Энерготехнология_1 / Lenia / рукопись En_tehnology / рукопись En_tehnology / En_tehnology4,6
.docПункт№4.
Расчет процессов в подсистеме парциальной конденсации.
Вначале необходимо выяснить, достаточно ли внутренних энергоресурсов для реализации процесса разделения исходной смеси на две фракции: жидкой органики при уж =1 и азотной фракции с примесью органики . Уравнения баланса массы для подсистемы имеют вид
=+ -общая масса (4.1)
= -масса азота.
Состав азотной фракции определим по заданной величине коэффициента извлечения органики
(4.2).
Совместное решение (4.1) и (4.2) дает
(4.3).
=;
=-; (4.4).
Температуры начала () и конца () процесса парциальной конденсации при исходном давлении газовой смеси находим по условию равновесия жидкой и паро-газовой фаз, полагая, что состав жидкой фазы уж=1. Последнее есть следствие незначительной растворимости азота в органике.
(4.5).
Давление насыщенных паров конденсируемого компонента (органики) находим по корреляции Антуана
(4.6).
Константы А, В, С в [2], [T] K; [Pv] мм рт. ст. из 3.12 и 3.13 следует
(4.7)
(4.8).
Подсистема парциальной конденсации включает аппарат парциальной конденсации 2 и теплообменник 1, где происходит рекуперация холода азотной фракции. 3 полость газа низкого давления (охлаждающей среды), 4 детандер.
В схеме с детандером холодный поток газа после детандера отводит тепловой поток в аппарате 2 и частично в аппарате 1. Жидкая фракция отводится из системы при температуре конца конденсации . Принято, что температура газовой смеси на входе в аппарат 1 определяется температурой оборотной воды из градирни .
; ∆Т=5-10 К.
Температура газовой смеси на входе в аппарат 2
==.
Температура азотной и жидкой фракций на выходе из аппарата 2
==.
Температура азотной фракции перед детандером
≤-; =8-15 К.
Температура азотной фракции после детандера
≤-; =8-15 К.
Знак ≤ означает необходимость обоснованного выбора этих температур (см. далее). Температура азотной фракции низкого давления на выходе из аппарата 1
=-; =8-15 К.
Для разделения смеси методом парциальной конденсации необходимо отвести тепловой поток от газовой смеси при Т<, а также компенсировать теплопритоки из окружающей среды к аппаратам с температурой Т< и . Кроме того, необходимо компенсировать неполную рекуперацию холода азотной фракции, т.к. <. Эта суммарная холодильная мощность должна быть создана в детандере за счет расширения азотной фракции .
Из уравнения баланса энергии для ФКО, охватывающего полости высокого давления аппаратов 1 и 2, получим необходимую холодильную мощность
= -[--]- (4.9)
Энтальпии газовой смеси и азотной фракции отсчитаны от опорного состояния = = кДж/кмоль,
= кДж/кмоль. (4.10)
Константы идеально-газовой теплоемкости для азотной фракции рассчитаны по (3.3) с учетом состава по (3.10). Энтальпия жидкой фракции при = рассчитаны с учетом несжимаемости по уравнению
=-+=-+[-] (4.11)
Теплоемкость жидкой фазы при средней температуре = находим по данным [3]. Теплоту парообразования конденсируемого вещества находим методом подобия по корреляции Ватсона [2]
=, (4.12)
где -теплота фазового перехода при нормальном барометрическом давлении = 740 мм рт. ст., - температура кипения при , =; =, - критическая температура конденсирующего вещества ,, по данным [2].
Теплопритоки из окружающей среды к аппаратам 1 и 2 оцениваем по относительной доле тепловых потерь
=+,
=-; =- (4.13) .
Тепловые нагрузки аппаратов 1 и 2 по уравнениям баланса энергии для полости охлаждаемого газа в этих аппаратах
= -[-] (4.14),
= -[--] (4.15),
при этом ==; == энтальпию газа находим по (4.10) при замене верхнего предела интеграла на . Знаки теплового потока определяют приток или отвод тепла к рассматриваемой полости аппаратов. Неполнота рекуперации холода в аппарате 1 учитывается при расчете энтальпий газовой смеси и азотной фракции.
Далее (в схеме с детандером) необходимо найти температуру после расширения при условии =-; =8К и =
=-[-] (4.16).
Адиабатный внутренний КПД процесса расширения принять =0,82, температуру в конце адиабатного равновесного процесса, полагая газ идеальным, находим
= при = и =.
Значение искомой температуры (по 3.23) должно:
во-первых, удовлетворять условию ≤-; =8-15 К;
во-вторых, обеспечивать необходимую холодильную мощность при нагреве расширенного газа в аппаратах 1 и 2 :
-≤[-], (4.17)
при этом ≤-; =8К.
Энтальпию азотной фракции низкого давления рассчитываем по уравнениям (4.10) с соответствующей заменой верхнего предела интеграла.
Если эти условия не выполняются, это означает, что внутреннего энергоресурса, обусловленного давлением газовой смеси недостаточно для получения холода и реализации процесса разделения. Необходимо повысить давление газовой смеси, т.е. установить турбокомпрессор. Далее процедура итерационного приближения при выборе давления газа , поскольку меняются все расчетные величины, вначале и . В качестве приближения можно взять(4.17) в форме равенства и найти (), далее по (4.16) найти и наконец = по уравнению
≈ (4.18).
Далее следует пересчет всех величин: , , , , , при этом допустимо расширение в детандере проводить до давления ≥, если создается избыток холода.
Пункт №6.
Расчет холодильного цикла.
1Определить Р после детандера -?
Из условия количество вырабатываемого холода должно быть равно потребляемой мощности:
-=[-]=
=
= 1 -
к = == 1,4.
Из формулы находим , (≥ 1 бар).
2 Вычислить мощность -?
=
=0,99;
=0,96;
=0,96.
3 Оценка температуры.
=-; ≥8-10 К.
4 Проверить баланс:
[-]=
=-+[-]-[-]=
=-+[--[-]] (=).
Расчет температуры на выходе из детандера:
===.
=; -?