Установки ожижения и разделения газовых смесей
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… Читать ещё >
Установки ожижения и разделения газовых смесей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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
Выбор типа установки и его обоснование…3
Краткое описание установки…3
Общие энергетические и материальные балансы…4
Расчёт узловых точек установки…4
Расчёт основного теплообменника…7
Расчёт блока очистки…17
Определение общих энергетических затрат установки…20
Расчёт процесса ректификации…20
Расчёт конденсатора — испарителя…20
Подбор оборудования…21
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.
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 СО2. 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 N2 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 N2 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
МVДi1B — 2B + VдетhадзадМ = МVq3 + Мк KДi2K — 3K + VДi3В — 4В М М — молярная масса воздуха.
Мк — 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…Рвыхк = 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 …ДТ1К — 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем:
Составляем балансы теплообменных аппаратов:
а) Баланс теплообменника — ожижителя.
КСр кДТ4К — 5К + АСрАДТ3А — 4А = VCpvДT2В — 3В
б) Балансы переохладителя:
находим из номограммы для смеси азот — кислород.
в) Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ДT1К — 2К = RCpR ДT2R — 3R
Принимаем ДT1К — 2К = 10 К
ДT2R — 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R = Т2R + ДT2R — 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К
i3R = 998,2
г) Баланс основного теплообменнка.
Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2 трёхпоточных теплообменника:
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMkДi2K — 3K + VMДi4B — 3B — VMДi1B — 2B]/Mhадзад = [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
Vдет = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч
Составляем балансы этих теплообменников:
I VCpVДT4B — 6B = KCpKДT3K' - 4K + ACpAДT2A' - 3A
II (V — Vд)CpVДT6B-5B = KCpKДT3K — 3K' + ACpAДT2A' - 2A
Добавим к ним баланс теплообменника — ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III КСр кДТ4К — 5К + АСрАДТ3А — 4А = VCpvДT2В — 3В
Вычтем уравнение II из уравнения I:
VCpVДT4B — 6B — (V — Vд)CpVДT6B-5B = KCpKДT3K' - 4K — KCpKДT3K — 3K' + ACpAДT2A' - 3A — ACpAДT2A' - 2A
Получаем систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B — 2T6B + T5B) + VдCpV(T6B — T5B) = KCpK(T4K — T3K) + ACpAДT3A — 2A
II КСр кДТ4К — 5К + АСрАДТ3А — 4А = VCpvДT2В — 3В
I 1*1,012(280 — 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 — 138) = 0,128*1,831(T4K — 88) +0,872*1,048(T3А-85)
II 1*1,012*(310 — 275) = 0,128*1,093(295 — T4K) + 0,872*1,041(295 — T3А)
T4K = 248,4 К
T3А = 197,7 К
Для удобства расчёта полученные данные по давлениям, температурам и энтальпиям в узловых точках сведём в таблицу:
№ | 1В | 2В | 3В | 4В | 5В | 6В | 7В | 1R | 2R | 3R | ||
i, кДж/ кг | 553,7 | 563,8 | 516,8 | 522,3 | 319,2 | 319,2 | 419,1 | 367,5 | 1131,2 | |||
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 | 76,4 | |||||||||||
№ | 1D | 2D | 1К | 2К | 3К | 4К | 5К | 1А | 2А | 3А | 4А | |
i, кДж/ кг | 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 | 0,13 | 0,13 | 0,13 | 0,13 | ||||
Т, К | 248,4 | 197,7 | ||||||||||
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.
5. Расчёт основного теплообменника.
Ввиду сложности конструкции теплообменного аппарата разобьём его на 4 двухпоточных теплообменника.
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMkДi2K — 3K + VMДi4B — 3B — VMДi1B — 2B]/Mhадзад = [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
Vдет = 0,2V = 0,2* = 342,2 м3/ч
Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:
I VA (i4B — i1) + Vq3 = A (i3A — i3)
II VK (i4B — i2) + Vq3 = K (i4K — i4)
III (VA — Vда)(i1 — i5B) + Vq3 = A (i3 — i2A)
IV (VК — Vдк)(i2 — i5B) + Vq3 = К (i4 — i2К)
Здесь VA + VК = V, Vда + Vдк = Vд
Параметры в точках i1 и i2 будут теми же, что в точке 6В
Температуру в точке 5 В задаём:
Т5В = 138 К
Р5В = 4,5 МПа
i5В = 319,22 кДж/кг = 9257,38 кДж/кмоль
Принимаем VA = А = 0,813, VК = К = 0,187, Vдк = Vда = 0,1, q3 = 1 кДж/кг для всех аппаратов.
Тогда из уравнения I
VA (i4B — i6В) + Vq3 = A (i3A — i3)
0,813(522,32 — 419,1) + 1 = 0,813(454,6 — i3)
i3 = (394,6 — 112,5)/0,813 = 324,7 кДж/кг
Т3 = 140 К
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,872 — 0,1)(394,5 — 319,22) + 1 = 0,872(i3 — 333,5)
59,1 = 0,872i3 — 290,8
i3 = (290,8 + 59,1)/0,872 = 401,3 кДж/кг
Уменьшим VА до 0,54:
0,54(522,32 — 419,1) + 1 = 0,872(454,6 — i3)
i3 = (394,6 — 70,023)/0,872 = 372,2 кДж/кг
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,54 — 0,1)(394,5 — 319,22) + 1 = 0,872(i3 — 333,5)
i3 = (290,8 + 34,123)/0,872 = 372,6 кДж/кг
Т3 = 123 К
Тогда из уравнения II:
VK (i4B — i6В) + Vq3 = K (i4K — i4)
0,56(522,32 — 419,1) + 1 = 0,128(467,9 — i4)
72,6 = 59,9 — 0,128 i4
i4 = (72,6 — 59,9)/0,128 = 332 кДж/кг
Т4 = 140 К
Рассчитываем среднеинтегральную разность температур для каждого из четырёх теплообменников.
а) Материальный баланс теплообменника I:
VA (i4B — i1) + Vq3 = A (i3A — i3)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
0,54*1,15(280 — 173) + 1*q3 = 0,872*1,99(197,7 — 123)
q3 = 121,9 — 66,4 = 55,5 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
VA (i4B — i6В) + Vq3 = A (i3A — i3)
VA ДiB + Vq3 = A ДiA
ДiB = A ДiA/ VA — V q3/VA | ДiA/ ДiA
ДiB = A ДiA/ VA — Vq3* ДiA/ ДiA
В = A/VA = 0,872/0,54 = 1,645
D = V q3/VA ДiA = 1*55,5/0,54*(197,7 — 123) = 0,376
ДiB = В ДiA — D ДiA = С ДiA = (1,635 — 0,376) ДiA = 1,259 ДiA
Составляем таблицу:
№ | ТВ, К | iв, кДж/кг | ДiВ | ТА, К | iА, кДж/кг | ДiА | |
0 — 0 | 522,32 | 197,7 | 454,6 | ||||
1 — 1 | 512,0 | 10,324 | 190,23 | ; | 8,2 | ||
2 — 2 | 501,7 | 20,648 | 182,76 | ; | 16,4 | ||
3 — 3 | 491,3 | 30,971 | 175,29 | ; | 24,6 | ||
4 — 4 | 481,0 | 41,295 | 167,82 | ; | 32,8 | ||
5 — 5 | 470,7 | 51,619 | 160,35 | ; | |||
6 — 6 | 460,4 | 61,943 | 152,88 | ; | 49,2 | ||
7 — 7 | 450,1 | 72,267 | 145,41 | ; | 57,4 | ||
8 — 8 | 439,73 | 82,59 | 137,94 | ; | 65,6 | ||
9 — 9 | 429,4 | 92,914 | 130,47 | ; | 73,8 | ||
10 — 10 | 419,12 | 103,2 | 372,6 | ||||
Строим температурные кривые:
ДТсринт = n/У (1/ДТср)
№ | ДТср | 1/ДТср | |
0,012 | |||
0,012 | |||
0,0128 | |||
0,0127 | |||
0,013 | |||
0,0139 | |||
0,0137 | |||
0,0139 | |||
0,0145 | |||
0,0154 | |||
У (1/ДТср) = 0,1339
ДТср = 10/0,1339 = 54,7 К
б) Материальный баланс теплообменника II:
VK (i4B — i6В) + Vq3 = K (i4K — i4)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
0,56*1,15(280 — 173) + 1*q3 = 0,187*1,684(248,4 — 140)
q3 = 23,4 — 68,9 = -45,5 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
VК (i4B — i6В) + Vq3 = K (i4K — i4)
VК ДiB + Vq3 = К ДiК
ДiB = К ДiК/ VК — V q3/VК | ДiК/ ДiК
ДiB = К ДiК/ VК — Vq3* ДiК/ ДiК
В = К/VК = 0,128/0,56 = 0,029
D = V q3/VК ДiК = -1*45,5/0,56*(248,4 — 140) = -0,75
ДiB = В ДiК — D ДiК = С ДiК = (0,029 + 0,75) ДiК = 0,779 ДiК
Составляем таблицу:
№ | ТВ, К | iв, кДж/кг | ДiВ | ТК, К | iК, кДж/кг | ДiК | |
0 — 0 | 522,32 | 248,4 | |||||
1 — 1 | 511,7 | 10,589 | 237,56 | ; | 13,593 | ||
2 — 2 | 501,1 | 21,178 | 226,72 | ; | 27,186 | ||
3 — 3 | 490,6 | 31,767 | 215,88 | ; | 40,779 | ||
4 — 4 | 42,356 | 205,04 | ; | 54,372 | |||
5 — 5 | 469,3 | 52,973 | 194,2 | ; | 67,975 | ||
6 — 6 | 458.8 | 63,534 | 183,36 | ; | 81,558 | ||
7 — 7 | 448,2 | 74,123 | 172,52 | ; | 95,151 | ||
8 — 8 | 437,6 | 84,735 | 161,68 | ; | 108,77 | ||
9 — 9 | 95,301 | 150,84 | ; | 122,33 | |||
10 — 10 | 419,12 | 105,9 | 467,93 | 135,93 | |||
ДТсринт = n/У (1/ДТср)
№ | ДТср | 1/ДТср | |
0,3 125 | |||
0,0294 | |||
0,0294 | |||
0,025 | |||
0,0244 | |||
0,0238 | |||
0,0222 | |||
0,0208 | |||
0,0208 | |||
0,0208 | |||
У (1/ДТср) = 0,245
ДТср = 10/0,245 = 40,3 К
в) Материальный баланс теплообменника III:
(VA — Vда)(i6В — i5B) + Vq3 = A (i3 — i2A)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
(0,54 — 0,1)*2,204(188 — 138) + 1*q3 = 0,813*1,684(123 — 85)
q3 = 55,8 — 33,9 = 21,9 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
(VA — Vда)(i6В — i5B) + Vq3 = A (i3 — i2A)
(VА — Vда) ДiB + Vq3 = А ДiА
ДiB = А ДiА/ (VА — Vда) — V q3/VА | ДiА/ ДiА
ДiB = А ДiА/ (VА — Vда) — Vq3* ДiА/ ДiА
В =А/(VА — Vда) = 0,813/0,44 = 1,982
D = V q3/(VА — Vда) ДiА = 1*21,9/0,44*(372,6 — 333,5) = 0,057
ДiB = В ДiА — D ДiА = С ДiА = (1,982 — 0,057) ДiА = 1,925 ДiА
Составляем таблицу:
№ | ТВ, К | iв, кДж/кг | ДiВ | ТА, К | iА, кДж/кг | ДiА | |
0 — 0 | 394,5 | 372,6 | |||||
1 — 1 | 7,527 | 119,2 | ; | 3,91 | |||
2 — 2 | 379,4 | 15,1 | 115,4 | ; | 7,82 | ||
3 — 3 | 371,92 | 22,58 | 111,6 | ; | 11,73 | ||
4 — 4 | 364,4 | 30,1 | 107,8 | ; | 15,64 | ||
5 — 5 | 356,9 | 37,6 | ; | 19,55 | |||
6 — 6 | 349,3 | 45,2 | 100,2 | ; | 23,46 | ||
7 — 7 | 341,8 | 52,7 | 96,4 | ; | 27,37 | ||
8 — 8 | 334,3 | 60,2 | 92,6 | ; | 31,28 | ||
9 — 9 | 326,8 | 67,741 | 88,8 | ; | 35,19 | ||
10 — 10 | 319,22 | 75,28 | 333,5 | 39,1 | |||
ДТсринт = n/У (1/ДТср)
№ | ДТср | 1/ДТср | |
0,0179 | |||
0,0189 | |||
0,02 | |||
0,02 | |||
0,0196 | |||
0,0192 | |||
0,0189 | |||
0,0192 | |||
0,0192 | |||
0,0189 | |||
У (1/ДТср) = 0,192
ДТср = 10/0,245 = 52 К
г) Материальный баланс теплообменника IV:
(VК — Vдк)(i6В — i5B) + Vq3 = К (i4 — i2К)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
(0,56 — 0,1)*2,204(188 — 138) + 1*q3 = 0,128*1,742(123 — 88)
q3 = 7,804 — 50,7 = - 42,9 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
(VК — Vдк)(i6В — i5B) + Vq3 = К (i4 — i2К)
(Vк — Vдк) ДiB + Vq3 = К Дiк
ДiB = К Дiк/ (VК — Vдк) — V q3/VК | ДiК/ ДiК
ДiB = К ДiК/ (VК — Vдк) — Vq3* ДiК/ ДiК
В =К/(VК — Vдк) = 0,128/0,46 = 0,278
D = V q3/(VК — Vдк) Дiк = -1*42,9/0,46*(372,6 — 332) = - 1,297
ДiB = В ДiК — D ДiК = С Дiк = (0,278 + 1,297) ДiК = 1,488 ДiК
Составляем таблицу:
№ | ТВ, К | iв, кДж/кг | ДiВ | ТК, К | iК, кДж/кг | ДiК | |
0 — 0 | 394,5 | ||||||
1 — 1 | 387,17 | 7,33 | 134,8 | ; | 5,06 | ||
2 — 2 | 379,8 | 14,7 | 129,6 | ; | 10,12 | ||
3 — 3 | 371,6 | 22,9 | 124,4 | ; | 15,18 | ||
4 — 4 | 365,2 | 29,3 | 119,2 | ; | 20,24 | ||
5 — 5 | 357,9 | 36,6 | ; | 25,3 | |||
6 — 6 | 350,5 | 108,8 | ; | 30,36 | |||
7 — 7 | 343,2 | 51,3 | 103,6 | ; | 35,42 | ||
8 — 8 | 335,9 | 58,6 | 98,4 | ; | 40,48 | ||
9 — 9 | 328,6 | 65,9 | 93,2 | ; | 45,54 | ||
10 — 10 | 319,22 | 75,28 | 372,6 | 50,6 | |||
ДТсринт = n/У (1/ДТср)
№ | ДТср | 1/ДТср | |
0,025 | |||
0,027 | |||
0,026 | |||
0,0256 | |||
0,0244 | |||
0,0233 | |||
0,0222 | |||
0,0213 | |||
0,02 | |||
0,02 | |||
У (1/ДТср) = 0,235
ДТср = 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 | Рср, ат. | Тср, К | Ср, кДж/кгК | Уд. Объём v, м3/кг | м, кг*с/м2 *107 | л, Вт/мК, *103 | |
Прямой (воздух) | 226,5 | 1,187 | 0,005 | 18,8 | 23,6 | ||
Обратный (О2 под дав) | 2,4 | 0,106 | |||||
Обратный (N2 низ дав) | 1,3 | 1,047 | 0,286 | 9,75 | 35,04 | ||
Прямой поток.
1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1711*0,005/3600 = 2,43*10-3 м3/с
3) Выбираем тубку ф 12×1,5 мм
4) Число трубок
n = Vсек/0,785dвн щ = 0,243/0,785*0,0092*1 = 39 шт
Эквивалентный диаметр
dэкв = 9 — 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 1*0,004*85,4/9,81*18,8*10-7 = 32 413
6) Критерий Прандтля
Pr = 0,802 (см. [2])
7) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*32 4130,8*0,8020,33 = 63,5
8) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 63,5*23,6*10-3/0,007 = 214,1 Вт/м2К
Обратный поток (кислород под давлением):
1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 320*0,0011/3600 = 9,8*10-5 м3/с
3) Выбираем тубку ф 5×0,5 мм гладкую.
4) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 1*0,007*330,1/9,81*106*10-7 = 21 810
5) Критерий Прандтля
Pr = 1,521 (см. [2])
6) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*21 8100,8*1,5210,33 = 80,3
7) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 80,3*15*10-3/0,007 = 172 Вт/м2К
Обратный поток (азот низкого давления)
1)Скорость потока принимаем щ = 15 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1391*0,286/3600 = 0,11 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/щ = 0,11/15 = 0,0074 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 15*0,004*2,188/9,81*9,75*10-7 = 34 313
5) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*34 3130,85=299,4
7) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К
Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = AДiA/3600 = 1391*(454,6 — 381,33)/3600 = 28,3 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ДТср = 54,7 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/бв)*(Dн/Dвн) + (1/бА)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ДТср = 28 300/131,1*54,7 = 3,95 м2
5) Средняя длина трубки с 20% запасом
lА = 1,2FA /3,14DHn = 1,2*3,95/3,14*0,012*32 = 3,93 м
6) Тепловая нагрузка кислородной секции
QК = КДiA/3600 = 0,183*(467,93 — 332)/3600 = 15,1 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/бв) + (1/бК) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К
8) Площадь теплопередающей поверхности
FК = QК/KК ДТср = 15 100/77*25 = 7,8 м2
9) Средняя длина трубки с 20% запасом
lК = 1,2FК /3,14DHn = 1,2*7,8/3,14*0,01*55 = 5,42 м
Принимаем l = 5,42 м.
10) Теоретическая высота навивки.
Н = lt2/рDср = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.
Второй теплообменник.
Поток | Рср, ат. | Тср, К | Ср, кДж/кгК | Уд. Объём v, м3/кг | м, кг*с/м2 *107 | л, Вт/мК, *103 | |
Прямой (воздух) | 155,5 | 2,328 | 0,007 | 142,62 | 23,73 | ||
Обратный (О2 под дав) | 132,5 | 1,831 | 0,104 | 943,3 | 106,8 | ||
Обратный (N2 низ дав) | 1,3 | 112,5 | 1,061 | 0,32 | 75,25 | 10,9 | |
Прямой поток.
1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1875*0,007/3600 = 2,6*10-3 м3/с
3) Выбираем тубку ф 10×1,5 мм гладкую.
4) Число трубок
n = Vсек/0,785dвн щ = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт
Эквивалентный диаметр
dэкв = 9 — 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 1*0,004*169,4/9,81*142,62*10-7 = 83 140
6) Критерий Прандтля
Pr =1,392 (см. [2])
7) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*83 1400,8*1,3920,33 = 145
8) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 145*10,9*10-3/0,007 = 225,8 Вт/м2К
Обратный поток (кислород под давлением):
1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 800*0,104/3600 = 1,2*10-4 м3/с
3) Выбираем тубку ф 10×1,5 мм с оребрением из проволоки ф 1,6 мм и шагом оребрения tп = 5,5 мм
4) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 1*0,007*1067,2/9,81*75,25*10-7 = 101 200
5) Критерий Прандтля
Pr = 1,87 (см. [2])
6) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*101 2000,8*1,870,33 = 297,2
7) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 297,2*10,9*10-3/0,007 = 462,8 Вт/м2К
Обратный поток (азот низкого давления)
1)Скорость потока принимаем щ = 15 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 2725*0,32/3600 = 0,242 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/щ = 0,242/15 = 0,016 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = щ dвнс/gм = 15*0,01*3,04/9,81*75,25*10-7 = 60 598
5) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*60 5980,85=485,6
7) Коэффициент теплоотдачи:
бВ = Nuл/dвн = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К
Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = AДiA/3600 = 2725(391,85 — 333,5)/3600 = 57 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ДТср = 52 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/бв)*(Dн/Dвн) + (1/бА)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ДТср = 57 000/121,7*52 = 9 м2
5) Средняя длина трубки с 20% запасом
lА = 1,2FA /3,14DHn = 1,2*9/3,14*0,01*45 = 7,717 м
6) Тепловая нагрузка кислородной секции
QК = КДiК/3600 = 0,128*(352,8 — 332)/3600 = 4,6 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/бв) + (1/бК) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/225,8) + (1/529,3) *(0,01/0,007)] = 140,3 Вт/м2 К
8) Площадь теплопередающей поверхности
FК = QК/KК ДТср = 4600/140*42,6 = 0,77 м2
9) Средняя длина трубки с 20% запасом
lК = 1,2FК /3,14DHn = 1,2*0,77/3,14*0,01*45 = 0,654 м
Принимаем l = 7,717 м.
10) Теоретическая высота навивки.
Н = lt2/рDср = 7,717*0,0122/3,14*0,286 = 0,33 м.
Окончательный вариант расчёта принимаем на ЭВМ.
6. Расчёт блока очистки.
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 … dз = 4 мм
Насыпной вес цеолита… гц = 700 кг/м3
Динамическая ёмкость цеолита по парам СО2 …ад = 0,013 м3/кг
Принимаем в качестве адсорберов стандартный баллон диаметром Da = 460 мм и высоту слоя засыпки адсорбента
L = 1300 мм.
2) Скорость очищаемого воздуха в адсорбере:
щ = 4Va/nрDa2
n — количество одновременно работающих адсорберов;
Vа — расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции, т. е. при Р = 4,5 МПа и Тв = 275 К:
Va = VTB P/T*PB = 1711*275*1/273*45 = 69,9 кг/ч
щ = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2
Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере:
Gц = nVад гц = L*г*n*р*Da2/4 = 1*3,14*0,462*1,3*700/4 = 453,4 кг
Определяем количество СО2, которое способен поглотить цеолит:
VCO2 = Gц*aд = 453,4*0,013 = 5,894 м3
Определяем количество СО2, поступающее каждый час в адсорбер:
VCO2' = V*Co = 3125*0,0003 = 0,937 м3/ч
Время защитного действия адсорбента:
фпр = VCO2/ VCO2' = 5,894/0,937 = 6,29 ч
Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда:
щ = 4*69,9/4*3,14*0,462 = 105,2 кг/ч*м2
Gц = 4*3,14*0,462*1,3*700/4 = 604,6 кг
VCO2 = Gc *aд = 604,6*0,013 = 7,86 м3
фпр = 7,86/0,937 = 8,388 ч.
Выбираем расчётное время защитного действия фпр = 6 ч. с учётом запаса времени.
2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов:
Vрег = 1,2*GH2O /x' фрег
GH2O — количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации
GH2O = GцаН2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг
фрег — время регенерации, принимаем
фрег = 0,5 фпр = 3 ч.
х' - влагосодержание азота при Тср.вых и Р = 105 Па:
Тср.вых = (Твых.1 + Твых.2)/2 = (275 + 623)/2 = 449 К
х = 240 г/м3
Vрег = 1,2*120,84/0,24*3 = 201,4 м3/ч
Проверяем количество регенерирующего газа по тепловому балансу:
Vрег *сN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* фрег = УQ
УQ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Q1 — количество тепла, затраченное на нагрев металла;
Q2 — количество тепла, затраченное на нагрев адсорбента,
Q3 — количество тепла, необходимое для десорбции влаги, поглощённой адсорбентом;
Q4 — количество тепла, необходимое для нагрева изоляции;
Q5 — потери тепла в окружающую среду.
Q1 = GмСм(Тср' - Tнач')
Gм — вес двух баллонов с коммуникациями;
См — теплоёмкость металла, См = 0,503 кДж/кгК
Tнач' - температура металла в начале регенерации, Tнач' = 280 К
Тср' - средняя температура металла в конце процесса регенерации,
Тср' = (Твх' + Твых')/2 = (673 + 623)/2 = 648 К
Твх' - температура азота на входе в блок очистки, Твх' = 673 К;
Твых' - температура азота на выходе из блока очистки, Твх' = 623 К;
Для определения веса блока очистки определяем массу одного баллона, который имеет следующие геометрические размеры:
наружний диаметр… Dн = 510 мм,
внутренний диаметр… Dвн = 460 мм,
высота общая… Н = 1500 мм,
высота цилиндрической части… Нц = 1245 мм.
Тогда вес цилиндрической части баллона
GM' = (Dн2 — Dвн2)Нц*гм*р/4 = (0,512 — 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг,
где гм — удельный вес металла, гм = 7,85*103 кг/м3.
Вес полусферического днища
GM'' = [(Dн3/2) — (Dвн3/2)]* гм*4р/6 = [(0,513/2) — (0,463/2)]*7,85*103*4*3,14/6 = 7,2 кг
Вес баллона:
GM' + GM'' = 382 + 7,2 = 389,2 кг
Вес крышки с коммуникациями принимаем 20% от веса баллона:
GM''' = 389,2*0,2 = 77,84 кг
Вес четырёх баллонов с коммуникацией:
GM = 4(GM' + GM'' + GM''') = 4*(382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг.
Тогда:
Q1 = 1868*0,503*(648 — 275) = 3,51*105 кДж
Количество тепла, затрачиваемое на нагревание адсорбента:
Q2 = GцСц(Тср' - Tнач') = 604,6*0,21*(648 — 275) = 47 358 кДж
Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги:
Q3 = GH2OCp(Ткип — Тнач') + GH2O*е = 120,84*1*(373 — 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*105 кДж
е — теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; Ср — теплоёмкость воды.
Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции:
Q4 = 0,2Vиз гизСиз(Тиз — Тнач) = 0,2*8,919*100*1,886*(523 — 275) = 8,3*104 кДж
Vиз = Vб — 4Vбалл = 1,92*2,1*2,22 — 4*0,20 785*0,512*0,15 = 8,919 м3 — объём изоляции.
гиз — объёмный вес шлаковой ваты, гиз = 100 кг/м3
Сиз — средняя теплоёмкость шлаковой ваты, Сиз = 1,886 кДж/кгК
Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от УQ = Q1 + Q2 + Q4 :
Q5 = 0,2*(3,51*105 + 47 358 + 8,3*104) = 9.63*104 кДж
Определяем количество регенерирующего газа:
Vрег = (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5)/ сN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* фрег =
=(3,51*105 + 47 358 + 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:
щрег = 4 Vрег*293/600*р*Da2 *n*Tнач = 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.
ДР = 2fсLщ2/9,8dэх2
где ДР — потери давления, Па;
f — коэффициент сопротивления;
с — плотность газа, кг/м3;
L — длина слоя сорбента, м;
dэ — эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м;
щ — скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с;
а — пористость слоя адсорбента, а = 0,35 м2/м3.
Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях:
щ = 4*Vрег*Твых.ср./3600*р*Da2*n*Тнач = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 = 1,5 м/с
Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами:
dэ = 4*а*dз/6*(1 — а) = 4*0,35*4/6*(1 — 0,35) = 1,44 мм.
Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса:
Re = щ*dэ*г/а*м*g = 1,5*0,144*0,79*107/0,35*25*9,81 = 198,8
где м — динамическая вязкость, м = 25*10-7 Па*с;
г — удельный вес азота при условиях регенерации,
г = г0 *Р*Т0/Р0*Твых.ср = 1,251*1,1*273/1,033*463 = 0,79 кг/м3
По графику в работе по значению критерия Рейнольдса определяем коэффициент сопротивления f = 2,2
Тогда:
ДР = 2*2,2*0,79*1,3*1,52/9,81*0,144*0,352 = 587,5 Па
Определяем мощность электроподогревателя:
N = 1,3* Vрег*с*Ср*(Твх — Тнач)/860 = 1,3*1038*1,251*0,25(673 — 293)/860 = 70,3 кВт
где Ср = 0,25 ккал/кг*К
7. Определение общих энергетических затрат установки
l = [Vсв RToc ln (Pk/Pn)]/зиз Кж*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
св — плотность воздуха при нормальных условиях, св = 1,29 кг/м3
R — газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК
зиз — изотермический КПД, зиз = 0,6
Кж — количество получаемого кислорода, К = 320 м3/ч
Тос — температура окружающей среды, принимается равной средне — годовой температуре в городе Владивостоке, Тос = 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 — 0,¾ .
Характеристики детандера:
Производительность… V = 340 м3/ч
Давление на входе… Рвх = 4 МПа
Давление на выходе… Рвых = 0.6 МПа
Температура на входе… Твх = 188 К
Адиабатный КПД… зад = 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 …Рмакс = 6,4 МПа
минимальное…Рмин = 3,5 МПа
Размеры сосудов…750×4200 мм.
Количество сосудов…2 шт.
Масса цеолита… М = 2060 кг
Список используемой литературы:
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.
Акулов Л.А., Борзенко Е. И., Новотельнов В. Н., Зайцев А. В. Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для ВУЗов. — СПб.: Политехника, 2001. — 243 с.
Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 1., — М.: Машиностроение, 1998. — 464 с.
Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 2., — М.: Машиностроение, 1999. — 720 с.
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.