Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 27

Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

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

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 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

МVΔi_{1B – 2B} + V_дет h_ад η_ад М = МVq₃ + М_к KΔi_{2K – 3K} + VΔi_{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 м³ /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 …………………………ΔТ_{1К – 2К} = 10 К

На начальной стадии расчёта принимаем:

Составляем балансы теплообменных аппаратов:

а) Баланс теплообменника – ожижителя.

КС_р ^к ΔТ_{4К – 5К} + АС_р ^А ΔТ_{3А – 4А} = VC_p ^v ΔT_{2В – 3В}

б) Балансы переохладителя:

находим из номограммы для смеси азот – кислород.

в) Баланс переохладителя кислорода.

КC_p ^K ΔT_{1К – 2К} = RC_p ^R ΔT_{2R – 3R}

Принимаем ΔT_{1К – 2К} = 10 К

ΔT_{2R – 3R} = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4

Т_3R = Т₂ _R + ΔT_{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 = [VMq₃ + KM_k Δi_{2K – 3K} + VMΔi_{4B – 3B} – VMΔi_{1B – 2B} ]/Mh_ад η_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 = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м³ /ч

Составляем балансы этих теплообменников:

I VC_pV ΔT_{4B – 6B} = KC_pK ΔT_{3K’ – 4K} + AC_pA ΔT_{2A’ – 3A}

II (V – V_д )C_pV ΔT_6B-5B = KC_pK ΔT_{3K – 3K’} + AC_pA ΔT_{2A’ – 2A}

Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.

III КС_р ^к ΔТ_{4К – 5К} + АС_р ^А ΔТ_{3А – 4А} = VC_p ^v ΔT_{2В – 3В}

Вычтем уравнение II из уравнения I:

VC_pV ΔT_{4B – 6B} - (V – V_д )C_pV ΔT_6B-5B = KC_pK ΔT_{3K’ – 4K} - KC_pK ΔT_{3K – 3K’} + AC_pA ΔT_{2A’ – 3A} - AC_pA ΔT_{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 ΔT_{3A – 2A}

II КС_р ^к ΔТ_{4К – 5К} + АС_р ^А ΔТ_{3А – 4А} = VC_p ^v ΔT_{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

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 V_дет вычислим из баланса установки:

V_дет = [VMq₃ + KM_k Δi_{2K – 3K} + VMΔi_{4B – 3B} – VMΔi_{1B – 2B} ]/Mh_ад η_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 = 0,2V = 0,2* = 342,2 м³ /ч

Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:

I V_A (i_4B – i₁ ) + Vq₃ = A(i_3A – i₃ )

II V_K (i_4B – i₂ ) + Vq₃ = K(i_4K – i₄ )

III (V_A – V_да )(i₁ – i_5B ) + Vq₃ = A(i₃ – i_2A )

IV (V_К – V_дк )(i₂ – i_5B ) + Vq₃ = К(i₄ – i_2К )

Здесь V_A + V_К = V , V_да + V_дк = V_д

Параметры в точках i₁ и i₂ 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, q₃ = 1 кДж/кг для всех аппаратов.

Тогда из уравнения I

V_A (i_4B – i_6В ) + Vq₃ = A(i_3A – 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 V_А 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:

V_K (i_4B – i_6В ) + Vq₃ = K(i_4K – 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:

V_A (i_4B – i₁ ) + Vq₃ = A(i_3A – 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:

V_A (i_4B – i_6В ) + Vq₃ = A(i_3A – i₃ )

V_A Δi_B + Vq₃ = A Δi_A

Δi_B = A Δi_A / V_A - V q₃ /V_A | Δi_A / Δi_A

Δi_B = A Δi_A / V_A - Vq₃ * Δi_A / Δi_A

В = A/V_A = 0,872/0,54 = 1,645

D = V q₃ /V_A Δi_A = 1*55,5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376

Δi_B = В Δi_A - D Δi_A = С Δi_A = (1,635 – 0,376) Δi_A = 1,259 Δi_A

Составляем таблицу:

№

Т_В , К

i_в , кДж/кг

Δi_В

Т_А , К

i_А , кДж/кг

Δi_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:

ΔТ_ср ^инт = n/Σ(1/ΔТ_ср )

№

ΔТ_ср

1/ΔТ_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

Σ(1/ΔТ_ср ) = 0,1339

ΔТ_ср = 10/0,1339 = 54,7 К

б) Материальный баланс теплообменника II:

V_K (i_4B – i_6В ) + Vq₃ = K(i_4K – 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:

V_К (i_4B – i_6В ) + Vq₃ = K(i_4K – i₄ )

V_К Δi_B + Vq₃ = К Δi_К

Δi_B = К Δi_К / V_К - V q₃ /V_К | Δi_К / Δi_К

Δi_B = К Δi_К / V_К - Vq₃ * Δi_К / Δi_К

В = К/V_К = 0,128/0,56 = 0,029

D = V q₃ /V_К Δi_К = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75

Δi_B = В Δi_К - D Δi_К = С Δi_К = (0,029 + 0,75) Δi_К = 0,779 Δi_К

Составляем таблицу:

№

Т_В , К

i_в , кДж/кг

Δi_В

Т_К , К

i_К , кДж/кг

Δi_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

ΔТ_ср ^инт = n/Σ(1/ΔТ_ср )

№

ΔТ_ср

1/ΔТ_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

Σ(1/ΔТ_ср ) = 0,245

ΔТ_ср = 10/0,245 = 40,3 К

в) Материальный баланс теплообменника III:

(V_A – V_да )(i_6В – i_5B ) + Vq₃ = A(i₃ – i_2A )

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:

(V_A – V_да )(i_6В – i_5B ) + Vq₃ = A(i₃ – i_2A )

(V_А - V_да ) Δi_B + Vq₃ = А ΔiА

Δi_B = А Δi_А / (V_А - V_да ) - V q₃ /V_А | Δi_А / Δi_А

Δi_B = А Δi_А / (V_А - V_да ) - Vq₃ * Δi_А / Δi_А

В =А/(V_А - V_да ) = 0,813/0,44 = 1,982

D = V q₃ /(V_А - V_да ) Δi_А = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057

Δi_B = В Δi_А - D Δi_А = С Δi_А = (1,982 – 0,057) Δi_А = 1,925 Δi_А

Составляем таблицу:

№

Т_В , К

i_в , кДж/кг

Δi_В

Т_А , К

i_А , кДж/кг

Δi_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

ΔТ_ср ^инт = n/Σ(1/ΔТ_ср )

№

ΔТ_ср

1/ΔТ_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

Σ(1/ΔТ_ср ) = 0,192

ΔТ_ср = 10/0,245 = 52 К

г) Материальный баланс теплообменника IV:

(V_К – V_дк )(i_6В – i_5B ) + Vq₃ = К(i₄ – i_2К )

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:

(V_К – V_дк )(i_6В – i_5B ) + Vq₃ = К(i₄ – i_2К )

(V_к - V_дк ) Δi_B + Vq₃ = К Δi_к

Δi_B = К Δi_к / (V_К - V_дк ) - V q₃ /V_К | Δi_К / Δi_К

Δi_B = К Δi_К / (V_К - V_дк ) - Vq₃ * Δi_К / Δi_К

В =К/(V_К - V_дк ) = 0,128/0,46 = 0,278

D = V q₃ /(V_К - V_дк ) Δi_к = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297

Δi_B = В Δi_К - D Δi_К = С Δi_к = (0,278 + 1,297) Δi_К = 1,488 Δi_К

Составляем таблицу:

№

Т_В , К

i_в , кДж/кг

Δi_В

Т_К , К

i_К , кДж/кг

Δi_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

ΔТ_ср ^инт = n/Σ(1/ΔТ_ср )

№

ΔТ_ср

1/ΔТ_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

Σ(1/ΔТ_ср ) = 0,235

ΔТ_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