Испытание установки получения жидкого азота (ЗИФ-702) с криогенной газовой машиной. Определение высоты насадки, эквивалентной единице переноса

Санкт-Петербургский Государственный Университет

 Низкотемпературных и Пищевых Технологий

_____________________________________

Кафедра криогенной техники

ИСПЫТАНИЕ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО

АЗОТА (ЗИФ-702) С КРИОГЕННОЙ ГАЗОВОЙ МАШИНОЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Определение высоты насадки, эквивалентной единице переноса

Выполнил: студент гр. 441

 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;

3)  количество жидкого азота А_ж’’, испарившегося в течение часа при сливе, м³/ч;

4)  число единиц переноса (ЧЕП) для укрепляющей и исчерпывающей части колонны;

5)  высота насадки ректификационной колонны в укрепляющей и исчерпывающей частях, эквивалентная единице переноса (ВЕП).

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) / (20/60) = 2.61 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 = (7748-6460) * 10^-3 * (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 = (6021-5754) * 10^-3 * (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. Действительная объемная производительность установки по жидкому азоту в пересчете на нормальные условия

А_ж' + А_ж'' = V – V_к = 4.676 – 0.992 = 3.684 м³/ч,

А_ж' – объемная производительность установки по жидкому азоту по данным испытания, м³/ч; А_ж'' – потери жидкого азота на испарении при сливе, м₃/ч.

При плотности жидкого азота на линии кипения для р = р_бар, равной ρ'= 806 кг/м³, потери жидкого азота на испарение при сливе составляют

А_ж'' = (А_ж' + А_ж'') - А_ж/ ρ' = 3.684 – 2.61/806 = 3,680 м³/ч или 6 %.

Оценка достоверности выполненных при испытании измерений и проведенных расчетов по уравнению материального баланса установки по нижекипящему компоненту:

V*0.791 = (А_ж' + А_ж'')*х_Аж + V_к*y_к;

4.676*0.791 = 3.684*0.99 + 0.992*0.2;

3.698= 3.845.

Расхождение составляет 3.8 %, что меньше допустимых 4 %. Здесь х_Аж – молярная доля азота в получаемом А_ж, моль N₂/моль; y_к – молярная доля азота в отбросном кислороде, моль N₂/моль.  

4. Строим диаграмму х-у по данным фазового равновесия бинарной смеси O₂-N₂ для р = 98.06 кПа [1, табл. П2]. Для повышения точности определения ЧЕП в области, приближенной к х = 1 и у = 1, строим в более крупном масштабе часть диаграммы для интервала х и у от 0.9 до 1.0 моль N₂/моль.

Наносим на диаграммы следующие линии рабочих концентраций (рабочие линии) для каждой части ректификационной колонны:

для укрепляющей части

у = (ν_р/(ν_р+1))*х + х_Аж/(ν_р+1) = 0.543*х + 0.454;

для исчерпывающей части

у₁ = ((ν_р+u)/(ν_р+1))*х₁ – ((u-1)/(ν_р+1))*у_к = 1.123*х₁ – 0.0025, где ν_р – рабочее флегмовое число укрепляющей колонны, ν_р = g/А_ж, принимается ν_р = 1.19; х и у – текущие концентрации жидкости и пара в укрепляющей части колонны; х₁ и у₁ – текущие концентрации жидкости и пара в исчерпывающей части колонны; u = V/А_ж  = 4676/3.684 = 1.27.

5. Для графического определения ЧЕП строим график 1/(y_p–y) = f(y) в интервале изменения начальной и конечной концентраций, которые для укрепляющей части колонны равны соответственно y_A и y_в, а для исчерпывающей – y_в и y_к.

Площадь, ограниченная кривой 1/(y_p–y) = f(y), осью абсцисс и крайними вертикалями, восстановленными из точек, расположенных на абсциссе с координатами y = x_Aж и у_к, представляет собой значение интеграла

.

Тогда ЧЕП для укрепляющей части колонны равно

N_у^у.к = = f₁*β*γ ~ 9, а для исчерпывающей части

N_у^и.к = = f₂*β*γ ~ 4, где f₁ и f₂ – величины площадей под кривой 1/(y_p–y) = f(y) на участках соответственно от у_А до у_в и от у_в до у_к; β и γ – масштабы величин у и 1/(y_p–y), принятые при построении графика 1/(y_p–y) = f(y).

В целях повышения точности определения ЧЕП для укрепляющей колонны при значениях у_А > 0.9 построение кривой 1/(y_p–y) = f(y) для интервала у = 0.9 – у_А выполняем на отдельном графике с уменьшенным масштабом для величины 1/(y_p–y).

6. Аналитическим путем рассчитываем ЧЕП на верхнем участке укрепляющей колонны в интервале значений у от 0.9 до у = у_Аж

N_y^(0.9-yA) = (2.3/(1-1/(k*α))*lg{[(1 – у)/((1 – у_А)*k) + 1/(ν_р*(k*α – 1))]/[1 + 1/(1 + 1/(ν_р*(1-1/(k*α))))]} = (2.3/(1-1/(0.543*3.55))*lg{[(1 – 0.9)/((1 – 0.99)*0.543) + 1/(1.19*(0.543*3.55 – 1))]/[1 + 1/(1 + 1/(1.19*(1-1/(0.543*3.55))))]}~ 5, где k = ν_р/(ν_р+1) = 0.543; α = 1/а = 1/0.282 = 3.55; у = 0.9 моль N₂/моль; а = 0.282 – угловой коэффициент равновесной линии в диапазоне значений х от 0.9 до 1.0.

Сравниваем полученное здесь значение ЧЕП для интервала изменения концентраций у от 0.9 до у = у_Аж со значением ЧЕП, полученным для того же интервала при графическом расчете с помощью графика 1/(y_p–y) = f(y):

аналитически – N_y^(0.9-yA)  ~ 5;

графически – N_y^(0.9-yA)  ~ 5.

7. Высота насадки, эквивалентная единице переноса массы (ВЕП) для соответствующих частей колонны:

h_у^у.к = Н^у.к/N_у^у.к = 595/9 = 66 мм;

h_у^и.к = Н^и.к/N_у^и.к = 325/4 = 81 мм;

где Н^у.к и Н^и.к – высота насадки укрепляющей и исчерпывающей колонны, равная соответственно 595 и 325 мм.

8. Все замеренные данные заносим в журнал наблюдений.

Журнал наблюдений к лабораторной работе № 3

Номер замеров		1	2	3	4
Время, мин		5	5	5	5
Давление и Δр	рбар, мм рт. ст.	749	749	749	749
	Δрв, мм вод. ст.	-14	-15	-16	-15
	Δрк, мм вод. ст.	9	10	9	11
Температура	Тв = То.с, К	296	296	296	296
	Тк, К	290	290	290	290
Расход	V’, л	6460	6885	7315	7748
	Vк’, л	5754	5483	5932	6021
Концентрация	Жидкий азот хАж, моль N2/моль	0.99
	Отбросный кислород ук, моль О2/моль	0.8
Масса сосуда Дьюара	Без жидкого N2, кг	4.82
	С жидким N2, кг	5.69

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов Л.А., Холодковский С.В. Испытание установки получения жидкого азота (ЗИФ-702) с криогенной газовой машиной. Ч. II: Методические указания к лабораторным работам. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2008. – 25 с.