Реферат: Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода
Санкт-Петербургскийгосударственный Университет
низкотемпературных и пищевыхтехнологий.
Кафедра криогенной техники.
Курсовой проектпо дисциплине «Установкиожижения и разделения газовых смесей»
Расчёт и проектированиеустановки
для получения жидкогокислорода.
Работу выполнил
студент 452 группы
Денисов Сергей.
Работу принял
ПахомовО. В.
Санкт – Петербург2003 год.
Оглавление.
Заданиена расчёт…………………………………………………………………..3
1.<span Times New Roman"">
Выбор типа установки и егообоснование……………………………………32.<span Times New Roman"">
Краткое описаниеустановки…………………………………………………..33.<span Times New Roman"">
Общие энергетические иматериальные балансы……………………….……44.<span Times New Roman"">
Расчёт узловых точекустановки…………………………….…………………45.<span Times New Roman"">
Расчёт основноготеплообменника…………………………….………………76.<span Times New Roman"">
Расчёт блокаочистки……………………………………………….…………..177.<span Times New Roman"">
Определение общихэнергетических затрат установки…………………..…..208.<span Times New Roman"">
Расчёт процессаректификации…………………………………….…………..209.<span Times New Roman"">
Расчёт конденсатора –испарителя…………………………………………….2010.<span Times New Roman"">
Подбороборудования…………………………………………………..………2111.<span Times New Roman"">
Списоклитературы……………………………………………..………………22Заданиена расчёт.
Рассчитать и спроектировать установку для получениягазообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч, расположенную в городеВладивостоке.
1.<span Times New Roman"">
Выбор типа установки и егообоснование.В качестве прототипа выбираем установку К – 0,4, т. к.установка предназначена для получения жидкого и газообразного кислородачистотой 99,5 %, а также жидкого азота.Также установка имеет относительно несложную схему.
2. Краткое описание работы установки.
Воздухиз окружающей среды, имеющий параметры Т = 300 К и Р = 0,1 МПа, поступает вкомпрессорную станцию в точке 1. В компрессоре он сжимается до давления 4,5 МПаи охлаждается в водяной ванне до температуры 310 К. Повышение температурыобусловлено потерями от несовершенства системы охлаждения. После сжатия вкомпрессоре воздух направляется в теплообменник – ожижитель, где охлаждается дотемпературы 275 К, в результате чего большая часть содержащейся в ней влагиконденсируется и поступает в отделитель жидкости, откуда выводится в окружающуюсреду. После теплообменника – ожижителя сжатый воздух поступает в блоккомплексной очистки и осушки, где происходит его окончательная очистка отсодержащихся в нём влаги и СО2. В результате прохождения через блокочистки воздух нагревается до температуры 280 К. После этого поток сжатоговоздуха направляется в основной теплообменник, где охлаждается до температурыначала дросселирования, затем дросселируется до давления Р = 0,65 МПа. Восновном теплообменнике поток разделяется. Часть его выводится из аппарата ипоступает в детандер, где расширяется до давления Р = 0,65 МПа и поступает внижнюю часть нижней колонны.Поток из дросселя поступает в середину нижнейколонны. Начинается процесс ректификации. Кубовая жидкость (поток R,содержание N2равно 68%) из низа нижней колонны поступает впереохладитель, где переохлаждается на 5 К, затем дросселируется до давления0,13 МПа и поступает в середину верхней колонны. Азотная флегма (поток D,концентрация N2равна 97%) забирается из верхней части нижнейколонны, пропускается через переохладитель, где также охлаждается на 5К, затемдросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в верхнюю часть верхнейколонны. В верхней колонне происходит окончательная ректификация, внизу верхнейколонны собирается жидкий кислород, откуда он направляется в переохладитель,где переохлаждается на 8 – 10 К. Далее поток кислорода направляется вжидкостной насос, где его давление поднимается до 10 МПа, и обратным потокомнаправляется в основной теплообменник. Затем он направляется в теплообменник –ожижитель, откуда выходит к потребителю с температурой 295 К. Азот из верхнейчасти колонны последовательно проходит обратным потоком переохладитель азотнойфлегмы 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
МVΔi1B – 2B + VдетhадηадМ = МVq3 + Мк KΔi2K – 3K + VΔi3В – 4ВМ
М –молярная масса воздуха.
Мк– молярная масса кислорода.
ПринимаемV = 1моль
К +А = 1
К =1 – А
0,79= 0,005(1 – А) + 0,97А
А =0,813
К =1 – 0,813 = 0,187
Определяемтеоретическую производительнсть компрессора.
(1/0,187)= х/320 =>х = 320/0,187 = 1711 м3/ч = 2207,5 кг/ч
4.Расчёт узловых точек установки
Принимаем:
Давлениевоздуха на входе в компрессор………………………. <img src="/cache/referats/19197/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Давлениевоздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 4,5 МПА
Температуравоздуха на входе в компрессор…..………………...<img src="/cache/referats/19197/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">
Температуравоздуха на выходе из компрессора…….…………..<img src="/cache/referats/19197/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">
Температуравоздуха на выходе из теплообменника – ожижителя…..<img src="/cache/referats/19197/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">
Температуравоздуха на выходе из блока очистки…………………<img src="/cache/referats/19197/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">
Давлениев верхней колонне……………………………………… <img src="/cache/referats/19197/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">
Давлениев нижней колонне………………………………………<img src="/cache/referats/19197/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
Концентрацияазота в кубовой жидкости ………………………..<img src="/cache/referats/19197/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">
Концентрацияазота в азотной флегме…………………………… <img src="/cache/referats/19197/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">
Температурныйперепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении
черезпереохладитель…………..……………………………..<img src="/cache/referats/19197/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">
Температуракубовой жидкости…………………………………….<img src="/cache/referats/19197/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035">
Температура азотной флегмы………………………………………<img src="/cache/referats/19197/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">
Температураотходящего азота…………………………………….<img src="/cache/referats/19197/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">
Температуражидкого кислорода…………………………………..<img src="/cache/referats/19197/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038">
Разностьтемператур на тёплом конце теплообменника – ожижителя………………………………………..…………….<img src="/cache/referats/19197/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">
Температураазота на выходе из установки………………….<img src="/cache/referats/19197/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040">
Температурныйперепад кислорода …………………………ΔТ1К– 2К = 10 К
Наначальной стадии расчёта принимаем: <img src="/cache/referats/19197/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1041">
Составляембалансы теплообменных аппаратов:
а)Баланс теплообменника – ожижителя.
КСркΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А– 4А = VCpvΔT2В – 3В
б)Балансы переохладителя:
<img src="/cache/referats/19197/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1042">
<img src="/cache/referats/19197/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1043">
<img src="/cache/referats/19197/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/19197/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1045">
в)Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ΔT1К – 2К= RCpRΔT2R – 3R
Принимаем ΔT1К– 2К = 10 КΔT2R – 3R =0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R= Т2R+ ΔT2R– 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К
i3R = 998,2
г)Баланс основного теплообменнка.
Дляопределения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2трёхпоточных теплообменника:
<img src="/cache/referats/19197/image044.jpg" v:shapes="_x0000_i1046">
Истинноезначение Vдетвычислим из баланса установки:
Vдет= [VMq3 +KMkΔi2K – 3K + VMΔi4B – 3B –VMΔi1B – 2B]/Mhадηад = [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
Составляембалансы этих теплообменников:
I VCpVΔT4B– 6B = KCpKΔT3K’ – 4K + ACpAΔT2A’– 3A
II (V – Vд)CpVΔT6B-5B= KCpKΔT3K – 3K’ + ACpAΔT2A’ –2A
Добавимк ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III КСр кΔТ4К– 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
Вычтемуравнение IIиз уравнения I:
VCpVΔT4B – 6B — (V –Vд)CpVΔT6B-5B = KCpKΔT3K’– 4K — KCpKΔT3K – 3K’ + ACpAΔT2A’– 3A — ACpAΔT2A’ – 2A
Получаемсистему из двух уравнений:
I VCpV (T4B -2T6B+ T5B ) + VдCpV(T6B – T5B)= KCpK(T4K – T3K) + ACpAΔT3A– 2A
II КСр кΔТ4К – 5К+ АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
I1*1,012(280 – 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 – 138)= 0,128*1,831(T4K – 88) +0,872*1,048(T3А–85)
II1*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:
№
1В2В
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, 2Dвзятыиз номограммы Т – i– P– x– yдля смеси азот – кислород.
2.Прочие значения энтальпий взяты из [2].
5.Расчёт основного теплообменника.
Ввидусложности конструкции теплообменного аппарата разобьём его на 4 двухпоточныхтеплообменника.
<img src="/cache/referats/19197/image046.jpg" v:shapes="_x0000_i1047">
Истинноезначение Vдетвычислим из баланса установки:
Vдет= [VMq3 +KMkΔi2K – 3K + VMΔi4B – 3B –VMΔi1B – 2B]/Mhадηад = [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
Составляембалансы 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)
ЗдесьVA + VК = V, Vда+ Vдк= Vд
Параметрыв 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 = 9257,38кДж/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 = 324,7кДж/кг
Т3 = 140 К
Проверяемполученное 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
УменьшимVАдо 0,54:
0,54(522,32– 419,1) + 1 = 0,872(454,6 – i3)
i3 = (394,6 – 70,023)/0,872 = 372,2кДж/кг
Проверяемполученное 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:
VK (i4B – i6В)+ Vq3 = K(i4K – 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 = 332кДж/кг
Т4 = 140 К
Рассчитываемсреднеинтегральную разность температур для каждого из четырёх теплообменников.
а)Материальный баланс теплообменника I:
VA (i4B – i1)+ Vq3 = A(i3A – i3)
Избаланса 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
Рассчитываемкоэффициенты В и D:
VA (i4B – i6В)+ Vq3 = A(i3A – i3)
VA ΔiB + Vq3 = AΔiA
ΔiB = A ΔiA/ VA — V q3/VA |ΔiA/ ΔiA
ΔiB = A ΔiA/ VA — Vq3* ΔiA/ ΔiA
В =A/VA = 0,872/0,54 = 1,645
D = V q3/VA ΔiA = 1*55,5/0,54*(197,7– 123) = 0,376
ΔiB = В ΔiA — DΔiA = С ΔiA = (1,635 – 0,376) ΔiA= 1,259 ΔiA
Составляем таблицу:
№
ТВ, К
iв, кДж/кг
ΔiВ
ТА, К
iА, кДж/кг
ΔiА
0 – 0
280
522,32
197,7
454,6
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
<img src="/cache/referats/19197/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1026">
Строим температурныекривые:
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
№
ΔТср
1/ΔТср
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/ΔТср)= 0,1339
ΔТср= 10/0,1339 = 54,7 К
б)Материальный баланс теплообменника II:
VK (i4B – i6В)+ Vq3 = K(i4K – i4)
Избаланса 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
Рассчитываемкоэффициенты В и D:
VК (i4B – i6В)+ Vq3 = K(i4K – i4)
VК ΔiB + Vq3 = КΔiК
ΔiB = К ΔiК/ VК — V q3/VК |ΔiК/ ΔiК
ΔiB = К ΔiК/ VК — Vq3* ΔiК/ ΔiК
В =К/VК = 0,128/0,56 = 0,029
D = V q3/VК ΔiК = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140)= -0,75
ΔiB = В ΔiК — DΔiК = С ΔiК = (0,029 + 0,75) ΔiК= 0,779 ΔiК
Составляем таблицу:
№
ТВ, К
iв, кДж/кг
ΔiВ
ТК, К
iК, кДж/кг
ΔiК
0 – 0
280
522,32
248,4
332
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
<img src="/cache/referats/19197/image050.gif" v:shapes="_x0000_s1027">
ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)
№
ΔТср
1/ΔТср
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/ΔТср)= 0,245
ΔТср= 10/0,245 = 40,3 К
в)Материальный баланс теплообменника III:
(VA – Vда)(i6В– i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
Избаланса 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
Рассчитываемкоэффициенты В и D:
(VA – Vда)(i6В– i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
(VА — Vда)ΔiB + Vq3 = А ΔiА
ΔiB = А ΔiА/ (VА — Vда) — Vq3/VА |ΔiА/ ΔiА
ΔiB = А ΔiА/ (VА — Vда) — Vq3* ΔiА/ ΔiА
В=А/(VА — Vда)= 0,813/0,44 = 1,982
D = V q3/(VА — Vда)ΔiА = 1*21,9/0,44*(372,6– 333,5) = 0,057
ΔiB = В ΔiА — DΔiА = С ΔiА = (1,982 – 0,057) ΔiА= 1,925 ΔiА
Составляем таблицу:
№
ТВ, К
iв, кДж/кг
ΔiВ
ТА, К
iА, кДж/кг
ΔiА
0 – 0
188
394,5
123
372,6
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
<td valign