Методика расчета баланса времени цеолитовых блоков комплексной очистки

(разработана И.В. Горенштейном)

Цеолитовые блоки комплексной очистки являются одним их основных элементов современных криогенных установок.

В литературе приведены расчеты отдельных процессов , проходящих в адсорбционных блоках . Однако «жесткий» баланс времени в цеолитовых блоках комплексной очистки требует детального учета времени проведения всех процессов . Ниже предлагается методика расчета баланса времени цеолитовых блоков комплексной очистки.

Методика основана на следующих допущениях :

1. Разность температур между греющим охлаждающим газом и адсорбером пренебрежима мала (менее 10К)

2. Усредненные по времени температуры греющих и охлаждающих потока на выходе адсорбера должны рассчитываться путем интегрирования приведенных ранее соотношений. В упрощенных расчетах допустимо принять среднеарифметическую температуру этих потоков в начальный и конечный момент процесса .

3. Усредненные по длине температуры адсорбера в конце нагрева или охлаждения должны рассчитываться путем интегрирования упомянутых ранее соотношений. В упрощенных расчетах допустимо принять среднеарифметическую температуру адсорбера в начальном и конечном сечениях .

Кроме того, предлагаемая методика учитывает большое количество экспериментальных данных. По предлагаемой методике были рассчитаны блоки очистки серийных воздухоразделительных установок.

Блок очистки работоспособен, если выполняется следующее неравенство

 

 t.адс+t.пр > t.нагр+t.охл+t.нап+ t.сбр                         (7.31)

t.адс- время собственной адсорбции, t.пр - время паралельной работы ,

t.нагр - время нагрева, t.охл - время охлаждения, 

t.нап – время наполнения , т.е. подъема давления в адсорбере после регенерации , t.сбр - время сброса давления

Размерность времени – с (час.)

Время адсорбции определяется по формуле

 t.адс = (V×a_д×r_ц ) / (В×y ),                                                  (7.32)

где V – объем адсорбера , м³ ,

r_{ц -} насыпанная плотность цеолита ,     кг/м³,

a_д – динамическая емкость цеолита по СО₂.

Для расчетов при адсорбции углекислоты из влажного воздуха с температурой 281 К можно принять следующие числовые значения :

Р=20МПа	aд = 0.016 м3/кг			Р=4 Мпа	aд = 0.014 м3/кг
Р=10МПа	aд = 0.015 м3/кг			Р=2,5 МПа	aд = 0.013 м3/кг

Повышение температуры адсорбции на 10 градусов уменьшает поглотительную способность на 0,003 м³/кг.

В - расход воздуха м³/с, измеренный при 293 К , и 760мм рт.ст.

у - объемное содержание СО₂ в очищаемом воздухе, м³/м³

Обычно у= 300*10^-6 … 350*10^-6

 

Время нагрева определяется по формуле :

t нагр = t пред  ,         (7.33)

где t пред = К×(Q_A + Q_Б + Qr _В+ Qr_У)/(ГC_р2×q₂), – время идущее только на нагрев адсорбера,

К – коэффициент, учитывающий потерю тепла на нагрев изоляции адсорбера, (для промышленных блоков К=1.05 …… 1.15),

Q_A = g×C_б q₁,

Q_Б = r_ц×С_ц×q₁,

Qr _В = 1,205r_ц×а_д×d×r / y,

Qr_У = 1,832r_ц×а_д× y1,

g – отношение массы корпуса адсорбера М к его емкости (g = М/ V, кг/м³)

С_б - теплоемкость материала адсорбера , кДж/(кг*К). Обычно С_б=0.503кДж/(кг*К) ,

С_ц – теплоемкость адсорбента, кДж /(кг*К). Обычно Сц=1.05кДж/(кг*К),

С_п - теплоемкость материала электроподогревателя и трубопровода между подогревателем и адсорбером, кДж/(кг*К). Обычно С_б=С_п

С_р2- средняя теплоемкость газа идущего на регенерацию, КДж/(м³*К).

В случае нагрева азотом или воздухом С_р2=1.235 кДж/(м³*К),

Г - расход греющего газа кг/с,

q₁- средний подогрев адсорбера , К ,

q₂ – среднее значение температуры греющего газа в период нагрева адсорбера, К,

q₃ – среднее значение температуры греющего газа в печи, К,

d - влагосодержание сжатого воздуха, поступающего на очистку , кг/кг воздуха

r – теплота десорбции влаги из цеолита , кДж/кг (r=4187 кДж/кг) ,

r₁ – теплота десорбции CO₂ из цеолита кДж/кг (r=695 кДж/кг)

1,205 кг/м³ – плотность воздуха при 293 К , и 760 мм рт.ст.

1,832 кг/м³ – плотность CO₂ при  293 К , и 760 мм рт.ст.

К₁  - коэффициент , учитывающий потерю тепла на нагрев печи и трубопровода от печи к адсорберам , Обычно К₁  = 1.1

g₁ – отношение массы печи , трубопровода подачи газа от печи к адсорберам и арматуры на этой линии , к мощности , установленной в печи , кг/кВт

В выпускаемых блоках очистки g₁ = 5 кг/кВт

N – мощность , необходимая для подогрева газа в печи , кВт ,

N=K₁C_р2* q₃*Г                                                          (7.34)

Nдоп – мощность , установленная в печи сверх величины N , кВт ,

Дополнительная мощность позволяет ускорить нагрев системы . В предельном случае условно можно представить , что мощность N идет на нагрев адсорбера , а Nдоп – на нагрев печи . Это позволяет вывести величину максимальной дополнительной мощности :

N^max_доп = N× K₁*С_п* q₃* g₁ / (t пред- K₁*С_п* q₃* g₁)           (7.35)

                             

Время охлаждения определяется по формуле :

t охл = [C_п×g×(N + Nдоп)×q₄ + (g×С_б + r_ц×С_ц)×q₅V) / (Г×Ср×q₂),       (7.36)

где q₄– изменение температуры печи в период охлаждения , К,

q₅– разность между средними температурами адсорбера в конце нагрева , и в конце охлаждения , К,

 q₆– разность между средней температурой холодного конца адсорбера в процессе охлаждения и начальной температурой охлаждающего газа , К

 

Время параллельной работы определяется по формуле :

 

t пр = ((g×С_б + r_ц×С_ц)×q₅V) / (Срв×q₈×В),                                        (7.37)

 

где q₇– разность между средними температурами адсорбера в конце периодов охлаждения и параллельной работы , К,

q₈– средний подогрев воздуха в период паралельной работы , К,

C_pв- теплоемкость сжатого воздуха , кДж/(кг×К)

 

Время наполнения ограничивается большей из двух величин

 

t нап ³ (V×K₂×(P_B – P₀)×e) / (Ро×К₃×В),                                    (7.38)

τ нап ³ P_B / DP                                                                                                   (7.39)

где Рв – давление воздуха , Па

 P₀ – атмосферное давление , Па

 K₂ - коэффициент , учитывающий дополнительные объемы (фильтр, трубопроводы, объем адсорбера, незаполненный адсорбентом)

 K₂ = 1,5 ,

 e - доля свободного объема в цеолите. Обычно e=0.42,

К₃ – коэффициент К₃=DB/B , где DB допустимое уменьшение производительности в период наполнения .

Обычно К₃=0.05

DP – допустимая скорость изменения давления в период наполнения и сброса , Па/с. Обычно DP=(0.05…0.12)*10⁵ Па/с ,

Время сброса давления ограничивается величиной ;

 

t сбр= P_B / DP                                                                                     (7.40)

При наличии специальной продувочной линии с вентилем условного диаметра d₀ в мм

 

t сбр = V×K₂×e×Lg(Рв/Рк) / (240×d₀² )                                       (7.41)

Здесь V – в л, τ сбр- в часах.

 

8. Рекомендуемая литература

Основная литература

1. Криогенные системы (Основы проектирования аппаратов и установок): Учебник по курсу «Криогенная техника» / А.М. Архаров, В.П. Беляков, Е.И. Микулин и др.–М.: Машиностроение, 1987.–536 с.

2. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по курсу «Техника и физика низких температур»: В 2 т. – 2-е изд. перераб. и доп.

Т.1. Основы теории и расчета / А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин .– М.: Машиностроение, 1996.–576 с.

Т2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем./А.М. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Беляков и др. – М.: Машиностроение, 1999.–720 с.

3. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло– и массообменные аппараты криогенной техники: Учебное пособие для вузов.– М.: Энергоиздат, 1982.–312 с.

 

 

Дополнительная литература

Д1. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем. – М.: Энергоиздат, 1981.–384 с.

Д2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. - М., Химия, 1984.- 592 с.

Д3. Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. 2-е изд., перераб. и доп. - М., "Высшая школа", 1969.- 416 с.

Д4. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под. Ред. Малкова М.П. М.: Энергия. 1985.

Д5. В.Н. Таран. Особенности расчета многопоточных рекуперативных
теплообменников криогенных установок./ Технические газы –№3 – 2004, с.50–57.

Д6. Алексеев В.П., Вайнштейн Г.Е., Герасимов П.В. Рас­чет и моделирование аппаратов криогенных установок. — Л.: Энергоатмиздат, 1987. — 280 с.

⇐ Предыдущая14151617181920212223

Поделиться: