Расчет воздухоразделительного аппарата двукратной ректификации (90

Расчет воздухоразделительного аппарата двукратной ректификации

Разделительные аппараты, в которых осуществляется процесс ректификации воздуха, является основным элементом воздухоразделительных установок. В зависимости от назначения эти аппараты состоят из одной или двух ректификационных колонн с различными способами ввода разделяемой смеси [1].

Целью расчёта является определение числа тарелок и основных размеров колонн. Ниже приводится расчёт наиболее типичного воздухоразделительного аппарата, схема которого изображена на рис.1. Он предназначен для получения газообразного кислорода. В колонне высокого давления змеевик сжатого воздуха отсутствует.

Исходные данные согласно вариантов задания приведены в прил.1. Исходные данные: количество перерабатываемого

материальном и тепловом балансах аргон условно отнесен к

Тконд. = 2,2 К , удельная величина теплопритоков извне через

3

Рис.1. Схема колонны ректификации воздуха

4

теплоизоляцию воздухоразделительного аппарата

∑q3 = 5,3кДж/ нм3 .

Холодопотери в окружающую среду для всех аппаратов независимо от того, какие потоки проходят через аппарат,

отнесены к 1 м3 перерабатываемого воздуха.

В дальнейшем расчёты отнесены к 1 м3 воздуха при нормальных условиях. Эти условия соответствуют температуре 273,15 К и абсолютному давлению 0,1013МПа . Считается, что при нормальных условиях 1кмоль идеального газа занимает

объём 22,4 м3 . Воздух и его компоненты в нормальных

условиях с достаточной точностью подчиняются законам идеальных газов.

1. Определение числа тарелок ректификационных колонн

Расчёт процесса ректификации производится методом Поншона с помощью диаграммы i − x . Этот метод позволяет при определении числа теоретических тарелок учитывать различие в теплотах испарения компонентов и, следовательно, изменение расходов пара и жидкости по высоте колонны.

1.1.Определение давления в нижней колонне

Втехнике разделения воздуха колонну высокого давления называют нижней колонной. В ней происходит предварительное разделение вводимого воздуха на азотную

флегму с концентрацией X D = 98% мол. и кубовую жидкость с концентрацией X R = 60,5% мол.

Давление над зеркалом испарения кислорода в конденсаторе-испарителе

Рвниз.к = Рвверх.к + Рв.к. = 0,13 + 0,01 = 0,14МПа.

5

Среднее давление кипящего кислорода в межтрубном пространстве конденсатора

концентрации YК = 0,5% мол. определяем температуру кипения кислорода Тк = 93,6 К .

Температура конденсирующегося азота

TN = Tк + DТконд = 93,6 + 2,2 = 95,8К .

Этой температуре при концентрации азота X D = 98% мол. соответствует давление, определяемое по диаграмме для смеси азот - кислород, Рнверх.к . = 0,58МПа .

Давление внизу нижней колонны

Рнниз.к. = Рнверх.к. + DРн.к. = 0.58 + 0.01 = 0,59МПа.

1.2. Материальный баланс воздухоразделительного

аппарата

Обозначив через В, А, К, R и D количества

соответственно воздуха, отходящего азота, получаемого кислорода, кубовой жидкости и азотной флегмы, составим уравнения материального баланса:

-воздухоразделительного аппарата в целом

В= А + К ;

-по азоту

В ×YB = А×YA + К ×YK ;

-нижней колонны в целом

В= R + D ;

-по азоту

6

В ×YB = R × X R + D × X D .

Решая совместно балансовые уравнения, определим материальные потоки в колоннах.

Количество получаемого кислорода

К = В × YA - YB = 198 - 79,05 = 0,194 нм3О2 / нм3п.в. YA - YK 98 - 0,5

количество разделяемого воздуха. Количество отходящего азота

А = В - К = 1 - 0,194 = 0,806 нм3 N2 / нм3п.в.

Количество азотной флегмы

Количество кубовой жидкости

R = В - D = 1 - 0,495 = 0,505 нм3куб.ж./ нм3п.в.

1.3. Тепловой баланс воздухоразделительного аппарата

Значения термодинамических параметров азота и кислорода, используемых в уравнениях баланса, взяты из [4].

Составим тепловой баланс переохладителя флегмы и кубовой жидкости.

DρDCpDDTD + RρRCpRDTR + q3п.а.ср + q3п.к.ж = Аρ АCpАDTА,

жидкости при нормальных условиях; СpR = 2,015 кДж/ кг × К – теплоёмкость кубовой жидкости; ТR = 7 К - переохлаждение

7

СрR = XR ×CpD +(1- XR)×CpK =0,605×2,22+0,395×1,7 =2,015кДж/ кг×К,

AρA ×CpA

= 0,495×1,251×2,22×7,4 + 0,505×1,32×2,015×7 + 2×0,157 =

18,78 К.

0,806×1,251×1,05

Найдем энтальпию отбросного азота на выходе из переохладителя:

i*A =i"A + ρACpADTA ×22,4 =8254,3+1,251×1,05×18,78×22,4 =

= 8807 кДж / моль ,

гдеiA' = 8254,3 кДж/ кмоль – энтальпия азота на выходе из верхней колонны. Энтальпии паровых и жидкостных потоков в колоннах находятся по номограмме T − i − p − x для смеси азот-

кислород по концентрации и давлению.

Из баланса энергии всего воздухоразделительного аппарата определим энтальпию воздуха на входе в нижнюю колонну.

8

0,194 ×15293,5 + 0,806 ×8807 - 5,814 × 22,4 =

9935,1кДж / кмоль.

1

Составим баланс энергии нижней колонны

B ×iB" + B × q3н.к. × 22,4 = R ×iR' + D ×iD' + Qк ,

отсюда тепловая нагрузка конденсатора равна

Qк = B × iB" + B × ∑q3н.к. × 22,4 - R × iR' - D × iD' = 9935,1 + 3 × 22,4 - - 0,505 ×5949,8 - 0,495 × 3812,9 = 5110,25кДж/ кмоль,

гдеq3н.к. = 3 кДж / нм3 – потери холода в нижней колонне.

Величину Qк, определённую из баланса энергии нижней колонны, проверяем по балансу энергии верхней колонны, т.е. колонны низкого давления:

Qк + RiR* + DiD* + Bq3в.к. × 22,4 = Аi*A + KiK" ,

где iR* , iD* - энтальпии кубовой жидкости и азотной флегмы соответственно на входе в верхнюю колонну, q3в.к. = 2,5 кДж / нм3 – потери холода в верхней колонне.

iR* = iR' - CpR × DTR × ρR × 22,4 = 5949,8 - 2,015 ×7 ×1,32 × 22,4 = = 5532,7 кДж / кмоль,

iD* = iD' - CpD × DTD × ρ A × 22,4 = 3812,9 - 2,22 × 7,4 ×1,251× 22,4 = = 3352,55 кДж/ кмоль.

Величина Qк из баланса энергии верхней колонны

Qк = Ai"A + KiK" - RiR* - DiD* - B × q3н.к. × 22,4 = 0,806 ×8254,3 + + 0,194 ×15293,5 - 0,505 ×5532,7 - 0,495 ×3352,5 - 2,5 × 22,4 =

= 5110,5 кДж / кмоль

практически не отличается от ранее определённого значения.

9

Расхождение в величине Qк, полученной по балансам энергии верхней и нижней колонн, не должно превышать

±2…3 %.

1.4.Определение координат полюса в нижней колонне

Внижней колонне по всей её высоте от сечения, где вводится воздух, до сечения вывода азотной флегмы, отсутствует ввод и вывод массы и теплоты. Следовательно, в этой колонне имеется только один полюс. Координаты этого

полюса в диаграмме i − x – приведённая концентрация X пр1 и приведённая энтальпия Iпр1 находятся следующим образом.

Выбираем между тарелками произвольное сечение 1 − 1 (рис.1). Обозначим количество проходящей через это сечение жидкости g1 , а количество поднимающегося пара G1 . Составим

материальный баланс, баланс по нижекипящему компоненту и тепловой баланс для части колонны выше сечения 1 − 1:

G1 − g1 = D, G1Y1 − g1 x1 = DX D ,

10