Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

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 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 МV?i1B – 2B + Vдетhад?адМ = МVq3 + Мк K?i2K – 3K + V?i3В – 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………………………. [pic] Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 4,5 МПА Температура воздуха на входе в компрессор…..………………...[pic] Температура воздуха на выходе из компрессора…….…………..[pic] Температура воздуха на выходе из теплообменника – ожижителя…..[pic] Температура воздуха на выходе из блока очистки…………………[pic] Давление в верхней колонне…………………………………….. [pic] Давление в нижней колонне………………………………………[pic] Концентрация азота в кубовой жидкости ………………………..[pic] Концентрация азота в азотной флегме…………………………… [pic] Температурный перепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении через переохладитель…………..……………………………..[pic] Температура кубовой жидкости…………………………………….[pic] Температура азотной флегмы………………………………………[pic] Температура отходящего азота…………………………………….[pic] Температура жидкого кислорода…………………………………..[pic] Разность температур на тёплом конце теплообменника – ожижителя………………………………………..…………….[pic] Температура азота на выходе из установки………………….[pic] Температурный перепад кислорода …………………………?Т1К – 2К = 10 К На начальной стадии расчёта принимаем: [pic]
Составляем балансы теплообменных аппаратов: а) Баланс теплообменника – ожижителя.
КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
б) Балансы переохладителя: [pic] [pic] [pic]находим из номограммы [pic]для смеси азот – кислород.
в) Баланс переохладителя кислорода. КCpK ?T1К – 2К = RCpR ?T2R – 3R
Принимаем ?T1К – 2К = 10 К
?T2R – 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4 Т3R = Т2R + ?T2R – 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: [pic] Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки: Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?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 Vдет = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч
Составляем балансы этих теплообменников: I VCpV?T4B – 6B = KCpK?T3K’ – 4K + ACpA?T2A’ – 3A II (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K – 3K’ + ACpA?T2A’ – 2A Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений. III КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В Вычтем уравнение II из уравнения I: VCpV?T4B – 6B - (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K’ – 4K - KCpK?T3K – 3K’ + ACpA?T2A’ – 3A - ACpA?T2A’ – 2A Получаем систему из двух уравнений: I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B – T5B) = KCpK(T4K – T3K) + ACpA?T3A – 2A II КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 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 |5 |6В |7В |1R |2R |3R | |i, |553,7|563,8|516,8|522,3|319,2|319,2|419,1|367,5|1350 |1131,|1243| |кДж/ | | | | | | | | | |2 | | |кг | | | | | | | | | | | | |Р, |0,1 |4,5 |4,5 |4,5 |4,5 |0,65 |4,5 |4,5 |0,65 |0,65 |0,65| |МПа | | | | | | | | | | | | |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, |1015 |2465 |354,3|349,9|352,8|467,9|519,5|328,3|333,5|454,6|553,| |кДж/ | | | | | | | | | | | | |кг | | | | | | | | | | | | |Р, |0,65 |0,65 |0,13 |0,12 |10 |10 |10 |0,13 |0,13 |0,13 |0,13| |МПа | | | | | | | | | | | | |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. [pic]
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки: Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?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 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 5В 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 ?iB + Vq3 = A ?iA ?iB = A ?iA/ VA - V q3/VA | ?iA/ ?iA ?iB = A ?iA/ VA - Vq3* ?iA/ ?iA В = A/VA = 0,872/0,54 = 1,645 D = V q3/VA ?iA = 1*55,5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376 ?iB = В ?iA - D ?iA = С ?iA = (1,635 – 0,376) ?iA = 1,259 ?iA
Составляем таблицу:
|№ |ТВ , К |iв, |?iВ |ТА, К |iА, |?iА | | | |кДж/кг | | |кДж/кг | | |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 |
Строим температурные кривые:
?Тсринт = n/?(1/?Тср) |№ |?Тср |1/?Тср | |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 |
?(1/?Тср) = 0,1339 ?Тср = 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 ?iB + Vq3 = К ?iК ?iB = К ?iК/ VК - V q3/VК | ?iК/ ?iК ?iB = К ?iК/ VК - Vq3* ?iК/ ?iК В = К/VК = 0,128/0,56 = 0,029 D = V q3/VК ?iК = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75 ?iB = В ?iК - D ?iК = С ?iК = (0,029 + 0,75) ?iК = 0,779 ?iК
Составляем таблицу: |№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТК, К |iК, |?iК | | | | | | |кДж/кг | | |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|
?Тсринт = n/?(1/?Тср) |№ |?Тср |1/?Тср | |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 |
?(1/?Тср) = 0,245 ?Тср = 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) ?iB + Vq3 = А ?iА ?iB = А ?iА/ (VА - Vда) - V q3/VА | ?iА/ ?iА ?iB = А ?iА/ (VА - Vда) - Vq3* ?iА/ ?iА В =А/(VА - Vда) = 0,813/0,44 = 1,982 D = V q3/(VА - Vда) ?iА = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057 ?iB = В ?iА - D ?iА = С ?iА = (1,982 – 0,057) ?iА = 1,925 ?iА
Составляем таблицу: |№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТА, К |iА, |?iА | | | | | | |кДж/кг | | |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 |
?Тсринт = n/?(1/?Тср) |№ |?Тср |1/?Тср | |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 |
?(1/?Тср) = 0,192 ?Тср = 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) ?iB + Vq3 = К ?iк ?iB = К ?iк/ (VК - Vдк) - V q3/VК | ?iК/ ?iК ?iB = К ?iК/ (VК - Vдк) - Vq3* ?iК/ ?iК В =К/(VК - Vдк) = 0,128/0,46 = 0,278 D = V q3/(VК - Vдк) ?iк = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297 ?iB = В ?iК - D ?iК = С ?iк = (0,278 + 1,297) ?iК = 1,488 ?iК
Составляем таблицу: |№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТК, К |iК, |?iК | | | | | | |кДж/кг | | |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 |
?Тсринт = n/?(1/?Тср)
|№ |?Тср |1/?Тср | |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 |
?(1/?Тср) = 0,235 ?Тср = 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, |Тср, К |Ср, |Уд. Объём |?, |?, | | |ат. | |кДж/кгК |v, м3/кг |кг*с/м2 |Вт/мК, | | | | | | |*107 |*103 | |Прямой |45 |226,5 |1,187 |0,005 |18,8 |23,6 | |(воздух) | | | | | | | |Обратный |100 |190 |2,4 |0,00106 |108 |15 | |(О2 под | | | | | | | |дав) | | | | | | | |Обратный |1,3 |155 |1,047 |0,286 |9,75 |35,04 | |(N2 низ | | | | | | | |дав) | | | | | | |
Прямой поток. 1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с 2) Секундный расход Vсек = V*v/3600 = 1711*0,005/3600 = 2,43*10-3 м3/с 3) Выбираем тубку ф 12х1,5 мм 4) Число трубок n = Vсек/0,785dвн ? = 0,00243/0,785*0,0092*1 = 39 шт Эквивалентный диаметр dэкв = 9 – 5 = 4 мм 5) Критерий Рейнольдса Re = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 63,5*23,6*10-3/0,007 = 214,1 Вт/м2К
Обратный поток (кислород под давлением): 1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с 2) Секундный расход Vсек = 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 = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 80,3*15*10-3/0,007 = 172 Вт/м2К
Обратный поток (азот низкого давления) 1)Скорость потока принимаем ? = 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/? = 0,11/15 = 0,0074 м2 4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м 4) Критерий Рейнольдса Re = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К
Параметры всего аппарата: 1) Тепловая нагрузка азотной секции QA = A?iA/3600 = 1391*(454,6 – 381,33)/3600 = 28,3 кВт 2) Среднеинтегральная разность температур ?Тср = 54,7 К 3) Коэффициент теплопередачи КА = 1/[(1/?в)*(Dн/Dвн) + (1/?А)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м2 К 4) Площадь теплопередающей поверхности FA = QA/KA ?Тср = 28300/131,1*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 = К?iA/3600 = 0,183*(467,93 – 332)/3600 = 15,1 кВт 7) Коэффициент теплопередачи КК = 1/[(1/?в) + (1/?К) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К 8) Площадь теплопередающей поверхности FК = QК/KК ?Тср = 15100/77*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/?Dср = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.
Второй теплообменник.
|Поток |Рср, |Тср, К |Ср, |Уд. Объём |?, кг*с/м2|?, | | |ат. | |кДж/кгК |v, м3/кг | |Вт/мК, | | | | | | |*107 |*103 | |Прямой |45 |155,5 |2,328 |0,007 |142,62 |23,73 | |(воздух) | | | | | | | |Обратный |100 |132,5 |1,831 |0,00104 |943,3 |106,8 | |(О2 под | | | | | | | |дав) | | | | | | | |Обратный |1,3 |112,5 |1,061 |0,32 |75,25 |10,9 | |(N2 низ | | | | | | | |дав) | | | | | | |
Прямой поток. 1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с 2) Секундный расход Vсек = 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 = Vсек/0,785dвн ? = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт Эквивалентный диаметр dэкв = 9 – 5 = 4 мм 5) Критерий Рейнольдса Re = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 145*10,9*10-3/0,007 = 225,8 Вт/м2К
Обратный поток (кислород под давлением): 1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с 2) Секундный расход Vсек = 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 tп = 5,5мм 4) Критерий Рейнольдса Re = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 297,2*10,9*10-3/0,007 = 462,8 Вт/м2К
Обратный поток (азот низкого давления) 1)Скорость потока принимаем ? = 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/? = 0,242/15 = 0,016 м2 4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м 4) Критерий Рейнольдса Re = ? dвн?/g? = 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: ?В = Nu?/dвн = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К
Параметры всего аппарата: 1) Тепловая нагрузка азотной секции QA = A?iA/3600 = 2725(391,85 – 333,5)/3600 = 57 кВт 2) Среднеинтегральная разность температур ?Тср = 52 К 3) Коэффициент теплопередачи КА = 1/[(1/?в)*(Dн/Dвн) + (1/?А)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м2 К 4) Площадь теплопередающей поверхности FA = QA/KA ?Тср = 57000/121,7*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 = К?iК/3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт 7) Коэффициент теплопередачи КК = 1/[(1/?в) + (1/?К) *(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 ?Тср = 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/?Dср = 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 ………………………………………………. dз = 4 мм Насыпной вес цеолита ………………………………………?ц = 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: ? = 4Va/n?Da2 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 ? = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2 Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере: Gц = nVад ?ц = L*?*n*?*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: ?пр = VCO2/ VCO2’ = 5,894/0,937 = 6,29 ч Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда: ? = 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 ?пр = 7,86/0,937 = 8,388 ч. Выбираем расчётное время защитного действия ?пр = 6 ч. с учётом запаса времени.
2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов: Vрег = 1,2*GH2O /x’ ?рег GH2O – количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации GH2O = GцаН2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг ?рег – время регенерации, принимаем ?рег = 0,5 ?пр = 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 *?N2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* ?рег = ?Q ?Q = 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*?м*?/4 = (0,512 – 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг, где ?м – удельный вес металла, ?м = 7,85*103 кг/м3. Вес полусферического днища GM’’ = [(Dн3/2) – (Dвн3/2)]* ?м*4?/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) = 47358 кДж Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги: Q3 = GH2OCp(Ткип – Тнач’ ) + GH2O*? = 120,84*1*(373 – 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*105 кДж ? – теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; Ср – теплоёмкость воды. Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции: Q4 = 0,2Vиз ?изСиз(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*0,20785*0,512*0,15 = 8,919 м3 – объём изоляции. ?из – объёмный вес шлаковой ваты, ?из = 100 кг/м3 Сиз – средняя теплоёмкость шлаковой ваты, Сиз = 1,886 кДж/кгК Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от ?Q = Q1 + Q2 + Q4 : Q5 = 0,2*(3,51*105 + 47358 + 8,3*104 ) = 9.63*104 кДж Определяем количество регенерирующего газа: Vрег = (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5)/ ?N2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* ?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: ?рег = 4 Vрег*293/600*?*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. ?Р = 2f?L?2/9,8dэх2 где ?Р – потери давления, Па; f – коэффициент сопротивления; ? – плотность газа, кг/м3; L – длина слоя сорбента, м; dэ – эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м; ? – скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с; ? – пористость слоя адсорбента, ? = 0,35 м2/м3. Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях: ? = 4*Vрег*Твых.ср./3600*?*Da2*n*Тнач = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 = 1,5 м/с Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами: dэ = 4*?*dз/6*(1 – ?) = 4*0,35*4/6*(1 – 0,35) = 1,44 мм. Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса: Re = ?*dэ*?/?*?*g = 1,5*0,00144*0,79*107/0,35*25*9,81 = 198,8 где ? – динамическая вязкость, ? = 25*10-7 Па*с; ? – удельный вес азота при условиях регенерации, ? = ?0 *Р*Т0/Р0*Твых.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: ?Р = 2*2,2*0,79*1,3*1,52/9,81*0,00144*0,352 = 587,5 Па
Определяем мощность электроподогревателя: N = 1,3* Vрег*?*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 = [V?в RToc ln(Pk/Pn)]/?из 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 ?в – плотность воздуха при нормальных условиях, ?в = 1,29 кг/м3 R – газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК ?из – изотермический КПД, ?из = 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 – 0,3/4 . 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 ……………………………………………………….?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 ……………………………………………Рмакс = 6,4 МПа минимальное………………………………………..……Рмин = 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. ----------------------- [pic]
[pic]
[pic]
[pic]