Расчет воздухоразделительной установки для получения газообразного кислорода

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО СПбНИУ ИТМО

Институт холода и биотехнологий

_____________________________________

Кафедра криогенной техники

Курсовой проект

«Расчёт воздухоразделительной установки для получения газообразного кислорода»

Выполнил: студент 441 гр.

Кузнецов В.А.

Проверил: Холодковский С.В. 

Санкт-Петербург 2012 год

Оглавление:

1. Задание по курсовому проекту .............................................................. 3

2. Введение............................................................................................................. 3

3. Описание установки................................................................................. ….3

4. Расчет на ПК узла ректификации..................................................... 8

5. Расчет параметров установки........................................................... 9

6. Расчет материальных потоков............................................................... 14

7. Расчёт трёхпоточного теплообменника..............................................15

9. Расчёт переохладителя............................................................................. 33

10. Расчет адсорбционного блока комплексной осушки и очистки воздуха.............................................................................................  38

11. Определение удельного расхода энергии.........................................  44

12. Подбор оборудования..................................................................................... 50

13. Список использованной литературы.....................................................  52

14. Приложение 1....................................................................................................... 53

15. Приложения 2....................................................................................................... 53

Задание по курсовому проекту

Произвести расчет воздухоразделительной установки, предназначенной для  получения газообразного кислорода, производительностью – 400м³/час, чистотой 99,3% .Установка предназначена для работы в Архангельске.

Исходные данные:

V_к=400м³/час

Х_к= 99,3% N₂

Введение:

В основном для производства газообразного технического кислорода производительностью до V_к =150…1600 м³/час разрабатываются установки среднего давления.

Так как с ростом производительности  установок удельные холодопотери через теплоизоляцию блока разделения  q3 уменьшаются. Это обстоятельство  позволяет существенно снизить рабочее давление воздуха Р2  в цикле. Так как при увеличении производительности установок величина удельного расхода электроэнергии на 1м³ производимого кислорода является основным фактором, то при проектировании установок их схему усложняют, добиваясь снижения этого показателя. С этой целью в схему вводят детандер и другие решения.

На рис.1 изображена принципиальная схема установки среднего давления, являющаяся типовой для всех установок подобного класса.                                      

Описание установки

Данная установка (рис.1.) предназначена для получения технического кислорода. Установка работает по схеме среднего давления с турбодетандером.

Сжатие атмосферного воздуха до 4,0…5 МПа обеспечивается поршневым компрессором 2. Холодопроизводительность в установке создается за счет дроссель - эффекта.

Современные установки среднего давления оснащаются турбодетандерами, благодаря чему резко снижается попадание  масла в блок разделения. Турбодетандеры легче регулируются и надежнее поршневых. Всё это делает установку более взрывобезопасной и надежной в работе.

Осушка и очистка воздуха от углекислого газа и ацетилена осуществляется в блоке очистки 4 при помощи цеолита NaX.

Теплообмен между воздухом и продуктами разделения осуществляется в витых гладкотрубных теплообменниках 3 и 5.

Воздух выходит из детандера 6 в состоянии сухого насыщенного пара и поступает в нижнюю колонну 7, в которой происходит предварительное разделение воздуха на азот – поток D и кубовую жидкость – поток R. Необходимая для орошения верхней колонны азотная флегма образуется в трубках конденсатора-испарителя 8 за счет конденсации паров азота при кипении кислорода в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя 8. В верхней колонне 9, куда подаются потоки R и D, происходит окончательное разделение кубовой жидкости на азот и кислород.

В установке происходит переохлаждение потоков азотной флегмы и кубовой жидкости отбросным азотом в переохладителе 11, снижающее их самоиспарение при дросселировании. Жидкий кислород переохлаждается в аппарате 10, для чего поток R дросселируется перед переохладителем. Затем он сжимается в насосе 12 до давления 10 МПа и выводится из блока разделения.

Продукты разделения окончательно нагреваются в теплообменнике 5 и 3. Азот выбрасывается в атмосферу, либо используется частично для регенерации блока осушки и очистки 4.

Продукционный кислород выводится из Криогенной установки при давлении Рк=15МПа и закачивается в баллоны рампы 13 с помощью насоса 12. Мощность, развиваемая детандером, передается на масляный тормоз, превращаясь в тепло трения, идущее на нагрев масла.

Рис. 1. Схема установки среднего давления для одновременного получения чистых азота и кислорода.

1 – воздухозаборник; 2 – компрессор; 3,5 – теплообменники; 4 –блок осушки и очистки воздуха; детандер;6 - детандер; 7 – нижняя колонна; 8 – конденсатор-испаритель; 9 – верхняя колонна; 10, 11 – переохладители; 12 – насос жидкого кислорода. 

Расчет на ПК узла ректификации

Расчет ректификации на ЭВМ выполняется в программе, разработанной на языке FORTRAN, и позволяет производить термодинамический и технологический расчеты ректификационных колонн. Она представляет собой структурированный файл, состоящий из нескольких программ типа SUBROUTINE. Программа разработана на кафедре криогенной техники, находится в студенческом архиве  и имеет имя KOLONNA. Структура головного сегмента приводится ниже:

// JECSURJOB 319-01, CYPIHA, 3-81, PROEC1, MS6LEVEL-1, CLASS-C    //EXECFORTGCLG      // FОRТ. SYSPRINT DO SYSOUT=J

                       COMMON/IS/IS, IS1

                       REAL*8 IS (82), IS1 (36)                        NAMELIST/LIST1/IS/LIST2/IS1                        READ (5, LIST1)

                       IF (IS (82)) 1, 2, 1                    1  READ (5, LIST2)                    2  CALL PROEC1                        STOP 5                        END

При расчете процесса ректификации воздух рассматривается   как смесь трех компонентов N₂ - Аr–О₂.

При проведении этого расчета используются принятые концентрации продуктов разделения воздуха и концентрации промежуточных продуктов разделения - кубовой жидкости и азотной флегмы. Методика расчета процесса ректификации позволяет рассматривать воздух как смесь трех компонентов и дает возможность проводить определение не только числа теоретических тарелок, но и действительных.

При расчете колонн простой структуры «лишние» потоки обнуляются. Для расчета нижней колонны задаются количество вещества в потоке питания В, его состав и энергетическое состояние, тепловая нагрузка на конденсатор (Q=4000-5000 Дж/моль), давление колонны. Конечными продуктами разделения являются азотная флегма D и кубовая жидкость R, которые являются потоками питания для расчета верхней колонны. Продуктами разделения верхней колонны являются потоки газообразного азота А и жидкого кислорода К.

Основу расчета составляет определение средних коэффициентов эффективности каждой тарелки, которые зависят от гидродинамических, конструктивных и термодинамических показателей.

Коэффициенты эффективности рассчитываются по схеме:

.

где z – число ветвей потоков на тарелке,

g_z – относительный расход жидкости на ветвях потока (Σ g_z=1),

φ_z – относительная скорость пара на ветвях потока,

s_z – число секций полного перемешивания в ветвях поток

При расчете расстояние между тарелками l, должно быть таким, чтобы верхняя граница слоя пены не доходила до вышележащей тарелки  ()

Для определения материальных потоков и нагрузки на конденсатор-испаритель производится термодинамический расчет (приложение 1).

Полученные результаты:

А= 0. 8221287       моль/моль - азот;     

К= 0. 1778599       моль/моль - кислород;

R= 0. 5844828       моль/моль - кубовая жидкость;

D= 0. 4155172       моль/моль - азотная флегма.

Тепловая нагрузка на конденсатор составила Q=4250 кДж/кмоль.

Для определения геометрических, термодинамических и  гидродинамических параметров ректификационных колонн производится технологический расчет (приложение 2).

Из результатов расчета видно, что коэффициент эффективности тарелки находится в пределах 0.6-1.0, расстояние между тарелками соответствует рекомендуемому расстоянию между тарелками для колонн определенного диаметра [10].

При сопоставлении полученных результатов с данными из литературы можно сделать вывод о том, что процесс ректификации выполнен правильно

Расчет параметров установки.

Баланс установки:

Bρ_в·∆i_т +G_д·ρ_в·h_o·η_ад = Bq₃ + Aρ_а·Cр_а ·∆T_а + Kρ_к·∆T_к + Kρ_к (ℓ_н + q_тр^н + ∆i_нед) + Bρ_в(i_4в-i_3в), где  ρ_а, ρ_в, ρ_к, – плотности азота, воздуха и кислорода при нормальных условиях соответственно.                                                                                          ρ_а =1,25 кг/м³;

ρ_в = 1.29 кг/м³;                                                                                                                        ρ_к = 1.43 кг/м³.                                                                                                             Т_о.с. =291,6 К – температура окружающей среды. Выбирается  в зависимости от области заданной в задании (Архангельск).                                                Принимаю разность температур воздуха и азота на тёплом конце равной

∆T_а = 10 К.                                                                 

Тогда температура азота равна T_а = Т_о.с. – ∆T_а                                                                                  T_а = 291,6 –10 = 281,6 К.                                                                                                              С_ра (0,1 МПа; 291,6 К) = 1,041 кДж/(кг·К) – теплоёмкость азота