Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода.
Задание на расчёт
1. Выбор типа установки и его обоснование
2. Краткое описание установки
3. Общие энергетические и материальные балансы
4. Расчёт узловых точек установки
5. Расчёт основного теплообменника
6. Расчёт блока очистки
7. Определение общих энергетических затрат установки
8. Расчёт процесса ректификации
9. Расчёт конденсатора – испарителя
10. Подбор оборудования
11. Список литературы
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……………………….
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 …………………………?Т1К – 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем:
Составляем балансы теплообменных аппаратов:
а) Баланс теплообменника – ожижителя.
КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
б) Балансы переохладителя:
находим из номограммы 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:
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, 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 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, кДж/кг ?iВ ТА, К iА, кДж/кг ?iА
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, кДж/кг ?iК
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, кДж/кг ?iА
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, кДж/кг ?iК
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, ат. Тср, К Ср, кДж/кгК Уд. Объём v, м3/кг ?, кг*с/м2*107 ?, Вт/мК, *103
Прямой(воздух) 45 226,5 1,187 0,005 18,8 23,6
Обратный(О2 под дав) 100 190 2,4 0,00106 108 15
Обратный(N2 низ дав) 1,3 155 1,047 0,286 9,75 35,04
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, ат. Тср, К Ср, кДж/кгК Уд. Объём v, м3/кг ?, кг*с/м2*107 ?, Вт/мК, *103
Прямой(воздух) 45 155,5 2,328 0,007 142,62 23,73
Обратный(О2 под дав) 100 132,5 1,831 0,00104 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 ? = 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.
1
12