Курсовой проект по дисциплине «Установки ожижения и разделения газовых смесей»
Работу выполнил студент 452 группы Денисов Сергей.
Санкт-Петербургский государственный Университет низкотемпературных и пищевых технологий, Кафедра криогенной техники.
Санкт – Петербург 2003 год.
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
МVΔi1B – 2B + VдетhадηадМ = МVq3 + Мк KΔi2K – 3K + VΔi3В – 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 …………………………ΔТ1К – 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем: 
Составляем балансы теплообменных аппаратов:
а) Баланс теплообменника – ожижителя.
КСр кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
б) Балансы переохладителя:
находим из номограммы 
для смеси азот – кислород.
в) Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ΔT1К – 2К = RCpR ΔT2R – 3R
Принимаем ΔT1К – 2К = 10 К
ΔT2R – 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R = Т2R + ΔT2R – 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 + KMkΔi2K – 3K + VMΔi4B – 3B – VMΔi1B – 2B]/Mhадηад = [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 VCpVΔT4B – 6B = KCpKΔT3K’ – 4K + ACpAΔT2A’ – 3A
II (V – Vд )CpVΔT6B-5B = KCpKΔT3K – 3K’ + ACpAΔT2A’ – 2A
Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III КСр кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
Вычтем уравнение II из уравнения I:
VCpVΔT4B – 6B - (V – Vд )CpVΔT6B-5B = KCpKΔT3K’ – 4K - KCpKΔT3K – 3K’ + ACpAΔT2A’ – 3A - ACpAΔT2A’ – 2A
Получаем систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B – T5B) = KCpK(T4K – T3K) + ACpAΔT3A – 2A
II КСр кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 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 + KMkΔi2K – 3K + VMΔi4B – 3B – VMΔi1B – 2B]/Mhадηад = [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 ΔiB + Vq3 = A ΔiA
ΔiB = A ΔiA/ VA - V q3/VA | ΔiA/ ΔiA
ΔiB = A ΔiA/ VA - Vq3* ΔiA/ ΔiA
В = A/VA = 0,872/0,54 = 1,645
D = V q3/VA ΔiA = 1*55,5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376
ΔiB = В ΔiA - D ΔiA = С ΔiA = (1,635 – 0,376) ΔiA = 1,259 ΔiA
Составляем таблицу:
| № | ТВ , К | iв, кДж/кг | ΔiВ | ТА, К | iА, кДж/кг | ΔiА |
| 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:
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
| № | ΔТср | 1/ΔТср |
| 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/ΔТср) = 0,1339
ΔТср = 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 ΔiB + Vq3 = К ΔiК
ΔiB = К ΔiК/ VК - V q3/VК | ΔiК/ ΔiК
ΔiB = К ΔiК/ VК - Vq3* ΔiК/ ΔiК
В = К/VК = 0,128/0,56 = 0,029
D = V q3/VК ΔiК = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75
ΔiB = В ΔiК - D ΔiК = С ΔiК = (0,029 + 0,75) ΔiК = 0,779 ΔiК
Составляем таблицу:
| № | ТВ , К | iв, кДж/кг | ΔiВ | ТК, К | iК, кДж/кг | ΔiК |
| 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 |
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
| № | ΔТср | 1/ΔТср |
| 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/ΔТср) = 0,245
ΔТср = 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) ΔiB + Vq3 = А ΔiА
ΔiB = А ΔiА/ (VА - Vда) - V q3/VА | ΔiА/ ΔiА
ΔiB = А ΔiА/ (VА - Vда) - Vq3* ΔiА/ ΔiА
В =А/(VА - Vда) = 0,813/0,44 = 1,982
D = V q3/(VА - Vда) ΔiА = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057
ΔiB = В ΔiА - D ΔiА = С ΔiА = (1,982 – 0,057) ΔiА = 1,925 ΔiА
Составляем таблицу:
| № | ТВ , К | iв, кДж/кг | ΔiВ | ТА, К | iА, кДж/кг | ΔiА |
| 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 |
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
| № | ΔТср | 1/ΔТср |
| 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/ΔТср) = 0,192
ΔТср = 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) ΔiB + Vq3 = К Δiк
ΔiB = К Δiк/ (VК - Vдк) - V q3/VК | ΔiК/ ΔiК
ΔiB = К ΔiК/ (VК - Vдк) - Vq3* ΔiК/ ΔiК
В =К/(VК - Vдк) = 0,128/0,46 = 0,278
D = V q3/(VК - Vдк) Δiк = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297
ΔiB = В ΔiК - D ΔiК = С Δiк = (0,278 + 1,297) ΔiК = 1,488 ΔiК
Составляем таблицу:
| № | ТВ , К | iв, кДж/кг | ΔiВ | ТК, К | iК, кДж/кг | ΔiК |
| 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 |
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
| № | ΔТср | 1/ΔТср |
| 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/ΔТср) = 0,235
ΔТср = 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 | μ, кг*с/м2 *107 |
λ, 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 ω = 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 ω = 0,00243/0,785*0,0092*1 = 39 шт
Эквивалентный диаметр
dэкв = 9 – 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 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
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 = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 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
Vсек = V*v/3600 = 1391*0,286/3600 = 0,11 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/ω = 0,11/15 = 0,0074 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К
Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = AΔiA/3600 = 1391*(454,6 – 381,33)/3600 = 28,3 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ΔТср = 54,7 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/αв)*(Dн/Dвн) + (1/αА)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ΔТср = 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 = КΔiA/3600 = 0,183*(467,93 – 332)/3600 = 15,1 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/αв) + (1/αК) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К
8) Площадь теплопередающей поверхности
FК = QК/KК ΔТср = 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/πDср = 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 | μ, кг*с/м2 *107 |
λ, 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 ω = 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 ω = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт
Эквивалентный диаметр
dэкв = 9 – 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 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
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 = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 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
Vсек = V*v/3600 = 2725*0,32/3600 = 0,242 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/ω = 0,242/15 = 0,016 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = ω dвнρ/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:
αВ = Nuλ/dвн = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К
Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = AΔiA/3600 = 2725(391,85 – 333,5)/3600 = 57 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ΔТср = 52 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/αв)*(Dн/Dвн) + (1/αА)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ΔТср = 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 = КΔiК/3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/αв) + (1/αК) *(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 ΔТср = 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/πDср = 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 ………………………………………γц = 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:
ω = 4Va/nπDa2
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
ω = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2
Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере:
Gц = nVад γц = L*γ*n*π*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:
τпр = VCO2/ VCO2’ = 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
Gц = 4*3,14*0,462*1,3*700/4 = 604,6 кг
VCO2 = Gc *aд = 604,6*0,013 = 7,86 м3
τпр = 7,86/0,937 = 8,388 ч.
Выбираем расчётное время защитного действия τпр = 6 ч. с учётом запаса времени.
2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов:
Vрег = 1,2*GH2O /x’ τрег
GH2O – количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации
GH2O = GцаН2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг
τрег – время регенерации, принимаем
τрег = 0,5 τпр = 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 *ρN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* τрег = ΣQ
ΣQ = 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*γм*π/4 = (0,512 – 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг,
где γм – удельный вес металла, γм = 7,85*103 кг/м3.
Вес полусферического днища
GM’’ = [(Dн3/2) – (Dвн3/2)]* γм*4π/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*ε = 120,84*1*(373 – 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*105 кДж
ε – теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; Ср – теплоёмкость воды.
Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции:
Q4 = 0,2Vиз γизСиз(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.
γиз – объёмный вес шлаковой ваты, γиз = 100 кг/м3
Сиз – средняя теплоёмкость шлаковой ваты, Сиз = 1,886 кДж/кгК
Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от ΣQ = 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)/ ρN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* τрег =
=(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:
ωрег = 4 Vрег*293/600*π*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.
ΔР = 2fρLω2/9,8dэх2
где ΔР – потери давления, Па;
f – коэффициент сопротивления;
ρ – плотность газа, кг/м3;
L – длина слоя сорбента, м;
dэ – 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*Vрег*Твых.ср./3600*π*Da2*n*Тнач = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 = 1,5 м/с
Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами:
dэ = 4*א*dз/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*dэ*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 = γ0 *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:
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* Vрег*ρ*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 = [Vρв RToc ln(Pk/Pn)]/ηиз 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
ρв – плотность воздуха при нормальных условиях, ρв = 1,29 кг/м3
R – газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК
ηиз – изотермический КПД, ηиз = 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 ……………………………………………………….ηад = 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 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.