Воздухоразделительная установка для получения жидкого кислорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Воздухоразделительная установка для получения жидкого кислорода

Введение

теплообменный ректификация переохладитель ожижитель

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 период с 1950 по 1995 г. в СССР построено и запущено более 500 крупных ВРУ и более 2500 установок малой и средней производительности. В настоящее время в России и странах СНГ в эксплуатации находятся ВРУ более 40 наименований.

ВРУ технического кислорода находят широкое применение в металлургической промышленности, обеспечивая кислородом и аргоном сталеплавильное производство, а азотом - сталепрокатное. Установки этого типа в последнее десятилетие наиболее активно совершенствовались. Современные ВРУ этого типа - это установки комплексного извлечения особо чистых продуктов: кислорода, азота, аргона, при необходимости - концентрированных смесей криптона и ксенона, неона и гелия. Оптимальным для крупных ВРУ технического кислорода является получение части продуктов в жидком виде.

ВРУ среднего и высокого давлений предназначены для получения жидких и сжатых (до 20 МПа) продуктов разделения воздуха. Для компенсации затрат холодопроизводительности при получении жидких продуктов необходимо ее вырабатывать в установке. Чем выше давление сжатия, тем больше удельная холодопроизводительность ВРУ и тем большая доля продукта может быть отведена в жидком состоянии.

Технологический цикл разделения воздуха в ВРУ состоит из нескольких взаимосвязанных процессов: сжатия воздуха; осушки и очистки его от двуокиси углерода и углеводородов; охлаждения до температур насыщения и образования необходимого объема жидкой фазы (так называемой флегмы); собственно процесса разделения методом низкотемпературной ректификации с отбором продуктов. Поскольку воздух обычно является рабочим телом холодильного цикла, то в ВРУ часто одновременно осуществляются процессы расширения газообразных потоков в детандерах и процессы охлаждения воздуха внешними источниками холода. Продукты разделения могут быть получены в газообразном состоянии при небольшом избыточном давлении или давлении до 20 МПа, а также в виде недогретой (переохлажденной) жидкости. Все рабочие процессы в ВРУ могут быть реализованы в конструктивно различных машинах и аппаратах, а осушка и очистка могут быть выполнены различными методами.

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 охлаждаемого воздуха в турбодетандере[8].

Атмосферный воздух после очистки от механических примесей поступает в компрессор К, где сжимается до 20 МПа. После концевого холодильника этот поток охлаждается в теплообменнике-ожижителе А4 до Т=278К потоком продукционного азота. В этом аппарате выделяется сконденсированная влага, что облегчает работу блока очистки (адсорберы А6 и А7), куда затем поступает сжатый воздух. Очищенный воздух фильтруется в одном из фильтров А8 ил А9 и далее делится на два потока: одна часть поступает на расширение в турбодетандер ТД, а другая часть (дроссельный поток) направляется в теплообменник А11, где охлаждается отбросным азотом.

Поток воздуха после расширения в турбодетандере смешивается с дроссельным потоком. Далее весь поток поступает на разделение в колонну А19. 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 А21. Образующаяся таким образом азотная флегма служит для орошения нижней А19 и верхней А22 колонн. Поток азотной флегмы, идущий в верхнюю колонну, предварительно переохлаждается в переохладителе А17. Это позволяет снизить долю пара в процессе дросселирования через вентиль ВР2.

Кубовая жидкость из нижней колонны, пройдя в переохладитель А17, дросселируется в соответствующее сечение верхней колонны. Этот поток перед поступлением в верхнюю колонну проходит переохладитель жидкого кислорода А18.

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 А22, нагревается последовательно в аппаратах А17, А11, А4 и выбрасывается в атмосферу. Часть его в определенные периоды используются для регенерации адсорберов блока очистки А6 и А7. Для этой цели азот подогревается в подогревателе А10.

Жидкий кислород из нижней части колонны А19 поступает в межтрубное пространство испарителя А21. За счет теплоты, подводимой от конденсирующихся паров азота, кислород кипит. Образующиеся пары возвращаются в колонну А19. Часть жидкого кислорода из испарителя А21 идет в переохладитель А18, после чего сливается в емкости.

При полном отогреве или в аварийных ситуациях, сопровождающихся остановкой блока, жидкость из конденсатора и нижней колонны сливается в испаритель А20.



Рис. 1. Схема цикла высокого давления

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

2. Выбор рабочих параметров установки

В установках для получения жидкого О₂ концентрация азотной флегмы х_А принимается равной или приблизительно равной концентрации у_А 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. у_А= х_А=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) х_R = 0,32-0,34 моль О₂/моль. х_R=0,33 моль O₂/моль[9].

При расчёте 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:

р_в.к = 0,13…0,14 МПа.

Принимается р_в.к = 0,14 МПа.

Для получения среднего давления, при котором кипит жидкий кислород в межтрубном пространстве конденсатора, необходимо учесть давление гидростатического столба жидкости р_ср.к.

, где

H-высота гидростатического столба жидкости в конденсаторе, принимается равной 0,4…0,8 м. Принимается H=0,4 м.

с₀₂ - плотность жидкого кислорода при его состоянии в конденсаторе-испарителе. Принимаем с₀₂ = 1120,278 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].

Таблица 1.

Концентрация уА, моль N2/моль	0,973
Концентрация кубовой жидкости хR, моль O2/моль	0,33
Давление в верхней колонне рв.к, МПа	0,14
Температура кипения кислорода , К	93,5
Температура конденсации паров азота , К	97
Давление в нижней колонне , МПа	0,6

3. Расчет на ПК узла ректификации

Возможности ЭВМ позволяют реализовать метод Льюиса и Мачесона для расчета ректификационных колонн ВРУ на основе определения реального изменения состава потока на каждой тарелке и по высоте колонны с учетом конструктивных параметров и изменяющихся свойств пара и жидкости. В ОАО «Криогенмаш» разработана обобщенная расчетная схема колонны, которая охватывает практически любые возможные варианты схем верхней и нижней колонн. В числе исходных данных для расчета должны быть заданы параметры всех входящих и выходящих потоков (состав, расход и состояние смеси); тепловые нагрузки конденсаторов и испарителей; конструктивные размеры тарелок для каждой секции (площадь, высота и ширина сливной перегородки, длина пути жидкости, диаметр отверстия и шаг перфорации). Программа расчета предусматривает определение состава пара и жидкости тройной смеси во всех секциях, на каждой тарелке, начиная с первой (верхней).

Расчет ректификации на ЭВМ выполняется в программе, разработанной на языке FORTRAN, и позволяет производить термодинамический и технологический расчеты ректификационных колонн.

При расчете процесса ректификации воздух рассматривается как смесь трех компонентов N₂ - Аr - 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,

g_z - относительный расход жидкости на ветвях потока (У g_z=1),

ц_z - относительная скорость пара на ветвях потока,

s_z - 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).

Полученные результаты:

А= 0,811 моль / моль - азот;

К= 0,189 моль / моль - кислород;

R= 0,602 моль / моль - кубовая жидкость;

D= 0,398 моль / моль - азотная флегма.

Тепловая нагрузка на конденсатор составила Q=4088 кДж/кмоль.

Для определения геометрических, термодинамических и гидродинамических параметров ректификационных колонн производится технологический расчет (приложение 2).

Из результатов расчета видно, что коэффициент эффективности тарелки находится в пределах 0,5-0,8, расстояние между тарелками соответствует рекомендуемому расстоянию между тарелками для колонн определенного диаметра [3].

При сопоставлении полученных результатов с данными из литературы можно сделать вывод о том, что процесс ректификации выполнен правильно [2].

4. Расчет параметров установки

Баланс установки.

,

где плотность воздуха при нормальных условиях[*],

плотность азота при нормальных условиях,

плотность кислорода при нормальных условиях,

адиабатный перепад в детандере,

адиабатный КПД детандера[9],

теплоприток из окружающей среды, задается по производительности установки[9],

теплоприток к блоку комплексной очистки и осушки, задается по производительности установки[9],

разность температур на теплом конце теплообменника - ожижителя,

теплоемкость азота при и .

кДж/кг,

кДж/кг,

кДж/кг,

Из выражения определяется энтальпия точки [1],

где 492,99 кДж/кг,

, где

кДж/кг;

* - здесь и далее все теплофизические свойства веществ находятся по данным, приведенным в [7].

кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К);

кДж/кг;

кДж/(кг·К).

кДж/кг

кДж/кг кДж/кг.

энтальпия газообразного кислорода при и

кДж/кг,

кДж/кг,

энтальпия жидкого кислорода при и

температура жидкого кислорода заданной концентрации при выходе из испарителя.

93,5 К,

кДж/кг,

кДж/кг,

Из основного баланса установки выражается - доля воздуха, идущего на расширение в турбодетандер:

= 0,564 кг/кг.

Баланс переохладителя азотной флегмы.

,

где - теплоемкость азотной флегмы при и

изменение температуры азотной флегмы при прохождении ее через переохладитель,

плотность азотной флегмы при нормальных условиях,

кДж/кг,

кДж/кг - К.

Баланс переохладителя кубовой жидкости

,

где - теплоемкость кубовой жидкости при и

- теплоемкость кислорода при нормальных условиях,

изменение температуры кубовой жидкости при прохождении ее через переохладитель,

 плотность кубовой жидкости при нормальных условиях,

кДж/кг,

кДж/кг - К.

Баланс переохладителя жидкого кислорода

,

изменение температуры жидкого кислорода при прохождении ее через переохладитель,

Из баланса переохладителя жидкого кислорода находим :

, где

;

;

- степень сухости кубовой жидкости.

кДж/кг.

Баланс теплообменника-ожижителя

,

где кДж/кг,

Из баланса теплообменника-ожижителя находим :

кДж/кг - К.

Баланс основного теплообменного аппарата

.

Из баланса основного теплообменного аппарата находим :

кДж/кг - К.

Баланс смешения.

кДж/кг.

Проверка степени сухости

, где

;

.

Полученная степень сухости отличается от принятой в процессе расчета ректификации на 0,6%.

Нахождение недостающих параметров узловых точек.

Найдем параметры точки 2D из уравнения степени сухости, задаваемой в термодинамическом расчете верхней колонны:

, где

;

;

- степень сухости азотной флегмы.

- К.

кДж/кг.

-

Проверка основного теплообменника на работоспособность.

Для проверки строятся температурные кривые.

,

,

,

,

Таблица 2

	, кДж/кг	, кДж/кг	ТВ, К	ТН, К	, К	1/
0-0	492,99	515,32	280	258,3	-	-
1-1	464,274	497,806	259	241,6	19,5	0,051
2-2	435,558	480,292	239,3	224,8	16	0,063
3-3	406,842	462,778	220,9	207,9	13,5	0,074
4-4	378,126	445,264	204,1	191,2	12,5	0,08
5-5	349,41	427,75	188,3	174,4	13	0,076
6-6	320,694	410,236	173,4	157,7	15	0,067
7-7	291,978	392,722	158,8	141	16,5	0,061
8-8	263,262	375,208	144,1	124,4	18	0,056
9-9	234,546	357,694	129,2	107,9	20,5	0,049
10-10	205,83	340,18	114	91,8	22	0,045

,

- среднеинтегральная разность температур,

К - минимальная разность температур между потоками.



Рис. 2. Кривые изменения температур воздуха и азота верхней части основного теплообменника в системе координат q - T

Из полученных зависимостей видно, что теплообменный аппарат функционирует исправно, следовательно, долю воздуха, идущего на расширение в турбодетандер можно оставить равной .

Таблица 3. Параметры узловых точек

№ точки	Температура T, К	Давление p, МПа	Энтальпия i, кДж/кг
1В	295,9	0,1	549,624
2В	295,9	20	513,79
3В	278	20	490,32
4В	280	20	492,99
5В	132,5	0,6	379,75
6В	114	20	205,83
8В		0,6	303,92
1А	80	0,13	327,59
2А	86,2	0,13	334,11
3А	91,8	0,13	340,18
4А	258,3	0,11	515,32
5А	287,9	0,11	546,19
К1	295,9	0,1	544,489
1К	93,5	0,14	147,08
2К	86,5	0,14	136,202
1R	96,8	0,6	163,15
2R	88,8	0,6	147,63
3R		0,13	147,63
4R		0,13	150,37
1D	93,2	0,6	59,55
2D	86,2	0,6	144,83
3D		0,13	144,83

Размещено на Allbest.ru

...