Санкт-Петербургский государственный Университет низкотемпературных и пищевых технологий.

Кафедра криогенной техники.

Курсовой проект

по дисциплине «Установки ожижения и разделения газовых смесей»

Расчёт и проектирование установки для получения жидкого кислорода.

Работу выполнил

студент 452 группы

Денисов Сергей.

Работу принял

Пахомов О. В.

Санкт – Петербург 2003 год.
Оглавление.
Задание на расчёт…………………………………………………………………..3
1. Выбор типа установки и его обоснование……………………………………3
2. Краткое описание установки…………………………………………………..3
3. Общие энергетические и материальные балансы……………………….……4
4. Расчёт узловых точек установки…………………………….…………………4
5. Расчёт основного теплообменника…………………………….………………7
6. Расчёт блока очистки……………………………………………….…………..17
7. Определение общих энергетических затрат установки…………………..…..20
8. Расчёт процесса ректификации…………………………………….…………..20
9. Расчёт конденсатора – испарителя…………………………………………….20
10. Подбор оборудования…………………………………………………..………21
11. Список литературы……………………………………………..………………22

Задание на расчёт.
Рассчитать и спроектировать установку для получения газообразного кислорода с чистотой 99,5 %, производительностью 320 м3/ч, расположенную в городе Владивостоке.

1. Выбор типа установки и его обоснование.
В качестве прототипа выбираем установку К – 0,4, т. к. установка предназначена для получения жидкого и газообразного кислорода чистотой
99,5 %, а также жидкого азота. Также установка имеет относительно несложную схему.

2. Краткое описание работы установки.
Воздух из окружающей среды, имеющий параметры Т = 300 К и Р = 0,1 МПа, поступает в компрессорную станцию в точке 1. В компрессоре он сжимается до давления 4,5 МПа и охлаждается в водяной ванне до температуры 310 К.
Повышение температуры обусловлено потерями от несовершенства системы охлаждения. После сжатия в компрессоре воздух направляется в теплообменник
– ожижитель, где охлаждается до температуры 275 К, в результате чего большая часть содержащейся в ней влаги конденсируется и поступает в отделитель жидкости, откуда выводится в окружающую среду. После теплообменника – ожижителя сжатый воздух поступает в блок комплексной очистки и осушки, где происходит его окончательная очистка от содержащихся в нём влаги и СО2 . В результате прохождения через блок очистки воздух нагревается до температуры 280 К. После этого поток сжатого воздуха направляется в основной теплообменник, где охлаждается до температуры начала дросселирования, затем дросселируется до давления Р = 0,65 МПа. В основном теплообменнике поток разделяется. Часть его выводится из аппарата и поступает в детандер, где расширяется до давления Р = 0,65 МПа и поступает в нижнюю часть нижней колонны.Поток из дросселя поступает в середину нижней колонны. Начинается процесс ректификации. Кубовая жидкость
(поток R, содержание N2 равно 68%) из низа нижней колонны поступает в переохладитель, где переохлаждается на 5 К , затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в середину верхней колонны. Азотная флегма
(поток D, концентрация N2 равна 97%) забирается из верхней части нижней колонны, пропускается через переохладитель, где также охлаждается на 5К, затем дросселируется до давления 0,13 МПа и поступает в верхнюю часть верхней колонны. В верхней колонне происходит окончательная ректификация, внизу верхней колонны собирается жидкий кислород, откуда он направляется в переохладитель, где переохлаждается на 8 – 10 К. Далее поток кислорода направляется в жидкостной насос, где его давление поднимается до 10 МПа, и обратным потоком направляется в основной теплообменник. Затем он направляется в теплообменник – ожижитель, откуда выходит к потребителю с температурой 295 К. Азот из верхней части колонны последовательно проходит обратным потоком переохладитель азотной флегмы и кубовой жидкости, оснновной теплообменник и теплообменник – ожижитель. На выходе из теплообменника – ожижителя азот будет иметь температуру 295 К.

3. Общие энергетические и материальные балансы.
V = K + A
0,79V = 0,005K + 0,97A
МV?i1B – 2B + Vдетhад?адМ = МVq3 + Мк K?i2K – 3K + V?i3В – 4В М
М – молярная масса воздуха.
Мк – молярная масса кислорода.

Принимаем V = 1 моль
К + А = 1
К = 1 – А
0,79 = 0,005(1 – А) + 0,97А
А = 0,813
К = 1 – 0,813 = 0,187
Определяем теоретическую производительнсть компрессора.
(1/0,187) = х/320 => х = 320/0,187 = 1711 м3/ч = 2207,5 кг/ч

4. Расчёт узловых точек установки
Принимаем:
Давление воздуха на входе в компрессор……………………….
Давление воздуха на выходе из компрессора……………………Рвыхк = 4,5 МПА
Температура воздуха на входе в компрессор…..………………...
Температура воздуха на выходе из компрессора…….…………..
Температура воздуха на выходе из теплообменника – ожижителя…..
Температура воздуха на выходе из блока очистки…………………
Давление в верхней колонне……………………………………..
Давление в нижней колонне………………………………………
Концентрация азота в кубовой жидкости ………………………..
Концентрация азота в азотной флегме……………………………
Температурный перепад азотной флегмы и кубовой жидкости при прохождении через переохладитель…………..……………………………..
Температура кубовой жидкости…………………………………….
Температура азотной флегмы………………………………………
Температура отходящего азота…………………………………….
Температура жидкого кислорода…………………………………..
Разность температур на тёплом конце теплообменника – ожижителя………………………………………..…………….
Температура азота на выходе из установки………………….
Температурный перепад кислорода …………………………?Т1К – 2К = 10 К
На начальной стадии расчёта принимаем:

Составляем балансы теплообменных аппаратов: а) Баланс теплообменника – ожижителя.

КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В

б) Балансы переохладителя:


находим из номограммы для смеси азот – кислород.

в) Баланс переохладителя кислорода.
КCpK ?T1К – 2К = RCpR ?T2R – 3R

Принимаем ?T1К – 2К = 10 К

?T2R – 3R = 0,128*1,686*10/6,621*1,448 = 2,4
Т3R = Т2R + ?T2R – 3R = 74 + 2,4 = 76,4 К i3R = 998,2

г) Баланс основного теплообменнка.
Для определения параметров в точках 3А и 4К разобьём основной теплообменник на 2 трёхпоточных теплообменника:

Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?ад = [1*29*8
+ 0,187*32*(352,8 – 349,9) + 1*29*(522,32 – 516,8) – 1*29*(563,82 –
553,75)]/29*(394,5 – 367,5)*0,7 = 0,2
Vдет = 0,2V = 0,2*1711 = 342 м3/ч

Составляем балансы этих теплообменников:
I VCpV?T4B – 6B = KCpK?T3K’ – 4K + ACpA?T2A’ – 3A
II (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K – 3K’ + ACpA?T2A’ – 2A
Добавим к ним баланс теплообменника – ожижителя. Получим систему из 3 уравнений.
III КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
Вычтем уравнение II из уравнения I:
VCpV?T4B – 6B - (V – Vд )CpV?T6B-5B = KCpK?T3K’ – 4K - KCpK?T3K – 3K’ +
ACpA?T2A’ – 3A - ACpA?T2A’ – 2A
Получаем систему из двух уравнений:
I VCpV (T4B - 2T6B + T5B ) + VдCpV(T6B – T5B) = KCpK(T4K – T3K) + ACpA?T3A
– 2A
II КСр к?Т4К – 5К + АСрА?Т3А – 4А = VCpv?T2В – 3В
I 1*1,012(280 – 2*173 + 138) + 0,387*1,093(173 – 138) = 0,128*1,831(T4K –
88) +0,872*1,048(T3А–85)
II 1*1,012*(310 – 275) = 0,128*1,093(295 - T4K) + 0,872*1,041(295 – T3А)
T4K = 248,4 К
T3А = 197,7 К
Для удобства расчёта полученные данные по давлениям, температурам и энтальпиям в узловых точках сведём в таблицу:

|№ |1В |2В |3В |4В |5В |5 |6В |7В |1R |2R |3R |
|i, |553,7|563,8|516,8|522,3|319,2|319,2|419,1|367,5|1350 |1131,|1243|
|кДж/ | | | | | | | | | |2 | |
|кг | | | | | | | | | | | |
|Р, |0,1 |4,5 |4,5 |4,5 |4,5 |0,65 |4,5 |4,5 |0,65 |0,65 |0,65|
|МПа | | | | | | | | | | | |
|Т, К |300 |310 |275 |280 |138 |80 |188 |125 |79 |74 |76,4|
|№ |1D |2D |1К |2К |3К |4К |5К |1А |2А |3А |4А |
|i, |1015 |2465 |354,3|349,9|352,8|467,9|519,5|328,3|333,5|454,6|553,|
|кДж/ | | | | | | | | | | | |
|кг | | | | | | | | | | | |
|Р, |0,65 |0,65 |0,13 |0,12 |10 |10 |10 |0,13 |0,13 |0,13 |0,13|
|МПа | | | | | | | | | | | |
|Т, К |79 |74 |93 |84 |88 |248,4|295 |80 |85 |197,7|295 |

ПРИМЕЧАНИЕ.
1. Значения энтальпий для точек 1R, 2R, 3R , 1D, 2D взяты из номограммы Т – i – P – x – y для смеси азот – кислород.
2. Прочие значения энтальпий взяты из [2].

5. Расчёт основного теплообменника.
Ввиду сложности конструкции теплообменного аппарата разобьём его на 4 двухпоточных теплообменника.

Истинное значение Vдет вычислим из баланса установки:
Vдет = [VMq3 + KMk?i2K – 3K + VM?i4B – 3B – VM?i1B – 2B]/Mhад?ад = [1*29*8
+ 0,128*32*(352,8 – 349,9) + 1*29*(522,32 – 516,8) – 1*29*(563,82 –
553,75)]/29*(394,5 – 367,5)*0,7 = 0,2
Vдет = 0,2V = 0,2* = 342,2 м3/ч
Составляем балансы каждого из четырёх теплообменников:
I VA (i4B – i1) + Vq3 = A(i3A – i3)
II VK (i4B – i2) + Vq3 = K(i4K – i4)
III (VA – Vда)(i1 – i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
IV (VК – Vдк)(i2 – i5B) + Vq3 = К(i4 – i2К)
Здесь VA + VК = V , Vда + Vдк = Vд
Параметры в точках i1 и i2 будут теми же, что в точке 6В
Температуру в точке 5В задаём:
Т5В = 138 К
Р5В = 4,5 МПа i5В = 319,22 кДж/кг = 9257,38 кДж/кмоль
Принимаем VA = А = 0,813, VК = К = 0,187, Vдк = Vда = 0,1, q3 = 1 кДж/кг для всех аппаратов.
Тогда из уравнения I
VA (i4B – i6В) + Vq3 = A(i3A – i3)
0,813(522,32 – 419,1) + 1 = 0,813(454,6 – i3) i3 = (394,6 – 112,5)/0,813 = 324,7 кДж/кг
Т3 = 140 К
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,872 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i3 – 333,5)
59,1 = 0,872i3 – 290,8 i3 = (290,8 + 59,1)/0,872 = 401,3 кДж/кг
Уменьшим VА до 0,54:
0,54(522,32 – 419,1) + 1 = 0,872(454,6 – i3) i3 = (394,6 – 70,023)/0,872 = 372,2 кДж/кг
Проверяем полученное значение i3 с помощью уравнения III:
(0,54 – 0,1)(394,5 – 319,22) + 1 = 0,872(i3 – 333,5) i3 = (290,8 + 34,123)/0,872 = 372,6 кДж/кг
Т3 = 123 К
Тогда из уравнения II:
VK (i4B – i6В) + Vq3 = K(i4K – i4)
0,56(522,32 – 419,1) + 1 = 0,128(467,9 – i4)
72,6 = 59,9 – 0,128 i4 i4 = (72,6 – 59,9)/0,128 = 332 кДж/кг
Т4 = 140 К
Рассчитываем среднеинтегральную разность температур для каждого из четырёх теплообменников. а) Материальный баланс теплообменника I:
VA (i4B – i1) + Vq3 = A(i3A – i3)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
0,54*1,15(280 – 173) + 1*q3 = 0,872*1,99(197,7 – 123) q3 = 121,9 - 66,4 = 55,5 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
VA (i4B – i6В) + Vq3 = A(i3A – i3)
VA ?iB + Vq3 = A ?iA
?iB = A ?iA/ VA - V q3/VA | ?iA/ ?iA
?iB = A ?iA/ VA - Vq3* ?iA/ ?iA
В = A/VA = 0,872/0,54 = 1,645
D = V q3/VA ?iA = 1*55,5/0,54*(197,7 – 123) = 0,376
?iB = В ?iA - D ?iA = С ?iA = (1,635 – 0,376) ?iA = 1,259 ?iA

Составляем таблицу:

|№ |ТВ , К |iв, |?iВ |ТА, К |iА, |?iА |
| | |кДж/кг | | |кДж/кг | |
|0 – 0 |280 |522,32 |0 |197,7 |454,6 |0 |
|1 – 1 |272 |512,0 |10,324 |190,23 |- |8,2 |
|2 – 2 |261 |501,7 |20,648 |182,76 |- |16,4 |
|3 – 3 |254 |491,3 |30,971 |175,29 |- |24,6 |
|4 – 4 |245 |481,0 |41,295 |167,82 |- |32,8 |
|5 – 5 |235 |470,7 |51,619 |160,35 |- |41 |
|6 – 6 |225 |460,4 |61,943 |152,88 |- |49,2 |
|7 – 7 |218 |450,1 |72,267 |145,41 |- |57,4 |
|8 – 8 |210 |439,73 |82,59 |137,94 |- |65,6 |
|9 – 9 |199 |429,4 |92,914 |130,47 |- |73,8 |
|10 – 10|188 |419,12 |103,2 |123 |372,6 |82 |

Строим температурные кривые:

?Тсринт = n/?(1/?Тср)
|№ |?Тср |1/?Тср |
|1 |82 |0,012 |
|2 |82 |0,012 |
|3 |78 |0,0128 |
|4 |79 |0,0127 |
|5 |77 |0,013 |
|6 |72 |0,0139 |
|7 |73 |0,0137 |
|8 |72 |0,0139 |
|9 |69 |0,0145 |
|10 |65 |0,0154 |

?(1/?Тср) = 0,1339
?Тср = 10/0,1339 = 54,7 К

б) Материальный баланс теплообменника II:
VK (i4B – i6В) + Vq3 = K(i4K – i4)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
0,56*1,15(280 – 173) + 1*q3 = 0,187*1,684(248,4 – 140) q3 = 23,4 - 68,9 = -45,5 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
VК (i4B – i6В) + Vq3 = K(i4K – i4)
VК ?iB + Vq3 = К ?iК
?iB = К ?iК/ VК - V q3/VК | ?iК/ ?iК
?iB = К ?iК/ VК - Vq3* ?iК/ ?iК
В = К/VК = 0,128/0,56 = 0,029
D = V q3/VК ?iК = -1*45,5/0,56*(248,4 – 140) = -0,75
?iB = В ?iК - D ?iК = С ?iК = (0,029 + 0,75) ?iК = 0,779 ?iК

Составляем таблицу:
|№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТК, К |iК, |?iК |
| | | | | |кДж/кг | |
|0 – 0 |280 |522,32 |0 |248,4 |332 |0 |
|1 – 1 |272 |511,7 |10,589 |237,56 |- |13,593|
|2 – 2 |261 |501,1 |21,178 |226,72 |- |27,186|
|3 – 3 |254 |490,6 |31,767 |215,88 |- |40,779|
|4 – 4 |245 |480 |42,356 |205,04 |- |54,372|
|5 – 5 |235 |469,3 |52,973 |194,2 |- |67,975|
|6 – 6 |225 |458.8 |63,534 |183,36 |- |81,558|
|7 – 7 |218 |448,2 |74,123 |172,52 |- |95,151|
|8 – 8 |210 |437,6 |84,735 |161,68 |- |108,77|
|9 – 9 |199 |427 |95,301 |150,84 |- |122,33|
|10 – 10 |188 |419,12 |105,9 |140 |467,93 |135,93|

?Тсринт = n/?(1/?Тср)
|№ |?Тср |1/?Тср |
|1 |32 |0,03125 |
|2 |34 |0,0294 |
|3 |34 |0,0294 |
|4 |40 |0,025 |
|5 |41 |0,0244 |
|6 |42 |0,0238 |
|7 |45 |0,0222 |
|8 |48 |0,0208 |
|9 |48 |0,0208 |
|10 |48 |0,0208 |

?(1/?Тср) = 0,245
?Тср = 10/0,245 = 40,3 К

в) Материальный баланс теплообменника III:
(VA – Vда)(i6В – i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
(0,54 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1*q3 = 0,813*1,684(123 – 85) q3 = 55,8 – 33,9 = 21,9 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
(VA – Vда)(i6В – i5B) + Vq3 = A(i3 – i2A)
(VА - Vда) ?iB + Vq3 = А ?iА
?iB = А ?iА/ (VА - Vда) - V q3/VА | ?iА/ ?iА
?iB = А ?iА/ (VА - Vда) - Vq3* ?iА/ ?iА
В =А/(VА - Vда) = 0,813/0,44 = 1,982
D = V q3/(VА - Vда) ?iА = 1*21,9/0,44*(372,6 – 333,5) = 0,057
?iB = В ?iА - D ?iА = С ?iА = (1,982 – 0,057) ?iА = 1,925 ?iА

Составляем таблицу:
|№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТА, К |iА, |?iА |
| | | | | |кДж/кг | |
|0 – 0 |188 |394,5 |0 |123 |372,6 |0 |
|1 – 1 |175 |387 |7,527 |119,2 |- |3,91 |
|2 – 2 |168 |379,4 |15,1 |115,4 |- |7,82 |
|3 – 3 |162 |371,92 |22,58 |111,6 |- |11,73 |
|4 – 4 |158 |364,4 |30,1 |107,8 |- |15,64 |
|5 – 5 |155 |356,9 |37,6 |104 |- |19,55 |
|6 – 6 |152 |349,3 |45,2 |100,2 |- |23,46 |
|7 – 7 |149 |341,8 |52,7 |96,4 |- |27,37 |
|8 – 8 |145 |334,3 |60,2 |92,6 |- |31,28 |
|9 – 9 |141 |326,8 |67,741 |88,8 |- |35,19 |
|10 – 10 |138 |319,22 |75,28 |85 |333,5 |39,1 |

?Тсринт = n/?(1/?Тср)
|№ |?Тср |1/?Тср |
|1 |56 |0,0179 |
|2 |53 |0,0189 |
|3 |50 |0,02 |
|4 |50 |0,02 |
|5 |51 |0,0196 |
|6 |52 |0,0192 |
|7 |53 |0,0189 |
|8 |52 |0,0192 |
|9 |52 |0,0192 |
|10 |53 |0,0189 |

?(1/?Тср) = 0,192
?Тср = 10/0,245 = 52 К

г) Материальный баланс теплообменника IV:
(VК – Vдк)(i6В – i5B) + Vq3 = К(i4 – i2К)
Из баланса расчитываем истинное значение теплопритоков из окружающей среды:
(0,56 – 0,1)*2,204(188 - 138) + 1*q3 = 0,128*1,742(123 – 88) q3 = 7,804 - 50,7 = - 42,9 кДж/кг
Рассчитываем коэффициенты В и D:
(VК – Vдк)(i6В – i5B) + Vq3 = К(i4 – i2К)
(Vк - Vдк) ?iB + Vq3 = К ?iк
?iB = К ?iк/ (VК - Vдк) - V q3/VК | ?iК/ ?iК
?iB = К ?iК/ (VК - Vдк) - Vq3* ?iК/ ?iК
В =К/(VК - Vдк) = 0,128/0,46 = 0,278
D = V q3/(VК - Vдк) ?iк = -1*42,9/0,46*(372,6 – 332) = - 1,297
?iB = В ?iК - D ?iК = С ?iк = (0,278 + 1,297) ?iК = 1,488 ?iК

Составляем таблицу:
|№ |ТВ , К |iв, кДж/кг|?iВ |ТК, К |iК, |?iК |
| | | | | |кДж/кг | |
|0 – 0 |188 |394,5 |0 |140 |332 |0 |
|1 – 1 |174 |387,17 |7,33 |134,8 |- |5,06 |
|2 – 2 |167 |379,8 |14,7 |129,6 |- |10,12 |
|3 – 3 |162 |371,6 |22,9 |124,4 |- |15,18 |
|4 – 4 |158 |365,2 |29,3 |119,2 |- |20,24 |
|5 – 5 |155 |357,9 |36,6 |114 |- |25,3 |
|6 – 6 |152 |350,5 |44 |108,8 |- |30,36 |
|7 – 7 |149 |343,2 |51,3 |103,6 |- |35,42 |
|8 – 8 |146 |335,9 |58,6 |98,4 |- |40,48 |
|9 – 9 |143 |328,6 |65,9 |93,2 |- |45,54 |
|10 – 10 |138 |319,22 |75,28 |88 |372,6 |50,6 |

?Тсринт = n/?(1/?Тср)

|№ |?Тср |1/?Тср |
|1 |40 |0,025 |
|2 |37 |0,027 |
|3 |38 |0,026 |
|4 |39 |0,0256 |
|5 |41 |0,0244 |
|6 |43 |0,0233 |
|7 |45 |0,0222 |
|8 |47 |0,0213 |
|9 |50 |0,02 |
|10 |50 |0,02 |

?(1/?Тср) = 0,235
?Тср = 10/0,245 = 42,6 К

д) Расчёт основного теплообменника.
Для расчёта теплообменника разбиваем его на 2 трёхпоточных. Для удобства расчёта исходные данные сводим в таблицу.
|Поток |Рср, |Тср, К |Ср, |Уд. Объём |?, |?, |
| |ат. | |кДж/кгК |v, м3/кг |кг*с/м2 |Вт/мК, |
| | | | | |*107 |*103 |
|Прямой |45 |226,5 |1,187 |0,005 |18,8 |23,6 |
|(воздух) | | | | | | |
|Обратный |100 |190 |2,4 |0,00106 |108 |15 |
|(О2 под | | | | | | |
|дав) | | | | | | |
|Обратный |1,3 |155 |1,047 |0,286 |9,75 |35,04 |
|(N2 низ | | | | | | |
|дав) | | | | | | |

Прямой поток.
1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1711*0,005/3600 = 2,43*10-3 м3/с
3) Выбираем тубку ф 12х1,5 мм
4) Число трубок n = Vсек/0,785dвн ? = 0,00243/0,785*0,0092*1 = 39 шт
Эквивалентный диаметр dэкв = 9 – 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 1*0,004*85,4/9,81*18,8*10-7 = 32413
6) Критерий Прандтля
Pr = 0,802 (см. [2])
7) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*324130,8*0,8020,33 = 63,5
8) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 63,5*23,6*10-3/0,007 = 214,1 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):
1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 320*0,0011/3600 = 9,8*10-5 м3/с
3) Выбираем тубку ф 5х0,5 мм гладкую.
4) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 1*0,007*330,1/9,81*106*10-7 = 21810
5) Критерий Прандтля
Pr = 1,521 (см. [2])
6) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*218100,8*1,5210,33 = 80,3
7) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 80,3*15*10-3/0,007 = 172 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)
1)Скорость потока принимаем ? = 15 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1391*0,286/3600 = 0,11 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/? = 0,11/15 = 0,0074 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 15*0,004*2,188/9,81*9,75*10-7 = 34313
5) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*343130,85=299,4
7) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 299,4*35,04*10-3/0,01 = 1049 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = A?iA/3600 = 1391*(454,6 – 381,33)/3600 = 28,3 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ?Тср = 54,7 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/?в)*(Dн/Dвн) + (1/?А)] = 1/[(1/214,1)*(0,012/0,009) + (1/1049)]
= 131,1 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ?Тср = 28300/131,1*54,7 = 3,95 м2
5) Средняя длина трубки с 20% запасом lА = 1,2FA /3,14DHn = 1,2*3,95/3,14*0,012*32 = 3,93 м
6) Тепловая нагрузка кислородной секции
QК = К?iA/3600 = 0,183*(467,93 – 332)/3600 = 15,1 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/?в) + (1/?К) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/214,1) + (1/172)
*(0,01/0,007)]=77 Вт/м2 К
8) Площадь теплопередающей поверхности
FК = QК/KК ?Тср = 15100/77*25 = 7,8 м2
9) Средняя длина трубки с 20% запасом lК = 1,2FК /3,14DHn = 1,2*7,8/3,14*0,01*55 = 5,42 м
Принимаем l = 5,42 м.
10) Теоретическая высота навивки.
Н = lt2/?Dср = 17*0,0122/3,14*0,286 = 0,43 м.

Второй теплообменник.

|Поток |Рср, |Тср, К |Ср, |Уд. Объём |?, кг*с/м2|?, |
| |ат. | |кДж/кгК |v, м3/кг | |Вт/мК, |
| | | | | |*107 |*103 |
|Прямой |45 |155,5 |2,328 |0,007 |142,62 |23,73 |
|(воздух) | | | | | | |
|Обратный |100 |132,5 |1,831 |0,00104 |943,3 |106,8 |
|(О2 под | | | | | | |
|дав) | | | | | | |
|Обратный |1,3 |112,5 |1,061 |0,32 |75,25 |10,9 |
|(N2 низ | | | | | | |
|дав) | | | | | | |

Прямой поток.
1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 1875*0,007/3600 = 2,6*10-3 м3/с

3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм гладкую.
4) Число трубок n = Vсек/0,785dвн ? = 0,0026/0,785*0,0072*1 = 45 шт
Эквивалентный диаметр dэкв = 9 – 5 = 4 мм
5) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 1*0,004*169,4/9,81*142,62*10-7 = 83140
6) Критерий Прандтля
Pr =1,392 (см. [2])
7) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,33 = 0,015*831400,8*1,3920,33 = 145
8) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 145*10,9*10-3/0,007 = 225,8 Вт/м2К

Обратный поток (кислород под давлением):
1)Скорость потока принимаем ? = 1 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 800*0,00104/3600 = 1,2*10-4 м3/с
3) Выбираем тубку ф 10х1,5 мм с оребрением из проволоки ф 1,6 мм и шагом оребрения tп = 5,5мм
4) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 1*0,007*1067,2/9,81*75,25*10-7 = 101200
5) Критерий Прандтля
Pr = 1,87 (см. [2])
6) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,015*1012000,8*1,870,33 = 297,2
7) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 297,2*10,9*10-3/0,007 = 462,8 Вт/м2К

Обратный поток (азот низкого давления)
1)Скорость потока принимаем ? = 15 м/с
2) Секундный расход
Vсек = V*v/3600 = 2725*0,32/3600 = 0,242 м3/с
3) Живое сечение для прохода обратного потока:
Fж = Vсек/? = 0,242/15 = 0,016 м2
4) Диаметр сердечника принимаем Dc = 0,1 м
4) Критерий Рейнольдса
Re = ? dвн?/g? = 15*0,01*3,04/9,81*75,25*10-7 = 60598
5) Критерий Нуссельта:
Nu = 0,0418 Re0,85 = 0,0418*605980,85=485,6
7) Коэффициент теплоотдачи:
?В = Nu?/dвн = 485,6*10,9*10-3/0,01 = 529,3 Вт/м2К

Параметры всего аппарата:
1) Тепловая нагрузка азотной секции
QA = A?iA/3600 = 2725(391,85 – 333,5)/3600 = 57 кВт
2) Среднеинтегральная разность температур ?Тср = 52 К
3) Коэффициент теплопередачи
КА = 1/[(1/?в)*(Dн/Dвн) + (1/?А)] = 1/[(1/225,8)*(0,01/0,007) + (1/529,3)]
= 121,7 Вт/м2 К
4) Площадь теплопередающей поверхности
FA = QA/KA ?Тср = 57000/121,7*52 = 9 м2
5) Средняя длина трубки с 20% запасом lА = 1,2FA /3,14DHn = 1,2*9/3,14*0,01*45 = 7,717 м
6) Тепловая нагрузка кислородной секции
QК = К?iК/3600 = 0,128*(352,8 - 332)/3600 = 4,6 кВт
7) Коэффициент теплопередачи
КК = 1/[(1/?в) + (1/?К) *(Dн/Dвн)] = 1/[(1/225,8) + (1/529,3)
*(0,01/0,007)] = 140,3 Вт/м2 К
8) Площадь теплопередающей поверхности
FК = QК/KК ?Тср = 4600/140*42,6 = 0,77 м2
9) Средняя длина трубки с 20% запасом lК = 1,2FК /3,14DHn = 1,2*0,77/3,14*0,01*45 = 0,654 м
Принимаем l = 7,717 м.
10) Теоретическая высота навивки.
Н = lt2/?Dср = 7,717*0,0122/3,14*0,286 = 0,33 м.

Окончательный вариант расчёта принимаем на ЭВМ.

6. Расчёт блока очистки.
1) Исходные данные:
Количество очищаемого воздуха …………………… V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч
Давление потока …………………………………………… Р = 4,5 МПа
Температура очищаемого воздуха………………………… Т = 275 К
Расчётное содержание углекислого газа по объёму …………………...С = 0,03%
Адсорбент ……………………………………………………NaX
Диаметр зёрен ………………………………………………. dз = 4 мм
Насыпной вес цеолита ………………………………………?ц = 700 кг/м3
Динамическая ёмкость цеолита по парам СО2 ……………ад = 0,013 м3/кг

Принимаем в качестве адсорберов стандартный баллон диаметром Da = 460 мм и высоту слоя засыпки адсорбента
L = 1300 мм.
2) Скорость очищаемого воздуха в адсорбере:
? = 4Va/n?Da2 n – количество одновременно работающих адсорберов;
Vа – расход очищаемого воздуха при условиях адсорбции, т. е. при Р = 4,5
МПа и Тв = 275 К:
Va = VTB P/T*PB = 1711*275*1/273*45 = 69,9 кг/ч
? = 4*69,9/3*3,14*0,462 = 140,3 кг/ч*м2
Определяем вес цеолита, находящегося в адсорбере:
Gц = nVад ?ц = L*?*n*?*Da2/4 = 1*3,14*0,462*1,3*700/4 = 453,4 кг
Определяем количество СО2 , которое способен поглотить цеолит:
VCO2 = Gц*aд = 453,4*0,013 = 5,894 м3
Определяем количество СО2, поступающее каждый час в адсорбер:
VCO2’ = V*Co = 3125*0,0003 = 0,937 м3/ч
Время защитного действия адсорбента:
?пр = VCO2/ VCO2’ = 5,894/0,937 = 6,29 ч
Увеличим число адсорберов до n = 4. Тогда:
? = 4*69,9/4*3,14*0,462 = 105,2 кг/ч*м2
Gц = 4*3,14*0,462*1,3*700/4 = 604,6 кг
VCO2 = Gc *aд = 604,6*0,013 = 7,86 м3
?пр = 7,86/0,937 = 8,388 ч.
Выбираем расчётное время защитного действия ?пр = 6 ч. с учётом запаса времени.

2) Ориентировочное количество азота для регенерации блока адсорберов:
Vрег = 1,2*GH2O /x’ ?рег
GH2O – количество влаги, поглощённой адсорбентом к моменту регенерации
GH2O = GцаН2О = 604,2*0,2 = 120,84 кг
?рег – время регенерации, принимаем
?рег = 0,5 ?пр = 3 ч. х’ – влагосодержание азота при Тср.вых и Р = 105 Па:
Тср.вых = (Твых.1 + Твых.2)/2 = (275 + 623)/2 = 449 К х = 240 г/м3
Vрег = 1,2*120,84/0,24*3 = 201,4 м3/ч
Проверяем количество регенерирующего газа по тепловому балансу:
Vрег *?N2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* ?рег = ?Q
?Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Q1 – количество тепла, затраченное на нагрев металла;
Q2 – количество тепла, затраченное на нагрев адсорбента,
Q3 – количество тепла, необходимое для десорбции влаги, поглощённой адсорбентом;
Q4 – количество тепла, необходимое для нагрева изоляции;
Q5 – потери тепла в окружающую среду.
Q1 = GмСм(Тср’ – Tнач’ )
Gм – вес двух баллонов с коммуникациями;
См – теплоёмкость металла, См = 0,503 кДж/кгК
Tнач’ – температура металла в начале регенерации, Tнач’ = 280 К
Тср’ – средняя температура металла в конце процесса регенерации,
Тср’ = (Твх’ + Твых’ )/2 = (673 + 623)/2 = 648 К
Твх’ – температура азота на входе в блок очистки, Твх’ = 673 К;
Твых’ – температура азота на выходе из блока очистки, Твх’ = 623 К;

Для определения веса блока очистки определяем массу одного баллона, который имеет следующие геометрические размеры: наружний диаметр ……………………………………………….Dн = 510 мм, внутренний диаметр ……………………………………………..Dвн = 460 мм, высота общая ……………………………………………………..Н = 1500 мм, высота цилиндрической части …………………………………..Нц = 1245 мм.
Тогда вес цилиндрической части баллона
GM’ = (Dн2 – Dвн2)Нц*?м*?/4 = (0,512 – 0,462)*1,245*7,85*103*3,14/4 = 372,1 кг, где ?м – удельный вес металла, ?м = 7,85*103 кг/м3.
Вес полусферического днища
GM’’ = [(Dн3/2) – (Dвн3/2)]* ?м*4?/6 = [(0,513/2) –
(0,463/2)]*7,85*103*4*3,14/6 = 7,2 кг
Вес баллона:
GM’ + GM’’ = 382 + 7,2 = 389,2 кг
Вес крышки с коммуникациями принимаем 20% от веса баллона:
GM’’’ = 389,2*0,2 = 77,84 кг
Вес четырёх баллонов с коммуникацией:
GM = 4(GM’ + GM’’ + GM’’’ ) = 4*(382 + 7,2 + 77,84) = 1868 кг.
Тогда:
Q1 = 1868*0,503*(648 – 275) = 3,51*105 кДж
Количество тепла, затрачиваемое на нагревание адсорбента:
Q2 = GцСц(Тср’ – Tнач’ ) = 604,6*0,21*(648 – 275) = 47358 кДж
Количество тепла, затрачиваемое на десорбцию влаги:
Q3 = GH2OCp(Ткип – Тнач’ ) + GH2O*? = 120,84*1*(373 – 275) + 120,84*2258,2
= 2,8*105 кДж
? – теплота десорбции, равная теплоте парообразования воды; Ср – теплоёмкость воды.
Количество тепла, затрачиваемое на нагрез изоляции:
Q4 = 0,2Vиз ?изСиз(Тиз – Тнач) = 0,2*8,919*100*1,886*(523 – 275) = 8,3*104 кДж
Vиз = Vб – 4Vбалл = 1,92*2,1*2,22 – 4*0,20785*0,512*0,15 = 8,919 м3 – объём изоляции.
?из – объёмный вес шлаковой ваты, ?из = 100 кг/м3
Сиз – средняя теплоёмкость шлаковой ваты, Сиз = 1,886 кДж/кгК
Потери тепла в окружающую среду составляют 20% от ?Q = Q1 + Q2 + Q4 :
Q5 = 0,2*(3,51*105 + 47358 + 8,3*104 ) = 9.63*104 кДж
Определяем количество регенерирующего газа:
Vрег = (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5)/ ?N2*CpN2*(Твх + Твых. ср)* ?рег =
=(3,51*105 + 47358 + 2,8*105 + 8,3*104 + 9,63*104)/(1,251*1,048*(673 –
463)*3) = 1038 нм3/ч
Проверяем скорость регенерирующего газа, отнесённую к 293 К:
?рег = 4 Vрег*293/600*?*Da2 *n*Tнач = 4*1038*293/600*3,14*0,462*2*275 =
5,546 м/с n – количество одновременно регенерируемых адсорберов, n = 2

Определяем гидравлическое сопротивление слоя адсорбента при регенерации.
?Р = 2f?L?2/9,8dэх2 где ?Р – потери давления, Па; f – коэффициент сопротивления;
? – плотность газа, кг/м3;
L – длина слоя сорбента, м; dэ – эквивалентный диаметр каналов между зёрнами, м;
? – скорость газа по всему сечению адсорбера в рабочих условиях, м/с;
? – пористость слоя адсорбента, ? = 0,35 м2/м3.
Скорость регенерирующего газа при рабочих условиях:
? = 4*Vрег*Твых.ср./3600*?*Da2*n*Тнач = 4*1038*463/3600*3,14*0,462*2*275 =
1,5 м/с
Эквивалентный диаметр каналов между зёрнами: dэ = 4*?*dз/6*(1 – ?) = 4*0,35*4/6*(1 – 0,35) = 1,44 мм.
Для определения коэффициента сопротивления находим численное значение критерия Рейнольдса:
Re = ?*dэ*?/?*?*g = 1,5*0,00144*0,79*107/0,35*25*9,81 = 198,8 где ? – динамическая вязкость, ? = 25*10-7 Па*с;
? – удельный вес азота при условиях регенерации,
? = ?0 *Р*Т0/Р0*Твых.ср = 1,251*1,1*273/1,033*463 = 0,79 кг/м3
По графику в работе [6] по значению критерия Рейнольдса определяем коэффициент сопротивления f = 2,2
Тогда:
?Р = 2*2,2*0,79*1,3*1,52/9,81*0,00144*0,352 = 587,5 Па

Определяем мощность электроподогревателя:
N = 1,3* Vрег*?*Ср*(Твх – Тнач)/860 = 1,3*1038*1,251*0,25(673 – 293)/860 =
70,3 кВт где Ср = 0,25 ккал/кг*К

7. Определение общих энергетических затрат установки l = [V?в RToc ln(Pk/Pn)]/?из Кж*3600 =
1711*0,287*296,6*ln(4,5/0,1)/0,6*320*3600 = 0,802 кВт где V – полное количество перерабатываемого воздуха, V = 2207,5 кг/ч = 1711 м3/ч
?в – плотность воздуха при нормальных условиях, ?в = 1,29 кг/м3
R – газовая постоянная для воздуха, R = 0,287 кДж/кгК
?из – изотермический КПД, ?из = 0,6
Кж – количество получаемого кислорода, К = 320 м3/ч
Тос – температура окружающей среды, принимается равной средне – годовой температуре в городе Владивостоке, Тос = 23,60С = 296,6 К

8. Расчёт процесса ректификации.
Расчёт процесса ректификации производим на ЭВМ (см. распечатки 4 и 5).
Вначале проводим расчёт нижней колонны. Исходные данные вводим в виде массива. Седьмая строка массива несёт в себе информацию о входящем в колонну потоке воздуха: принимаем, что в нижнюю часть нижней колонны мы вводим жидкий воздух.
1 – фазовое состояние потока, жидкость;
0,81 – эффективность цикла. Поскольку в установке для ожижения используется цикл Гейландта (х = 0,19), то эффективность установки равна 1 – х = 0,81.
0,7812 – содержание азота в воздухе;
0,0093 – содержание аргона в воздухе;
0,2095 – содержание кислорода в воздухе.
Нагрузку конденсатора подбираем таким образом, чтобы нагрузка испарителя стремилась к нулю.

8. Расчёт конденсатора – испарителя.
Расчёт конденсатора – испарителя также проводим на ЭВМ с помощью программы, разработанной Е. И. Борзенко.

В результате расчёта получены следующие данные (смотри распечатку 6):
Коэффициент телоотдачи в испарителе……….……….ALFA1 = 1130,7 кДж/кгК
Коэффициент телоотдачи в конденсаторе…………… ALFA2 = 2135,2 кДж/кгК
Площадь теплопередающей поверхности………………..………F1 = 63,5 м3
Давление в верхней колонне ………………………………………Р1 = 0,17 МПа.

10. Подбор оборудования.
1. Выбор компрессора.
Выбираем 2 компрессора 605ВП16/70.
Производительность одного компрессора ………………………………..16±5% м3/мин
Давление всасывания……………………………………………………….0,1 МПа
Давление нагнетания………………………………………………………..7 МПа
Потребляемая мощность…………………………………………………….192 кВт
Установленная мощность электродвигателя………………………………200 кВт
2. Выбор детандера.
Выбираем ДТ – 0,3/4 .
Характеристики детандера:
Производительность…………………………………………………… V = 340 м3/ч
Давление на входе ………………………………………………………Рвх = 4 МПа
Давление на выходе …………………………………………………….Рвых = 0.6 МПа
Температура на входе …………………………………………………..Твх = 188 К
Адиабатный КПД ……………………………………………………….?ад = 0,7
3. Выбор блока очистки.
Выбираем стандартный цеолитовый блок осушки и очистки воздуха ЦБ – 2400/64.
Характеристика аппарата:
Объёмный расход воздуха ……………………………….V=2400 м3/ч
Рабочее давление: максимальное ……………………………………………Рмакс = 6,4 МПа минимальное………………………………………..……Рмин = 3,5 МПа
Размеры сосудов…………………………………………750х4200 мм.
Количество сосудов……………………………………..2 шт.
Масса цеолита …………………………………………..М = 2060 кг

Список используемой литературы:
1. Акулов Л.А., Холодковский С.В. Методические указания к курсовому проектированию криогенных установок по курсам «Криогенные установки и системы» и «Установки сжижения и разделения газовых смесей» для студентов специальности 1603. – СПб.; СПбТИХП, 1994. – 32 с.
2. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Новотельнов В.Н., Зайцев А.В.Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для ВУЗов. – СПб.: Политехника,

2001. – 243 с.
3. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 1., - М.: Машиностроение, 1998. – 464 с.
4. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Основы теории и расчёта: Учебное пособие для ВУЗов, том 2., - М.: Машиностроение, 1999. – 720 с.
5. Акулов Л.А., Холодковский С.В. Криогенные установки (атлас технологических схем криогенных установок): Учебное пособие. – СПб.:

СПбГАХПТ, 1995. – 65 с.
6. Кислород. Справочник в двух частях. Под ред. Д. Л. Глизманенко. М.,
«Металлургия», 1967.

Распечатка 1. Расчёт основного теплообменника.

Распечатка 2. Расчёт теплообменника – ожижителя.

Распечатка 3. Расчёт переохладителя.

Распечатка 4. Расчёт процесса ректификации в нижней колонне.

Распечатка 5. Расчёт процесса ректификации в верхней колонне.

Распечатка 6. Расчёт конденсатора – испарителя.

Распечатка 7. Расчёт переохладителя кислорода.
-----------------------