Свит Т.Ф. Основы разделения воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

121

89,2

48000

3146200

⋅⋅

∆

tсB

робр

кДж/кг.

Потери в окружающую среду принимаем равными

= 3,14 кДж/кг.

Энтальпия жидкого кислорода при давлении его в конденсаторе

разделительного аппарата 0,15 МПа по диаграмме I–lgP составляет:

К,Ж

= 27,2 кДж/кг.

Энтальпия кислорода при Р=0,12 МПа и Т=293 К

=429,5 кДж/кг. Следовательно, количество холода, уносимого

из аппарата с 1кг жидкого кислорода, составляет:

К,Ж

= i

′ − i

К,Ж

= 429,5 – 27,2 = 402,3 кДж/кг.

Таким образом, часовой расход холода в установке равен:

Q = B(q

+ q

)+ Kq

К,Ж

= 48000 (3,14 + 2,89)+1800·402,3 = 1015656 кДж/ч

или 1015,7 МДж/ч.

Холодопроизводительность цикла (кДж/ч):

= B[(i

−i

) + В

дет.

– i

)η

ад

Температуру перед детандером принимаем равной 117 К и адиа-

батический к.п.д. турбодетандера η

ад.

=0,8. По диаграмме T–S находим:

Р=0,6 МПа; Т=293 К; i

=503,6 кДж/кг;

Р=0,6 МПа; Т=117 К; i

=318,4 кДж/кг;

Р=0,15 МПа; Т=85 К; i

=280,7 кДж/кг.

Тогда количество детандерного воздуха (В

дет.

) равно:

дет.

129890

8,0)7,2804,318(

)6,5033,505(480001015656

)(

⋅−

−−

′

−

′′

−

′

−

ад

BBx

iiBQ

кг

122

Расход энергии на сжатие воздуха до 0,6 МПа при к.п.д. турбо-

компрессора η

= 0,7:

06,0

1,0

6,0

lg2930002634,0 =⋅=

N кВт-ч/кг.

Возврат энергии турбодетандером при механическом к.п.д. его

= 0,9:

0075,0

3600

8,0)7,2804,318(9,0

⋅−

дет

N кВт-ч/кг.

Удельный расход энергии:

47,1

1800

310000075,006,048000

⋅−⋅

⋅−

ВдетNBN

детK

уд

кВт-ч/кг жидкого кислорода.

Пример 8.9.

По номограмме T–P–I–X–Y (рисунок 8.2) составьте

таблицу для построения диаграммы T–X−Y системы азот–кислород

при давлении 0,13 МПа.

Решение

. При давлении 0,13 МПа температура кипения азота

79,7 К, кислорода

92,5 К.

Выбираем произвольно температуры в интервале от 79,7 до 92,5

К, например, 82, 84, 86, 88 и 90 K и для них находим равновесные кон-

центрации азота в жидкости Х и в паре Y. Результаты запишем в виде

таблицы:

Т, К 79,7 82 84 86 88 90 92,5

X, мольные % 100 67,5 48 38 21 11 0

Y, мольные % 100 88,8 77,5 65,3 50 33 0

Пример 8.10.

Найдите температуру кипения смеси азота с кисло-

родом, содержащей 60 мол. % азота, под давлением 0,6 МПа, содержа-

ние азота в равновесном паре, энтальпии жидкости и пара.

Решение.

По номограмме T–P–I–X–Y (рисунок 8.2) на пересече-

нии изобары Р=0,6 МПа и линии постоянного состава X=60 % азота в

области жидкости находим: Т=100,6 К, I′=5992 кДж/кмоль.

На пересечении изотермы Т=100,6 К с изобарой Р=0,6 МПа в об-

ласти пара находим: I"=9972 кДж/кмоль, Y=79 %.

123

Пример 8.11.

Определите тепловую нагрузку змеевика испарите-

ля нижней колонны. Давление в колонне 0,6 МПа. Кубовая жидкость

содержит 42 % О

и 58 % N

. Температура и давления воздуха, посту-

пающего в змеевик, равны Т

=145,5 К, Р=5 МПа.

Количество перерабатываемого воздуха составляет 727 кг/ч.

Решение.

По номограмме T–P–I–X–Y находим температуру ки-

пения кубовой жидкости при давлении 0,6 МПа, Т

=101 К.

Энтальпия воздуха при давлении 5 МПА и температуре 145,5 К

равна i

=287 кДж/кг.

Примем разность температур между жидкостью испарителя и

воздухом на выходе из змеевика, равной 5 К.

Тогда температура воздуха на выходе из змеевика равна:

= Т

+ 5 = 101 + 5 = 106 К.

В соответствии с уравнением (8.28) количество передаваемого

тепла в змеевике составляет:

зм

= В(i

-i

Величину i

определяем по диаграмме Т–S для воздуха

при Р=5 МПа и Т

=106 К: i

=145 кДж/кг.

Тогда Q

зм.

= 727 (287 – 145) = 103074 кДж/ч.

По диаграмме T–S определяем, что при давлении 5 МПа и темпе-

ратуре 106 К воздух в змеевике находится в жидком состоянии.

Пример 8.12

Выполните материальный и тепловой расчеты воз-

духоразделительной установки (в целом) по следующим данным:

производительность установки по технологическому кислороду

(при 20

С и давлении 0,1 МПа) 12500 м

;

содержание азота, мольные доли:

в кубовой жидкости х

0,62

в азотной флегме х

0,985

в азоте у

0,985

в кислороде у

0,045

Температура, К:

воздуха (начальная) 303

“петлевого” воздуха

на выходе из регенератора 160

124

азота на выходе из переохладителя 95

воздуха на входе в турбодетандер 117,5

разность температур на холодном

конце переохладителя, К

∆

2,5

недорекуперация , К:

в азотных регенераторах

∆

в кислородных регенераторах

∆

- Давление, МПа:

в испарителе верхней колонны Р

0,14

за турбодетандерами Р

0,14

в нижней колонне Р

0,56

потери холода q

, кДж/м

воздуха 5

в том числе:

в верхней колонне 2,1

в нижней колонне 1,25

в регенераторах 1,65

потери воздуха в блоке, % 6

Решение.

Расчет ведем на 1 м

перерабатываемого воздуха. По

уравнению (8.8) находим количество получаемого кислорода:

2062,0

045,0985,0

791,0985,0

791,0

−

КА

уу

Количество отходящего азота:

А = 1 – К = 0,7938 м

Общее количество перерабатываемого воздуха:

60600

2026,0

12500

==В м

/ч,

В пересчете на воздух, приведенный к нормальным условиям (0

и 0,1 МПа), его количество составит:

56500

)20273(

27360600

⋅

/ч.

125

Производительность турбокомпрессора с учетом 6 % потерь воз-

духа равна:

60600·1,06 = 64200 м

/ч (20

С, 0,1 МПа)

или при н.у. 56500·1,06 = 59900 м

/ч.

Материальный баланс нижней колонны сводится к определению

количества в ней азотной флегмы Л и кубовой жидкости М. Для уста-

новок низкого давления, в которых воздух из турбодетандера поступа-

ет в верхнюю колонну, уравнение материального баланса нижней ко-

лонны можно вывести только после составления баланса холода и оп-

ределения количества

детандерного воздуха.

Составим баланс холода установки.

Приход холода

1) За счет изотермического эффекта дросселирования воздуха

(

∆

др

∆

др

= i

– i

где i

и i

– энтальпии воздуха при давлении 0,6 и 0,1 МПа и тем-

пературе 303 К.

По диаграмме T–S для воздуха или по формуле

∆

др

= с

∆

др

где

∆

др

– понижение температуры воздуха при дросселировании;

– теплоемкость воздуха;

эффект дросселирования составляет:

∆

др

= 430,5 – 429,4 = 1,1 кДж/кг воздуха

или

∆

др

= 43,1

4,22

291,1

⋅

кДж/м

воздуха.

2) При расширении воздуха в турбодетандере:

∆

дет

= В

дет.

ад

где В

дет.

– количество детандерного воздуха;

ад

= 0,8;

h – изменение энтальпии при адиабатическом расширении возду-

ха, имеющего температуру 117,5 К, от давления 0,55 (с учетом гидрав-

лического сопротивления на пути детандерного воздуха, равного 0,01

МПа), до 0,14 МПа.

126

По диаграмме T–S находим h:

h = i

0,55

– i

0,14

= 413 – 369,4 = 43,6 кДж/м

Отсюда

∆

дет

= В

дет

0,8·43,6 кДж/м

Суммарный приход холода (холодопроизводительность установ-

ки) составляет:

∆

др

∆

дет

= 1,43 + В

дет

0,8·43,6 кДж/м

Потери холода

1) Из-за недорекуперации в кислородных регенераторах

= Kc

∆

Теплоёмкость кислорода при 297 К равна с

рК

= 1,307 кДж/(м

·К).

Тогда:

= 0,2026·1,307·6 = 1,63 кДж/м

2) Из-за недорекуперации в азотных регенераторах

= Аc

pА

∆

Теплоёмкость азота при 297 К равна с

рА

= 1,3 кДж/(м

·К):

= 0,7938·1,3·4 = 4,13 кДж/м

3) Потери холода через изоляцию q

= 5 кДж/м

Уравнение баланса холода

= q

+ q

или 1,43 + В

дет

0,8·43,6 = 1,63 + 4,13 + 5.

Из последнего уравнения определяем количество воздуха, посту-

пающего в турбодетандер:

267,0

88,34

43,176,10

−

дет

В м

/м

перерабатываемого воздуха

127

Уравнение материального баланса нижней колонны имеет вид:

1 = М + Л + В

дет

Уравнение баланса азота:

0,791 = Мх

+ Лх

+ В

дет

0,791.

Решая совместно два последние уравнения, получим:

0,791 = х

– Мх

– В

дет.

+ Мх

+ 0,791 В

дет

После преобразования последнего имеем:

МЛ

хх

дет

−

−−

)791,0)(

Подставив в последнее уравнение значения В

дет

, х

и х

, найдем

количество кубовой жидкости:

390,0

62,0985,0

)791,0985,0)(267,01(

−

−−

=М м

и количество азотной флегмы:

Л = 1 – М – В

дет

= 1 – 0,390 – 0,267 = 0,343 м

Пример 8.13

. По данным примера 8.12 выполните тепловые рас-

четы нижней и верхней ректификационных колонн.

Решение.

Тепловой баланс нижней колонны, выражается уравне-

нием:

+ q

= Mi

+ Лi

+ В

дет.

где q

– потери холода в нижней колонне (1,25 кДж/м

);

– тепло, отдаваемое в конденсаторах при конденсации азота;

, i

– энтальпии воздуха, кубовой жидкости и азотной флег-

мы при давлении в нижней колонне, кДж/кг.

Величины энтальпий следует брать по номограмме Т–Р–I–X–Y

или по диаграмме I–X. Они равны i

=443,9; i

=256,8; i

=163,4 кДж/м

128

Подставив эти величины в уравнение теплового баланса нижней

колонны, находим тепловую нагрузку конденсатора:

= 443,9 + 1,25 – 0,391·256,8 – 0,344·163,4 – 0,267·443,9 = 170 кДж/м

Тепловой баланс верхней колонны имеет вид:

Лi

Лп

+ Mi

Mп

+ В

дет

14,0

+ q

= Ai

+ Ki

где i

Лп

Mп

– энтальпии переохлажденных азотной флегмы и кубо-

вой жидкости, поступающих в верхнею колонну, кДж/м

;

14,0

– энтальпия воздуха при давлении в верхней колонне (0,14

МПа), кДж/кг.

Тепловой баланс верхней колонны служит для проверки значения

. Если оно такое же, как для нижней колонны, то исходные данные

для расчета приняты правильно.

Лп

= i

– c

рЛ

∆

где с

рЛ

– теплоемкость азотной флегмы, кДж/(кг·К);

∆

– переохлаждение азотной флегмы, К.

∆

= Т

ЛН

− Т

ЛК

где Т

ЛН

и Т

ЛК

– температура жидкого азота на входе в азотную

секцию переохладителя жидкости и на выходе из неё, (начальная и

конечная) К.

ЛН

находим по диаграмме I–lgP при 0,55 МПа; Т

ЛН

= 95,5 К

ЛК

= Т

+ ∆Т

п.

Здесь Т

– температура насыщения газообразного азота при дав-

лении 0,125 МПА. По диаграмме I–lgP Т

= 79,5 К.

∆

– разность температур на холодном конце секции; по условию

∆

= 2,5 К.

Следовательно, Т

ЛК

= 79,5 + 2,5 = 82 К

∆

= 95,5 – 82 = 13,5 К

При 82 К теплоёмкость азотной флегмы равна с

рЛ

= 2,669

кДж/(м

·К).

129

Тогда i

Лп

= 163,4 – 2,669·13,5 = 127,4 кДж/кг.

Энтальпия переохлажденной кубовой жидкости

Mп

= i

– c

∆

где

∆

= Т

МН

– Т

МК

МН

и Т

МК

– температура кубовой жидкости на входе в переохла-

дитель и на выходе из него, К.

МН

по номограмме T–P–I–X–Y при давлении 0,56 МПа равна

99,4 К.

Переохлаждение кубовой жидкости находится по уравнению теп-

лового баланса секции переохлаждения кубовой жидкости (здесь не

приводится). Оно равно

∆

= 3,1 К.

Тогда Т

МК

= 99,4 – 3,1 = 96,3 К.

Теплоёмкость кубовой жидкости при средней температуре её 97 К

равна:

рМ

= (0,62·2,727 + 0,38·2,447) = 2,621 кДж/(м

·К),

где 2,727 и 2,447 кДж/(м

·К) – теплоёмкость азота и кислорода

при температуре 97 К.

Энтальпия переохлажденной кубовой жидкости:

Мп

= 256,8 – 2,621·3.1 = 248,7кДж/м

Энтальпия воздуха на выходе из детандера при давлении 0,14

МПа по номограмме T–P–I–X–Y равна i

0,14

= 433,3 кДж/м

Потери холода в верхней колонне q

= 2,1 кДж/м

Энтальпия отходящего азота при 0,125 МПа i

= 368,9 кДж/м

Энтальпия продукционного кислорода i

= 679 кДж/м

Подставив все найденные величины в уравнение теплового ба-

ланса верхней колонны, находим тепловую нагрузку конденсатора:

= 174 кДж/м

Совпадение расчетных величин тепловой нагрузки конденсатора

достаточно удовлетворительное.

Пример 8.14

. Используя данные примера 8.12 и результаты теп-

ловых расчетов нижней и верхней колонн (пример 8.13), составим ма-

териальный и тепловой расчеты основного и выносного конденсато-

ров.

130

Решение.

Общее количество азота, конденсирующегося в меж-

трубном пространстве конденсаторов, составляет:

791,0

215

170

===

общ

где r

= 215 кДж/м

– теплота конденсации азота (находим по

диаграмме I–lgP при давлении 0,55 МПа).

Общее количество кислорода, испаряющегося в трубках конден-

сатора, равно:

568,0

299

170

===

общ

где r

= 298,8 – теплота парообразования кислорода (находим по

диаграмме I–lgР при давлении 0,14 МПа).

В выносном (дополнительном) конденсаторе должен быть испа-

рен весь продукционный кислород. Поэтому количество азота, которое

конденсируется там (А

) можно определить из выражения:

= Kr

откуда

287,0

215

2992062,0

⋅

Кr

Количество азота, конденсирующегося в основном конденсаторе,

равно:

= А

общ

– А

= 0,791 – 0,287 = 0,504 м

Количество жидкого азота, поступающего на орошение нижней

колонны, равно: А

= А

общ

– Л = 0,791 – 0,344 = 0,447 м

Определяем количество паров кислорода, поступающих на обог-

рев верхней колонны:

= К

общ

– К = 0,568 – 0,2062 = 0,3618 м

Тепловая нагрузка основных конденсаторов составляет:

= K

·r

= 0,3618·299 = 108,5 кДж/м

Тепловая нагрузка выносного конденсатора составляет:

= Кr

= 0,2062·299 = 61,5 кДж/м