Материал: Расчёт воздухоразделительной установки

IR=µСр·TR;(4.22)

IR=67,2·2.2= 147.84 кДж/кмоль

Энтальпия кубовой жидкости после аппарата:

I19= I18-IR(4.23)

=-2465-147.84 =-2613.31 кДж/кмоль.19=101.06 К - температура кубовой жидкости после аппарата при Р=0.685 Мпа и I19=-2613.31 кДж/кмоль определяем по уравнению смешения.

Т19=0.32*111.252+0.0142*108.251+0.6658*96.008=101.06 К;

I31=2390.78 кДж/кмоль - энтальпия фракции перед аппаратом при Р=0.154 МПа находим по уравнению смешения: 33.415 % О2; 2.27 % Ar; 64.074 % N2

I31=0.3019*2668.8+0.0228*1824+0.6753*2268=2378.7 кДж/кмоль.

Т31==87,04 К , Р=0,154 МПа.

I32= I31+(R(I18- I19 )+ qохл /3)/Ф;(4.24)

32=2378,7+(0,6547*(-2465,67+2613,31)+5/3)/0,4231=2611,1 кДж/кмоль -энтальпия фракций после аппарата при Р=0,149 МПа, Т32=92,89 К.

2.5.3 Охладитель жидкого кислорода

Из уравнения энергетического баланса охладителя жидкого кислорода определяются параметры кубовой жидкости аппарата, точка 21.

R(i21 - i20) = K(i25 - i26)+ qохл /3,(4.25)

Где i25=-4124,8 кДж/кмоль -энтальпия жидкого кислорода в насыщенном состоянии при Р=0,165 МПа.

i21= i20 +(К(i25- i26)+ qохл /3) R. (4.26)

Температура жидкого кислорода после аппарата:

Т26= Т25-ТК;

Т20= 95,103-6= 89,103 К.

I26= -4460,8 кДж/кмоль - энтальпия жидкого кислорода после аппарата при Р= 0.160МПа и Т26= 89.103 К.

Энтальпия кубовой жидкости перед аппаратом:

I20= I19 = -2613,31 кДж/кмоль.

Т20 =85,93 К-температура кубовой жидкости при Р 20= 0.161 МПа и

I20=- 2613,31 кДж/кмоль, определяем по уравнению смешения:

Т20= 0,32*94,842+0,0142*91,918+0,6658*81,513=85,93 K.

I21=-2613,31+(0,082*9-4124,8+4460,8)+5/3)/0,6547=-2568,68 кДж/кмоль.

Т21=85,62 -температура кубовой жидкости при Р=0,156 МПа и I21=-2568,68 кДж/кмоль, определяем по уравнению смешения:

Т21=0,32*94,508+0,0142+91,586+0,6658*81,214=85,62 К.

.5.4 Энергетический баланс установки

Целью баланса является определение параметров продукционного азота на выходе из основного теплообменника.

В*DIT + D*Нд = qбр+qL + qн + qн А + qн к ;(4.27)

Где B·IT = - - изотермический дроссель-эффект сжатия воздуха до 6 МПа.

= 8212,8 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р = 0.1 МПа и Т = 283 K;

= 7798,1 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р = 6 МПа и Т = 283 K.

B·IT = 8212,8 - 7798,1 = 414,7 кДж/кмоль.

D * HD - холод, производимый в детандере.

При Т15 = 160К и Р15 = 6,0 МПа, і15 = 2938,1 кДж/кмоль,S15 = 114,42 кДж/(кмоль·К);

Действительный перепад в турбодетандере

HД = η·(i15 - i16ад),(4.28)

Где η=0,72 -адиабатический КПД турбодетандера,

і16ад = 1517,7 кДж/кмоль - энтальпия при адиабатном расширении при S15 = 114,42 кДж/(кмоль·К) и Р=0,69 МПа;

НD = 0.72 * (2938,1-1517,7)= 1022,7 кДж/кмоль

D * Hd = 0,9 * 1022,7 = 920,43 кДж/кмоль.

qбр = 150 кДж/кмоль -теплопритоки к блоку разделения;

qн -потери холода с жидким кислородом;

qH = К·(і0.1283 - і26);(4.29)

qH = 0,082·(8212.8 + 4460,8) = 1039,24 кДж/кмоль.

і26 = -4460.8 кДж/кмоль - энтальпия кислорода при давлении Р26 = 0,160 МПа і Т26 = 89,103 К.

і0.1283 =8212,8 кДж/кмоль - энтальпия кислорода при давлении Р=0,1 МПа и Т=238 К.

qHФ -потери холода с отбросной фракцией

qHФ =µСрТФ; (4.30)

µСр=0,3019*29,4+0,0217*20,9+0,6753*29,2=29,05 кДж/кмоль-мольная теплоемкость фракции при Т=275К и Р=0,139 Мпа;

qHФ =29,05*8*0,4234=98,40 кДж/кмоль.

qHА -потери холода с азотом

qHА = В·ΔіТ + D·HD - qн + qнФ + qбр;(4.31)

qнA = 414,7+920,43-1039,24-98,40-150=47,49 кДж/кмоль.

І29= і0.1283 - qнA /А;(4.32)

І29=2812,8-4749/0,4949=8116,8 кДж/кмоль.

Т29=279,0 К-температура продукционного азота при Р29=0,13 Мпа и І29=8116,8 кДж/кмоль.

.5.5 Энергетический баланс азотного ожижителя

Из уравнения энергетического баланса азотного ожижителя

Определяем параметры точки 30.

А(i30-i29)=ВА(i2-i4)+qож/2,(4.33)

Где Ва =0,47 кмоль /кмоль -доля воздуха идущего в азотный ожижитель;

i2=8671 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=6 МПа и

Т=310 К;

i4 =7734,3 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=6 МПа и

Т=281 К;

qож/2=2,5 кДж/кмоль -теплопритоки к азотному ожижителю;

i30=i29+(ВА(i2-i4)+ qож/2/А;(4.34)

29=8116,8+=9011,4 кДж/кмоль;

Т30 =309,0 К- температура продукционного азота при Р=0,125 МПа и i30=90011,4 кДж/кмоль.

.5.6 Энергетический баланс фракционного ожижителя

Из уравнения энергетического баланса фракционного ожижителя определяем параметры фракции после аппарата ,точка 34.

Ф*( i34- i33)=ВФ*( i3- i5)+ qож/2,(4.35)

где ВФ=0,53 кмоль/кмоль -доля воздуха, идущего в фракционный ожижитель;

i3=8671 кДж/кмоль -энтальпия воздуха при Р=6МПа и Т=310 К;

i33 =0,3019*7997,2+0,0228*5703,2+0,6753*7998,3=7810,6 кДж/кмоль -энтальпия фракции на выходе из фракционного теплообменника при Р=0,139МПа ;

i34= i33+[ВФ(i3- i5)+ qож/2]/Ф;(4.36)

34=7810,6+=8989,0 кДж/кмоль.

Т34=309 К, при Р=0,134 МПа и i34=8989,0 кДж/кмоль.

.5.7 Энергетический баланс фракционного теплообменника

Из уровнения энергетического балансна фракционного теплообменника определяем количество воздуха, идущего на него:

ВФ*( i9- i12)+ )+ qТ/О/2=Ф*( i33- i32),(4.37)

Где i9=7798,1 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=6 МПа и Т=283 К;

I32=2647,99 кДж/кмоль- энтальпия фракции при Р=0,149 Мпа и Т=94,57 К;

i33=7810,6 кДж/кмоль - энтальпия фракции после основного теплообменника при Р=0,139 МПа и Т=257 К;

i12= i9-+[Ф(i33- i32)+ qт/о/2]/ ВФ;(4.38)

12=7798,1-[0,4234(7810,6-2647,999)-25/2]/0,53=3697,4 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=6МПа и Т12=166,8 К;

.5.8 Энергетический баланс азотного теплообменника

Из уравнения энергетического баланса азотного теплообменника определяем параметры воздуха перед дроссельным вентилем, точка 13:

ВА*( i10- i11)=А*( i29- i28)+ qТ/О/2,(4.39)

10= i9 =7798,1 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=6 МПа и Т=283 К;

i28 =2712,0 кДж/кмоль - энтальпия воздуха при Р=0,140 МПа и Т=94,4 К;

i11=1797,1 кДж/кмоль - энтальпия воздуха находим из соотношения:

i11= i10- (А( i29- i28)+ qТ/О/2)/ ВА;(4.40)

11=7798,1-(0,4949(8116,8-2712,0)+25/2)/0,47=2080,4 кДж/кмоль;

Т11=149,7 К -температура воздуха при i11=2080,4 кДж/кмоль и Р11=6 МПа.

2.5.9 Параметры воздуха после дросселя

i11= i14=2080,4 кДж/кмоль.

Т14=102,56 К -температура воздуха после дроссельного вентиля при i14=2080,4 кДж/кмоль и Р11=0,69 МПа.

2.5.10 Энергетический баланс узла ректификации

Из уравнения энергетического баланса определяется энтальпия воздуха на входе в нижнюю колонну.

В·i17 = K·i25 +Ф· i31 А·i27- qу.р (4.41)

Где qу.р =125 кДж/кмоль;

i25=-4124,8 кДж/кмоль -энтальпия жидкого кислорода в состоянии насыщения при Р=0,165 МПа;

i17 = K·i25 +Ф· i31 А·i27- qу.р.;(4.42)

17 =0,082*(-4460,8)+0,4234*2378,7+0,4949*2256,8-125=1633,12 кДж/кмоль.

Т17=102,37 К, при Р=0,69МПа, i17 =1633,12 кДж/кмоль.

2.5.11 Параметры воздуха на входе в нижнюю колонну

=D* i16+(1-D)* i14,(4.43)

где i16 -энтальпия воздуха после турбодетандера .

i16= i15 -*( i15 -i16),(4.44)

=2938,1-0,72(2938,1-1517,7)=1915,4 кДж/кмоль;

Т16=102,49 К, при Р=0,69МПа, i16 =1915,4 кДж/кмоль.

i17 =0,9*1915,4+0,1*2080,4=1931,9 кДж/кмоль.

Из балансов по нахождению i17 берем среднюю величину:

i17ср =(1931,9+16633,12)/2=1782,51 кДж/кмоль.

Т17ср=102,43К -температура воздуха при Р=0,69МПа и i17ср =1782,51 кДж/кмоль.

2.5.12 Энергобаланс нижней колонны

Из энергетического баланса нижней колонны определяем Qк/и.

В·і17ср + qн.к. = R·i18 + N·i22 + Qк/и,(4.45)

Где i17ср =1782,51 кДж/кмоль -энтальпия воздуха при Т17ср=102,43К и Р=0,69 МПа;

qн.к. =30 кДж/кмоль - теплопритоки в нижній колонне;

i18=-2465,67 кДж/кмоль -энтальпия кубовой жидкости при Р=0,69 МПа и Т18=103,36К;

Qк/и = В·і17ср + qн.к. - R·i18 - N·i22;(4.46)

Qк/и = 1782,51+30-0,6547*(-2465,67)-0,3453*(-2186,8)=4181,9 кДж/кмоль.

Параметры точек в основных узлах схемы приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры точек в основных узлах схемы

2.6 Расчет процесса ректификации (с тарелками)

Определение числа ректификационных тарелок в нижней колонне в диаграмме Y-x

Составим уравнение баланса нижней колонны

G=g+N

Gy=gx+NxN

Расход пара определим по нагрузке конденсатора - испарителя и теплоте парообразования rN2

G=Qк-и/ rN2(4.47)

G=4181,9/4681,6=0.893кмоль/кмоль

Расход флегмы

g=G-N (4.48)

g=0.893-0.3453=0.547 кмоль/кмоль

Уравнение рабочей линии для нижней колонны

y=(4.49)

y=*97=0.61341*x+38.68572

при x=0y=40%об N2

при x=xNy=99,9999%об N2

.При х=99,9999 у=0,61341*99,999+38,658=99,99935% N2;

Равновесная кривая:

У=100-(100-99,12)*=99,99956 % N2;

При х=99,999.

.При х=99,99 у=0,61341*99,99+38,658=99,99359 % N2;

Равновесная кривая:

у=100-(100-99,12)*=99,9956 % N2;

. Прих=99,9 у=0,61341*99,9+38,658=99,93838 % N2;

Равновесная кривая:

у=100-(100-99,12)*=99,956 % N2;

х=99,9

.При х=99,0 у=0,61341*99,0+38,658=99,386 % N2;

Х=99,0.

. При х=90,0 у=0,61341*90,0+38,658=93,865 % N2;

Равновесная кривая:

у=100-(100-99,12)*=95,6 % N2;

х=90,0.

Из построения получаем число теоретических тарелок в нижней колонне nT=28 шт.

Принимая КПД тарелки h=0.5 определим действительное число тарелок.

nд= nT/h (4.50)

nд=28/0.5=56 шт

Принимаем 56шт.

2.7 Определение удельного расхода энергии

Расчет приведен к условиям всасывания при Т=310 К и Р=1,033бар - нормальные условия.

2.7.1 Определение производительности установки по условному газу

В воздухоразделительной установке за условный газ принят газ, приведенный по эксэргии к 100% кислорода.

Минимальная теоретическая работа, выделения газообразного азота из воздуха при давлении Р=1,25 бар и Т=310 К.

LTА= R·T·ln( P*yA3/PA);(4.51)

Где yA3=1 -чистота продукционного азота;

PA=0,7812 кг*с/см2 - парциальное давление азота;

LTА=8,314*310* ln=1211,5 =0,0140.

Полная теоретическая энергия выделения азота при производительности установки ПА=1470 м3/ч.

LПN2 = LТA·ПA,(4.52)

LПN2 =0,014*1470=20,85кВт.

Минимальная теоретическая работа выделения кислорода из воздуха в жидком состоянии при давлении Р=1,6 бар и Т=310 К.

LTК= LВК+(Т*(S1K-S2K)-(I1K-I2K)).(4.53)

Где LВК- минимальная теоретическая работа выделения кислорода из воздуха в газообразном состоянии при давлении Р=1,6 бар и Т=310 К.

LВК=R*T*ln(P*xK1/Pk), (4.54)

Где R-8,314 кДж/кмоль*К- газовая постоянная,

Pk=0,2095 кг*с/см2 - парциальное давление кислорода.

LВК=8,314*310* ln5232,08

S1k=183.264 - энтропия кислорода при Т=310 К и Р=1,6 бар;

S2k=173.152 - энтропия кислорода при Т=89,13 К и Р=1,6 бар;

I1k=9027.2 энтальпия при Т=310 К и Р=1,6 бар;

I2k=2867.2 энтальпия при Т=98,13 К и Р=1,6 бар;

LTk=5232.08+(310*(138.264-173.152)-(9027.2-2867.2))=2206.8=0,022554 .

Полная теоретическая эксэргия выделения кислорода при паспортной производительности установки ПК=300кг/ч.

lПO2 = LТА·ПК ,(4.55)

lПO2 = 0,02554*225=5,75кВт.

Суммарная эксэргия выделения.

Sl= lПN2 +lПO2 ;(4.56)

Sl= 20,58+5,75=26,33 кВт.

Минимальная теоретическая работа выделения чистого газообразного кислорода из воздуха при нормальных условиях

Lкг=R·T·ln ;(4.57)

Lкг=8.314·293·ln=3807.5 =0.044. Производительности установки, приведенная по эксэргии к 100 % кислороду

П=Sl/ Lкг;(4.58)

П==598,4 м3/ч.

2.7.2 Определение суммарной потребляемой мощности

Мощность, потребляемая компрессором при давлении нагнетания 6 МПа:

NK= Ngk·B,(4.59)

где Ngk - действительная мощность компрессора,

В - количество воздуха, поступающего на нагнетание компрессора.

Ngk = L/ηт ,(4.60)

где ηт = 0.63 - термический КПД,

L - работа изотермического сжатия;

L = R·Tвс·ln (P2/P1),(4.61)

где R = 8.314 кДж/кмоль·K - газовая постоянная,

Tвс= 293 К - температура нагнетания;

L = 8.314·310·ln( 60/0.33) =10468,8 кДж/кмоль;

Ngk = 10468,8 /0.63= 16617,2 кДж/кмоль;

NK=16617*3300/(24*3600)= 634,7 кВт.

Принимаем NK=635 кВт.

2.7.3 Мощность, потребляемая электроподогревателем

Установленная мощность электроподогревателя Nэ =90 кВт при продолжительности включения

ПВ = τп /τа :(4.62)

где τп =2,33 ч. - время нагрева;

τа = 7 ч. - время адсорбции до переключения;

ПВ =2,33/7 = 0.333

Потребляемая мощность составит:

Nп =Nэ·ПВ;(4.63)

Nп =90·0.333 = 29,97 кВт.

Мощность, потребляемая электродвигателем маслонасоса турбодетандера:

N м.н. = 1.5 кВт.

Мощность, потребляемая водяным насосом:

N в.н. = 2 кВт.

Мощность ,потребляемая двумя холодильными машинами при продолжительности включения ПВ=0,3

N х.м. = 2* N х.*ПВ;

N х.м. = 2*5*0,3=3,0 кВт.

Суммарная потребляемая мощность:

Nобщ=Nк+Nп + N щ+ N м.н+ N в.н.+ N х.м ;(4.64)

Nобщ= 634,7+29,97+3+1,5+2,3=647,2 кВт.

2.7.4 Удельные расходы электроэнергии на производство продуктов разделения

Удельный расход электроэнергии на производство 1 м3 кислорода