Расчет и проектирование криогенной установки получения жидкого азота, страница 13

1) Скорость очищаемого воздуха, при условиях адсорбции:

ω===52.73 м/ч=0.0146 м/с, где n – количество одновременно работающих адсорберов;  – расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции.

===20.62 м³/ч=0.0057 м³/с;

2) Масса дегидрированного цеолита, находящегося в 3-х параллельно работающих адсорберах:

G_ц===1080 кг;

3) Определим количество СО₂, поступающего в единицу времени в каждый адсорбер:

=V·C₀=4074·0.0003=1.22 м³/ч=3.39·10^-4 м³/с;

4)Определим количество СО₂, которое способен поглотить цеолит:

=G_ц·а_ц=1080·0.015=16.2 м³;

5) Время защитного действия адсорбента, находящегося в трех адсорберах, составит:

τ_пр===16.9 ч.

2. Рассчитаем процесс регенерации блока адсорберов. Температура азота на входе в электроподогреватель Т_нач=293 К. Температура азота на входе в блок адсорберов, изготовленных из углеродистой стали, Т_вх=653 К. Изоляцией блока адсорберов служит шлаковая вата.

1) Рассчитаем количество регенерирующего газа по тепловому балансу:

V_pρ_N2c_pN2(T_вх-Т_вых.ср)τ_p=, где =Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅; Q₁ – количество теплоты, израсходованной на нагревание металла; Q₂ – количество тепла, затраченной на нагревание адсорбента; Q₃ – количество теплоты, необходимое для десорбции влаги, поглощенной адсорбентом; Q₄ – количество теплоты, необходимое для нагрева изоляции; Q₅ – потери теплоты в окружающую среду.

Т_вых.ср=(Т_вых1+Т_вых2)/2=(293+573)/2=433 К, где Т_вых1 – температура азота на выходе из блока адсорберов в начале процесса регенерации, Т_вых2 – температура азота на выходе из блока адсорберов в конце процесса регенерации, принятая равной 573 К;

2) Количество теплоты, необходимое для нагревания металла:

Q₁=G_мс_м(Т^’_ср- Т^’_нач), где G_м – масса 3-х баллонов с коммуникациями, с_м=0.544 кДж/кг·К – теплоемкость металла при средней температуре 433 К, Т^’_ср – средняя температура металла в конце регенерации:

Т^’_ср===613 К.

3) Определим вес цилиндрической части одного баллона:

=π()Н_цρ_м/4=0.785(0.465²-0.405²)3.14·7850=1010 кг;

где ρ_м=7850 кг/м³ – плотность металла.

4) Вес полуцилиндрического днища:

=ρ_м=0.667·3.14·7850=70 кг;

5) Вес баллона =1010+70=1080 кг,

6) Вес крышки с коммуникациями примем равным 15% от массы:

=0.15(1010+70)=162 кг,

7) Масса трех баллонов с коммуникациями составит:

G_м=3()=3(1010+70+162)=3726 кг;

8) Общая масса блока:

= 2G_м+2G_ц+G_из+G_к, где G_из=V_изρ_из=(V_k-V_б^’)ρ_из, а V_б^’ – объем 6-ти баллонов вместе с коммуникациями и внутри блочными частями арматуры, составляющими примерно 30% от объема всех баллонов,

V_б^’=6 V_б·1.3=6Н_б·1.3=6·0.785·0.465²·3.79·1.3=5.018 м²;

G_из=(2.5·1.87·5.4-5.018)300=6068 кг;

=2·3726+2·1080+6068+2400=18080 кг;

9) Количество теплоты, необходимое для нагревания металла, составит:

Q₁=3726·0.544(613-277)=681053 кДж.

10) Количество теплоты, необходимое для нагревания адсорбента:

Q₂=G_цс_ц(Т^’_ср-Т^’_нач)=1080·0.88(613-277)=319300 кДж, где с_ц=0.88 – теплоемкость цеолита;

11) Количество адсорбента, затрачиваемого на нагревание адсорбента:

Q₃=G_водс_р(Т_кип-Т^’_нач)+G_водξ, где G_вод – количество влаги, поглощенной адсорбентом к моменту регенерации; G_вод=G_ца_вод, а_вод=0.20 – полная емкость цеолита по парам воды, тогда G_вод=1080·0.2=216 кг; ξ=2478 кДж/кг·К – теплота десорбции, принятая равной теплоте парообразования; с_р=4.19 кДж/кг·К – теплоемкость воды;

Q₃=216·4.19·(373-277)+216·2478=622131.2 кДж;

12) Количество теплоты, затрачиваемой на нагревание изоляции, определим  с учетом того, что коэффициент теплопроводности шлаковой ваты очень низок, поэтому примем, что только 20% веса изоляции нагревается от начальной температуры до средней температуры изоляции:

===453 К, где  – температура металла в конце регенерации, тогда

Q₄=0.2·0.5V_изρ_изс_{р из}(-Т_нач)=0.2·0.5·20·300·1.7·(453-277)=179520 кДж;