Установки ожижения и разделения газовых смесей

ДТсринт = n/У(1/ДТср)

У(1/ДТср) = 0,235

ДТср = 10/0,245 = 42,6 К

д) Расчёт основного теплообменника.

Для расчёта теплообменника разбиваем его на 2 трёхпоточных. Для удобства расчёта исходные данные сводим в таблицу.

Прямой поток.

1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 1711*0,005/3600 = 2,43*10-3 м3/с

3) Выбираем тубку ф 12х1,5 мм

4) Число трубок

n = Vсек/0,785dвн щ = 0,00243/0,785*0,0092*1 = 39 шт

Эквивалентный диаметр

dэкв = 9 - 5 = 4 мм

5) Критерий Рейнольдса

Re = щ dвнс/gм = 1*0,004*85,4/9,81*18,8*10-7 = 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:

бВ = Nuл/dвн = 63,5*23,6*10-3/0,007 = 214,1 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):

1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 320*0,0011/3600 = 9,8*10-5 м3/с

3) Выбираем тубку ф 5х0,5 мм гладкую.

4) Критерий Рейнольдса

Re = щ dвнс/gм = 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:

бВ = Nuл/dвн = 80,3*15*10-3/0,007 = 172 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)

1)Скорость потока принимаем щ = 15 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 1391*0,286/3600 = 0,11 м3/с

3) Живое сечение для прохода обратного потока:

Fж = Vсек/щ = 0,11/15 = 0,0074 м2

4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м

4) Критерий Рейнольдса

Re = щ dвнс/gм = 15*0,004*2,188/9,81*9,75*10-7 = 34313

5) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*343130,85=299,4

7) Коэффициент теплоотдачи:

бВ = Nuл/dвн = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:

1) Тепловая нагрузка азотной секции

QA = AДiA/3600 = 1391*(454,6 - 381,33)/3600 = 28,3 кВт

2) Среднеинтегральная разность температур ДТср = 54,7 К

3) Коэффициент теплопередачи

КА = 1/[(1/бв)*(Dн/Dвн) + (1/бА)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м2 К

4) Площадь теплопередающей поверхности

FA = QA/KA ДТср = 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 = КДiA/3600 = 0,183*(467,93 - 332)/3600 = 15,1 кВт

7) Коэффициент теплопередачи

КК = 1/[(1/бв) + (1/бК) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К

8) Площадь теплопередающей поверхности

FК = QК/KК ДТср = 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/рDср = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.

Второй теплообменник.

Прямой поток.

1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 1875*0,007/3600 = 2,6*10-3 м3/с

3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм гладкую.

4) Число трубок

n = Vсек/0,785dвн щ = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт

Эквивалентный диаметр

dэкв = 9 - 5 = 4 мм

5) Критерий Рейнольдса

Re = щ dвнс/gм = 1*0,004*169,4/9,81*142,62*10-7 = 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:

бВ = Nuл/dвн = 145*10,9*10-3/0,007 = 225,8 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):

1)Скорость потока принимаем щ = 1 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 800*0,00104/3600 = 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 = щ dвнс/gм = 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:

бВ = Nuл/dвн = 297,2*10,9*10-3/0,007 = 462,8 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)

1)Скорость потока принимаем щ = 15 м/с

2) Секундный расход

Vсек = V*v/3600 = 2725*0,32/3600 = 0,242 м3/с

3) Живое сечение для прохода обратного потока:

Fж = Vсек/щ = 0,242/15 = 0,016 м2

4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м

4) Критерий Рейнольдса

Re = щ dвнс/gм = 15*0,01*3,04/9,81*75,25*10-7 = 60598

5) Критерий Нуссельта:

Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*605980,85=485,6

7) Коэффициент теплоотдачи:

бВ = Nuл/dвн = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:

1) Тепловая нагрузка азотной секции

QA = AДiA/3600 = 2725(391,85 - 333,5)/3600 = 57 кВт

2) Среднеинтегральная разность температур ДТср = 52 К

3) Коэффициент теплопередачи

КА = 1/[(1/бв)*(Dн/Dвн) + (1/бА)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м2 К

4) Площадь теплопередающей поверхности

FA = QA/KA ДТср = 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 = КДiК/3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт

7) Коэффициент теплопередачи

КК = 1/[(1/бв) + (1/бК) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/225,8) + (1/529,3) *(0,01/0,007)] = 140,3 Вт/м2 К

8) Площадь теплопередающей поверхности

FК = QК/KК ДТср = 4600/140*42,6 = 0,77 м2

9) Средняя длина трубки с 20% запасом

lК = 1,2FК /3,14DHn = 1,2*0,77/3,14*0,01*45 = 0,654 м

Принимаем l = 7,717 м.

10) Теоретическая высота навивки.

Н = lt2/рDср = 7,717*0,0122/3,14*0,286 = 0,33 м.

Окончательный вариант расчёта принимаем на ЭВМ.

6. Расчёт блока очистки.

Исходные данные:

Количество очищаемого воздуха …………………… V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч

Давление потока …………………………………………… Р = 4,5 МПа

Температура очищаемого воздуха………………………… Т = 275 К

Расчётное содержание углекислого газа по объёму …………………...С = 0,03%

Адсорбент ……………………………………………………NaX

Диаметр зёрен ………………………………………………. dз = 4 мм

Насыпной вес цеолита ………………………………………гц = 700 кг/м3

Динамическая ёмкость цеолита по парам СО2 ……………ад = 0,013 м3/кг

Принимаем в качестве адсорберов стандартный баллон диаметром Da = 460 мм и высоту слоя засыпки адсорбента

L = 1300 мм.

2) Скорость очищаемого воздуха в адсорбере:

щ = 4Va/nрDa2

n - количество одновременно работающих адсорберов;

Vа - расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции, т. е. при Р = 4,5 МПа и Тв = 275 К:

Va = VTB P/T*PB = 1711*275*1/273*45 = 69,9 кг/ч

щ = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2

Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере:

Gц = nVад гц = L*г*n*р*Da2/4 = 1*3,14*0,462*1,3*700/4 = 453,4 кг

Определяем количество СО2 , которое способен поглотить цеолит:

VCO2 = Gц*aд = 453,4*0,013 = 5,894 м3

Определяем количество СО2, поступающее каждый час в адсорбер:

VCO2' = V*Co = 3125*0,0003 = 0,937 м3/ч

Время защитного действия адсорбента:

фпр = VCO2/ VCO2' = 5,894/0,937 = 6,29 ч

Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда:

щ = 4*69,9/4*3,14*0,462 = 105,2 кг/ч*м2

Gц = 4*3,14*0,462*1,3*700/4 = 604,6 кг

VCO2 = Gc *aд = 604,6*0,013 = 7,86 м3

фпр = 7,86/0,937 = 8,388 ч.

Выбираем расчётное время защитного действия фпр = 6 ч. с учётом запаса времени.

2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов:

Vрег = 1,2*GH2O /x' фрег

GH2O - количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации

GH2O = GцаН2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг

фрег - время регенерации, принимаем

фрег = 0,5 фпр = 3 ч.

х' - влагосодержание азота при Тср.вых и Р = 105 Па:

Тср.вых = (Твых.1 + Твых.2)/2 = (275 + 623)/2 = 449 К

х = 240 г/м3

Vрег = 1,2*120,84/0,24*3 = 201,4 м3/ч

Проверяем количество регенерирующего газа по тепловому балансу:

Vрег *сN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* фрег = УQ

УQ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

Q1 - количество тепла, затраченное на нагрев металла;

Q2 - количество тепла, затраченное на нагрев адсорбента,

Q3 - количество тепла, необходимое для десорбции влаги, поглощённой адсорбентом;

Q4 - количество тепла, необходимое для нагрева изоляции;

Q5 - потери тепла в окружающую среду.

Q1 = GмСм(Тср' - Tнач' )

Gм - вес двух баллонов с коммуникациями;

См - теплоёмкость металла, См = 0,503 кДж/кгК

Tнач' - температура металла в начале регенерации, Tнач' = 280 К

Тср' - средняя температура металла в конце процесса регенерации,

Тср' = (Твх' + Твых' )/2 = (673 + 623)/2 = 648 К

Твх' - температура азота на входе в блок очистки, Твх' = 673 К;

Твых' - температура азота на выходе из блока очистки, Твх' = 623 К;

Для определения веса блока очистки определяем массу одного баллона, который имеет следующие геометрические размеры:

наружний диаметр ……………………………………………….Dн = 510 мм,

внутренний диаметр ……………………………………………..Dвн = 460 мм,

высота общая ……………………………………………………..Н = 1500 мм,

высота цилиндрической части …………………………………..Нц = 1245 мм.

Тогда вес цилиндрической части баллона

GM' = (Dн2 - Dвн2)Нц*гм*р/4 = (0,512 - 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг,

где гм - удельный вес металла, гм = 7,85*103 кг/м3.

Вес полусферического днища

GM'' = [(Dн3/2) - (Dвн3/2)]* гм*4р/6 = [(0,513/2) - (0,463/2)]*7,85*103*4*3,14/6 = 7,2 кг

Вес баллона:

GM' + GM'' = 382 + 7,2 = 389,2 кг

Вес крышки с коммуникациями принимаем 20% от веса баллона:

GM''' = 389,2*0,2 = 77,84 кг

Вес четырёх баллонов с коммуникацией:

GM = 4(GM' + GM'' + GM''' ) = 4*(382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг.

Тогда:

Q1 = 1868*0,503*(648 - 275) = 3,51*105 кДж

Количество тепла, затрачиваемое на нагревание адсорбента:

Q2 = GцСц(Тср' - Tнач' ) = 604,6*0,21*(648 - 275) = 47358 кДж

Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги:

Q3 = GH2OCp(Ткип - Тнач' ) + GH2O*е = 120,84*1*(373 - 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*105 кДж

е - теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; Ср - теплоёмкость воды.

Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции:

Q4 = 0,2Vиз гизСиз(Тиз - Тнач) = 0,2*8,919*100*1,886*(523 - 275) = 8,3*104 кДж

Vиз = Vб - 4Vбалл = 1,92*2,1*2,22 - 4*0,20785*0,512*0,15 = 8,919 м3 - объём изоляции.

гиз - объёмный вес шлаковой ваты, гиз = 100 кг/м3

Сиз - средняя теплоёмкость шлаковой ваты, Сиз = 1,886 кДж/кгК

Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от УQ = Q1 + Q2 + Q4 :

Q5 = 0,2*(3,51*105 + 47358 + 8,3*104 ) = 9.63*104 кДж

Определяем количество регенерирующего газа:

Vрег = (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5)/ сN2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* фрег =

=(3,51*105 + 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:

щрег = 4 Vрег*293/600*р*Da2 *n*Tнач = 4*1038*293/600*3,14*0,462*2*275 = 5,546 м/с

n - количество одновременно регенерируемых адсорберов, n = 2

Определяем гидравлическое сопротивление слоя адсорбента при регенерации.

ДР = 2fсLщ2/9,8dэх2

где ДР - потери давления, Па;

f - коэффициент сопротивления;

с - плотность газа, кг/м3;

L - длина слоя сорбента, м;

dэ - эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м;

щ - скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с;

а - пористость слоя адсорбента, а = 0,35 м2/м3.

Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях:

щ = 4*Vрег*Твых.ср./3600*р*Da2*n*Тнач = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 = 1,5 м/с

Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами:

dэ = 4*а*dз/6*(1 - а) = 4*0,35*4/6*(1 - 0,35) = 1,44 мм.

Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса:

Re = щ*dэ*г/а*м*g = 1,5*0,00144*0,79*107/0,35*25*9,81 = 198,8

где м - динамическая вязкость, м = 25*10-7 Па*с;

г - удельный вес азота при условиях регенерации,

г = г0 *Р*Т0/Р0*Твых.ср = 1,251*1,1*273/1,033*463 = 0,79 кг/м3

По графику в работе [6] по значению критерия Рейнольдса определяем коэффициент сопротивления f = 2,2

Тогда:

ДР = 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*с*Ср*(Твх - Тнач)/860 = 1,3*1038*1,251*0,25(673 - 293)/860 = 70,3 кВт

где Ср = 0,25 ккал/кг*К

7. Определение общих энергетических затрат установки

l = [Vсв RToc ln(Pk/Pn)]/зиз Кж*3600 = 1711*0,287*296,6*ln(4,5/0,1)/0,6*320*3600 = 0,802 кВт

где V - полное количество перерабатываемого воздуха, V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч

св - плотность воздуха при нормальных условиях, св = 1,29 кг/м3

R - газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК

зиз - изотермический КПД, зиз = 0,6

Кж - количество получаемого кислорода, К = 320 м3/ч

Тос - температура окружающей среды, принимается равной средне - годовой температуре в городе Владивостоке, Тос = 23,60С = 296,6 К

8. Расчёт процесса ректификации.

Расчёт процесса ректификации производим на ЭВМ (см. распечатки 4 и 5).

Вначале проводим расчёт нижней колонны. Исходные данные вводим в виде массива. Седьмая

строка массива несёт в себе информацию о входящем в колонну потоке воздуха: принимаем, что в нижнюю часть нижней колонны мы вводим жидкий воздух.

1 - фазовое состояние потока, жидкость;

0,81 - эффективность цикла. Поскольку в установке для ожижения используется цикл Гейландта (х = 0,19), то эффективность установки равна 1 - х = 0,81.

0,7812 - содержание азота в воздухе;

0,0093 - содержание аргона в воздухе;

0,2095 - содержание кислорода в воздухе.

Нагрузку конденсатора подбираем таким образом, чтобы нагрузка испарителя стремилась к нулю.

8. Расчёт конденсатора - испарителя.

Расчёт конденсатора - испарителя также проводим на ЭВМ с помощью программы, разработанной Е. И. Борзенко.

В результате расчёта получены следующие данные (смотри распечатку 6):

Коэффициент телоотдачи в испарителе……….……….ALFA1 = 1130,7 кДж/кгК

Коэффициент телоотдачи в конденсаторе…………… ALFA2 = 2135,2 кДж/кгК

Площадь теплопередающей поверхности………………..………F1 = 63,5 м3

Давление в верхней колонне ………………………………………Р1 = 0,17 МПа.

10. Подбор оборудования.

1. Выбор компрессора.

Выбираем 2 компрессора 605ВП16/70.

Производительность одного компрессора ………………………………..16±5% м3/мин

Давление всасывания……………………………………………………….0,1 МПа

Давление нагнетания………………………………………………………..7 МПа

Потребляемая мощность…………………………………………………….192 кВт

Установленная мощность электродвигателя………………………………200 кВт

2. Выбор детандера.

Выбираем ДТ - 0,3/4 .

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 ……………………………………………………….зад = 0,7

3. Выбор блока очистки.

Выбираем стандартный цеолитовый блок осушки и очистки воздуха ЦБ - 2400/64.

Характеристика аппарата:

Объёмный расход воздуха ……………………………….V=2400 м3/ч

Рабочее давление:

максимальное ……………………………………………Рмакс = 6,4 МПа

минимальное………………………………………..……Рмин = 3,5 МПа

Размеры сосудов…………………………………………750х4200 мм.

Количество сосудов……………………………………..2 шт.

Масса цеолита …………………………………………..М = 2060 кг

Список используемой литературы:

Акулов Л.А., Холодковский С.В. Методические указания к курсовому проектированию криогенных установок по курсам «Криогенные установки и системы» и «Установки сжижения и разделения газовых смесей» для студентов специальности 1603. - СПб.; СПбТИХП, 1994. - 32 с.

Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Новотельнов В.Н., Зайцев А.В.Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для ВУЗов. - СПб.: Политехника, 2001. - 243 с.

Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 1., - М.: Машиностроение, 1998. - 464 с.

Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 2., - М.: Машиностроение, 1999. - 720 с.

Акулов Л.А., Холодковский С.В. Криогенные установки (атлас технологических схем криогенных установок): Учебное пособие. - СПб.: СПбГАХПТ, 1995. - 65 с.

6. Кислород. Справочник в двух частях. Под ред. Д. Л. Глизманенко. М., «Металлургия», 1967.

Страницы: 1, 2, 3