Установки ожижения и разделения газовых смесей
Установки ожижения и разделения газовых смесей
21
Санкт-Петербургский государственный Университет
низкотемпературных и пищевых технологий.
Кафедра криогенной техники.
Курсовой проект
по дисциплине «Установки ожижения и разделения газовых смесей»
Расчёт и проектирование установки
для получения жидкого кислорода.
Работу выполнил
студент 452 группы
Денисов Сергей.
Работу принял
Пахомов О. В.
Санкт - Петербург 2003 год.
Оглавление.
Задание на расчёт…………………………………………………………………..3
Выбор типа установки и его обоснование……………………………………3
Краткое описание установки…………………………………………………..3
Общие энергетические и материальные балансы……………………….……4
Расчёт узловых точек установки…………………………….…………………4
Расчёт основного теплообменника…………………………….………………7
Расчёт блока очистки……………………………………………….…………..17
Определение общих энергетических затрат установки…………………..…..20
Расчёт процесса ректификации…………………………………….…………..20
Расчёт конденсатора - испарителя…………………………………………….20
Подбор оборудования…………………………………………………..………21
Список литературы……………………………………………..………………22
Задание на расчёт.
Рассчитать и спроектировать установку для получения газообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч, расположенную в городе Владивостоке.
Выбор типа установки и его обоснование.
В качестве прототипа выбираем установку К - 0,4, т. к. установка предназначена для получения жидкого и газообразного кислорода чистотой 99,5 %, а также жидкого азота. Также установка имеет относительно несложную схему.
2. Краткое описание работы установки.
Воздух из окружающей среды, имеющий параметры Т = 300 К и Р = 0,1 МПа, поступает в компрессорную станцию в точке 1. В компрессоре он сжимается до давления 4,5 МПа и охлаждается в водяной ванне до температуры 310 К. Повышение температуры обусловлено потерями от несовершенства системы охлаждения. После сжатия в компрессоре воздух направляется в теплообменник - ожижитель, где охлаждается до температуры 275 К, в результате чего большая часть содержащейся в ней влаги конденсируется и поступает в отделитель жидкости, откуда выводится в окружающую среду. После теплообменника - ожижителя сжатый воздух поступает в блок комплексной очистки и осушки, где происходит его окончательная очистка от содержащихся в нём влаги и СО2 . В результате прохождения через блок очистки воздух нагревается до температуры 280 К. После этого поток сжатого воздуха направляется в основной теплообменник, где охлаждается до температуры начала дросселирования, затем дросселируется до давления Р = 0,65 МПа. В основном теплообменнике поток разделяется. Часть его выводится из аппарата и поступает в детандер, где расширяется до давления Р = 0,65 МПа и поступает в нижнюю часть нижней колонны.Поток из дросселя поступает в середину нижней колонны. Начинается процесс ректификации. Кубовая жидкость (поток R, содержание N2 равно 68%) из низа нижней колонны поступает в переохладитель, где переохлаждается на 5 К , затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в середину верхней колонны. Азотная флегма (поток D, концентрация N2 равна 97%) забирается из верхней части нижней колонны, пропускается через переохладитель, где также охлаждается на 5К, затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в верхнюю часть верхней колонны. В верхней колонне происходит окончательная ректификация, внизу верхней колонны собирается жидкий кислород, откуда он направляется в переохладитель, где переохлаждается на 8 - 10 К. Далее поток кислорода направляется в жидкостной насос, где его давление поднимается до 10 МПа, и обратным потоком направляется в основной теплообменник. Затем он направляется в теплообменник - ожижитель, откуда выходит к потребителю с температурой 295 К. Азот из верхней части колонны последовательно проходит обратным потоком переохладитель азотной флегмы и кубовой жидкости, оснновной теплообменник и теплообменник - ожижитель. На выходе из теплообменника - ожижителя азот будет иметь температуру 295 К.
3. Общие энергетические и материальные балансы.
V = K + A
0,79V = 0,005K + 0,97A
МVДi1B - 2B + VдетhадзадМ = МVq3 + Мк KДi2K - 3K + VДi3В - 4В М
М - молярная масса воздуха.
Мк - молярная масса кислорода.
Принимаем V = 1 моль
К + А = 1
К = 1 - А
0,79 = 0,005(1 - А) + 0,97А
А = 0,813
К = 1 - 0,813 = 0,187
Определяем теоретическую производительнсть компрессора.
(1/0,187) = х/320 => х = 320/0,187 = 1711 м3/ч = 2207,5 кг/ч
4. Расчёт узловых точек установки
Принимаем:
Давление воздуха на входе в компрессор……………………….
Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 4,5 МПА
Температура воздуха на входе в компрессор…..………………...
Температура воздуха на выходе из компрессора…….…………..
Температура воздуха на выходе из теплообменника - ожижителя…..
Температура воздуха на выходе из блока очистки…………………
Давление в верхней колонне……………………………………..
Давление в нижней колонне………………………………………
Концентрация азота в кубовой жидкости ………………………..
Концентрация азота в азотной флегме……………………………
Температурный перепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении
через переохладитель…………..……………………………..
Температура кубовой жидкости…………………………………….
Температура азотной флегмы………………………………………
Температура отходящего азота…………………………………….
Температура жидкого кислорода…………………………………..
Разность температур на тёплом конце теплообменника - ожижителя………………………………………..…………….
Температура азота на выходе из установки………………….
Температурный перепад кислорода …………………………ДТ1К - 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем:
Составляем балансы теплообменных аппаратов:
а) Баланс теплообменника - ожижителя.
КСр кДТ4К - 5К + АСрАДТ3А - 4А = VCpvДT2В - 3В
б) Балансы переохладителя:
находим из номограммы для смеси азот - кислород.
в) Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ДT1К - 2К = RCpR ДT2R - 3R
Принимаем ДT1К - 2К = 10 К
ДT2R - 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R = Т2R + ДT2R - 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К
i3R = 998,2
г) Баланс основного теплообменнка.
Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2 трёхпоточных теплообменника:
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMkДi2K - 3K + VMДi4B - 3B - VMДi1B - 2B]/Mhадзад = [1*29*8 + 0,187*32*(352,8 - 349,9) + 1*29*(522,32 - 516,8) - 1*29*(563,82 - 553,75)]/29*(394,5 - 367,5)*0,7 = 0,2
Vдет = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч
Составляем балансы этих теплообменников:
I VCpVДT4B - 6B = KCpKДT3K' - 4K + ACpAДT2A' - 3A
II (V - Vд )CpVДT6B-5B = KCpKДT3K - 3K' + ACpAДT2A' - 2A
Добавим к ним баланс теплообменника - ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III КСр кДТ4К - 5К + АСрАДТ3А - 4А = VCpvДT2В - 3В
Вычтем уравнение II из уравнения I:
VCpVДT4B - 6B - (V - Vд )CpVДT6B-5B = KCpKДT3K' - 4K - KCpKДT3K - 3K' + ACpAДT2A' - 3A - ACpAДT2A' - 2A
Получаем систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B - T5B) = KCpK(T4K - T3K) + ACpAДT3A - 2A
II КСр кДТ4К - 5К + АСрАДТ3А - 4А = VCpvДT2В - 3В
I 1*1,012(280 - 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 - 138) = 0,128*1,831(T4K - 88) +0,872*1,048(T3А-85)
II 1*1,012*(310 - 275) = 0,128*1,093(295 - T4K) + 0,872*1,041(295 - T3А)
T4K = 248,4 К
T3А = 197,7 К
Для удобства расчёта полученные данные по давлениям, температурам и энтальпиям в узловых точках сведём в таблицу:
№
|
1В
|
2В
|
3В
|
4В
|
5В
|
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 + KMkДi2K - 3K + VMДi4B - 3B - VMДi1B - 2B]/Mhадзад = [1*29*8 + 0,128*32*(352,8 - 349,9) + 1*29*(522,32 - 516,8) - 1*29*(563,82 - 553,75)]/29*(394,5 - 367,5)*0,7 = 0,2
Vдет = 0,2V = 0,2* = 342,2 м3/ч
Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:
I VA (i4B - i1) + Vq3 = A(i3A - i3)
II VK (i4B - i2) + Vq3 = K(i4K - i4)
III (VA - Vда)(i1 - i5B) + Vq3 = A(i3 - i2A)
IV (VК - Vдк)(i2 - i5B) + Vq3 = К(i4 - i2К)
Здесь VA + VК = V , Vда + Vдк = Vд
Параметры в точках i1 и i2 будут теми же, что в точке 6В
Температуру в точке 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 ДiB + Vq3 = A ДiA
ДiB = A ДiA/ VA - V q3/VA | ДiA/ ДiA
ДiB = A ДiA/ VA - Vq3* ДiA/ ДiA
В = A/VA = 0,872/0,54 = 1,645
D = V q3/VA ДiA = 1*55,5/0,54*(197,7 - 123) = 0,376
ДiB = В ДiA - D ДiA = С ДiA = (1,635 - 0,376) ДiA = 1,259 ДiA
Составляем таблицу:
№
|
ТВ , К
|
iв, кДж/кг
|
ДiВ
|
ТА, К
|
iА, кДж/кг
|
ДiА
|
|
0 - 0
|
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
|
|
|
Страницы: 1, 2, 3
|
|