 + 2,4 = 76,4 К

i>3R> = 998,2

г) Баланс основного теплообменнка.

Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2 трёхпоточных теплообменника:

Истинное значение V>дет> вычислим из баланса установки:

V>дет> = [VMq>3> + KM>k>Δi>2K – 3K> + VMΔi>4B – 3B> – VMΔi>1B – 2B>]/Mh>ад>η>ад> = [1*29*8 + 0,187*32*(352,8 – 349,9) + 1*29*(522,32 – 516,8) – 1*29*(563,82 – 553,75)]/29*(394,5 – 367,5)*0,7 = 0,2

V>дет> = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч

Составляем балансы этих теплообменников:

I VC>pV>ΔT>4B – 6B> = KC>pK>ΔT>3K’ – 4K> + AC>pA>ΔT>2A’ – 3A>

II (V – V>д> )C>pV>ΔT>6B-5B> = KC>pK>ΔT>3K – 3K’> + AC>pA>ΔT>2A’ – 2A>

Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.

III КС>р >кΔТ>4К – 5К> + АС>р>АΔТ>3А – 4А> = VC>p>vΔT>2В – 3В>

Вычтем уравнение II из уравнения I:

VC>pV>ΔT>4B – 6B> - (V – V>д> )C>pV>ΔT>6B-5B> = KC>pK>ΔT>3K’ – 4K> - KC>pK>ΔT>3K – 3K’> + AC>pA>ΔT>2A’ – 3A> - AC>pA>ΔT>2A’ – 2A>

Получаем систему из двух уравнений:

I VC>pV >(T>4B >-> >2T>6B> + T>5B> ) + V>д>C>pV>(T>6B> – T>5B>) = KC>pK>(T>4K> – T>3K>) + AC>pA>ΔT>3A – 2A>

II КС>р >кΔТ>4К – 5К> + АС>р>АΔТ>3А – 4А> = VC>p>vΔT>2В – 3В>

I 1*1,012(280 – 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 – 138) = 0,128*1,831(T>4K> – 88) +0,872*1,048(T>3А>–85)

II 1*1,012*(310 – 275) = 0,128*1,093(295 - T>4K>) + 0,872*1,041(295 – T>3А>)

T>4K >= 248,4 К

T>3А> = 197,7 К

Для удобства расчёта полученные данные по давлениям, температурам и энтальпиям в узловых точках сведём в таблицу:

№

1В

2В

3В

4В

5В

5

6В

7В

1R

2R

3R

i, кДж/

кг

553,7

563,8

516,8

522,3

319,2

319,2

419,1

367,5

1350

1131,2

1243

Р, МПа

0,1

4,5

4,5

4,5

4,5

0,65

4,5

4,5

0,65

0,65

0,65

Т, К

300

310

275

280

138

80

188

125

79

74

76,4

№

1D

2D

1К

2К

3К

4К

5К

1А

2А

3А

4А

i, кДж/

кг

1015

2465

354,3

349,9

352,8

467,9

519,5

328,3

333,5

454,6

553,

Р, МПа

0,65

0,65

0,13

0,12

10

10

10

0,13

0,13

0,13

0,13

Т, К

79

74

93

84

88

248,4

295

80

85

197,7

295

ПРИМЕЧАНИЕ.

1. Значения энтальпий для точек 1R, 2R, 3R , 1D, 2D взяты из номограммы Т – i – P – x – y для смеси азот – кислород.

2. Прочие значения энтальпий взяты из [2].

5. Расчёт основного теплообменника.

Ввиду сложности конструкции теплообменного аппарата разобьём его на 4 двухпоточных теплообменника.

Истинное значение V>дет> вычислим из баланса установки:

V>дет> = [VMq>3> + KM>k>Δi>2K – 3K> + VMΔi>4B – 3B> – VMΔi>1B – 2B>]/Mh>ад>η>ад> = [1*29*8 + 0,128*32*(352,8 – 349,9) + 1*29*(522,32 – 516,8) – 1*29*(563,82 – 553,75)]/29*(394,5 – 367,5)*0,7 = 0,2

V>дет> = 0,2V = 0,2* = 342,2 м3/ч

Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:

I V>A >(i>4B> – i>1>) + Vq>3> = A(i>3A> – i>3>)

II V>K >(i>4B> – i>2>) + Vq>3> = K(i>4K> – i>4>)

III (V>A> – V>да>)(i>1> – i>5B>) + Vq>3> = A(i>3> – i>2A>)

IV (V>К> – V>дк>)(i>2> – i>5B>) + Vq>3> = К(i>4> – i>2К>)

Здесь V>A> + V>К> = V , V>да> + V>дк> = V>д>

Параметры в точках i>1> и i>2> будут теми же, что в точке 6В

Температуру в точке 5В задаём:

Т>5В >= 138 К

Р>5В> = 4,5 МПа

i>5В> = 319,22 кДж/кг = 9257,38 кДж/кмоль

Принимаем V>A> = А = 0,813, V>К> = К = 0,187, V>дк> = V>да> = 0,1, q>3> = 1 кДж/кг для всех аппаратов.

Тогда из уравнения I

V>A >(i>4B> – i>6В>) + Vq>3> = A(i>3A> – i>3>)

0,813(522,32 – 419,1) + 1 = 0,813(454,6 – i>3>)

i>3> = (394,6 – 112,5)/0,813 = 324,7 кДж/кг

Т>3> = 140 К

Проверяем полученное значение i>3> с помощью уравнения III:

(0,872 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i>3> – 333,5)

59,1 = 0,872i>3> – 290,8

i>3> = (290,8 + 59,1)/0,872 = 401,3 кДж/кг

Уменьшим V>А> до 0,54:

0,54(522,32 – 419,1) + 1 = 0,872(454,6 – i>3>)

i>3> = (394,6 – 70,023)/0,872 = 372,2 кДж/кг

Проверяем полученное значение i>3> с помощью уравнения III:

(0,54 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i>3> – 333,5)

i>3> = (290,8 + 34,123)/0,872 = 372,6 кДж/кг

Т>3> = 123 К

Тогда из уравнения II:

V>K >(i>4B> – i>6В>) + Vq>3> = K(i>4K> – i>4>)

0,56(522,32 – 419,1) + 1 = 0,128(467,9 – i>4>)

72,6 = 59,9 – 0,128 i>4>

i>4> = (72,6 – 59,9)/0,128 = 332 кДж/кг

Т>4> = 140 К

Рассчитываем среднеинтегральную разность температур для каждого из четырёх теплообменников.

а) Материальный баланс теплообменника I:

V>A >(i>4B> – i>1>) + Vq>3> = A(i>3A> – i>3>)

Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:

0,54*1,15(280 – 173) + 1*q>3> = 0,872*1,99(197,7 – 123)

q>3> = 121,9 - 66,4 = 55,5 кДж/кг

Рассчитываем коэффициенты В и D:

V>A >(i>4B> – i>6В>) + Vq>3> = A(i>3A> – i>3>)

V>A > Δi>B> + Vq>3> = A Δi>A>

Δi>B> = A Δi>A>/ V>A> - V q>3>/V>A> | Δi>A>/ Δi>A>

Δi>B> = A Δi>A>/ V>A> - Vq>3>* Δi>A>/ Δi>A>

В = A/V>A> = 0,872/0,54 = 1,645

D = V q>3>/V>A> Δi>A > = 1*55,5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376

Δi>B> = В Δi>A> - D Δi>A> = С Δi>A> = (1,635 – 0,376) Δi>A> = 1,259 Δi>A>

Составляем таблицу:

№

Т>В> , К

i>в>, кДж/кг

Δi>В>

Т>А>, К

i>А>, кДж/кг

Δi>А>

0 – 0

280

522,32

0

197,7

454,6

0

1 – 1

272

512,0

10,324

190,23

-

8,2

2 – 2

261

501,7

20,648

182,76

-

16,4

3 – 3

254

491,3

30,971

175,29

-

24,6

4 – 4

245

481,0

41,295

167,82

-

32,8

5 – 5

235

470,7

51,619

160,35

-

41

6 – 6

225

460,4

61,943

152,88

-

49,2

7 – 7

218

450,1

72,267

145,41

-

57,4

8 – 8

210

439,73

82,59

137,94

-

65,6

9 – 9

199

429,4

92,914

130,47

-

73,8

10 – 10

188

419,12

103,2

123

372,6

82

С
троим температурные кривые:

ΔТ>ср>инт = n/Σ(1/ΔТ>ср>)

№

ΔТ>ср>

1/ΔТ>ср>

1

82

0,012

2

82

0,012

3

78

0,0128

4

79

0,0127

5

77

0,013

6

72

0,0139

7

73

0,0137

8

72

0,0139

9

69

0,0145

10

65

0,0154

Σ(1/ΔТ>ср>) = 0,1339

ΔТ>ср> = 10/0,1339 = 54,7 К

б) Материальный баланс теплообменника II:

V>K >(i>4B> – i>6В>) + Vq>3> = K(i>4K> – i>4>)

Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:

0,56*1,15(280 – 173) + 1*q>3> = 0,187*1,684(248,4 – 140)

q>3> = 23,4 - 68,9 = -45,5 кДж/кг

Рассчитываем коэффициенты В и D:

V>К >(i>4B> – i>6В>) + Vq>3> = K(i>4K> – i>4>)

V>К > Δi>B> + Vq>3> = К Δi>К>

Δi>B> = К Δi>К>/ V>К> - V q>3>/V>К> | Δi>К>/ Δi>К>

Δi>B> = К Δi>К>/ V>К> - Vq>3>* Δi>К>/ Δi>К>

В = К/V>К> = 0,128/0,56 = 0,029

D = V q>3>/V>К> Δi>К > = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75

Δi>B> = В Δi>К> - D Δi>К> = С Δi>К> = (0,029 + 0,75) Δi>К> = 0,779 Δi>К>

Составляем таблицу:

№

Т>В> , К

i>в>, кДж/кг

Δi>В>

Т>К>, К

i>К>, кДж/кг

Δi>К>

0 – 0

280

522,32

0

248,4

332

0

1 – 1

272

511,7

10,589

237,56

-

13,593

2 – 2

261

501,1

21,178

226,72

-

27,186

3 – 3

254

490,6

31,767

215,88

-

40,779

4 – 4

245

480

42,356

205,04

-

54,372

5 – 5

235

469,3

52,973

194,2

-

67,975

6 – 6

225

458.8

63,534

183,36

-

81,558

7 – 7

218

448,2

74,123

172,52

-

95,151

8 – 8

210

437,6

84,735

161,68

-

108,77

9 – 9

199

427

95,301

150,84

-

122,33

10 – 10

188

419,12

105,9

140

467,93

135,93

ΔТ>ср>инт = n/Σ(1/ΔТ>ср>)

№

ΔТ>ср>

1/ΔТ>ср>

1

32

0,03125

2

34

0,0294

3

34

0,0294

4

40

0,025

5

41

0,0244

6

42

0,0238

7

45

0,0222

8

48

0,0208

9

48

0,0208

10

48

0,0208

Σ(1/ΔТ>ср>) = 0,245

ΔТ>ср> = 10/0,245 = 40,3 К

в) Материальный баланс теплообменника III:

(V>A> – V>да>)(i>6В> – i>5B>) + Vq>3> = A(i>3> – i>2A>)

Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:

(0,54 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1*q>3> = 0,813*1,684(123 – 85)

q>3> = 55,8 – 33,9 = 21,9 кДж/кг

Рассчитываем коэффициенты В и D:

(V>A> – V>да>)(i>6В> – i>5B>) + Vq>3> = A(i>3> – i>2A>)

(V>А> - V>да>) Δi>B> + Vq>3> = А ΔiА

Δi>B> = А Δi>А>/ (V>А> - V>да>) - V q>3>/V>А> | Δi>А>/ Δi>А>

Δi>B> = А Δi>А>/ (V>А> - V>да>) - Vq>3>* Δi>А>/ Δi>А>

В =А/(V>А> - V>да>) = 0,813/0,44 = 1,982

D = V q>3>/(V>А> - V>да>) Δi>А > = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057

Δi>B> = В Δi>А> - D Δi>А> = С Δi>А> = (1,982 – 0,057) Δi>А> = 1,925 Δi>А>

Составляем таблицу:

№

Т>В> , К

i>в>, кДж/кг

Δi>В>

Т>А>, К

i>А>, кДж/кг

Δi>А>

0 – 0

188

394,5

0

123

372,6

0

1 – 1

175

387

7,527

119,2

-

3,91

2 – 2

168

379,4

15,1

115,4

-

7,82

3 – 3

162

371,92

22,58

111,6

-

11,73

4 – 4

158

364,4

30,1

107,8

-

15,64

5 – 5

155

356,9

37,6

104

-

19,55

6 – 6

152

349,3

45,2

100,2

-

23,46

7 – 7

149

341,8

52,7

96,4

-

27,37

8 – 8

145

334,3

60,2

92,6

-

31,28

9 – 9

141

326,8

67,741

88,8

-

35,19

10 – 10

138

319,22

75,28

85

333,5

39,1

ΔТ>ср>инт = n/Σ(1/ΔТ>ср>)

№

ΔТ>ср>

1/ΔТ>ср>

1

56

0,0179

2

53

0,0189

3

50

0,02

4

50

0,02

5

51

0,0196

6

52

0,0192

7

53

0,0189

8

52

0,0192

9

52

0,0192

10

53

0,0189

Σ(1/ΔТ>ср>) = 0,192

ΔТ>ср> = 10/0,245 = 52 К

г) Материальный баланс теплообменника IV:

(V>К> – V>дк>)(i>6В> – i>5B>) + Vq>3> = К(i>4> – i>2К>)

Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:

(0,56 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1*q>3> = 0,128*1,742(123 – 88)

q>3> = 7,804 - 50,7 = - 42,9 кДж/кг

Рассчитываем коэффициенты В и D:

(V>К> – V>дк>)(i>6В> – i>5B>) + Vq>3> = К(i>4> – i>2К>)

(V>к> - V>дк>) Δi>B> + Vq>3> = К Δi>к>

Δi>B> = К Δi>к>/ (V>К> - V>дк>) - V q>3>/V>К> | Δi>К>/ Δi>К>

Δi>B> = К Δi>К>/ (V>К> - V>дк>) - Vq>3>* Δi>К>/ Δi>К>

В =К/(V>К> - V>дк>) = 0,128/0,46 = 0,278

D = V q>3>/(V>К> - V>дк>) Δi>к > = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297

Δi>B> = В Δi>К> - D Δi>К> = С Δi>к> = (0,278 + 1,297) Δi>К> = 1,488 Δi>К>

Составляем таблицу:

№

Т>В> , К

i>в>, кДж/кг

Δi>В>

Т>К>, К

i>К>, кДж/кг

Δi>К>

0 – 0

188

394,5

0

140

332

0

1 – 1

174

387,17

7,33

134,8

-

5,06

2 – 2

167

379,8

14,7

129,6

-

10,12

3 – 3

162

371,6

22,9

124,4

-

15,18

4 – 4

158

365,2

29,3

119,2

-

20,24

5 – 5

155

357,9

36,6

114

-

25,3

6 – 6

152

350,5

44

108,8

-

30,36

7 – 7

149

343,2

51,3

103,6

-

35,42

8 – 8

146

335,9

58,6

98,4

-

40,48

9 – 9

143

328,6

65,9

93,2

-

45,54

10 – 10

138

319,22

75,28

88

372,6

50,6

ΔТ>ср>инт = n/Σ(1/ΔТ>ср>)

№

ΔТ>ср>

1/ΔТ>ср>

1

40

0,025

2

37

0,027

3

38

0,026

4

39

0,0256

5

41

0,0244

6

43

0,0233

7

45

0,0222

8

47

0,0213

9

50

0,02

10

50

0,02

Σ(1/ΔТ>ср>) = 0,235

ΔТ>ср> = 10/0,245 = 42,6 К

д) Расчёт основного теплообменника.

Для расчёта теплообменника разбиваем его на 2 трёхпоточных. Для удобства расчёта исходные данные сводим в таблицу.

Поток

Р>ср>, ат.

Т>ср>, К

С>р>, кДж/кгК

Уд. Объём v, м3/кг

μ, кг*с/м2

*107

λ, Вт/мК, *103

Прямой

(воздух)

45

226,5

1,187

0,005

18,8

23,6

Обратный

(О>2> под дав)

100

190

2,4

0,00106

108

15

Обратный

(N>2> низ дав)

1,3

155

1,047

0,286

9,75

35,04

Прямой поток.

1)Скорость потока принимаем ω = 1 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 1711*0,005/3600 = 2,43*10-3 м3/с

3) Выбираем тубку ф 12х1,5 мм

4) Число трубок

n = V>сек>/0,785d>вн> ω = 0,00243/0,785*0,0092*1 = 39 шт

Эквивалентный диаметр

d>экв> = 9 – 5 = 4 мм

5) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 1*0,004*85,4/9,81*18,8*10-7 = 32413

6) Критерий Прандтля

Pr = 0,802 (см. [2])

7) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*324130,8*0,8020,33 = 63,5

8) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 63,5*23,6*10-3/0,007 = 214,1 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):

1)Скорость потока принимаем ω = 1 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 320*0,0011/3600 = 9,8*10-5 м3/с

3) Выбираем тубку ф 5х0,5 мм гладкую.

4) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 1*0,007*330,1/9,81*106*10-7 = 21810

5) Критерий Прандтля

Pr = 1,521 (см. [2])

6) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*218100,8*1,5210,33 = 80,3

7) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 80,3*15*10-3/0,007 = 172 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)

1)Скорость потока принимаем ω = 15 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 1391*0,286/3600 = 0,11 м3/с

3) Живое сечение для прохода обратного потока:

Fж = V>сек>/ω = 0,11/15 = 0,0074 м2

4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м

4) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 15*0,004*2,188/9,81*9,75*10-7 = 34313

5) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*343130,85=299,4

7) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:

1) Тепловая нагрузка азотной секции

Q>A> = AΔi>A>/3600 = 1391*(454,6 – 381,33)/3600 = 28,3 кВт

2) Среднеинтегральная разность температур ΔТ>ср> = 54,7 К

3) Коэффициент теплопередачи

К>А> = 1/[(1/α>в>)*(D>н>/D>вн>) + (1/α>А>)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м2 К

4) Площадь теплопередающей поверхности

F>A> = Q>A>/K>A> ΔТ>ср> = 28300/131,1*54,7 = 3,95 м2

5) Средняя длина трубки с 20% запасом

l>А> = 1,2F>A> /3,14D>H>n = 1,2*3,95/3,14*0,012*32 = 3,93 м

6) Тепловая нагрузка кислородной секции

Q>К> = КΔi>A>/3600 = 0,183*(467,93 – 332)/3600 = 15,1 кВт

7) Коэффициент теплопередачи

К>К> = 1/[(1/α>в>) + (1/α>К>) *(D>н>/D>вн>)] = 1/[(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К

8) Площадь теплопередающей поверхности

F>К> = Q>К>/K>К> ΔТ>ср> = 15100/77*25 = 7,8 м2

9) Средняя длина трубки с 20% запасом

l>К> = 1,2F>К> /3,14D>H>n = 1,2*7,8/3,14*0,01*55 = 5,42 м

Принимаем l = 5,42 м.

10) Теоретическая высота навивки.

Н = lt>2>/πD>ср> = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.

Второй теплообменник.

Поток

Р>ср>, ат.

Т>ср>, К

С>р>, кДж/кгК

Уд. Объём v, м3/кг

μ, кг*с/м2

*107

λ, Вт/мК, *103

Прямой

(воздух)

45

155,5

2,328

0,007

142,62

23,73

Обратный

(О>2> под дав)

100

132,5

1,831

0,00104

943,3

106,8

Обратный

(N>2> низ дав)

1,3

112,5

1,061

0,32

75,25

10,9

Прямой поток.

1)Скорость потока принимаем ω = 1 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 1875*0,007/3600 = 2,6*10-3 м3/с

3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм гладкую.

4) Число трубок

n = V>сек>/0,785d>вн> ω = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт

Эквивалентный диаметр

d>экв> = 9 – 5 = 4 мм

5) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 1*0,004*169,4/9,81*142,62*10-7 = 83140

6) Критерий Прандтля

Pr =1,392 (см. [2])

7) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*831400,8*1,3920,33 = 145

8) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 145*10,9*10-3/0,007 = 225,8 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):

1)Скорость потока принимаем ω = 1 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 800*0,00104/3600 = 1,2*10-4 м3/с

3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм с оребрением из проволоки ф 1,6 мм и шагом оребрения t>п> = 5,5мм

4) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 1*0,007*1067,2/9,81*75,25*10-7 = 101200

5) Критерий Прандтля

Pr = 1,87 (см. [2])

6) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*1012000,8*1,870,33 = 297,2

7) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 297,2*10,9*10-3/0,007 = 462,8 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)

1)Скорость потока принимаем ω = 15 м/с

2) Секундный расход

V>сек> = V*v/3600 = 2725*0,32/3600 = 0,242 м3/с

3) Живое сечение для прохода обратного потока:

Fж = V>сек>/ω = 0,242/15 = 0,016 м2

4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м

4) Критерий Рейнольдса

Re = ω d>вн>ρ/gμ = 15*0,01*3,04/9,81*75,25*10-7 = 60598

5) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*605980,85=485,6

7) Коэффициент теплоотдачи:

α>В> = Nuλ/d>вн> = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:

1) Тепловая нагрузка азотной секции

Q>A> = AΔi>A>/3600 = 2725(391,85 – 333,5)/3600 = 57 кВт

2) Среднеинтегральная разность температур ΔТ>ср> = 52 К

3) Коэффициент теплопередачи

К>А> = 1/[(1/α>в>)*(D>н>/D>вн>) + (1/α>А>)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м2 К

4) Площадь теплопередающей поверхности

F>A> = Q>A>/K>A> ΔТ>ср> = 57000/121,7*52 = 9 м2

5) Средняя длина трубки с 20% запасом

l>А> = 1,2F>A> /3,14D>H>n = 1,2*9/3,14*0,01*45 = 7,717 м

6) Тепловая нагрузка кислородной секции

Q>К> = КΔi>К>/3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт

7) Коэффициент теплопередачи

К>К> = 1/[(1/α>в>) + (1/α>К>) *(D>н>/D>вн>)] = 1/[(1/225,8) + (1/529,3) *(0,01/0,007)] = 140,3 Вт/м2 К

8) Площадь теплопередающей поверхности

F>К> = Q>К>/K>К> ΔТ>ср> = 4600/140*42,6 = 0,77 м2

9) Средняя длина трубки с 20% запасом

l>К> = 1,2F>К> /3,14D>H>n = 1,2*0,77/3,14*0,01*45 = 0,654 м

Принимаем l = 7,717 м.

10) Теоретическая высота навивки.

Н = lt>2>/πD>ср> = 7,717*0,0122/3,14*0,286 = 0,33 м.

Окончательный вариант расчёта принимаем на ЭВМ.

6. Расчёт блока очистки.

  1. Исходные данные:

Количество очищаемого воздуха …………………… V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч

Давление потока …………………………………………… Р = 4,5 МПа

Температура очищаемого воздуха………………………… Т = 275 К

Расчётное содержание углекислого газа по объёму …………………...С = 0,03%

Адсорбент ……………………………………………………NaX

Диаметр зёрен ………………………………………………. d>з> = 4 мм

Насыпной вес цеолита ………………………………………γ>ц> = 700 кг/м3

Динамическая ёмкость цеолита по парам СО>2> ……………а>д> = 0,013 м3/кг

Принимаем в качестве адсорберов стандартный баллон диаметром D>a> = 460 мм и высоту слоя засыпки адсорбента

L = 1300 мм.

2) Скорость очищаемого воздуха в адсорбере:

ω = 4V>a>/nπD>a>2

n – количество одновременно работающих адсорберов;

V>а >– расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции, т. е. при Р = 4,5 МПа и Т>в> = 275 К:

V>a> = VT>B> P/T*P>B> = 1711*275*1/273*45 = 69,9 кг/ч

ω = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2

Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере:

G>ц> = nV>ад> γ>ц> = L*γ*n*π*D>a>2/4 = 1*3,14*0,462*1,3*700/4 = 453,4 кг

Определяем количество СО>2> , которое способен поглотить цеолит:

V>CO>>2> = G>ц>*a>д> = 453,4*0,013 = 5,894 м3

Определяем количество СО>2>, поступающее каждый час в адсорбер:

V>CO2>’ = V*C>o> = 3125*0,0003 = 0,937 м3/ч

Время защитного действия адсорбента:

τ>пр> = V>CO>>2>/ V>CO>>2>’ = 5,894/0,937 = 6,29 ч

Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда:

ω = 4*69,9/4*3,14*0,462 = 105,2 кг/ч*м2

G>ц> = 4*3,14*0,462*1,3*700/4 = 604,6 кг

V>CO>>2> = G>c> *a>д> = 604,6*0,013 = 7,86 м3

τ>пр> = 7,86/0,937 = 8,388 ч.

Выбираем расчётное время защитного действия τ>пр> = 6 ч. с учётом запаса времени.

2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов:

V>рег> = 1,2*G>H>>2>>O> /x’ τ>рег>

G>H>>2>>O> – количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации

G>H>>2>>O> = G>ц>а>Н2О> = 604,2*0,2 = 120,84 кг

τ>рег> – время регенерации, принимаем

τ>рег> = 0,5 τ>пр> = 3 ч.

х’ – влагосодержание азота при Т>ср.вых> и Р = 105 Па:

Т>ср.вых> = (Т>вых.1> + Т>вых.2>)/2 = (275 + 623)/2 = 449 К

х = 240 г/м3

V>рег> = 1,2*120,84/0,24*3 = 201,4 м3/ч

Проверяем количество регенерирующего газа по тепловому балансу:

V>рег> *ρ>N>>2>*C>pN>>2>*(Т>вх> + Т>вых. ср>)* τ>рег> = ΣQ

ΣQ = Q>1> + Q>2> + Q>3> + Q>4> + Q>5>

Q>1> – количество тепла, затраченное на нагрев металла;

Q>2> – количество тепла, затраченное на нагрев адсорбента,

Q>3> – количество тепла, необходимое для десорбции влаги, поглощённой адсорбентом;

Q>4> – количество тепла, необходимое для нагрева изоляции;

Q>5> – потери тепла в окружающую среду.

Q>1> = G>м>С>м>(Т>ср>’ – T>нач>’ )

G>м> – вес двух баллонов с коммуникациями;

С>м> – теплоёмкость металла, С>м> = 0,503 кДж/кгК

T>нач>’ – температура металла в начале регенерации, T>нач>’ = 280 К

Т>ср>’ – средняя температура металла в конце процесса регенерации,

Т>ср>’ = (Т>вх>’ + Т>вых>’ )/2 = (673 + 623)/2 = 648 К

Т>вх>’ – температура азота на входе в блок очистки, Т>вх>’ = 673 К;

Т>вых>’ – температура азота на выходе из блока очистки, Т>вх>’ = 623 К;

Для определения веса блока очистки определяем массу одного баллона, который имеет следующие геометрические размеры:

наружний диаметр ……………………………………………….D>н> = 510 мм,

внутренний диаметр ……………………………………………..D>вн> = 460 мм,

высота общая ……………………………………………………..Н = 1500 мм,

высота цилиндрической части …………………………………..Н>ц> = 1245 мм.

Тогда вес цилиндрической части баллона

G>M>’ = (D>н>2 – D>вн>2)Н>ц>*γ>м>*π/4 = (0,512 – 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг,

где γ>м >– удельный вес металла, γ>м> = 7,85*103 кг/м3.

Вес полусферического днища

G>M>’’ = [(D>н>3/2) – (D>вн>3/2)]* γ>м>*4π/6 = [(0,513/2) – (0,463/2)]*7,85*103*4*3,14/6 = 7,2 кг

Вес баллона:

G>M>’ + G>M>’’ = 382 + 7,2 = 389,2 кг

Вес крышки с коммуникациями принимаем 20% от веса баллона:

G>M>’’’ = 389,2*0,2 = 77,84 кг

Вес четырёх баллонов с коммуникацией:

G>M> = 4(G>M>’ + G>M>’’ + G>M>’’’ ) = 4*(382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг.

Тогда:

Q>1> = 1868*0,503*(648 – 275) = 3,51*105 кДж

Количество тепла, затрачиваемое на нагревание адсорбента:

Q>2> = G>ц>С>ц>(Т>ср>’ – T>нач>’ ) = 604,6*0,21*(648 – 275) = 47358 кДж

Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги:

Q>3> = G>H>>2>>O>C>p>(Т>кип> – Т>нач>’ ) + G>H>>2>>O>*ε = 120,84*1*(373 – 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*105 кДж

ε – теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; С>р> – теплоёмкость воды.

Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции:

Q>4> = 0,2V>из> γ>из>С>из>(Т>из> – Т>нач>) = 0,2*8,919*100*1,886*(523 – 275) = 8,3*104 кДж

V>из> = V>б> – 4V>балл> = 1,92*2,1*2,22 – 4*0,20785*0,512*0,15 = 8,919 м3 – объём изоляции.

γ>из> – объёмный вес шлаковой ваты, γ>из> = 100 кг/м3

С>из> – средняя теплоёмкость шлаковой ваты, С>из> = 1,886 кДж/кгК

Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от ΣQ = Q>1> + Q>2> + Q>4> :

Q>5> = 0,2*(3,51*105 + 47358 + 8,3*104 ) = 9.63*104 кДж

Определяем количество регенерирующего газа:

V>рег> = (Q>1> + Q>2> + Q>3> + Q>4> + Q>5>)/ ρ>N>>2>*C>pN>>2>*(Т>вх> + Т>вых. ср>)* τ>рег> =

=(3,51*105 + 47358 + 2,8*105 + 8,3*104 + 9,63*104)/(1,251*1,048*(673 – 463)*3) = 1038 нм3/ч

Проверяем скорость регенерирующего газа, отнесённую к 293 К:

ω>рег> = 4 V>рег>*293/600*π*D>a>2 *n*T>нач> = 4*1038*293/600*3,14*0,462*2*275 = 5,546 м/с

n – количество одновременно регенерируемых адсорберов, n = 2

Определяем гидравлическое сопротивление слоя адсорбента при регенерации.

ΔР = 2fρLω2/9,8d>э>х2

где ΔР – потери давления, Па;

f – коэффициент сопротивления;

ρ – плотность газа, кг/м3;

L – длина слоя сорбента, м;

d>э> – эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м;

ω – скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с;

א – пористость слоя адсорбента, א = 0,35 м2/м3.

Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях:

ω = 4*V>рег>*Т>вых.ср.>/3600*π*D>a>2*n*Т>нач> = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 = 1,5 м/с

Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами:

d>э> = 4*א*d>з>/6*(1 – א) = 4*0,35*4/6*(1 – 0,35) = 1,44 мм.

Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса:

Re = ω*d>э>*γ/א*μ*g = 1,5*0,00144*0,79*107/0,35*25*9,81 = 198,8

где μ – динамическая вязкость, μ = 25*10-7 Па*с;

γ – удельный вес азота при условиях регенерации,

γ = γ>0> *Р*Т>0>/Р>0>*Т>вых.ср> = 1,251*1,1*273/1,033*463 = 0,79 кг/м3

По графику в работе [6] по значению критерия Рейнольдса определяем коэффициент сопротивления f = 2,2

Тогда:

ΔР = 2*2,2*0,79*1,3*1,52/9,81*0,00144*0,352 = 587,5 Па

Определяем мощность электроподогревателя:

N = 1,3* V>рег>*ρ*С>р>*(Т>вх> – Т>нач>)/860 = 1,3*1038*1,251*0,25(673 – 293)/860 = 70,3 кВт

где С>р> = 0,25 ккал/кг*К

7. Определение общих энергетических затрат установки

l = [Vρ>в> RT>oc> ln(P>k>/P>n>)]/η>из> К>ж>*3600 = 1711*0,287*296,6*ln(4,5/0,1)/0,6*320*3600 = 0,802 кВт

где V – полное количество перерабатываемого воздуха, V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч

ρ>в> – плотность воздуха при нормальных условиях, ρ>в> = 1,29 кг/м3

R – газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК

η>из> – изотермический КПД, η>из> = 0,6

К>ж> – количество получаемого кислорода, К = 320 м3/ч

Т>ос> – температура окружающей среды, принимается равной средне – годовой температуре в городе Владивостоке, Т>ос> = 23,60С = 296,6 К

8. Расчёт процесса ректификации.

Расчёт процесса ректификации производим на ЭВМ (см. распечатки 4 и 5).

Вначале проводим расчёт нижней колонны. Исходные данные вводим в виде массива. Седьмая

строка массива несёт в себе информацию о входящем в колонну потоке воздуха: принимаем, что в нижнюю часть нижней колонны мы вводим жидкий воздух.

1 – фазовое состояние потока, жидкость;

0,81 – эффективность цикла. Поскольку в установке для ожижения используется цикл Гейландта (х = 0,19), то эффективность установки равна 1 – х = 0,81.

0,7812 – содержание азота в воздухе;

0,0093 – содержание аргона в воздухе;

0,2095 – содержание кислорода в воздухе.

Нагрузку конденсатора подбираем таким образом, чтобы нагрузка испарителя стремилась к нулю.

8. Расчёт конденсатора – испарителя.

Расчёт конденсатора – испарителя также проводим на ЭВМ с помощью программы, разработанной Е. И. Борзенко.

В результате расчёта получены следующие данные (смотри распечатку 6):

Коэффициент телоотдачи в испарителе……….……….ALFA1 = 1130,7 кДж/кгК

Коэффициент телоотдачи в конденсаторе…………… ALFA2 = 2135,2 кДж/кгК

Площадь теплопередающей поверхности………………..………F1 = 63,5 м3

Давление в верхней колонне ………………………………………Р1 = 0,17 МПа.

10. Подбор оборудования.

1. Выбор компрессора.

Выбираем 2 компрессора 605ВП16/70.

Производительность одного компрессора ………………………………..16±5% м3/мин

Давление всасывания……………………………………………………….0,1 МПа

Давление нагнетания………………………………………………………..7 МПа

Потребляемая мощность…………………………………………………….192 кВт

Установленная мощность электродвигателя………………………………200 кВт

2. Выбор детандера.

Выбираем ДТ – 0,3/4 .

Характеристики детандера:

Производительность…………………………………………………… V = 340 м3/ч

Давление на входе ………………………………………………………Р>вх> = 4 МПа

Давление на выходе …………………………………………………….Р>вых >= 0.6 МПа

Температура на входе …………………………………………………..Т>вх> = 188 К

Адиабатный КПД ……………………………………………………….η>ад> = 0,7

3. Выбор блока очистки.

Выбираем стандартный цеолитовый блок осушки и очистки воздуха ЦБ – 2400/64.

Характеристика аппарата:

Объёмный расход воздуха ……………………………….V=2400 м3/ч

Рабочее давление:

максимальное ……………………………………………Р>макс> = 6,4 МПа

минимальное………………………………………..……Р>мин> = 3,5 МПа

Размеры сосудов…………………………………………750х4200 мм.

Количество сосудов……………………………………..2 шт.

Масса цеолита …………………………………………..М = 2060 кг

Список используемой литературы:

  1. Акулов Л.А., Холодковский С.В. Методические указания к курсовому проектированию криогенных установок по курсам «Криогенные установки и системы» и «Установки сжижения и разделения газовых смесей» для студентов специальности 1603. – СПб.; СПбТИХП, 1994. – 32 с.

  2. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Новотельнов В.Н., Зайцев А.В.Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для ВУЗов. – СПб.: Политехника, 2001. – 243 с.

  3. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 1., - М.: Машиностроение, 1998. – 464 с.

  4. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 2., - М.: Машиностроение, 1999. – 720 с.

  5. Акулов Л.А., Холодковский С.В. Криогенные установки (атлас технологических схем криогенных установок): Учебное пособие. – СПб.: СПбГАХПТ, 1995. – 65 с.

6. Кислород. Справочник в двух частях. Под ред. Д. Л. Глизманенко. М., «Металлургия», 1967.

Распечатка 1. Расчёт основного теплообменника.

Распечатка 2. Расчёт теплообменника – ожижителя.

Распечатка 3. Расчёт переохладителя.

Распечатка 4. Расчёт процесса ректификации в нижней колонне.

Распечатка 5. Расчёт процесса ректификации в верхней колонне.

Распечатка 6. Расчёт конденсатора – испарителя.

Распечатка 7. Расчёт переохладителя кислорода.