Дипломный проект - Технологический расчет криогенной воздухоразделительной установки А-8-1М
Подождите немного. Документ загружается.
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
7.1.1.4. Расчет поверхности теплообмена
7.1.1.4.1. Коэффициент теплопередачи от трубного потока к межтрубному
(К
ТМ
)
К
ТМ
=
МПР
11
1
К
ТМ
=
73,676
1
45,130
1
1
К
ТМ
= 109,309 Вт / ( м
2
*К ) .
7.1.1.4.2. Поверхность теплообмена
F
ВЧ
=
ТК
Q
k
ТМ
,
где
k = 1,86 – коэффициент запаса поверхности ;
Q - тепловая нагрузка аппарата , Вт
Q =
Р
ВЫХ
А
ВХ
АА
СТТМ
Q =
100601,25328028748,0
Q = 7799,9 Вт ;
Т – среднелогарифмический температурный напор , К
Т =
ВХ
ВЫХ
ВХВЫХ
Т
Т
ln
ТТ
,
где
Т
ВЫХ
=
ВЫХ
А
Т
-
ВХ
Б
Ф
Т
Т
ВЫХ
= 253,01 – 100,9
Т
ВЫХ
= 152,11 К ;
Т
ВХ
=
ВХ
А
Т
-
ВЫХ
Б
Ф
Т
Т
ВХ
= 280 – 273
Т
ВХ
= 7 К ;
61
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
Т =
7
11,152
ln
711,152
Т = 47,13 К ;
F
ВЧ
=
13,47309,109
9,7799
86,1
F
ВЧ
= 2,8156 м
2
.
7.1.1.4.3. Высота навивки верхней части аппарата
Н
ВЧ
=
2
ВЧ
tg
1
1
l
,
где
l
ВЧ
– средняя длина трубы в навивке верхней части аппарата , м
l
ВЧ
=
Т
Т
Н
ВЧ
nd
F
l
ВЧ
=
36008,0
8156,2
l
ВЧ
= 3,1135 м ;
tg - тангенс угла наклона навивки в диаметральной плоскости
tg =
Т
Н1С
Т
Н2Т
dzДz
dn
tg =
008,0106,15385,05
008,0263,136
tg = 0,05397 ;
Н
ВЧ
=
2
05397,0
1
1
1135,3
Н
ВЧ
= 0,165 м .
7.1.1.5. Падение давления в потоке отбросной фракции
P
М
ВЧ
= С * Re
n
* F
ВЧ
* А *
ММ
2
М
f2
W
* 10
-6
,
где
62
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
С = 2,65 ;
n = -0,3 ;
P
М
ВЧ
= 2,65 * 1773,43
-0,3
* 2,8156 * 2,1348 *
504,102,02
14,144
2
* 10
-6
,
P
М
ВЧ
= 0,005525 МПа .
7.1.2. Конструктивный расчет нижней части теплообменника
( зона кипения )
7.1.2.1. Исходные данные
Количество отбросной фракции , м
3
/ч......................………………............А = 857,98
Массовый расход отбросной фракции , кг/с...…….…..…….........…….M
А
= 0,28748
Количество фракции безопасности , м
3
/ч................………………....……..Ф
Б
= 127,5
Массовый расход фракции безопасности, кг/с...…….…..……........….M
Фб
= 0,04492
7.1.2.1.1. Температуры , К :
отбросной фракции на входе в аппарат....................................................
ВХ
А
Т
= 253,01
отбросной фракции на выходе из аппарата...................................…….....
ВЫХ
А
Т
= 224
фракции безопасности на входе в аппарат..........................................…....
ВХ
Б
Ф
Т
= 97,5
фракции безопасности на выходе из аппарата........................................
ВЫХ
Б
Ф
Т
= 100,9
7.1.2.1.2. Концентрация во фракции безопасности :
кислорода............................................………………………………….........х
1
= 0,5681
аргона............................................…………………………………...……....х
2
= 0,0142
азота............................................………………………………………..........х
3
= 0,4177
7.1.2.1.3. Давления , МПа :
отбросной фракции на входе в аппарат......................…............................
ВХ
А
P
= 0,115
фракции безопасности на входе в аппарат..............................……………..
ВХ
Б
Ф
P
= 0,4
7.1.2.1.4. Конструктивные размеры аппарата , м :
наружный диаметр трубы....…......................................................................d
Т
Н
= 0,008
внутренний диаметр трубы...…...................................................................d
Т
ВН
= 0,006
количество труб в аппарате......................................................................…........n
Т
= 36
количество слоев в аппарате......................................................................….….....z = 5
63
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
диаметр сердечника……………………………………………………….…Д
С
= 0,392
диаметр корпуса……………………………………………………….………...Д = 0,5
диаметр оребряющей проволоки………………………………………….d
ПР
= 0,0015
шаг оребрения……………………………………………………………...….t
Р
= 0,005
относительный диаметральный шаг навивки ……………………………...
1
= 1,106
относительный осевой шаг навивки ………………………………………..
2
= 1,263
7.1.2.3. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к отбросной фракции
(
М
)
7.1.2.3.1. Массовая скорость отбросной фракции , кг/(м
2
*с)
W
М
=
М
А
f
М
,
где
f
М
= 0,7854 * ( Д
Н
2
– Д
С
2
) * ,
где
- доля свободного объема ,
= 1 -
2
Т
Н21
ПР
2
ПР
2
Т
Н
d
ldd7854,0
,
где
l
ПР
– длина проволоки на 1 п. м. трубы , м
l
ПР
=
P
2
P
2
ПР
Т
Н
t
1
tdd
l
ПР
=
005,0
1
005,00015,0008,0
2
2
l
ПР
= 6,05 м ;
= 1 -
2
22
008,0263,1106,1
05,60015,0008,07854,0
= 0,3181 ;
f
М
= 0,7854 * ( 0,485
2
– 0,392
2
) * 0,3181
f
М
= 0,020325 м
2
;
W
М
=
020325,0
0,28748
64
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
W
М
= 14,144 кг / ( м
2
*с ) .
7.1.2.3.2. Средняя температура потока , К
Т
СР
=
2
Т Т
ВЫХ
А
ВХ
А
Т
СР
=
2
224 253,01
Т
СР
= 238,505 К .
7.1.2.3.3. Теплофизические свойства потока при Т
СР
и Р
А
ВХ
( по свойствам
воздуха )
С
Р
= 1006 Дж/(кг*К) - изобарная теплоемкость отбросной фракции ;
М
= 1544 * 10
-8
Н*с/м
2
- динамическая вязкость отбросной фракции ;
М
= 0,0218 Вт/(м*К) - теплопроводность отбросной фракции ;
М
= 1,609 кг/м
3
- плотность отбросной фракции .
7.1.2.3.4. Критерий Прандтля
Pr
М
=
М
М
P
* C
Pr
М
=
0218,0
0,00001544 * 1006
Pr
М
= 0,7125 .
7.1.2.3.5. Критерий Рейнольдса
Re
М
=
М
М
d * W
,
где
d = d
Э
– определяющий размер , м
где
d
Э
=
ПРПР
Т
Н
21
2
Т
Н
ldd7854,0
d
d
Э
=
05,60015,0008,07854,0
3181,0263,1106,1008,0
2
d
Э
= 0,00212 м ;
65
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
Re
М
=
00001544,0
0,00212 * 14,144
Re
М
= 1942,27 .
7.1.2.3.6. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к отбросной фракции ,
Вт/(м
2
*К)
М
=
М
3
2
М
Р
3,0
М
WАPrСRe168
,
где
А – коэффициент оребрения ,
А =
Т
Н
ПРПР
Т
Н
d
ldd
А =
008,0
05,60015,0008,0
А = 2,1348 ,
М
=
144,141348,27125,0100627,1942168
3
2
3,0
М
= 659,91 Вт/(м
2
*К ) .
7.1.2.4. Коэффициент теплоотдачи от фракции безопасности к стенке трубки
(
Т
)
Для расчета коэффициента теплоотдачи от фракции безопасности к стенке
трубки проводят расчет коэффициентов теплоотдачи на холодном и на теплом
конце данной части аппарата .
q
М
= q
Т
– удельная тепловая нагрузка в любом сечении нижней зоны аппарата ,
Вт/м
2
;
q
М
=
М
* T
М
,
где
T
М
– температурный напор между межтрубным потоком и стенкой трубки , К
T
М
= T
М
- T
СТ
,
где
T
М
– температура межтрубного потока в данном сечении , К ;
66
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
T
СТ
- температура стенки трубки в данном сечении , К ;
q
Т
=
Т
* T
Т
,
где
T
Т
– температурный напор между трубным потоком и стенкой трубки , К
T
Т
= T
СТ
- T
Т
,
где
T
Т
– температура трубного потока в данном сечении , К ;
T
СТ
- температура стенки трубки в данном сечении , К ;
T = T
Т
+ T
М
,
где
T – полный температурный напор между трубным потоком и потоком в
межтрубном пространстве , К .
Расчет обоих коэффициентов проводят методом подбора по нижеследующему
алгоритму .
7.1.2.4.1. Расчет коэффициента теплоотдачи для теплого конца аппарата
Шаг 1 . Вычисляют полный температурный напор для данного сечения аппарата
T
ТК
= T
А
ВХ
- T
Фб
ВЫХ
.
Шаг 2 . Принимают конкретное значение температурного напора между
межтрубным потоком и стенкой трубки T
М
ТК
.
Шаг 3 . Вычисляют удельную тепловую нагрузку межтрубного потока
q
М
ТК
=
М
* T
М
ТК
.
Шаг 4 . Вычисляют температурный напор между трубным потоком и стенкой
трубки
T
Т
ТК
= T
ТК
- T
М
ТК
.
Шаг 5 . По уравнению Брина и Уэствотера вычисляют коэффициент теплоотдачи
Т
ТК
для данного сечения аппарата . Термодинамические свойства пара для
расчета находятся при температуре
Т
П
СР
= 0,5 * (T
СТ
+ T
П
НАС
) ,
где
T
СТ
= T
Фб
ВЫХ
+ T
Т
ТК
.
67
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
Шаг 6 . Вычисляют удельную тепловую нагрузку трубного потока
q
Т
ТК
=
Т
ТК
* T
Т
ТК
.
Шаг 7 . Сравнивают удельную тепловую нагрузку трубного потока q
Т
ТК
и
удельную тепловую нагрузку межтрубного потока q
М
ТК
.
Шаг 8 . При несовпадении удельных нагрузок трубного и межтрубного потоков
повторяют все вышеперечисленные шаги до полного их совпадения .
В результате многочисленных итераций получены следующие величины :
T
ТК
= -
T
ТК
= 152,11 К ;
T
М
ТК
= 29,82 К ;
q
М
ТК
= *
q
М
ТК
= 19678 Вт/м
2
;
T
Т
ТК
= - 29,82
T
Т
ТК
= 122,29 К ;
Т
ТК
=
4
1
ТК
Т
I
ТК
Т
r
В
,
где
r
I
=
r
ТC34,0r
2
ТК
ТП P
,
В
ТК
=
4
1
ПЖП
3
П
П
8
1
ПЖ
2
1
ПЖ
2
Т
ВН
g
g
dg
28,037,0
,
где
T
СТ
= +
T
СТ
= 223,19 К ;
68
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
С
Р П
= 990,68 Дж/(кг*К) - изобарная теплоемкость газообразной фракции
безопасности , вычисляемая по формуле
С
Р П
=
3
2
N
p2
Ar
p1
2
O
p
xCxCxC
,
где
2
O
p
C
942 Дж/(кг*К) – изобарная теплоемкость кислорода при температуре
Т
О
2
= 164,5 К и давлении Р
О
2
= 0,4 МПа , где
Т
О
2
= 0,5*(Т
О
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
О
2
= 0,5*(105,73 + 223,19)
Ar
p
C
546 Дж/(кг*К) – изобарная теплоемкость аргона при температуре
Т
A
r
= 163,8 К и давлении Р
A
r
= 0,4 МПа , где
Т
A
r
= 0,5*( Т
Ar
НАС
+ T
СТ
)
Т
A
r
= 0,5*(102,73 + 223,19)
2
N
p
C
1072 Дж/(кг*К) – изобарная теплоемкость азота при температуре
Т
N
2
= 157,2 К и давлении Р
N
2
= 0,4 МПа , где
Т
N
2
= 0,5*( Т
N
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
N
2
= 0,5*(91,25 + 223,19)
С
Р
=
4177,010720142,05465681,0942
П
= 1314,2 * 10
-8
Н*с/м
2
- динамическая вязкость газообразной фракции
безопасности , вычисляемая по формуле
П
=
3
2
N
2
Ar
1
2
O
xxx
,
где
2
O
1233 * 10
-8
Н*с/м
2
– динамическая вязкость кислорода при температуре
Т
О
2
= 164,5 К и давлении Р
О
2
= 0,4 МПа , где
Т
О
2
= 0,5*(Т
О
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
О
2
= 0,5*(105,73 + 223,19)
Ar
1340 * 10
-8
Н*с/м
2
– динамическая вязкость аргона при температуре
Т
A
r
= 163,8 К и давлении Р
A
r
= 0,4 МПа , где
Т
A
r
= 0,5*( Т
Ar
НАС
+ T
СТ
)
Т
A
r
= 0,5*(102,73 + 223,19)
2
N
1046 * 10
-8
Н*с/м
2
– динамическая вязкость азота при температуре
Т
N
2
= 157,2 К и давлении Р
N
2
= 0,4 МПа , где
Т
N
2
= 0,5*( Т
N
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
N
2
= 0,5*(91,25 + 223,19)
П
=
4177,01010460142,01013405681,0101233
888
П
= 0,0178 Вт/(м*К) - теплопроводность газообразной фракции безопасности ,
вычисляемая по формуле
69
Лист
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Инв. № подл. Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата
П
=
3
2
N
2
Ar
1
2
O
xxx
,
где
2
O
0,0164 Вт/(м*К) - теплопроводность кислорода при температуре
Т
О
2
= 164,5 К и давлении Р
О
2
= 0,4 МПа , где
Т
О
2
= 0,5*(Т
О
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
О
2
= 0,5*(105,73 + 223,19)
Ar
0,0107 Вт/(м*К) - теплопроводность аргона при температуре
Т
A
r
= 163,8 К и давлении Р
A
r
= 0,4 МПа , где
Т
A
r
= 0,5*( Т
Ar
НАС
+ T
СТ
)
Т
A
r
= 0,5*(102,73 + 223,19)
2
N
0,0154 Вт/(м*К) - теплопроводность азота при температуре
Т
N
2
= 157,2 К и давлении Р
N
2
= 0,4 МПа , где
Т
N
2
= 0,5*( Т
N
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
N
2
= 0,5*(91,25 + 223,19)
Т
=
4177,00154,00142,00107,05681,00164,0
П
= 9,26 кг/м
3
- плотность газообразной фракции безопасности , вычисляемая по
формуле
П
=
3
2
N
2
Ar
1
2
O
xxx
,
где
2
O
9,564 кг/м
3
- плотность кислорода при температуре Т
О
2
= 164,5 К
и давлении Р
О
2
= 0,4 МПа , где
Т
О
2
= 0,5*(Т
О
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
О
2
= 0,5*(105,73 + 223,19)
Ar
12,046 кг/м
3
- плотность аргона при температуре Т
A
r
= 163,8 К
и давлении Р
A
r
= 0,4 МПа , где
Т
A
r
= 0,5*( Т
Ar
НАС
+ T
СТ
)
Т
A
r
= 0,5*(102,73 + 223,19)
2
N
8,741 кг/м
3
- плотность азота при температуре Т
N
2
= 157,2 К
и давлении Р
N
2
= 0,4 МПа , где
Т
N
2
= 0,5*( Т
N
2
НАС
+ T
СТ
)
Т
N
2
= 0,5*(91,25 + 223,19)
П
=
4177,0741,80142,0046,125681,0564,9
Ж
= 927,48 кг/м
3
- плотность жидкой фракции безопасности в состоянии
насыщения , вычисляемая по формуле
Ж
=
3
2
N
2
Ar
1
2
O
xxx
,
где
2
O
1058,34 кг/м
3
- плотность жидкого кислорода в состоянии насыщения при
температуре Т
О
2
= 105,73 К и давлении Р
О
2
= 0,4 МПа ,
70