Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

Скачать работу - Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

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 м 3 /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 СО 2 . 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 N 2 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 N 2 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 i 1B – 2B + V дет h ад ад М = М Vq 3 + М к K i 2K – 3K + V i 3В – 4В М М – молярная масса воздуха. М к – 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 м 3 /ч = 2207,5 кг/ч 4. Расчёт узловых точек установки Принимаем: Давление воздуха на входе в компрессор………………………. Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Р вых к = 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 ………………………… Т 1К – 2К = 10 К На начальной стадии расчёта принимаем: Составляем балансы теплообменных аппаратов: а) Баланс теплообменника – ожижителя . КС р к Т 4К – 5К + АС р А Т 3А – 4А = VC p v T 2В – 3В б) Балансы переохладителя: в) Баланс переохладителя кислорода. К C p K T 1К – 2К = RC p R T 2R – 3R Принимаем T 1К – 2К = 10 К T 2R – 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4 Т 3R = Т 2 R + T 2R – 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К i 3R = 998,2 г) Баланс основного теплообменнка. Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2 трёхпоточных теплообменника: Истинное значение V дет вычислим из баланса установки: V дет = [VMq 3 + KM k i 2K – 3K + VM i 4B – 3B – VM i 1B – 2B ]/Mh ад 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 V дет = 0,2 V = 0,2*1711 = 342 м 3 /ч Составляем балансы этих теплообменников: I VC pV T 4B – 6B = KC pK T 3K’ – 4K + AC pA T 2A’ – 3A II (V – V д )C pV T 6B-5B = KC pK T 3K – 3K’ + AC pA T 2A’ – 2A Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя.

Получим систему из 3 уравнений. III КС р к Т 4К – 5К + АС р А Т 3А – 4А = VC p v T 2В – 3В Вычтем уравнение II из уравнения I : VC pV T 4B – 6B - (V – V д )C pV T 6B-5B = KC pK T 3K’ – 4K - KC pK T 3K – 3K’ + AC pA T 2A’ – 3A - AC pA T 2A’ – 2A Получаем систему из двух уравнений: I VC pV (T 4B - 2T 6B + T 5B ) + V д C pV (T 6B – T 5B ) = KC pK (T 4K – T 3K ) + AC pA T 3A – 2A II КС р к Т 4К – 5К + АС р А Т 3А – 4А = VC p v T 2В – 3В I 1*1,012(280 – 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 – 138) = 0,128*1,831( T 4K – 88) +0,872*1,048(T 3А –85) II 1*1,012*(310 – 275) = 0,128*1,093(295 - T 4K ) + 0,872*1,041(295 – T 3А ) T 4K = 248,4 К T 3А = 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	1 R	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 1 R , 2 R, 3R , 1 D , 2 D 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 V дет вычислим из баланса установки: V дет = [VMq 3 + KM k i 2K – 3K + VM i 4B – 3B – VM i 1B – 2B ]/Mh ад 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 V дет = 0,2 V = 0,2* = 342,2 м 3 /ч Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников: I V A (i 4B – i 1 ) + Vq 3 = A(i 3A – i 3 ) II V K (i 4B – i 2 ) + Vq 3 = K(i 4K – i 4 ) III (V A – V да ) (i 1 – i 5B ) + Vq 3 = A(i 3 – i 2A ) IV (V К – V дк ) (i 2 – i 5B ) + Vq 3 = К(i 4 – i 2К ) Здесь V A + V К = V , V да + V дк = V д Параметры в точках i 1 и i 2 будут теми же, что в точке 6В Температуру в точке 5В задаём: Т 5В = 138 К Р 5В = 4,5 МПа i 5В = 319,22 кДж/кг = 9257,38 кДж/кмоль Принимаем V A = А = 0,813, V К = К = 0,187, V дк = V да = 0,1, q 3 = 1 кДж/кг для всех аппаратов. Тогда из уравнения I V A (i 4B – i 6В ) + Vq 3 = A(i 3A – i 3 ) 0,813(522,32 – 419,1) + 1 = 0,813(454,6 – i 3 ) i 3 = (394,6 – 112,5)/0,813 = 324,7 кДж/кг Т 3 = 140 К Проверяем полученное значение i 3 с помощью уравнения III : (0,872 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i 3 – 333,5) 59,1 = 0,872 i 3 – 290 , 8 i 3 = (290,8 + 59,1)/0,872 = 401,3 кДж/кг Уменьшим V А до 0,54: 0,54(522,32 – 419,1) + 1 = 0,872(454,6 – i 3 ) i 3 = (394,6 – 70,023)/0,872 = 372,2 кДж/кг Проверяем полученное значение i 3 с помощью уравнения III : (0,54 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i 3 – 333,5) i 3 = (290,8 + 34,123)/0,872 = 372,6 кДж/кг Т 3 = 123 К Тогда из уравнения II : V K (i 4B – i 6В ) + Vq 3 = K(i 4K – i 4 ) 0,56(522,32 – 419,1) + 1 = 0,128(467,9 – i 4 ) 72,6 = 59,9 – 0,128 i 4 i 4 = (72,6 – 59,9)/0,128 = 332 кДж/кг Т 4 = 140 К Рассчитываем среднеинтегральную разность температур для каждого из четырёх теплообменников. а) Материальный баланс теплообменника I : V A (i 4B – i 1 ) + Vq 3 = A(i 3A – i 3 ) Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды: 0,54*1,15(280 – 173) + 1* q 3 = 0,872*1,99(197,7 – 123) q 3 = 121,9 - 66,4 = 55,5 кДж/кг Рассчитываем коэффициенты В и D : V A (i 4B – i 6В ) + Vq 3 = A(i 3A – i 3 ) V A i B + Vq 3 = A i A i B = A i A / V A - V q 3 /V A | i A / i A i B = A i A / V A - Vq 3 * i A / i A В = A/V A = 0 ,872/0,54 = 1,645 D = V q 3 /V A i A = 1*55 , 5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376 i B = В i A - D i A = С i A = (1,635 – 0,376) i A = 1,259 i A Составляем таблицу:

№	Т В , К	i в , кДж/кг	i В	Т А , К	i А , кДж/кг	i А
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: Т ср инт = n / (1/ Т ср )

№	Т ср	1/ Т ср
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/ Т ср ) = 0,1339 Т ср = 10/0,1339 = 54,7 К б) Материальный баланс теплообменника II : V K (i 4B – i 6В ) + Vq 3 = K(i 4K – i 4 ) Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды: 0,56*1,15(280 – 173) + 1* q 3 = 0,187*1,684(248,4 – 140) q 3 = 23,4 - 68,9 = -45,5 кДж/кг Рассчитываем коэффициенты В и D : V К (i 4B – i 6В ) + Vq 3 = K(i 4K – i 4 ) V К i B + Vq 3 = К i К i B = К i К / V К - V q 3 /V К | i К / i К i B = К i К / V К - Vq 3 * i К / i К В = К/V К = 0 ,128/0,56 = 0,029 D = V q 3 /V К i К = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75 i B = В i К - D i К = С i К = (0,029 + 0,75) i К = 0,779 i К Составляем таблицу:

№	Т В , К	i в , кДж/кг	i В	Т К , К	i К , кДж/кг	i К
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

Т ср инт = n / (1/ Т ср )

№	Т ср	1/ Т ср
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/ Т ср ) = 0,245 Т ср = 10/0,245 = 40,3 К в) Материальный баланс теплообменника III : (V A – V да ) (i 6В – i 5B ) + Vq 3 = A(i 3 – i 2A ) Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды: (0,54 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1* q 3 = 0,813*1,684(123 – 85) q 3 = 55,8 – 33,9 = 21,9 кДж/кг Рассчитываем коэффициенты В и D : (V A – V да ) (i 6В – i 5B ) + Vq 3 = A(i 3 – i 2A ) (V А - V да ) i B + Vq 3 = А iА i B = А i А / (V А - V да ) - V q 3 /V А | i А / i А i B = А i А / (V А - V да ) - Vq 3 * i А / i А В =А /(V А - V да ) = 0 ,813/0,44 = 1,982 D = V q 3 /(V А - V да ) i А = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057 i B = В i А - D i А = С i А = (1,982 – 0,057) i А = 1,925 i А Составляем таблицу:

№	Т В , К	i в , кДж/кг	i В	Т А , К	i А , кДж/кг	i А
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

Т ср инт = n / (1/ Т ср )

№	Т ср	1/ Т ср
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/ Т ср ) = 0,192 Т ср = 10/0,245 = 52 К г) Материальный баланс теплообменника IV : (V К – V дк ) (i 6В – i 5B ) + Vq 3 = К(i 4 – i 2К ) Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды: (0,56 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1* q 3 = 0,128*1,742(123 – 88) q 3 = 7,804 - 50,7 = - 42,9 кДж/кг Рассчитываем коэффициенты В и D : (V К – V дк ) (i 6В – i 5B ) + Vq 3 = К(i 4 – i 2К ) (V к - V дк ) i B + Vq 3 = К i к i B = К i к / (V К - V дк ) - V q 3 /V К | i К / i К i B = К i К / (V К - V дк ) - Vq 3 * i К / i К В =К /(V К - V дк ) = 0 ,128/0,46 = 0,278 D = V q 3 /(V К - V дк ) i к = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297 i B = В i К - D i К = С i к = (0,278 + 1,297) i К = 1,488 i К Составляем таблицу:

№	Т В , К	i в , кДж/кг	i В	Т К , К	i К , кДж/кг	i К
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

Т ср инт = n / (1/ Т ср )

№	Т ср	1/ Т ср
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/ Т ср ) = 0,235 Т ср = 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	Р ср , ат.	Т ср , К	С р , кДж/кгК	Уд. Объём v , м 3 /кг	, кг*с/м 2 *10 7	, Вт/мК, *10 3
Прямой (воздух)	45	226,5	1,187	0,005	18,8	23,6
Обратный (О 2 под дав)	100	190	2,4	0,00106	108	15
Обратный ( N 2 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 V сек = V*v/3600 = 1711 *0,005/3600 = 2,43*10 -3 м 3 /с 3) Выбираем тубку ф 12х1,5 мм 4) Число трубок n = V сек /0,785 d вн = 0,00243/0,785*0,009 2 *1 = 39 шт Эквивалентный диаметр d экв = 9 – 5 = 4 мм 5) Критерий Рейнольдса Re = d вн /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 Re 0,8 Pr 0,33 = 0,015*32413 0,8 *0,802 0,33 = 63,5 8) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 63,5*23,6*10 -3 /0,007 = 214,1 Вт/м 2 К Обратный поток (кислород под давлением): 1)Скорость потока принимаем = 1 м/с 2) Секундный расход V сек = V*v/3600 = 320 *0,0011/3600 = 9,8*10 -5 м 3 /с 3) Выбираем тубку ф 5х0,5 мм гладкую. 4) Критерий Рейнольдса Re = d вн /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 Re 0,8 Pr 0,4 = 0,015*21810 0,8 *1,521 0,33 = 80,3 7) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 80,3*15*10 -3 /0,007 = 172 Вт/м 2 К Обратный поток (азот низкого давления) 1)Скорость потока принимаем = 15 м/с 2) Секундный расход V сек = V*v/3600 = 1391 *0,286/3600 = 0,11 м 3 /с 3) Живое сечение для прохода обратного потока: F ж = V сек / = 0 ,11 /15 = 0,0074 м 2 4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м 4) Критерий Рейнольдса Re = d вн /g = 15*0,004*2,188/9,81*9,75*10 -7 = 34313 5) Критерий Нуссельта: Nu = 0,0418 Re 0,85 = 0,0418*34313 0,85 =299,4 7) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 299,4*35,04*10 -3 /0,01 = 1049 Вт/м 2 К Параметры всего аппарата: 1) Тепловая нагрузка азотной секции Q A = A i A /3600 = 1391* (454,6 – 381,33)/3600 = 28,3 кВт 2) Среднеинтегральная разность температур Т ср = 54,7 К 3) Коэффициент теплопередачи К А = 1/[(1/ в )*( D н / D вн ) + (1/ А )] = 1/ [(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)] = 131,1 Вт/м 2 К 4) Площадь теплопередающей поверхности F A = Q A /K A Т ср = 28300/131,1*54,7 = 3,95 м 2 5) Средняя длина трубки с 20% запасом l А = 1,2 F A /3,14D H n = 1,2*3,95/3,14*0,012*32 = 3,93 м 6) Тепловая нагрузка кислородной секции Q К = К i A /3600 = 0,183*(467,93 – 332)/3600 = 15,1 кВт 7) Коэффициент теплопередачи К К = 1/[(1/ в ) + (1/ К ) *( D н / D вн )] = 1/ [(1/214,1) + (1/172) *(0,01/0,007)]=77 Вт/м 2 К 8) Площадь теплопередающей поверхности F К = Q К /K К Т ср = 15100/77*25 = 7,8 м 2 9) Средняя длина трубки с 20% запасом l К = 1,2 F К /3,14D H n = 1,2*7,8/3,14*0,01*55 = 5,42 м Принимаем l = 5,42 м. 10) Теоретическая высота навивки. Н = lt 2 / D ср = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.

Второй теплообменник.

Поток	Р ср , ат.	Т ср , К	С р , кДж/кгК	Уд. Объём v , м 3 /кг	, кг*с/м 2 *10 7	, Вт/мК, *10 3
Прямой (воздух)	45	155,5	2,328	0,007	142,62	23,73
Обратный (О 2 под дав)	100	132,5	1,831	0,00104	943,3	106,8
Обратный ( N 2 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 V сек = V*v/3600 = 1875 *0,007/3600 = 2,6*10 -3 м 3 /с 3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм гладкую. 4) Число трубок n = V сек /0,785 d вн = 0,0026/0,785*0,007 2 *1 = 45 шт Эквивалентный диаметр d экв = 9 – 5 = 4 мм 5) Критерий Рейнольдса Re = d вн /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 Re 0,8 Pr 0,33 = 0,015*83140 0,8 *1,392 0,33 = 145 8) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 145*10,9*10 -3 /0,007 = 225,8 Вт/м 2 К Обратный поток (кислород под давлением): 1)Скорость потока принимаем = 1 м/с 2) Секундный расход V сек = V*v/3600 = 800 *0,00104/3600 = 1,2*10 -4 м 3 /с 3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм с оребрением из проволоки ф 1,6 мм и шагом оребрения t п = 5,5мм 4) Критерий Рейнольдса Re = d вн /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 Re 0,8 Pr 0,4 = 0,015*101200 0,8 *1,87 0,33 = 297,2 7) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 297,2*10,9*10 -3 /0,007 = 462,8 Вт/м 2 К Обратный поток (азот низкого давления) 1)Скорость потока принимаем = 15 м/с 2) Секундный расход V сек = V*v/3600 = 2725 *0,32/3600 = 0,242 м 3 /с 3) Живое сечение для прохода обратного потока: F ж = V сек / = 0 , 242/15 = 0,016 м 2 4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м 4) Критерий Рейнольдса Re = d вн /g = 15*0,01*3,04/9,81*75,25*10 -7 = 60598 5) Критерий Нуссельта: Nu = 0,0418 Re 0,85 = 0,0418*60598 0,85 =485,6 7) Коэффициент теплоотдачи: В = Nu / d вн = 485,6*10,9*10 -3 /0,01 = 529,3 Вт/м 2 К Параметры всего аппарата: 1) Тепловая нагрузка азотной секции Q A = A i A /3600 = 2725(391,85 – 333,5)/3600 = 57 кВт 2) Среднеинтегральная разность температур Т ср = 52 К 3) Коэффициент теплопередачи К А = 1/[(1/ в )*( D н / D вн ) + (1/ А )] = 1/ [(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)] = 121,7 Вт/м 2 К 4) Площадь теплопередающей поверхности F A = Q A /K A Т ср = 57000/121,7*52 = 9 м 2 5) Средняя длина трубки с 20% запасом l А = 1,2 F A /3,14D H n = 1,2*9/3,14*0,01*45 = 7,717 м 6) Тепловая нагрузка кислородной секции Q К = К i К /3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт 7) Коэффициент теплопередачи К К = 1/[(1/ в ) + (1/ К ) *( D н / D вн )] = 1/ [(1/225,8) + (1/529,3) *(0,01/0,007)] = 140,3 Вт/м 2 К 8) Площадь теплопередающей поверхности F К = Q К /K К Т ср = 4600/140*42,6 = 0,77 м 2 9) Средняя длина трубки с 20% запасом l К = 1,2 F К /3,14D H n = 1,2*0,77/3,14*0,01*45 = 0,654 м Принимаем l = 7,717 м. 10) Теоретическая высота навивки. Н = lt 2 / D ср = 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 м 3 /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 ………………………………………………. d з = 4 мм Насыпной вес цеолита ……………………………………… ц = 700 кг/м 3 Динамическая ёмкость цеолита по парам СО 2 ……………а д = 0,013 м 3 /кг Принимаем в качестве адсорберов стандартный баллон диаметром D a = 460 мм и высоту слоя засыпки адсорбента L = 1300 мм. 2) Скорость очищаемого воздуха в адсорбере: = 4 V a / n D a 2 n – количество одновременно работающих адсорберов; V а – расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции, т. е. при Р = 4,5 МПа и Т в = 275 К: V a = VT B P / T * P B = 1711*275*1/273*45 = 69,9 кг/ч = 4*69,9/3*3,14*0,46 2 = 140,3 кг/ч*м 2 Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере: G ц = nV ад ц = L * * n * * D a 2 /4 = 1*3,14*0,46 2 *1,3*700/4 = 453,4 кг Определяем количество СО 2 , которое способен поглотить цеолит: V CO 2 = G ц * a д = 453,4*0,013 = 5,894 м 3 Определяем количество СО 2 , поступающее каждый час в адсорбер: V CO2 ’ = V*C o = 3125*0,0003 = 0,937 м 3 / ч Время защитного действия адсорбента: пр = V CO 2 / V CO 2 ’ = 5,894/0,937 = 6,29 ч Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда: = 4*69,9/4*3,14*0,46 2 = 105,2 кг/ч*м 2 G ц = 4*3,14*0,46 2 *1,3*700/4 = 604,6 кг V CO 2 = G c * a д = 604,6*0,013 = 7,86 м 3 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: V рег = 1,2* G H 2 O / x ’ рег G H 2 O – количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации G H 2 O = G ц а Н2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг рег – время регенерации, принимаем рег = 0,5 пр = 3 ч. х ’ – влагосодержание азота при Т ср.вых и Р = 10 5 Па: Т ср.вых = (Т вых.1 + Т вых.2 )/2 = (275 + 623)/2 = 449 К х = 240 г/м 3 V рег = 1,2*120,84/0,24*3 = 201,4 м 3 /ч Проверяем количество регенерирующего газа по тепловому балансу: V рег * N 2 * C pN 2 *(Т вх + Т вых. ср )* рег = Q Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 Q 1 – количество тепла, затраченное на нагрев металла; Q 2 – количество тепла, затраченное на нагрев адсорбента, Q 3 – количество тепла, необходимое для десорбции влаги, поглощённой адсорбентом; Q 4 – количество тепла, необходимое для нагрева изоляции; Q 5 – потери тепла в окружающую среду. Q 1 = G м С м (Т ср ’ – T нач ’ ) G м – вес двух баллонов с коммуникациями; С м – теплоёмкость металла, С м = 0,503 кДж/кгК T нач ’ – температура металла в начале регенерации, T нач ’ = 280 К Т ср ’ – средняя температура металла в конце процесса регенерации, Т ср ’ = (Т вх ’ + Т вых ’ )/2 = (673 + 623)/2 = 648 К Т вх ’ – температура азота на входе в блок очистки, Т вх ’ = 673 К; Т вых ’ – температура азота на выходе из блока очистки, Т вх ’ = 623 К; Для определения веса блока очистки определяем массу одного баллона, который имеет следующие геометрические размеры: наружний диаметр ………………………………………………. D н = 510 мм, внутренний диаметр …………………………………………….. D вн = 460 мм, высота общая ……………………………………………………..Н = 1500 мм, высота цилиндрической части …………………………………..Н ц = 1245 мм. Тогда вес цилиндрической части баллона G M ’ = ( D н 2 – D вн 2 )Н ц * м * /4 = (0,51 2 – 0,46 2 )*1,245*7,85*10 3 *3,14/4 = 372,1 кг, где м – удельный вес металла, м = 7,85*10 3 кг/м 3 . Вес полусферического днища G M ’’ = [( D н 3 /2) – ( D вн 3 /2)]* м *4 /6 = [(0,51 3 /2) – (0,46 3 /2)]*7,85*10 3 *4*3,14/6 = 7,2 кг Вес баллона: G M ’ + G M ’’ = 382 + 7,2 = 389,2 кг Вес крышки с коммуникациями принимаем 20% от веса баллона: G M ’’’ = 389,2*0,2 = 77,84 кг Вес четырёх баллонов с коммуникацией: G M = 4( G M ’ + G M ’’ + G M ’’’ ) = 4*(382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг. Тогда: Q 1 = 1868*0,503*(648 – 275) = 3,51*10 5 кДж Количество тепла, затрачиваемое на нагревание адсорбента: Q 2 = G ц С ц (Т ср ’ – T нач ’ ) = 604,6*0,21*(648 – 275) = 47358 кДж Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги: Q 3 = G H 2 O C p (Т кип – Т нач ’ ) + G H 2 O * = 120,84*1*(373 – 275) + 120,84*2258,2 = 2,8*10 5 кДж – теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; С р – теплоёмкость воды.

Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции: Q 4 = 0,2 V из из С из (Т из – Т нач ) = 0,2*8,919*100*1,886*(523 – 275) = 8,3*10 4 кДж V из = V б – 4 V балл = 1,92*2,1*2,22 – 4*0,20785*0,51 2 *0,15 = 8,919 м 3 – объём изоляции. из – объёмный вес шлаковой ваты, из = 100 кг/м 3 С из – средняя теплоёмкость шлаковой ваты, С из = 1,886 кДж/кгК Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от Q = Q 1 + Q 2 + Q 4 : Q 5 = 0,2*(3,51*10 5 + 47358 + 8,3*10 4 ) = 9.63*10 4 кДж Определяем количество регенерирующего газа: V рег = ( Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 )/ N 2 * C pN 2 *(Т вх + Т вых. ср )* рег = =(3,51*10 5 + 47358 + 2,8*10 5 + 8,3*10 4 + 9,63*10 4 )/(1,251*1,048*(673 – 463)*3) = 1038 нм 3 /ч Проверяем скорость регенерирующего газа, отнесённую к 293 К: рег = 4 V рег *293/600* * D a 2 * n * T нач = 4*1038*293/600*3,14*0,46 2 *2*275 = 5,546 м/с n – количество одновременно регенерируемых адсорберов, n = 2 Определяем гидравлическое сопротивление слоя адсорбента при регенерации. Р = 2 f L 2 /9,8 d э х 2 где Р – потери давления, Па; f – коэффициент сопротивления; – плотность газа, кг/м 3 ; L – длина слоя сорбента, м; d э – эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м; – скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с; – пористость слоя адсорбента, = 0,35 м 2 /м 3 . Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях: = 4* V рег *Т вых.ср. /3600* * D a 2 * n *Т нач = 4*1038*463/3600*3,14*0,46 2 *2*275 = 1,5 м/с Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами: d э = 4* * d з /6*(1 – ) = 4*0,35*4/6*(1 – 0,35) = 1,44 мм. Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса: Re = * d э * / * * g = 1,5*0,00144*0,79*10 7 /0,35*25*9,81 = 198,8 где – динамическая вязкость, = 25*10 -7 Па*с; – удельный вес азота при условиях регенерации, = 0 *Р*Т 0 /Р 0 *Т вых.ср = 1,251*1,1*273/1,033*463 = 0,79 кг/м 3 По графику в работе [6] по значению критерия Рейнольдса определяем коэффициент сопротивления f = 2,2 Тогда: Р = 2*2,2*0,79*1,3*1,5 2 /9,81*0,00144*0,35 2 = 587,5 Па Определяем мощность электроподогревателя: N = 1,3* V рег * *С р *(Т вх – Т нач )/860 = 1,3*1038*1,251*0,25(673 – 293)/860 = 70,3 кВт где С р = 0,25 ккал/кг*К 7. Определение общих энергетических затрат установки l = [ V в RT oc ln ( P k / P n )]/ из К ж *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 м 3 /ч в – плотность воздуха при нормальных условиях, в = 1,29 кг/м 3 R – газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК из – изотермический КПД, из = 0,6 К ж – количество получаемого кислорода, К = 320 м 3 /ч Т ос – температура окружающей среды, принимается равной средне – годовой температуре в городе Владивостоке, Т ос = 23,6 0 С = 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……….………. ALFA 1 = 1130,7 кДж/кгК Коэффициент телоотдачи в конденсаторе…………… ALFA 2 = 2135,2 кДж/кгК Площадь теплопередающей поверхности………………..……… F 1 = 63,5 м 3 Давление в верхней колонне ………………………………………Р1 = 0,17 МПа. 10. Подбор оборудования. 1. Выбор компрессора.

Выбираем 2 компрессора 605ВП16/70. Производительность одного компрессора ………………………………..16±5% м 3 /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 м 3 /ч Давление на входе ………………………………………………………Р вх = 4 МПа Давление на выходе …………………………………………………….Р вых = 0.6 МПа Температура на входе …………………………………………………..Т вх = 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 м 3 /ч Рабочее давление: максимальное ……………………………………………Р макс = 6,4 МПа минимальное………………………………………..……Р мин = 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.

оценка ноу хау в Брянске
оценка наследства в Смоленске
оценка стоимости облигаций в Курске