Разделение воздуха

Ниже приводятся такие данные для режимов, характери­зующихся концентрацией отходящего азота ха" = 0,99; 0,888; 0,885.

Для каждого из рассматриваемых режимов определяется удельное количество  по-

лучаемого  газообразного   кислорода

К = (xA′′ – 0,791)/( ХA′′ – ХК")

Затем находятся координаты полюсов каждого из участков как точки пересечения линии полюсов участка с полюсными лучами: DA (рис. IV.5) [1] для I участка; R pi для второго участка и pIIVd для III участка. Далее, базируясь на найденном положении полюса, определяется число теоретических тарелок на каждом из участков ко­лонны низкого давления. На рис. IV.5 [1] такое построение показано для режима, характеризуемого концентрацией отходящего азота 0,985 моль N2 /моль.

При расчете удельного расхода энергии принято, как рекомен­дуется в работе (18) [1], что одна теоретическая тарелка в колонне низкого давления имеет такое сопротивление, что вследствие повыше­ния давления конденсации азота в конденсаторе-испарителе давле­ние воздуха на прямом потоке изменяется на 0,04 атм. Сводные данные расчета приве­дены в табл.  IV.3. [1].

Анализ  данных  табл.  IV.3   показывает, что   решающий  пока­затель — удельный   расход   энергии   имеет  минимальное  значение в  1-м из рассматриваемых   режимов   (ха" = 0,99). Он   составляет 0,455 квт-ч/нм3 02                                                                                                                                                                                .Число теоретических тарелок в колонне низкого давления в этом режиме составляет примерно 20 шт. Повышение чистоты отходящего азота до значения выше ХA′′ = 0,99 в данном случае нецелесообразно, так как резко возрастает число ректифика­ционных тарелок. Следовательно, проделанный анализ позволяет установить окончательный режим работы установки, который ха­рактеризуется такими параметрами: ха" = 0,99 моль N2/моль;  К = 0,212 м3/м3в; А = 0,788 мъ/мъв. Параметры потоков в ин­тересующих нас точках сведены в табл. IV.4. [1].

   7.8 Определяем состояние отходящего азота на выходе из переох­ладителя азотной флегмы, переохладителя кубовой жидкости и по­догревателя азота.

Состояние азота на выходе из переохладителя азотной флегмы определяем из теплового баланса этого аппарата:

i2a – i1a = (D(i1D – i2D) + 22,4q3п.ф.)/А

i2a – i1a = (0,3267(850 – 713) + 22,4 ∙ 0,01 = 57,1 ккал/моль;

Т2а = Т1а + ((i2a – i1a)/(μасра)

Т2а = 79,36 + 57,1/(0,25∙28) = 87,5оК

Для удобства расчета баланс здесь и ниже относим к 1 моль раз­деляемого воздуха.

Следовательно, на выходе из переохладителя азотной флегмы газообразный азот

характеризуется такими параметрами: р = 1,3 атм; ха" — 0,99 моль N2/ моль;  Т2а = 87,5° К.

Состояние азота на выходе из переохладителя кубовой жидкости определяем из теплового баланса этого аппарата:

i3a – i2a = R(i1R – i2R) + 22,4q3п.к.ж.)/А

i3a – i2a = (0,3803(1383 – 1325) + 22,4 ∙ 0,01)/0,788 = 19,3 ккал/моль

Т3а = Т2а + ((i3a – i2a)/ (μасра))

Т3а = 87,5 + 29,3/(0,25 ∙ 28) = 91,7оК

Таким образом, на выходе из переохладителя кубовой жидкости газообразный азот имеет параметры: р = 1,3 атм; хА" = 0,99 моль N2/ моль; Т3а = 91,7°К.

Из теплового баланса подогревателя азота определяем количество воздуха Vпод давления   5,55 атм, которое конденсируется в этом аппарате,

Vпод = (Аμасра(Т4а – Т3а) – 22,4 q3п.а)/rож

Vпод = (0,788 ∙ 28,0 ∙ 0,25 ∙ 4,3 – 22,4 ∙ 0,01)/1220 = 0,0193м3/м3в

При этом принимаем, что температура газообразного азота на вы­ходе из подогревателя на 5 град ниже средней температуры воздуха на выходе из регенераторов, равной 101оК. Следовательно, темпера­тура азота Т4а = 96° К.

7.9   Из теплового баланса кислородных регенераторов определяем

количество воздуха Vвк, которое поступает на охлаждение в эти ап­параты

Vвк= (К(i2к – i1к) – 22,4q3к.р))/(i1в – i2в)

Vвк = (0,212(3239 – 1800) – 22,4 ∙ 0,007)/(3265 – 1791)= 0,2055 м3/м3в

7.10   Из теплового баланса азотных регенераторов (при всех задан­ных параметрах прямого и обратного потоков) определяем количество петлевого воздуха Vn, которое поступает в эти аппараты.

Принимаем температуру петлевого потока воздуха на выходе из азотных реге­нераторов 170° К

Vп = ((1 – Vвк)(i1в – i2в) + 22,4q3а.р – А (i5a – i4a))/ (i3в – i2в)

По диаграммам: Тзв = 170° К; i3в = 2323 ккал/моль; Т5а = 299° К; i5а =3240ккал/моль;

Vп = ((1 – 0,2055)(3265 – 1791) + 22,4 ∙ 0,28 – 0,788(3240 – 1821))/(2323 – 1791) =

= 0,1078 нм3/нм3в.

7.11   Из теплового баланса детандерного теплообменника опреде­ляем состояние петлевого воздуха на выходе из этого аппарата (4в)

i4в =(i3в – (Vд(i7в – i6в) – 22,4q3д.т)/Vп

По диаграммам: i7в = 1906 ккал/моль; Т7в = 114° К; i6в= 1780 ккал/моль (сухой насыщенный пар при р = 5,55 атм). Под­ставляя численные значения букв, получаем

i4в =(2323 –(0,293(1906 – 1780)) – 22,4 ∙ 0,02)/0,1078 = 1975ккал/моль.

По диаграмме T4в = 123° К

Определяем состояние воздуха перед колонной высокого дав­ления (5в) после смешения основного и петлевого потоков:

i5в = (1 – Vп) i2в + Vпi4в

i5в=  (1 – 0,1078)  1791 + 0,1078 ∙ 1975 = 1811 ккал/моль.

По диаграмме Т5в = 103° К

Для контроля правильности расчета теплового баланса сводим его, составляя уравнение баланса энергии разделительного аппарата,

i5в + Vдi8в + 22,4 q3к = Аi4а + Кi1к + Vдi6в

На данном этапе расчета величина потоков и их параметры во всех интересующих нас узловых точках установки определены. Если баланс энергии разделительного аппарата сходится с достаточной точностью, то можно полагать расчет правильным. В написанное уравнение нужно подставлять значения энтальпий потоков, опре­деленные по диаграммам, имеющим согласованные начала отсчета энтальпий. Такое согласование нами сделано и поправки для исполь­зуемых диаграмм приведены в табл. 1.1.[1].

В уравнение баланса энергии ректификационного аппарата эн­тальпии потоков О2 и N2 подставляются из х — i диаграммы, где учитывается то, что они не 100% концентрации. Строго говоря, при составлении тепловых балансов теплообменных аппаратов необхо­димо пользоваться для определения энтальпий 02 и N2 диаграммами для азотно-кислородных смесей соответствующих концентраций. Но анализ показывает, что существенной погрешности не получается и при использовании диаграмм чистых компонентов. Энтальпии по­токов кислорода и азота на входе в регенераторы определяются по давлению и температуре названных потоков в этих точках. Опреде­ление их из х—i диаграммы с использованием приведенных в табл. 1.1 [1] поправок привело бы к ошибке, так как эти поправки при учете кон­центраций 02 и N2 будут другими.

Ниже значения энтальпий N2 и 02 для учета того, что они не являются чистыми компонентами, взяты в х — i диаграмме

(i5вS–T + 590) + 0,293 (69,56 ∙ 28,95 + 298) + 22,4 ∙ 0,6 = 0,788 ∙ 2077 +

+ 0,212 ∙ 3568 + 0,293(71,84 ∙ 28,95 + 298);  i5вS–T = 1810   ккал/моль.

Полученное значение i5в из баланса энергии разделительного аппа­рата достаточно хорошо совпадает со значением i5в, полученным ранее из теплового баланса теплообменных аппаратов i5в = 1811 ккал/моль.

Приведем также способ сведения теплового баланса установки, который не требует согласования энтальпий в используемых диа­граммах чистых компонентов и смеси (41) [1].

При этом способе, как уже указывалось, в уравнение баланса энергии разделительного аппарата для каждой точки подставляется разность энтальпий в этой точке и в точке у, параметры которой (давление и температура) для всех диаграмм приняты одинаковыми,

(i5вS–T – iуS–T) + Vд(i8вS–T – iуS–T) + 22,4 q3к = А(i4ax–I – iyx–i) + K(i1kx–I – iyx–i)+ Vд(i6вS–T – –iуS–T)

В диаграмме х — i точка у лежит на той же линии постоянной кон­центрации, что и точка, энтальпия которой подставляется. Пара­метры точки у выбираем по состоянию 95% кислорода на выходе из разделительного аппарата, т. е. р = 1,4 и Т = 92,75° К. Подстав­ляя численное значение букв, получаем

(i5вS–T – 1790) + 0,293 (69,56 ∙ 28,95 – 71,7 ∙ 28,95) + 22,4 ∙ 0,6 ∙ 0,788 (2077 – 2054) + 0,212 (3568 – 3568) + 0,293 (71,84 ∙ 28,96 – 71,65 ∙ 28,95);

i5вS–T = 1815 ккал/моль.

Полученное значение i5в хорошо совпадает с найденным ранее i5в = 1811 ккал/моль

7.12 Определяем из баланса энергии колонны высокого давления и для контроля из баланса энергии колонны низкого давления удель­ную величину тепла конденсатора-испарителя qK ккал/моль в.

Баланс энергии колонны высокого давления:

qK = i5в + Vподi9в + 22,4q3к.в.д – Ri1R – DlD – (Vд + Vnod)i6в

qK = (1811 + 590) + 22,4 ∙ 0,2 + 0,0193 (31,15 ∙ 28,95 + 298) – 0,3803 ∙ 1383 –

–0,3267 ∙ 850 – (0,2930 + 0,0193) (71,84 ∙ 28,95 + 298) = 880,0 ккал/моль.

Баланс энергии колонны низкого давления

qK = Ai1а + kilK – Ri3R – Di3D – Vdi8в – 22,4q3к.н.д

qK = 0,788 ∙ 1960 + 0,212 ∙ 3568 – 0,3803 ∙ 1325 – 0,3267 ∙ 713 – 0,293(69,56 ∙ 28,95 + +298) – 22,4 ∙ 0,4 = 880,0 ккал/моль.

8 Конструктивный расчёт аппарата

Исходные данные:

Колонна нижняя:

Vп =  5850м3/ч

е = 2,2

ώп = 0,8м/с

Vап = 16м3

Колонна верхняя:

Vп =  1610м3/ч

е = 2,7

ώп = 0,15м/с

Vап = 34,7м3

Диаметр колонны определяется по формуле:

D =  4Vпe2/(3600πώп(e2 – 1))

где Vп – объём пара, м3;

е – отношение диаметра колонны к диаметру вытеснителя,

ώп – скорость пара, отнесённая к свободному сечению колонны,

Высота колонны определяется по формуле:

Н = 4Vап /πD2

8.1 Колонна верхняя

D =   (4 ∙ 1610 ∙ 2,72)/(3600 ∙ 3,14 ∙ 0,15 ∙ (2,72 – 1)) = 2,11м

Принимаем диаметр 2200мм

Н = 4 ∙ 34,7/3,14 ∙ 2,22 = 9,13м

8.2 Колонна нижняя:

D = (4 ∙ 5850 ∙ 2,22)/(3600 ∙ 3,14 ∙ 0,8(2,22 – 1) = 1,8м

Принимаем диаметр 1800мм

Н = 4 ∙ 16/3,14 ∙ 1,82 = 6,3м