Испытание установки получения жидкого азота (ЗИФ-702) с криогенной газовой машиной. Определение гидравлического сопротивления ректификационной колонны установки ЗИФ-702

Санкт-Петербургский Государственный Университет

 Низкотемпературных и Пищевых Технологий

_____________________________________

Кафедра криогенной техники

ИСПЫТАНИЕ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО

АЗОТА (ЗИФ-702) С КРИОГЕННОЙ ГАЗОВОЙ МАШИНОЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Определение гидравлического сопротивления

ректификационной колонны установки ЗИФ-702

Выполнил: студент гр. 443

 Кузнецов В.А.

Проверил: Холодковский С.В.

Санкт-Петербург 2012

Цель работы

            В результате испытания должны быть определены:

1)  действительная часовая массовая производительность установки по жидкому азоту А_ж’;

2)  часовые объемные расходы перерабатываемого воздуха V и отбросного кислорода V_к;

для исчерпывающей и укрепляющей частей колонны должны быть также определены:

3)  наиболее нагруженные сечения колонны по пару и жидкости, расход пара и жидкости;

4)  максимальные скорости пара и жидкости;

5)  гидравлическое сопротивление сухой и орошаемой насадки;

6)  скорость захлебывания.

Обработка результатов испытаний

При обработке результатов испытаний пользуемся среднеарифметическими величинами замеров температур, давлений и концентраций.

1. Определяем действительную массовую производительность установки по жидкому азоту

А_ж’ = (5.69 – 4.82) / (15/60) = 3.48 кг/ч.

            Здесь 5.69 и 4.82 – масса сосуда Дюара соответственно с жидким N₂ и пустого, кг; 20 – длительность испытания установки, мин.

            2. Объемный расход перерабатываемого воздуха при нормальных условиях (0.1013 МПа и 273 К)

V = V' * (60/τ) * ((р_бар – Δр_в/13.6)/760) * 273/Т_в = (7.748-6.46) * (60/15) * (749 - 15/13.6)/760) * 273/296 = 4.676 м³/ч,

где V' – замеренный во время испытания объем перерабатываемого воздуха при условиях входа в счетчик, м³; τ – время испытания, мин.; Т_в – температура воздуха перед счетчиком, К; р_бар – барометрическое давление, мм рт. ст.; Δр_в – потери давления в трубопроводе перед счетчиком перерабатываемого воздуха, мм вд. ст.

            Объемный расход отбросного кислорода при нормальных условиях

V_к = V_к' * (60/τ) * ((р_бар + Δр_к/13.6)/760) * 273/Т_к = (6.021-5.754) * (60/15) * (749 + 9.75/13.6)/760) * 273/290 = 0.992 м³/ч,

где V_к' – замеренный во время испытания объем отбросного кислорода при условиях входа в счетчик, м³; Т_к – температура отбросного кислорода перед счетчиком, К; Δр_в – избыточное давление отбросного кислорода перед счетчиком, мм вд. ст.

3. Определение наиболее нагруженных по жидкости и пару сечений колонны (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема потоков в ректификационной колонне

Производим построения в i-x, y-диаграмме в соответствии с рис. 2 и пояснениями к Лабораторной работе № 2.

Рис. 2. К определению величин потоков жидкости и пара в различных сечениях колонны

Массовый расход воды, выделившейся из перерабатываемого воздуха при охлаждении до 273 К, кг/ч

G’_H2O = V*ρ_в*(d₁*φ – d₂) = 4.676*1.293*(0.0157*0.6 – 0.0023) = 0.043,

где V – объемный расход перерабатываемого воздуха, м³/ч; ρ_в – плотность воздуха при р = 0.1013 МПа и Т = 273 К, кг/м³; φ – относительная влажность воздуха, определяемая по психрометру (принята стандартной, т.е. равной 60 %); d₁ – влагосодержание воздуха при условиях φ = 1, р = р_бар и Т_в = Т_о.с (определяется по диаграмме i-d влажного воздуха), кг воды/кг воздуха; d₂ – влагосодержание воздуха при р = р_бар и Т_в = Т_о.с, кг Н₂О/кг воздуха.

Массовый расход сконденсировавшегося водяного пара из перерабатываемого воздуха при охлаждении его ниже Т = 273 К, кг/ч,

G’’_H2O = V*ρ_в*d₂ = 4.676*1.293*0.0023 = 0.029.

Массовый расход СО₂, выделившийся при вымораживании из перерабатываемого воздуха, кг/ч,

G_СО2 = V*x_CO2*ρ_CO2 = 4.676*0.0004*1.98 = 0.0037,

где x_CO2 – молярная доля СО₂ в атмосферном воздухе, принимаемая равной 0.0004; ρ_CO2 – плотность СО₂ при р = 0.1013 МПа и Т = 273 К, ρCO2 = 1.98 кг/м³.

Количество теплоты, отнимаемой в теплообменнике от воздуха отбросным кислородом, кДж/ч,

Q_т = V_к^м *с_рк*(Т’_к – T’’_к) = (0.992/22.4)*0.916*32*(290 – 90) = 260,

где V_к^м – молярный расход отбросного кислорода, кмоль/ч; Т’_к – температура отбросного кислорода на выходе из теплообменника (для температурного напора на горячем конце теплообменника, принятого равным 6 К), К; T’’_к – температура отбросного кислорода на входе в теплообменник в сосотоянии сухого насыщенного пара (по номограмме Т – р – i – x - y для у_к и р_бар); с_рк – молярная теплоемкость отбросного кислорода, кДж/(кмоль*К).

Суммарное количество теплоты, отдаваемое воздухом в теплообменнике и кубе колонны, кДж/ч,

Q_в = V^м *(i_вх – i_в’’) + G’_H2O*[r + r_пл + с_Н2О*(Т_в – 273)] + G’’_H2O*(r + r_пл) + G_СО2*r_CO2 = (4.676/22.4)*(15884 - 9616) + 0.043*[2490 + 333 + 4.19*(296-273)] + 0.0139*(2490 + 333) + 0.0037*570 = 1475,

V^м – молярный расход воздуха, кмоль/ч; i_вх – энтальпия воздуха при Т_в = Т_о.с и р = р_бар, кДж/кмоль; i_в’’ – энтальпия воздуха на входе в колонну при р = р_бар, кДж/кмоль; r – теплота фазового перехода при конденсации водяного пара, r = 2490 кДж/кг; с_Н2О – теплоемкость воды, кДж/(кг*К); r_пл – теплота фазового перехода при плавлении льда, r_пл = 333 кДж/кг; r_CO2 – теплота кристаллизации СО₂, r_CO2 = 570 кДж/кг.

Теплота, подводимая воздухом к кубу колонны, кДж/ч,

Q_к ~  Q_в -  Q_т = 1475 – 260 = 1215.

Количество теплоты, отводимой в газлифте, кДж/ч,

Q_гл = V_w^гл *с_рН2О*(Т_w1 – Т_w3) = 0,084*4,2*(288,1-277,2) = 0,32

где с_рН2О – объемная теплоемкость воды, кДж/м³; Т_w1 – температура воды на входе в газлифт, К; Т_w3 – температура воды на выходе из газлифта, К.

Приведенная энтальпия полюса исчерпывающей части колонны, кДж/кмоль,

i_и.ч. = i’’_к – q_к = i’’_к – Q_к/V^м_к = 13750-1272,08/0,0406=-17580

где i’’_к – энтальпия отбросного кислорода при р = р_бар в состоянии сухого насыщенного пара, кДж/кмоль.