Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода
Расчёт и проектирование установки для получения
жидкого кислорода
Курсовой проект по дисциплине «Установки ожижения и разделения
газовых смесей»
Работу выполнил студент 452 группы Денисов Сергей.
Санкт-Петербургский государственный Университет
низкотемпературных и пищевых технологий, Кафедра криогенной техники.
Санкт – Петербург 2003 год.
Задание
на расчёт.
Рассчитать
и спроектировать установку для получения газообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч,
расположенную в городе Владивостоке.
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
МVΔi1B
– 2B + VдетhадηадМ = МVq3 + Мк KΔi2K – 3K + VΔi3В – 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……………………….
Давление
воздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 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 …………………………ΔТ1К – 2К = 10 К
На
начальной стадии расчёта принимаем:
Составляем
балансы теплообменных аппаратов:
а)
Баланс теплообменника – ожижителя.
КСр
кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
б)
Балансы переохладителя:
находим из номограммы для смеси азот – кислород.
в)
Баланс переохладителя кислорода.
КCpK
ΔT1К – 2К = RCpR ΔT2R – 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.
Для
определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2
трёхпоточных теплообменника:
Истинное
значение Vдет вычислим 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
Составляем
балансы этих теплообменников:
I VCpVΔT4B – 6B = KCpKΔT3K’ – 4K + ACpAΔT2A’ – 3A
II (V – Vд )CpVΔT6B-5B = KCpKΔT3K – 3K’ + ACpAΔT2A’ – 2A
Добавим
к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III
КСр кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 3В
Вычтем
уравнение II из уравнения I:
VCpVΔT4B
– 6B - (V – Vд )CpVΔT6B-5B = KCpKΔT3K’ – 4K - KCpKΔT3K – 3K’ +
ACpAΔT2A’ – 3A - ACpAΔT2A’ – 2A
Получаем
систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B – T5B) = KCpK(T4K – T3K) +
ACpAΔT3A – 2A
II
КСр кΔТ4К – 5К + АСрАΔТ3А – 4А = VCpvΔT2В – 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:
№
Похожие работы на - Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода
|