Реферат: Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода

Санкт-Петербургскийгосударственный Университет

низкотемпературных и пищевыхтехнологий.

Кафедра криогенной техники.

Курсовой проект

по 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.

Выбор типа установки и егообоснование……………………………………3

2.

Краткое описаниеустановки…………………………………………………..3

3.

Общие энергетические иматериальные балансы……………………….……4

4.

Расчёт узловых точекустановки…………………………….…………………4

5.

Расчёт основноготеплообменника…………………………….………………7

6.

Расчёт блокаочистки……………………………………………….…………..17

7.

Определение общихэнергетических затрат установки…………………..…..20

8.

Расчёт процессаректификации…………………………………….…………..20

9.

Расчёт конденсатора –испарителя…………………………………………….20

10.

Подбороборудования…………………………………………………..………21

11.

Списоклитературы……………………………………………..………………22

Заданиена расчёт.

Рассчитать и спроектировать установку для получениягазообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч, расположенную в городеВладивостоке.

1.

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:

в)Баланс переохладителя кислорода.

КCpK ΔT1К – 2К= RCpRΔT2R – 3R

Принимаем ΔT1К– 2К = 10 К

ΔT2R – 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:

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:

№

1В

2В

3В

4В

5В

6В

7В

i, кДж/

кг

553,7

563,8

516,8

522,3

319,2

419,1

367,5

1350

1131,2

1243

Р, МПа

0,1

4,5

0,65

4,5

0,65

Т, К

300

310

275

280

138

188

125

76,4

№

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

0,13

0,12

0,13

Т, К

248,4

295

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.

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

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

<img src="/cache/referats/19197/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1026">
Строим температурныекривые:

ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)

№

ΔТср

1/ΔТср

0,012

0,0128

0,0127

0,013

0,0139

0,0137

0,0139

0,0145

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

ΔТсринт = n/Σ(1/ΔТср)

№

ΔТср

1/ΔТср

0,03125

0,0294

0,025

0,0244

0,0238

0,0222

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

еще рефераты

Еще работы по технологии. физике

Реферат по технологии. физике

Производство электроэнергии на гидростанциях

29 Августа 2013

Реферат по технологии. физике

Солнечная энергетика

29 Августа 2013

Реферат по технологии. физике

Дросселирование пара

29 Августа 2013

Реферат по технологии. физике

Дросселирование газов

29 Августа 2013