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
МV?i1B – 2B + Vдетhад?адМ = МVq3 + Мк K?i2K – 3K + V?i3В – 4В М
М – молярная масса воздуха.
Мк – молярная масса кислорода.
Принимаем V = 1 моль
К + А = 1
К = 1 – А
0,79 = 0,005(1 – А) + 0,97А
А = 0,813
К = 1 – 0,813 = 0,187
Определяем теоретическую производительнсть компрессора.
(1/0,187) = х/320 => х = 320/0,187 = 1711 м3/ч = 2207,5 кг/ч
4. Расчёт узловых точек установки
Принимаем:
Давление воздуха на входе в компрессор………………………. [pic]
Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 4,5 МПА
Температура воздуха на входе в компрессор…..………………...[pic]
Температура воздуха на выходе из компрессора…….…………..[pic]
Температура воздуха на выходе из теплообменника – ожижителя…..[pic]
Температура воздуха на выходе из блока очистки…………………[pic]
Давление в верхней колонне…………………………………….. [pic]
Давление в нижней колонне………………………………………[pic]
Концентрация азота в кубовой жидкости ………………………..[pic]
Концентрация азота в азотной флегме…………………………… [pic]
Температурный перепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении
через переохладитель…………..……………………………..[pic]
Температура кубовой жидкости…………………………………….[pic]
Температура азотной флегмы………………………………………[pic]
Температура отходящего азота…………………………………….[pic]
Температура жидкого кислорода…………………………………..[pic]
Разность температур на тёплом конце теплообменника –
ожижителя………………………………………..…………….[pic]
Температура азота на выходе из установки………………….[pic]
Температурный перепад кислорода …………………………?Т1К – 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем: [pic]
Составляем балансы теплообменных аппаратов:
а) Баланс теплообменника – ожижителя.
КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
б) Балансы переохладителя:
[pic]
[pic]
[pic]находим из номограммы [pic]для смеси азот – кислород.
в) Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ?T1К – 2К = RCpR ?T2R – 3R
Принимаем ?T1К – 2К = 10 К
?T2R – 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R = Т2R + ?T2R – 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К
i3R = 998,2
г) Баланс основного теплообменнка.
Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник
на 2 трёхпоточных теплообменника:
[pic]
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?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
Vдет = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч
Составляем балансы этих теплообменников:
I VCpV?T4B – 6B = KCpK?T3K’ – 4K + ACpA?T2A’ – 3A
II (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K – 3K’ + ACpA?T2A’ – 2A
Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3
уравнений.
III КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
Вычтем уравнение II из уравнения I:
VCpV?T4B – 6B - (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K’ – 4K - KCpK?T3K – 3K’ +
ACpA?T2A’ – 3A - ACpA?T2A’ – 2A
Получаем систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B – T5B) = KCpK(T4K – T3K) + ACpA?T3A
– 2A
II КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
I 1*1,012(280 – 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 – 138) = 0,128*1,831(T4K –
88) +0,872*1,048(T3А–85)
II 1*1,012*(310 – 275) = 0,128*1,093(295 - T4K) + 0,872*1,041(295 – T3А)
T4K = 248,4 К
T3А = 197,7 К
Для удобства расчёта полученные данные по давлениям, температурам и
энтальпиям в узловых точках сведём в таблицу:
|№ |1В |2В |3В |4В |5В |5 |6В |7В |1R |2R |3R |
|i, |553,7|563,8|516,8|522,3|319,2|319,2|419,1|367,5|1350 |1131,|1243|
|кДж/ | | | | | | | | | |2 | |
|кг | | | | | | | | | | | |
|Р, |0,1 |4,5 |4,5 |4,5 |4,5 |0,65 |4,5 |4,5 |0,65 |0,65 |0,65|
|МПа | | | | | | | | | | | |
|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, |1015 |2465 |354,3|349,9|352,8|467,9|519,5|328,3|333,5|454,6|553,|
|кДж/ | | | | | | | | | | | |
|кг | | | | | | | | | | | |
|Р, |0,65 |0,65 |0,13 |0,12 |10 |10 |10 |0,13 |0,13 |0,13 |0,13|
|МПа | | | | | | | | | | | |
|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.
[pic]
Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?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
Vдет = 0,2V = 0,2* = 342,2 м3/ч
Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:
I VA (i4B – i1) + Vq3 = A(i3A – i3)
II VK (i4B – i2) + Vq3 = K(i4K – i4)
III (VA – Vда)(i1 – i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
IV (VК – Vдк)(i2 – i5B) + Vq3 = К(i4 – i2К)
Здесь VA + VК = V , Vда + Vдк = Vд
Параметры в точках i1 и i2 будут теми же, что в точке 6В
Температуру в точке 5В задаём:
Т5В = 138 К
Р5В = 4,5 МПа
i5В = 319,22 кДж/кг = 9257,38 кДж/кмоль
Принимаем VA = А = 0,813, VК = К = 0,187, Vдк = Vда = 0,1, q3 = 1 кДж/кг
для всех аппаратов.
Тогда из уравнения I
VA (i4B – i6В) + Vq3 = A(i3A – i3)
0,813(522,32 – 419,1) + 1 = 0,813(454,6 – i3)
i3 = (394,6 – 112,5)/0,813 = 324,7 кДж/кг
Т3 = 140 К
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,872 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i3 – 333,5)
59,1 = 0,872i3 – 290,8
i3 = (290,8 + 59,1)/0,872 = 401,3 кДж/кг
Уменьшим VА до 0,54:
0,54(522,32 – 419,1) + 1 = 0,872(454,6 – i3)
i3 = (394,6 – 70,023)/0,872 = 372,2 кДж/кг
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,54 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i3 – 333,5)
i3 = (290,8 + 34,123)/0,872 = 372,6 кДж/кг
