додати матеріал


Установки зрідження і розділення газових сумішей

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Санкт-Петербурзький державний Університет
низькотемпературних і харчових технологій.
Кафедра кріогенної техніки.

Курсовий проект

з дисципліни «Установки зрідження і розділення газових сумішей»
Розрахунок і проектування установки
для отримання рідкого кисню.
Роботу виконав
студент 452 групи
Денисов Сергій.
Роботу прийняв
Пахомов О. В.
Санкт - Петербург 2003 рік.
Зміст.
Завдання на розрахунок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
1. Вибір типу установки і його обгрунтування ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
2. Короткий опис установки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
3. Загальні енергетичні та матеріальні баланси ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... 4
4. Розрахунок вузлових точок установки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... 4
5. Розрахунок основного теплообмінника ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... 7
6. Розрахунок блоки очищення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... .. 17
7. Визначення загальних енергетичних витрат установки ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 20
8. Розрахунок процесу ректифікації ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... .. 20
9. Розрахунок конденсатора - випарника ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .20
10. Підбір обладнання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... 21
11. Список літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 22
Завдання на розрахунок.
Розрахувати та спроектувати установку для отримання газоподібного кисню з чистотою 99,5%, продуктивністю 320 м 3 / год, розташовану в місті Владивостоці.
1. Вибір типу установки і його обгрунтування.
Як прототип вибираємо установку К - 0,4, тому що установка призначена для отримання рідкого і газоподібного кисню чистотою 99,5%, а також рідкого азоту. Також установка має відносно нескладну схему.
2. Короткий опис роботи установки.
Повітря з навколишнього середовища, що має параметри Т = 300 К і Р = 0,1 МПа, надходить в компресорну станцію в точці 1. У компресорі він стискається до тиску 4,5 МПа і охолоджується у водяній ванні до температури 310 К. Підвищення температури обумовлено втратами від недосконалості системи охолодження. Після стиснення в компресорі повітря направляється в теплообмінник - ожіжітель, де охолоджується до температури 275 К, в результаті чого більша частина міститься в ній вологи конденсується і надходить у елімінатор рідини, звідки виводиться в навколишнє середовище. Після теплообмінника - ожіжітеля стиснене повітря надходить у блок комплексного очищення і осушення, де відбувається його остаточне очищення від містяться в ньому вологи та СО 2. У результаті проходження через блок очищення повітря нагрівається до температури 280 К. Після цього потік стисненого повітря спрямовується в основний теплообмінник, де охолоджується до температури початку дроселювання, потім дросселируется до тиску Р = 0,65 МПа. В основному теплообміннику потік розділяється. Частина його виводиться з апарату і надходить в детандер, де розширюється до тиску Р = 0,65 МПа і надходить у нижню частину нижньої колонни.Поток з дроселі надходить в середину нижньої колони. Починається процес ректифікації. Кубова рідина (потік R, вміст N 2 дорівнює 68%) з низу нижньої колони надходить в Переохладітелі, де переохолоджується на 5 К, потім дросселируется до тиску 0,13 МПа і надходить у середину верхньої колони. Азотна флегма (потік D, концентрація N 2 дорівнює 97%) забирається з верхньої частини нижньої колони, пропускається через Переохладітелі, де також охолоджується на 5К, потім дросселируется до тиску 0,13 МПа і надходить у верхню частину верхньої колони. У верхній колоні відбувається остаточна ректифікація, внизу верхній колони збирається рідкий кисень, звідки він направляється в Переохладітелі, де переохолоджується на 8 - 10 К. Далі потік кисню направляється в рідинній насос, де його тиск піднімається до 10 МПа, і зворотним потоком спрямовується в основний теплообмінник. Потім він прямує в теплообмінник - ожіжітель, звідки виходить до споживача з температурою 295 К. Азот з верхньої частини колони послідовно проходить зворотним потоком Переохладітелі азотної флегми і кубовою рідини, оснновной теплообмінник і теплообмінник - ожіжітель. На виході з теплообмінника - ожіжітеля азот буде мати температуру 295 К.
3. Загальні енергетичні та матеріальні баланси.
V = K + A
0,79 V = 0,005 K + 0,97 A
МVΔi 1B - 2B + V дет h пекло η пекло М = МVq 3 + М до KΔi 2K - 3K + VΔi 3В - 4В М
М - молярна маса повітря.
М к - молярна маса кисню.
Приймаються V = 1 моль
К + А = 1
К = 1 - А
0,79 = 0,005 (1 - А) + 0,97 А
А = 0,813
К = 1 - 0,813 = 0,187
Визначаємо теоретичну проізводітельнсть компресора.
(1 / 0, 187) = х/320 => х = 320 / 0,187 = 1711 м 3 / ч = 2207,5 кг / год
4. Розрахунок вузлових точок установки
Приймаємо:
Тиск повітря на вході в компресор ... ... ... ... ... ... ... ... ....
Тиск повітря на виході з компресора ... ... ... ... ... ... ... ... Р вих до = 4,5 МПА
Температура повітря на вході в компресор ... .. ... ... ... ... ... ... ...
Температура повітря на виході з компресора ... .... ... ... ... ... ..
Температура повітря на виході з теплообмінника - ожіжітеля ... ..
Температура повітря на виході з блоку очищення ... ... ... ... ... ... ...
Тиск у верхній колоні ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Тиск в нижній колоні ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Концентрація азоту в кубовою рідини ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Концентрація азоту в азотній флегме ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Температурний перепад азотної флегми і кубовою рідини при проходженні
через Переохладітелі ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Температура кубовою рідини ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
Температура азотної флегми ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Температура відходить азоту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
Температура рідкого кисню ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Різниця температур на теплому кінці теплообмінника - ожіжітеля ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ....
Температура азоту на виході з установки ... ... ... ... ... ... ....
Температурний перепад кисню ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... Т 1К - 2К = 10 К
На початковій стадії розрахунку приймаємо:
Складаємо баланси теплообмінних апаратів:
а) Баланс теплообмінника - ожіжітеля.
 
КС р до Т 4К - 5К + АС р А Т 3А - 4А = VC p v ΔT 2В - 3В
 
б) Баланси Переохладітелі:


знаходимо з номограми для суміші азот - кисень.
 
в) Баланс Переохладітелі кисню.
КC p K ΔT 1К - 2К = RC p R ΔT 2R - 3R

Приймаються ΔT 1К - 2К = 10 К

ΔT 2R - 3R = 0,128 * 1,686 * 10 / 6,621 * 1,448 = 2,4
Т 3R = Т 2 R + ΔT 2R - 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К
i 3R = 998,2
 
г) Баланс основного теплообменнка.
Для визначення параметрів у точках 3А і 4К розіб'ємо основний теплообмінник на 2 трехпоточная теплообмінника:

Істинне значення V дет обчислимо з балансу установки:
V дет = [VMq 3 + KM k Δi 2K - 3K + VMΔi 4B - 3B - VMΔi 1B - 2B] / Mh пекло η пекло = [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 / год
Складаємо баланси цих теплообмінників:
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
Додамо до них баланс теплообмінника - ожіжітеля. Отримаємо систему з 3 рівнянь.
III КС р до Т 4К - 5К + АС р А Т 3А - 4А = VC p v ΔT 2В - 3В
Віднімемо рівняння II з рівняння 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
Отримуємо систему з двох рівнянь:
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 до Т 4К - 5К + АС р А Т 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 -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 = 197,7 К
Для зручності розрахунку отримані дані по тиску, температур і ентальпії в вузлових точках зведемо в таблицю:





5


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









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
ПРИМІТКА.
1. Значення ентальпій для точок 1R, 2R, 3R, 1D, 2D взяті з номограми Т - i - P - x - y для суміші азот - кисень.
2. Інші значення ентальпій взяті з [2].
 
5. Розрахунок основного теплообмінника.
Зважаючи на складність конструкції теплообмінного апарату розіб'ємо його на 4 двопоточних теплообмінника.

Істинне значення V дет обчислимо з балансу установки:
V дет = [VMq 3 + KM k Δi 2K - 3K + VMΔi 4B - 3B - VMΔi 1B - 2B] / Mh пекло η пекло = [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 / год
Складаємо баланси кожного з чотирьох теплообмінників:
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 та) (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)
Тут V A + V К = V, V та + V дк = V д
Параметри в точках i 1 і i 2 будуть тими ж, що в точці 6В
Температуру в точці 5В задаємо:
Т = 138 До
Р = 4,5 МПа
i = 319,22 кДж / кг = 9257,38 кДж / кмоль
Приймаються V A = А = 0,813, V К = К = 0,187, V дк = V та = 0,1, q 3 = 1 кДж / кг для всіх апаратів.
Тоді з рівняння 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 До
Перевіряємо отримане значення i 3 за допомогою рівняння 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
Зменшимо 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
Перевіряємо отримане значення i 3 за допомогою рівняння 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 До
Тоді з рівняння 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 До
Розраховуємо среднеінтегральную різниця температур для кожного з чотирьох теплообмінників.
а) Матеріальний баланс теплообмінника I:
V A (i 4B - i 1) + Vq 3 = A (i 3A - i 3)
З балансу розраховуємо справжнє значення теплопритоків з навколишнього середовища:
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
Розраховуємо коефіцієнти В і D:
V A (i 4B - i 6В) + Vq 3 = A (i 3A - i 3)
V A Δi B + Vq 3 = A Δi A
Δi B = A Δi A / V A - V q 3 / V A | Δi A / Δi A
Δi B = A Δi A / V A - Vq 3 * Δi A / Δi A
В = A / V A = 0,872 / 0,54 = 1,645
D = V q 3 / V A Δi A = 1 * 55,5 / 0,54 * (197,7 - 123) = 0,376
Δi B = В Δi A - D Δi A = З Δi A = (1,635 - 0,376) Δi A = 1,259 Δi A
Складаємо таблицю:

Т В, К
i в, кДж / кг
Δi У
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

Будуємо температурні криві:
Т ср інт = n / Σ (1/ΔТ ср)

Т 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
Т сер = 10 / 0,1339 = 54,7 К
б) Матеріальний баланс теплообмінника II:
V K (i 4B - i 6В) + Vq 3 = K (i 4K - i 4)
З балансу розраховуємо справжнє значення теплопритоків з навколишнього середовища:
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
Розраховуємо коефіцієнти В і D:
V К (i 4B - i 6В) + Vq 3 = K (i 4K - i 4)
V До Δi B + Vq 3 = До Δi До
Δi B = К Δi К / V К - V q 3 / V До | Δi К / Δi До
Δi B = К Δi К / V К - Vq 3 * Δi К / Δi До
В = К / V К = 0,128 / 0,56 = 0,029
D = V q 3 / V До 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 До
Складаємо таблицю:

Т В, К
i в, кДж / кг
Δi У
Т К, К
i К, кДж / кг
Δi До
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 інт = n / Σ (1/ΔТ ср)

Т 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
Т сер = 10 / 0,245 = 40,3 К
в) Матеріальний баланс теплообмінника III:
(V A - V та) (i - i 5B) + Vq 3 = A (i 3 - i 2A)
З балансу розраховуємо справжнє значення теплопритоків з навколишнього середовища:
(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
Розраховуємо коефіцієнти В і D:
(V A - V та) (i - i 5B) + Vq 3 = A (i 3 - i 2A)
(V А - V да) Δi B + Vq 3 = А ΔiА
Δi B = А Δi А / (V А - V так) - V q 3 / V А | Δi А / Δi А
Δi B = А Δi А / (V А - V так) - Vq 3 * Δi А / Δi А
В = А / (V А - V та) = 0,813 / 0,44 = 1,982
D = V q 3 / (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
Складаємо таблицю:

Т В, К
i в, кДж / кг
Δi У
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



Т ср інт = n / Σ (1/ΔТ ср)

Т 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
Т сер = 10 / 0,245 = 52 К
г) Матеріальний баланс теплообмінника IV:
(V К - V дк) (i - i 5B) + Vq 3 = К (i 4 - i 2К)
З балансу розраховуємо справжнє значення теплопритоків з навколишнього середовища:
(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
Розраховуємо коефіцієнти В і D:
(V К - V дк) (i - i 5B) + Vq 3 = К (i 4 - i 2К)
(V к - V дк) Δi B + Vq 3 = До Δi до
Δi B = К Δi к / (V К - V дк) - V q 3 / V До | Δi К / Δi До
Δi B = К Δi К / (V К - V дк) - Vq 3 * Δi К / Δi До
В = К / (V К - V дк) = 0,128 / 0,46 = 0,278
D = V q 3 / (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 До
Складаємо таблицю:

Т В, К
i в, кДж / кг
Δi У
Т К, К
i К, кДж / кг
Δi До
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 інт = n / Σ (1/ΔТ ср)

Т 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
Т сер = 10 / 0,245 = 42,6 К
д) Розрахунок основного теплообмінника.
Для розрахунку теплообмінника розбиваємо його на 2 трехпоточная. Для зручності розрахунку вихідні дані зводимо в таблицю.
Потік
Р ср, ат.
Т сер, К
З р, кДж / КГК
Уд. Обсяг v, м 3 / кг
μ, кг * с / м 2
* 10 7
λ, Вт / мК, * 3 жовтня
Прямий
(Повітря)
45
226,5
1,187
0,005
18,8
23,6
Зворотний
2 під давши)
100
190
2,4
0,00106
108
15
Зворотний
(N 2 вниз давши)
1,3
155
1,047
0,286
9,75
35,04

Прямий потік.
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 1 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 1711 * 0,005 / 3600 = 2,43 * 10 -3 м 3 / с
3) Вибираємо тубку ф 12х1, 5 мм
4) Кількість трубок
n = V сек / 0,785 d вн ω = 0,00243 / 0,785 * 0,009 2 * 1 = 39 шт
Еквівалентний діаметр
d екв = 9 - 5 = 4 мм
5) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 1 * 0,004 * 85,4 / 9,81 * 18,8 * 10 -7 = 32413
6) Критерій Прандтля
Pr = 0,802 (див. [2])
7) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,33 = 0,015 * 32413 0,8 * 0,802 0,33 = 63,5
8) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 63,5 * 23,6 * 10 -3 / 0,007 = 214,1 Вт / м 2 К
Зворотний потік (кисень під тиском):
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 1 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 320 * 0,0011 / 3600 = 9,8 * 10 -5 м 3 / с
3) Вибираємо тубку ф 5х0, 5 мм гладку.
4) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 1 * 0,007 * 330,1 / 9,81 * 106 * 10 -7 = 21810
5) Критерій Прандтля
Pr = 1,521 (див. [2])
6) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 = 0,015 * 21810 0,8 * 1,521 0,33 = 80,3
7) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 80,3 * 15 * 10 -3 / 0,007 = 172 Вт / м 2 К
Зворотний потік (азот низького тиску)
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 15 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 1391 * 0,286 / 3600 = 0,11 м 3 / с
3) Живе розтин для проходу зворотного потоку:
Fж = V сек / ω = 0,11 / 15 = 0,0074 м 2
4) Діаметр сердечника приймаємо Dc = 0,1 м
4) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 15 * 0,004 * 2,188 / 9,81 * 9,75 * 10 -7 = 34313
5) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re 0,85 = 0,0418 * 34313 0,85 = 299,4
7) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 299,4 * 35,04 * 10 -3 / 0,01 = 1049 Вт / м 2 К

Параметри всього апарату:
1) Теплове навантаження азотної секції
Q A = AΔi A / 3600 = 1391 * (454,6 - 381,33) / 3600 = 28,3 кВт
2) Среднеінтегральная різниця температур Т сер = 54,7 К
3) Коефіцієнт теплопередачі
До А = 1 / [(1 / α в) * (D н / D вн) + (1 / α А)] = 1 / [(1 / 214, 1) * (0,012 / 0,009) + (1 / 1 049 )] = 131,1 Вт / м 2 К
4) Площа теплопередающей поверхні
F A = Q A / K A Т сер = 28300/131, 1 * 54,7 = 3,95 м 2
5) Середня довжина трубки з 20% запасом
l А = 1,2 F A / 3,14 D H n = 1,2 * 3,95 / 3,14 * 0,012 * 32 = 3,93 м
6) Теплове навантаження кисневої секції
Q К = КΔi A / 3600 = 0,183 * (467,93 - 332) / 3600 = 15,1 кВт
7) Коефіцієнт теплопередачі
К К = 1 / [(1 / α в) + (1 / α До) * (D н / D вн)] = 1 / [(1 / 214, 1) + (1 / 172) * (0,01 / 0,007)] = 77 Вт / м 2 К
8) Площа теплопередающей поверхні
F К = Q К / K До Т сер = 15100/77 * 25 = 7,8 м 2
9) Середня довжина трубки з 20% запасом
l К = 1,2 F К / 3,14 D H n = 1,2 * 7,8 / 3,14 * 0,01 * 55 = 5,42 м
Приймаються l = 5,42 м.
10) Теоретична висота навивки.
Н = lt 2 / πD сер = 17 * 0,0122 / 3,14 * 0,286 = 0,43 м.
Другий теплообмінник.
Потік
Р ср, ат.
Т сер, К
З р, кДж / КГК
Уд. Обсяг v, м 3 / кг
μ, кг * с / м 2
* 10 7
λ, Вт / мК, * 3 жовтня
Прямий
(Повітря)
45
155,5
2,328
0,007
142,62
23,73
Зворотний
2 під давши)
100
132,5
1,831
0,00104
943,3
106,8
Зворотний
(N 2 вниз давши)
1,3
112,5
1,061
0,32
75,25
10,9

Прямий потік.
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 1 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 1875 * 0,007 / 3600 = 2,6 * 10 -3 м 3 / с
3) Вибираємо тубку ф 10х1, 5 мм гладку.
4) Кількість трубок
n = V сек / 0,785 d вн ω = 0,0026 / 0,785 * 0,007 2 * 1 = 45 шт
Еквівалентний діаметр
d екв = 9 - 5 = 4 мм
5) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 1 * 0,004 * 169,4 / 9,81 * 142,62 * 10 -7 = 83140
6) Критерій Прандтля
Pr = 1,392 (див. [2])
7) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,33 = 0,015 * 83140 0,8 * 1,392 0,33 = 145
8) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 145 * 10,9 * 10 -3 / 0,007 = 225,8 Вт / м 2 К
Зворотний потік (кисень під тиском):
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 1 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 800 * 0,00104 / 3600 = 1,2 * 10 -4 м 3 / с
3) Вибираємо тубку ф 10х1, 5 мм з ребрами з дроту ф 1,6 мм і кроком оребрення t п = 5,5 мм
4) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 1 * 0,007 * 1067,2 / 9,81 * 75,25 * 10 -7 = 101200
5) Критерій Прандтля
Pr = 1,87 (див. [2])
6) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 = 0,015 * 101200 0,8 * 1,87 0,33 = 297,2
7) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 297,2 * 10,9 * 10 -3 / 0,007 = 462,8 Вт / м 2 К
Зворотний потік (азот низького тиску)
1) Швидкість потоку приймаємо ω = 15 м / с
2) Секундний витрата
V сек = V * v/3600 = 2725 * 0,32 / 3600 = 0,242 м 3 / с
3) Живе розтин для проходу зворотного потоку:
Fж = V сек / ω = 0,242 / 15 = 0,016 м 2
4) Діаметр сердечника приймаємо Dc = 0,1 м
4) Критерій Рейнольдса
Re = ω d вн ρ / gμ = 15 * 0,01 * 3,04 / 9,81 * 75,25 * 10 -7 = 60598
5) Критерій Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re 0,85 = 0,0418 * 60598 0,85 = 485,6
7) Коефіцієнт тепловіддачі:
α В = Nuλ / d вн = 485,6 * 10,9 * 10 -3 / 0,01 = 529,3 Вт / м 2 К

Параметри всього апарату:
1) Теплове навантаження азотної секції
Q A = AΔi A / 3600 = 2725 (391,85 - 333,5) / 3600 = 57 кВт
2) Среднеінтегральная різниця температур Т сер = 52 К
3) Коефіцієнт теплопередачі
До А = 1 / [(1 / α в) * (D н / D вн) + (1 / α А)] = 1 / [(1 / 225, 8) * (0,01 / 0,007) + (1 / 529,3)] = 121,7 Вт / м 2 К
4) Площа теплопередающей поверхні
F A = Q A / K A Т сер = 57000/121, 7 * 52 = 9 м 2
5) Середня довжина трубки з 20% запасом
l А = 1,2 F A / 3,14 D H n = 1,2 * 9 / 3, 14 * 0,01 * 45 = 7,717 м
6) Теплове навантаження кисневої секції
Q К = КΔi К / 3600 = 0,128 * (352,8 - 332) / 3600 = 4,6 кВт
7) Коефіцієнт теплопередачі
К К = 1 / [(1 / α в) + (1 / α До) * (D н / D вн)] = 1 / [(1 / 225, 8) + (1 / 529, 3) * (0 , 01 / 0,007)] = 140,3 Вт / м 2 К
8) Площа теплопередающей поверхні
F К = Q К / K До Т сер = 4600/140 * 42,6 = 0,77 м 2
9) Середня довжина трубки з 20% запасом
l К = 1,2 F К / 3,14 D H n = 1,2 * 0,77 / 3,14 * 0,01 * 45 = 0,654 м
Приймаються l = 7,717 м.
10) Теоретична висота навивки.
Н = lt 2 / πD ср = 7,717 * 0,0122 / 3,14 * 0,286 = 0,33 м.
Остаточний варіант розрахунку приймаємо на ЕОМ.
 
6. Розрахунок блоку очищення.
1) Вихідні дані:
Кількість очищуваного повітря ... ... ... ... ... ... ... ... V = 2207,5 кг / ч = 1711 м 3 / год
Тиск потоку ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... Р = 4,5 МПа
Температура очищуваного повітря ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... Т = 275 До
Розрахункове вміст вуглекислого газу за обсягом ... ... ... ... ... ... ... ... С = 0,03%
Адсорбент ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... NaX
Діаметр зерен ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... d з = 4 мм
Насипна вага цеоліту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... γ ц = 700 кг / м 3
Динамічна ємність цеоліту по парах СО 2 ... ... ... ... ... а д = 0,013 м 3 / кг
Приймаються в якості адсорберов стандартний балон діаметром D a = 460 мм і висоту шару засипки адсорбенту
L = 1300 мм.
2) Швидкість очищуваного повітря в адсорбері:
ω = 4V a / nπD a 2
n - кількість одночасно працюючих адсорберов;
V а - витрата очищуваного повітря за умов адсорбції, тобто при Р = 4,5 МПа і Т в = 275 К:
V a = VT B P / T * P B = 1711 * 275 * 1 / 273 * 45 = 69,9 кг / год
ω = 4 * 69,9 / 3 * 3,14 * 0,46 2 = 140,3 кг / год * м 2
Визначаємо вагу цеоліту, що знаходиться в адсорбері:
G ц = nV пекло γ ц = L * γ * n * π * D a 2 / 4 = 1 * 3,14 * 0,46 2 * 1,3 * 700 / 4 = 453,4 кг
Визначаємо кількість СО 2, яке здатний поглинути цеоліт:
V CO 2 = G ц * a д = 453,4 * 0,013 = 5,894 м 3
Визначаємо кількість СО 2, яке надходить щогодини в адсорбер:
V CO2 '= V * C o = 3125 * 0,0003 = 0,937 м 3 / год
Час захисної дії адсорбенту:
τ пр = V CO 2 / V CO 2 '= 5,894 / 0,937 = 6,29 год
Збільшимо число адсорберов до n = 4. Тоді:
ω = 4 * 69,9 / 4 * 3,14 * 0,46 2 = 105,2 кг / год * 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
τ пр = 7,86 / 0,937 = 8,388 ч.
Вибираємо розрахунковий час захисної дії τ пр = 6 ч. з урахуванням запасу часу.
2) Орієнтовна кількість азоту для регенерації блоку адсорберов:
V рег = 1,2 * G H 2 O / x рег
G H 2 O - кількість вологи, поглиненої адсорбентом до моменту регенерації
G H 2 O = G ц а Н2О = 604,2 * 0,2 = 120,84 кг
τ рег - час регенерації, приймаємо
τ рег = 0,5 τ пр = 3 ч.
х '- вологовміст азоту при Т ср.вих і Р = 10 5 Па:
Т ср.вих = (Т вих.1 + Т вих.2) / 2 = (275 + 623) / 2 = 449 До
х = 240 г / м 3
V рег = 1,2 * 120,84 / 0,24 * 3 = 201,4 м 3 / год
Перевіряємо кількість регенеруючого газу по тепловому балансу:
V рег * ρ N 2 * C pN 2 * (Т вх + Т вих. Ср) * τ рег = ΣQ
ΣQ = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5
Q 1 - кількість тепла, витрачений на нагрівання металу;
Q 2 - кількість тепла, витрачений на нагрівання адсорбенту,
Q 3 - кількість тепла, необхідне для десорбції вологи, поглиненої адсорбентом;
Q 4 - кількість тепла, необхідну для нагріву ізоляції;
Q 5 - втрати тепла в навколишнє середовище.
Q 1 = G м С м (Т сер '- T поч')
G м - вага двох балонів з комунікаціями;
З м - теплоємність металу, С м = 0,503 кДж / КГК
T поч '- температура металу на початку регенерації, T поч' = 280 К
Т сер '- середня температура металу в кінці процесу регенерації,
Т сер '=вх' + Т вих ') / 2 = (673 + 623) / 2 = 648 До
Т вх '- температура азоту на вході в блок очищення, Т вх' = 673 К;
Т вих '- температура азоту на виході з блоку очищення, Т вх' = 623 К;
Для визначення ваги блоки очищення визначаємо масу одного балона, який має такі геометричні розміри:
наружний діаметр ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... D н = 510 мм,
внутрішній діаметр ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. D вн = 460 мм,
висота загальна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. Н = 1500 мм,
висота циліндричної частини ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. Н ц = 1245 мм.
Тоді вага циліндричної частини балона
G M '= (D н 2 - D вн 2) Н ц * γ м * π / 4 = (0,51 2 - 0,46 2) * 1,245 * 7,85 * 10 3 * 3,14 / 4 = 372,1 кг,
де γ м - питома вага металу, γ м = 7,85 * 10 3 кг / м 3.
Вага напівсферичного днища
G M''= [(D н 3 / 2) - (D вн 3 / 2)] * γ м * 4π / 6 = [(0,51 3 / 2) - (0,46 3 / 2)] * 7,85 * 10 3 * 4 * 3,14 / 6 = 7,2 кг
Вага балона:
G M '+ G M''= 382 + 7,2 = 389,2 кг
Вага кришки з комунікаціями приймаємо 20% від ваги балону:
G M'''= 389,2 * 0,2 = 77,84 кг
Вага чотирьох балонів з комунікацією:
G M = 4 (G M '+ G M''+ G M''') = 4 * (382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг.
Тоді:
Q 1 = 1868 * 0,503 * (648 - 275) = 3,51 * 10 5 кДж
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання адсорбенту:
Q 2 = G ц З ц (Т сер '- T поч') = 604,6 * 0,21 * (648 - 275) = 47358 кДж
Кількість тепла, що витрачається на десорбцію вологи:
Q 3 = G H 2 O C pкип - Т поч ') + G H 2 O * ε = 120,84 * 1 * (373 - 275) + 120,84 * 2258,2 = 2,8 * 10 5 кДж
ε - теплота десорбції, рівна теплоті пароутворення води; С р - теплоємність води.
Кількість тепла, що витрачається на нагрез ізоляції:
Q 4 = 0,2 V з γ з С зз - Т поч) = 0,2 * 8,919 * 100 * 1,886 * (523 - 275) = 8,3 * 10 4 кДж
V з = V б - 4V бал = 1,92 * 2,1 * 2,22 - 4 * 0,20785 * 0,51 2 * 0,15 = 8,919 м 3 - обсяг ізоляції.
γ з - об'ємна вага шлакової вати, γ з = 100 кг / м 3
З з - середня теплоємність шлакової вати, С з = 1,886 кДж / КГК
Втрати тепла в навколишнє середовище складають 20% від ΣQ = Q 1 + Q 2 + Q 4:
Q 5 = 0,2 * (3,51 * 10 5 + 47 358 + 8,3 * 10 4) = 9.63 * 10 4 кДж
Визначаємо кількість регенеруючого газу:
V рег = (Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5) / ρ N 2 * C pN 2 * (Т вх + Т вих. Ср) * τ рег =
= (3,51 * 10 5 + 47 358 + 2,8 * 10 5 + 8,3 * 10 4 + 9,63 * 10 4) / (1,251 * 1,048 * (673 - 463) * 3) = 1038 нм 3 / год
Перевіряємо швидкість регенеруючого газу, віднесену до 293 К:
ω рег = 4 V рег * 293/600 π * * D a 2 * n * T поч = 4 * 1038 * 293/600 * 3,14 * 0,46 2 * 2 * 275 = 5,546 м / с
n - кількість одночасно регенерованого адсорберов, n = 2
Визначаємо гідравлічний опір шару адсорбенту при регенерації.
ΔР = 2fρLω 2 / 9,8 d е. х 2
де ΔР - втрати тиску, Па;
f - коефіцієнт опору;
ρ - щільність газу, кг / м 3;
L - довжина шару сорбенту, м;
d е - еквівалентний діаметр каналів між зернами, м;
ω - швидкість газу по всьому перетину адсорбера в робочих умовах, м / с;
א - пористість шару адсорбенту, א = 0,35 м 2 / м 3.
Швидкість регенеруючого газу за робочих умов:
ω = 4 * V рег * Т вих.ср. / 3600 * π * D a 2 * n * Т поч = 4 * 1038 * 463/3600 * 3,14 * 0,46 2 * 2 * 275 = 1,5 м / с
Еквівалентний діаметр каналів між зернами:
d е = 4 * א * d з / 6 * (1 - א) = 4 * 0,35 * 4 / 6 * (1 - 0,35) = 1,44 мм.
Для визначення коефіцієнта опору знаходимо чисельне значення критерію Рейнольдса:
Re = ω * d е * γ / א * μ * g = 1,5 * 0,00144 * 0,79 * 10 7 / 0,35 * 25 * 9,81 = 198,8
де μ - динамічна в'язкість, μ = 25 * 10 -7 Па * с;
γ - питома вага азоту за умов регенерації,
γ = γ 0 * Р * Т 0 / Р 0 * Т вих.ср = 1,251 * 1,1 * 273 / 1,033 * 463 = 0,79 кг / м 3
За графіком у роботі [6] за значенням критерію Рейнольдса визначаємо коефіцієнт опору f = 2,2
Тоді:
ΔР = 2 * 2,2 * 0,79 * 1,3 * 1,5 2 / 9,81 * 0,00144 * 0,35 2 = 587,5 Па
Визначаємо потужність електропідігрівачі:
N = 1,3 * V рег * ρ * З р * (Т вх - Т поч) / 860 = 1,3 * 1038 * 1,251 * 0,25 (673 - 293) / 860 = 70,3 кВт
де С р = 0,25 ккал / кг * К
7. Визначення загальних енергетичних витрат установки
l = [Vρ в RT oc ln (P k / P n)] / η з К ж * 3600 = 1711 * 0,287 * 296,6 * ln (4,5 / 0,1) / 0,6 * 320 * 3600 = 0,802 кВт
де V - повна кількість перероблюваної повітря, V = 2207,5 кг / ч = 1711 м 3 / год
ρ в - щільність повітря при нормальних умовах, ρ в = 1,29 кг / м 3
R - газова стала для повітря, R = 0,287 кДж / КГК
η з - ізотермічний ККД, η з = 0,6
До ж - кількість одержуваного кисню, К = 320 м 3 / год
Тос - температура навколишнього середовища, приймається рівною середньо - річний температурі в місті Владивостоці, Тос = 23,6 0 С = 296,6 К
8. Розрахунок процесу ректифікації.
Розрахунок процесу ректифікації виробляємо на ЕОМ (див. роздруківки 4 і 5).
Спочатку проводимо розрахунок нижньої колони. Вихідні дані вводимо у вигляді масиву. Сьома
рядок масиву несе в собі інформацію про вхідні в колону потоці повітря: приймаємо, що в нижню частину нижньої колони ми вводимо рідке повітря.
1 - фазовий стан потоку, рідина;
0,81 - ефективність циклу. Оскільки в установці для зрідження використовується цикл Гейландта (х = 0,19), то ефективність установки дорівнює 1 - х = 0,81.
0,7812 - вміст азоту в повітрі;
0,0093 - вміст аргону в повітрі;
0,2095 - вміст кисню в повітрі.
Навантаження конденсатора підбираємо таким чином, щоб навантаження випарника прагнула до нуля.
8. Розрахунок конденсатора - випарника.
Розрахунок конденсатора - випарника також проводимо на ЕОМ за допомогою програми, розробленої Є. І. Борзенко.
У результаті розрахунку отримано такі дані (дивися роздруківку 6):
Коефіцієнт телоотдачі у випарнику ... ... .... ... ... .... ALFA1 = 1130,7 кДж / КГК
Коефіцієнт телоотдачі в конденсаторі ... ... ... ... ... ALFA2 = 2135,2 кДж / КГК
Площа теплопередающей поверхні ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... F1 = 63,5 м 3
Тиск у верхній колоні ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... Р1 = 0,17 МПа.
10. Підбір обладнання.
1. Вибір компресора.
Вибираємо 2 компресори 605ВП16/70.
Продуктивність одного компресора ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 16 ± 5% м 3 / хв
Тиск всмоктування ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .0,1 МПа
Тиск нагнітання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 7 МПа
Споживана потужність ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .192 кВт
Встановлена ​​потужність електродвигуна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 200 кВт
2. Вибір детандера.
Вибираємо ДТ - 0,3 / 4.
Характеристики детандера:

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
250.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Робота c трубками на полум`ї газових пальників
Ремонтно-ізоляційні роботи на газових свердловинах
Хроматографічне розділення вуглеводів
Безпечна експлуатація газових проточних водонагрівачів на промпідприємствах
Буріння нафтових і газових свердловин Опис змісту
Виробництво асфальтобетонних сумішей
Види бетонних сумішей
Методи буферних сумішей
Методи розділення пластин і підкладок
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru