Расчет и проектирование криогенной установки получения жидкого азота

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Курсовой проект

Расчет и проектирование

криогенной установки получения жидкого азота

Выполнил:

Студент группы 4ТФ

Герасичев Алексей

Проверил:

Холодковский С.В.

СПб 2011

Содержание:

1. Задание по курсовому проектированию…….3

2. Используемые обозначения……………………….4

3.Введение………………………………………………………5

4. Описание установки……………………………………5

5. Оптимизация детандерного потока…………..7

6. Расчет на ПК узла ректификации………………..18

7. Расчет параметров установки…………………….26

8. Расчет теплообменника………………………………28

9. Расчет теплообменника по программе………34

9. Расчет конденсатора испарителя……………….36

10.  Расчет переохладителя…………………………….38

11. Расчет адсорбционного блока комплексной осушки и очистки ……………………………………………39

12. Подбор оборудования……………………………….45

13. Список литературы…………………………………….46

Задание по курсовому проектированию:

Произвести расчет воздухоразделительной установки, предназначенной для получения жидкого азота, производительностью 1000 кг/ч, чистотой продукта 99.95%. Установка предназначена для работе в городе Тула.

G_a=1000 кг/ч, х_а=99.95%,

Т_о.с.= 295.2К,

Используемые обозначения:

T – температура, К;

P – давление, МПа;

Ρ – плотность, кг/м³;

h – энтальпия, кДж/кг;

s – энтропия, кДж/;

c_p – изобарная теплоемкость, кДж/;

c_ν – изохорная теплоемкость, кДж/;

μ – динамическая вязкость, Па10⁷;

λ – теплопроводность, мВт/(мК)

Pr – критерий Прандтля

Введение.

Установки, производящие жидкий азот, всегда оснащены мощными холодильными циклами. В качестве источников холода чаще всего служат детандеры и хладоновые холодильные установки в различных сочетаниях, иногда – газовые холодильные машины(ГХМ).

Если производительность установки составляет 40…1000 кг/ч жидкого азота, то выбирается холодильный цикл высокого давления с поршневым детандером.

Описание установки.

Данная установка (Рис. 1) предназначена для получения жидкого азота в количестве 1000 кг/ч, который используется в качестве хладогента в различных областях техники.

Установка работает по схеме высокого давления с поршневым детандером. Холодопроизводительность в установки создается за счет дроссель-эффекта и расширения воздуха в детандере.

Сжатие атмосферного воздуха до давления 20 МПа обеспечивается поршневым компрессором 1. Осушка и очистка воздуха от углекислого газа и ацетилена осуществляется в блоке очистки 3 при помощи цеолита NaX. Ректификация воздуха происходит в колонне 7. Давление в ней поддерживается около 0.3-0.35 МПа, что обеспечивает необходимое переохлаждение жидкого азота в переохладителе 9  отбрасным потоком В₀. Детандерный поток на входе имеет состояние сухого насыщенного пара, охлаждаясь отбросным потоком В₀ в теплообменнике 6. Жидкий азот сначала подается в сборник 10, дросселируясь до давления 0.145 МПа, а затем сливается из него в виде потока Аж потребителю. Необходимый поток пара в колонне образуется при испарении части кубовой жидкости за счет конденсации воздуха в змеевике куба, а также из детандерного воздуха. Хладагентом в конденсаторе 8 служит кипящая кубовая жидкость. Теплообменные аппараты 2, 4, 6, 9 витого типа из медных трубок. Конденсатор 8 также трубчатого типа.

Рис 1. Схема установки высокого давления для получения жидкого азота.

1 – компрессор; 2 – предварительный теплообменник; 3 – блок очистки; 4 – основной теплообменник; 5 – детандер; 6 – детандерный теплообменник; 7 – колонна; 8 – конденсатор; 9 – переохладитель; 10 – сборник жидкого азота.

Оптимизация потока на детандер [4].

Исходные данные:

Производительность установки по жидкому азоту                            G_a=1000 кг/ч=0.278 кг/с; чистота получаемого продукта х_а=99.95%; температура окружающей среды Т_о.с.= 295.2 К; давление р_2в=20 МПа; расчет параметров производится для В=1м³.

Доля детандерного потока В_д  в установках данного типа должна быть максимальной. Однако значения ограничено условиями теплообмена в теплообменнике 4. Необходимо обеспечить разность температур Т_5в-Т_5R=10…13К.

1. Примем поток на детандер В_д=0.5В, тогда:

1) В_т=В-В_д=0.5;

2) Удельный выход жидкого азота, А_ж, определяется из уравнения баланса холодопроизводительности установки:

Вρ_в(i_1в-i_2в)+B_дρ_в(i_4в-i_6в)=Вq₃+(B-А_ж)ρ_вс_рвΔТ_в0+А_жρ_а(i_1a-i_5a),

А_ж=[Вρ_в(i_1в-i_2в)+B_дρ_в(i_4в-i_6в)-Вq₃-Bρ_вс_рвΔТ_в0]/[(i_1a-i_5a)-ρ_вс_рвΔТ_в0],

Принимаем Т_4в=280К; величина КПД детандера η_ад=0.75; величина теплопритоков зависит от производительности установки q₃=7 кДж/кг; недорекуперация Т_в0=10 К; определим энтальпии по справочным данным:

i_1в=548.92 кДж/кг при Т=295.2 К и р= 0.1 МПа;

i_2в=512.86 кДж/кг при Т=295.2 К и р=20 МПа;

i_4в=492.99 кДж/кг при Т=280 К и р=20 МПа;

i_6в= i_4в-( i_4в- i_4s)· η_ад;    i_4s=321.6 кДж/кг, тогда

i_6в=492.99-(492.99-335.33)·0.75=364.4 кДж/кг;

i_1а=553.74 кДж/кг при Т=295.2 К и р=0.1 МПа;

i_2а=336.63кДж/кг; при р=0.315 МПа и Т=92 К;

i_3а=177.29 кДж/кг; при р=0.315 МПа и Т=88 К;

i_5а=125.2 кДж/кг при Т=78 К и р=0.1 МПа;

i_6а=325.5 кДж/кг; р=0.145МПа и Т=77.2 К,

А_ж==0.21,

3) Удельный выход отбросного газа:

В₀=1-А_ж,

В₀=1-0.21=0.79,