Установки, вырабатывающие 200…2000 кг/ч жидкого кислорода, проектируются на основе цикла высокого давления (рис. Очищенный воздух фильтруется в одном из фильтров А13 ил А14 и далее делится на два потока: одна часть поступает на расширение в турбодетандер ТД1., а другая часть (дроссельный поток) направляется в теплообменник А4, где охлаждается отбросным азотом. Далее весь поток поступает на разделение в колонну А7. За счет предварительного разделения в этой колонне конденсируются пары азота, а с нижней тарелки в куб колонны стекает обогащенный кислородом жидкий воздух. В верхней колонне потоки азотной флегмы и кубовой жидкости участвуют в окончательном разделении воздуха на азот и кислород.A(10), C(10) COMMON /D/ F(10) COMMON /E/ B(8,10) COMMON /M/ AM(7), BM(15), IM(15), JM(15) COMMON /SS/ SN COMMON /L/ AL(9), BL(15), IL(15), JL(15), CL(7) COMMON /T5/ FI, DE, DPR, E1, E2 COMMON /T6/ DR, DELTAR, TAUR, FIT open (5, file=’heat.dat’) READ(5, 8) NV, NK1,NK2 8 FORMAT (3I5) READ (5,9) D1, D2, TRO, TZO, DC, QT 9 FORMAT (6F10.5) READ (5, 10) T1, T2, T3, T4 ,P1, P2 10 FORMAT (6F10.5) READ (5, 11) W1, W2, GM1, GM2 , DTCR 11 FORMAT (5F10.5) READ (5, 12) FI, DE, DPR, E1, E2 12 FORMAT (5F10.5) READ (5, 13) DR, DELTAR, TAUR, FIT 13 FORMAT (4F10.5) CALL KRIAG3 CALL RTEP (D1, D2, TRO, TZO, DC, T1, T2, T3, T4 ,P1, P2, QT, W1, W2, GM1, GM2 , DTCR, NV, NK1, NK2) STOP END A(10), C(10) COMMON /D/ F(10) COMMON /E/ B(8,10) COMMON /M/ AM(7), BM(15), IM(15), JM(15) COMMON /SS/ SN COMMON /L/ AL(9), BL(15), IL(15), JL(15), CL(7) DIMENSION D(100), JZN(100), BS(100), SL(100), NX(25) WRITE (20, 8) 8 FORMAT (/25X,’ISHODNII PARAMERTI’/) WRITE (20,9) DTCR, D1, D2, TRO, TZO, DC FORMAT (2x,’DT=’, F6.2, 2x,’D1=’, F6.3, 2x, ’D2=’, F6.3, 2x, ’TRO=’, F6.3, 2x, ’TZO=’, F6.3, 2x, ’DC=’, F6.3) WRITE (20, 19) T1, T2, T3, T4 ,P1, P2, Q, FI, DE, DPR, E1, E2 19 FORMAT (2x, ’T1=’, F6.2, 2x, ’T2=’, F6.2, 2x, ’P1=’, F6.3, 2x, ’P2=’, F6.3, 2x, ’T3=’, F6.2, 2x, ’T4=’, F6.2, 2x, ’Q=’, F6.2, 2x, ’FI=’, F6.3, 2x, ’DE=’, F10.5, 2x, ’DPR=’, F10.5, 2x, ’E1=’, F10.5, 2x, ’2E=’, F10.5) WRITE (20, 119) GM1, GM2, W1, W2, NV, NK1,NK2 119 FORMAT (2x, ’GM1=’, F6.2, 2x, ’GM2=’, F6.2, 2x, ’W1=’, F6.3, 2x, ’W2=’, F6.2, 2x, ’NV =’, I3, 2x, ’NK1=’, I3, 2x, ’NK2=’, I3) IF (N.EQ. 6) CALL CH4 WRITE (20, 71) 71 FORMAT (25x, ‘ RASTCHTET RTEPLO’) T= (T1 T2)/2. WRITE (6, 555) RO1, MU1, LAMDA1, CP1 555 FORMAT (2x, 4E15.7) TR= TRO*D2 TZ= TZO*D2 IF (NV.EQ.5) TZ= D2 1.5*DPR IF (NV.EQ.5) TR= .866*(D2 1.5*DPR) DELTA= TR-D2 IF (NV.EQ.6) TR= DR*TRO IF (NV.EQ.6) TZ= DR*TZO IF (NV.EQ.6) DELTA= TR-TZ XN= .75 DO 65 I=1, 25 65 NX(I)= 1 ((2*I-1)**2-1)*NX NT= GM1/(.785*W1*RO1*D1**2) .5 IF (NT.LE.1) NT=1 W1=GM1/(.785*NT*RO1*D1**2) CALL ALFAT (W1, D1, DC, MU1, RO1, CP1, LAMDA1, ALFA1, DZITA1, RE1) N=NK2 IF (N.EQ. IF (AA.GT.0) MPS= 1.1 IF (AA.LT.0) MPS= .00866*EL**2.-.1952*EL 2.3234 DP1= (DZITA1*MPS*RO1*LO*W1**2.)/ (2*D1*10**3.) WRITE (20, 40) ALFA1, ALFA2, KQ, F1, F2 40 FORMAT (5x, ‘ALFA1=’, F8.2, 2x, ‘ALFA2=’, F8.2, 2x, ‘KQ=’, F8.2, 2x, ‘F1=’, F7.4, 2x, ‘DZAR2=’, F10.2) WRITE (20, 43) DP1, DP2, H, LO, NT 43 FORMAT (5x, ‘DP1=’, F10.3, 2x, ‘DP2=’, F10.3, 2x, ‘H=’, F7.4, 2x, ‘LO=’, F7.4, 2x, ‘NT=’, I4) WRITE (20, 55) 55 FORMAT (15x, ‘TABLICA NAVIVKI’) WRITE (20, 56) WRITE (20, 57) WRITE (20, 58) WRITE (20, 59) 56 FORMAT (5x, ‘___________________________________________________________________________’,/) 57 FORMAT (5x, ‘NOMER DIAMETR KOLIC KOLIC DLINA’) 58 FORMAT (5x, ‘SLOIA SLOIA VITKOV ZAHODOV TRUBKI’) NP=0 DO 70 I=1, NKK D(I)= DC TR*(2*I-1) HH=2*NT*D(I)/ (DHAP DC)/ NKK NS= HH .5 IF (I.EQ.SUBROUTINE RKINOT(trez) common/dan/NK1,NK2,Q,p1,d1,d2,st,DTV,HH_,Hok_,cm_,Htr,Hsg_,ntr_ common/danr/hr,cr,br,dr,Nr common/in2/C1,DTSR,GCF external SDT character(80) trez !переменная для сообщений об ошибках character(10) prod select case(NK1) case(1); prod="Aer" case(2); prod="N2" case(3); prod="Ar" case(4); prod="O2" case(5); prod="He1" case(6); prod="He2" endselect !теплота парообразования rov1=rov(p1,T1) !плотность пара rol1=rol(p1,T1) !плотность жидкости select case(NK2) case(1); prod="Aer" case(2); prod="N2" case(3); prod="Ar" case(4); prod="O2" case(5); prod="He1" case(6); prod="He2" endselect Alfa2=Q2/(F2*DT2) !коэффициент теплоотдачи при конденсации write(1,*) write(1,*)" РЕЗУЛЬТАТЫ КОНСТРУКТОРСКОГО РАСЧЕТА" write(1,*) write(1,*)"Температура в верхней части испарителя, К ",T1 !write(1,*) write(1,*)"Температура в верхней части конденсатора, К ",T2 write(1,*)"Давление в конденсаторе, МПА ",p2 !write(1,*)"Плотность теплового потока кипения, Вт/кв.
Введение
Кислород в промышленности используется только в газообразном состоянии. Однако, при больших масштабах его потребления, транспортировка и хранение кислорода в жидком состоянии экономически и технически выгоднее, чем в газообразном состоянии. В этой связи в промышленности эксплуатируются различные типы установок, производящих жидкий кислород. Сложность схемы зависит от производительности. Установки, вырабатывающие 200…2000 кг/ч жидкого кислорода, проектируются на основе цикла высокого давления (рис. 1). В качестве прототипа была выбрана воздухоразделительная установка средней производительности КЖКАЖ-0,25. Схема данной установки (см. плакат 1) основана на использовании цикла высокого давления с расширением части в охлаждаемого воздуха в турбодетандере[8]. Атмосферный воздух после очистки от механических примесей поступает в компрессор К1, где сжимается до 20 МПА. После концевого холодильника этот поток охлаждается в теплообменнике-ожижителе А3 до Т=276К потоком продукционного азота. В этом аппарате выделяется сконденсированная влага, что облегчает работу блока очистки (адсорберы А11 и А12), куда затем поступает сжатый воздух. Очищенный воздух фильтруется в одном из фильтров А13 ил А14 и далее делится на два потока: одна часть поступает на расширение в турбодетандер ТД1., а другая часть (дроссельный поток) направляется в теплообменник А4, где охлаждается отбросным азотом. Поток воздуха после расширения в турбодетандере смешивается с дроссельным потоком. Далее весь поток поступает на разделение в колонну А7. За счет предварительного разделения в этой колонне конденсируются пары азота, а с нижней тарелки в куб колонны стекает обогащенный кислородом жидкий воздух. Пары азота конденсируются в конденсаторе А9. Образующаяся таким образом азотная флегма служит для орошения нижней А7 и верхней А8 колонн. Поток азотной флегмы, идущий в верхнюю колонну, предварительно переохлаждается в переохладителе А6. Это позволяет снизить долю пара в процессе дросселирования через ветниль ВР3. Кубовая жидкость из нижней колонны, пройдя в переохладитель А6, дросселируется в соответствующее сечение верхней колонны. Этот поток перед поступлением в верхнюю колонну проходит переохладитель жидкого кислорода А5. В верхней колонне потоки азотной флегмы и кубовой жидкости участвуют в окончательном разделении воздуха на азот и кислород. Газообразный азот выводится из верхней части колонны А8, нагревается последовательно в аппаратах А6, А4, А3 и выбрасывается в атмосферу. Часть его в определенные периоды используются для регенерации адсорберов блока очистки А11 и А12. Для этой цели азот подогревается в подогревателе А15. Жидкий кислород из нижней части колонны А8 поступает в межтрубное пространство испарителя А9. За счет теплоты, подводимой от конденсирующихся паров азота, кислород кипит. Образующиеся пары возвращаются в колонну А8. Часть жидкого кислорода из испарителя А9 идет в переохладитель А5, после чего сливается в емкости. При полном отогреве или в аварийных ситуациях, сопровождающихся остановкой блока, жидкость из конденсатора и нижней колонны сливается в испаритель А16.
Схема цикла высокого давления (рис. 1)
1-компрессор. 2- блок очистки. 3- турбодетандер. 4- основной теплообменный аппарат. 5- нижняя колонна. 6- верхняя колонна. 7- конденсатор - испаритель. 8- переохладитель. 9- переохладитель жидкого кислорода. 10- теплообменник - ожижитель.
Выбор исходных данных
В установках для получения жидкого О2 концентрация азотной флегмы ХА принимается равной или приблизительно равной концентрации УА отходящего из верхней колонны газообразного азота. При концентрации кислорода 99.2 моль О2/моль (по условию), концентрация азота в уходящем азоте составляет 4 моль О2/моль. УА= ХА=0.973 моль N2/моль[9]. Концентрация кубовой жидкости (при вводе в колонну смеси дросселируемого и расширенного в детандере воздуха, если установка работает по циклу высокого давления) XR = 0.32-0.34 моль О2/моль. XR=0.34 моль O2/моль[9].
При расчете процесса разделения воздуха в колонне двукратной ректификации давление в верхней колонне принимается исходя из гидравлических сопротивлений коммуникаций и аппаратов, стоящих на пути продуктов разделения. Обычно сопротивление этих линий составляет 0.03…0.04 МПА. Тогда давление в низу верхней колонны будет: Рв.к = 0.13…0.14 МПА.
Принимается Рв.к = 0.13 МПА. Для получения среднего давления при котором кипит жидкий кислород в межтрубном пространстве конденсатора, необходимо учесть давление гидростатического столба жидкости Рср.к.
, где
H-высота гидростатического столба жидкости в конденсаторе, принимается равной 0.4…0.8 м. Принимается H=0.5 м. ?02- плотность жидкого кислорода при его состоянии в конденсаторе-испарителе. Принимаю ?02 = 1118.5 кг/м3.
МПА
По концентрации кислорода и среднему давлению в колонне определяется средняя температура кипения кислорода . К [2]. Принимая средний температурный напор в конденсаторе-испарителе равным = 3…4 К, определяется температура конденсации паров азота: , К.
По температуре конденсации азота определяется давление в нижней колонне. МПА [2].
Расчет на ПК узла ректификации [10]
Расчет ректификации на ЭВМ выполняется в программе, разработанной на языке FORTRAN, и позволяет производить термодинамический и технологический расчеты ректификационных колонн. Она представляет собой структурированный файл, состоящий из нескольких программ типа SUBROUTINE. Программа разработана на кафедре криогенной техники, находится в студенческом архиве и имеет имя KOLONNA. Структура головного сегмента приводится ниже: // JECSUR JOB 319-01, CYPIHA, 3-81, PROEC1, MS6LEVEL-1, CLASS-C // EXEC FORTGCLG // FORT. SYSPRINT DO SYSOUT=J COMMON/IS/IS, IS1 REAL*8 IS (82), IS1 (36) NAMELIST/LIST1/IS/LIST2/IS1 READ (5, LIST1) IF (IS (82)) 1, 2, 1 1 READ (5, LIST2) 2 CALL PROEC1 STOP 5 END При расчете процесса ректификации воздух рассматривается как смесь трех компонентов N2 - Ar - О2. В колонну подается шесть потоков питания: N, S, R, D и выводится пять продуктов разделения: А, Е, С, Н, К. При проведении этого расчета используются принятые концентрации продуктов разделения воздуха и концентрации промежуточных продуктов разделения - кубовой жидкости и азотной флегмы. Методика расчета процесса ректификации позволяет рассматривать воздух как смесь трех компонентов и дает возможность проводить определение не только числа теоретических тарелок, но и действительных. При расчете колонн простой структуры «лишние» потоки обнуляются. Для расчета нижней колонны задаются количество вещества в потоке питания В, его состав и энергетическое состояние, тепловая нагрузка на конденсатор (Q=4000-5000 Дж/моль), давление колонны. Конечными продуктами разделения являются азотная флегма D и кубовая жидкость R, которые являются потоками питания для расчета верхней колонны. Продуктами разделения верхней колонны являются потоки газообразного азота А и жидкого кислорода К. Основу расчета составляет определение средних коэффициентов эффективности каждой тарелки, которые зависят от гидродинамических, конструктивных и термодинамических показателей.
Коэффициенты эффективности рассчитываются по схеме: . где z - число ветвей потоков на тарелке, gz - относительный расход жидкости на ветвях потока (? gz=1), ?z - относительная скорость пара на ветвях потока, sz - число секций полного перемешивания в ветвях потока. При расчете расстояние между тарелками l, должно быть таким, чтобы верхняя граница слоя пены не доходила до вышележащей тарелки ( ) [2]. Для определения материальных потоков и нагрузки на конденсатор-испаритель производится термодинамический расчет (приложение 1).
Список литературы
1. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы. В 2 т. Т. 1: Основные теории и расчета: Учебник для студентов вузов. 3-е изд. М.:Машиностроение, 1996. 575 с;
2. Архаров А.М., Смородина А.И. Криогенные системы. В 2 т. Т.2:Основы проектирования аппаратов, установок и систем: Учебник для студентов вузов. 2-ое изд. М.:Машиностроение, 1999. 720с;
3. Расчет криогенных установок. Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, С. С. Будневич. Учеб. Пособие для холодильных и технологических вузов. 2-е изд., перераб.. и доп.
Л.: Машиностроение, 1979. 367 с;
4. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М. П. Малкова М.: Энергия, 1973.
5. Солнцев Ю. П., Борзенко Е. И., Вологжанинова С. А. Материаловедение, выбор и применение. Учебное пособие. ХИМИЗДАТ.
6. А. А. Лощинский, А. Р. Торчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. 2-е изд., перераб.. и доп. Л.: Машиностроение.
7. Теплофизические св-ва криопродуктов. Учебное пособие для вузов. Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, В. Н. Новотельнов. СПБ: Политехника, 2001. - 243 с. 8. Акулов Л. А., Холодковский С. В. Криогенные установки (атлас технологических схем криогенных установок): Учеб. пособие.-СПБ.:СПБГАХПТ, 1995. -65 с.
9. Акулов Л. А., Холодковский С. В. Криогенные установки. Метод. указания. 2-е изд., испр.- СПБ.: СПБГУНИПТ, 2008. -33 с.
10. Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко. Расчет на ЭВМ ректификационных колонн узла разделения воздуха. Метод. указан. 2-е изд., испр.- СПБ.: СПБГУНИПТ, 2008. -25 с.
11. Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, Иванов Д. Н., Расчет двухпоточных витых Теплообменников на ЭВМ. Метод. указан. .- СПБ.: СПБГУНИПТ, 2008. -33 с. 12. Автоматизированный расчет трубчатых кондненсаторов-испарителей. Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, А. В. Зайцев, Метод. указан. по курсовому и дипломному проектированию . СПБ.: СПБГУНИПТ, 2007. -33 с.
13. Акулов Л. А., Холодковский С. В. Графическая часть курсовых проектов. Метод. указан. СПБ.: СПБГУНИПТ, 2008. -38 с.