Проектирование аппаратов криогенных установок

Стр 1 из 23Следующая ⇒

Проектирование аппаратов криогенных установок

для студентов специальности 7.090507

"Криогенная техника и технология"

Под редакцией профессора В.А. Наера

Издание второе, переработанное и дополненное

Одесса - 2004

Рецензент – д.т.н., профессор Наер В.А.

Компьютерный набор и верстка – Н.М. Сигал, В.Н Таран

От автора

Разрабатывая конспект лекций курса "Проектирование аппаратов криогенных систем", автор исходил из необходимости показать основные конструктивные особенности аппаратов криогенных установок, особенности протекания процессов и их расчетов. В ряде случаев упоминаются базовые технологии изготовления аппаратов или используемые материалы. Вместе с тем, учитывая ограниченный объем издания, автор стремился избегать повторения известных и доступных по учебной литературе методик расчетов. По этой же причине часто отсутствует вывод формул, который предполагается выполнять при чтении лекций, а также справочные данные, которые могли бы составить отдельный самостоятельный том [ Д4 ].

Содержание

стр.

1. Задачи проектирования. 4

1.1. Виды работ при проектировании. Состав проектной разработки. 4

1.2. Требования к проектировщику. 5

1.3. Техника, используемая при проектировании. Рабочее место проектировщика 5

2. Классификация и особенности аппаратов криогенных установок. 6

2.1. Теплообменные аппараты.. 7

2.2. Ректификационные колонны.. 9

2.3. Адсорберы.. 9

2.4. Абсорберы.. 9

2.5. Вспомогательные аппараты.. 10

3. Рекуперативные теплообменные аппараты.. 11

3.1. Конструкции теплообменников. 11

3.2. Методы расчета теплообменников. 16

3.3. Особенности расчета многопоточных теплообменников. 20

3.4. Анализ работоспособности многопоточных рекуперативных теплообменников 28

4. Регенеративные теплообменные аппараты.. 30

4.1. Приближенный тепловой и гидравлический расчеты регенератора. 33

4.2. Проверочный расчет регенератора на незабиваемость. 37

4.3. Строгий тепловой расчет регенератора. 39

5. Ректификационные колонны.. 43

5.1. Конструкции колонн и тарелок. 43

5.2. Гидравлический расчет тарелки. 46

6. Конденсаторы-испарители. 49

6.1. Конструкции конденсаторов-испарителей. 49

6.2. Циркуляция жидкости в замкнутом контуре. 52

7. Адсорбционные процессы и аппараты.. 58

7.1. Физическая сущность сорбции. 58

7.2. Адсорбенты. 59

7.3. Теории равновесной адсорбции. 61

7.4. Основные уравнения равновесной адсорбции многокомпонентныx смесей веществ. 65

7.5. Кинетика адсорбции. 67

7.6. Динамика адсорбции. 70

7.7. Определение продолжительности работы адсорбера. 71

7.8. Регенерация адсорбента. 73

8. Рекомендуемая литература. 78

Задачи проектирования

Проектирование является важнейшим этапом создания криогенной системы, отвечающей требованиям современного рынка глобальной мировой торговой сети. Криогенное оборудование изготавливается компаниями, осуществляющими его поставку во все страны мира, и конкурирующими друг с другом за рынки сбыта. В такой ситуации к проектировщику предъявляются очень жесткие требования к его квалификации, знаниям и навыкам.

Требования к проектировщику

Из перечисленных выше положений вытекают основные требования к проектировщику криогенного оборудования.

Проектировщик должен:

§ Знать научно-техническую литературу по специальности и, в частности, состояние, уровень развития и наиболее современные схемные и конструктивные решения задач, в которых будет осуществляться дальнейшая деятельность.

§ Уметь выполнять расчеты схем, аппаратов, машин, их узлов и деталей. При необходимости проектировщик должен уметь разработать методику расчета необходимого элемента схемы.

§ Уметь составить программу экспериментальных исследований и проанализировать результаты экспериментов, сопоставить их с расчетными.

§ Знать производство и технологию изготовления криогенного оборудования. Применять эти знания в процессе разработки конструкций.

§ Владеть методами выработки новых идей, конструкций и решений. Стремиться избегать неосмысленного копирования стереотипных конструкций и решений.

§ Владеть методами технико-экономического анализа результатов проектной деятельности.

§ Уметь применять электронно-вычислительную технику. Уметь работать в Интернете.

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты по способу прохождения потоков через рабочий объем делятся на:

§ рекуперативные теплообменные аппараты;

§ регенеративные теплообменные аппараты (регенераторы);

§ контактные теплообменные аппараты.

В рекуперативных теплообменниках два и более потока движутся по самостоятельным каналам (полостям) без смешения. В регенераторах потоки проходят через одну и ту же полость попеременно, т.е. потоки разделены во времени (а в рекуператорах – пространственно!). В регенераторах, как правило, обмениваются теплом газовые потоки.

Регенераторы

По назначению регенераторы делятся на:

§ Регенераторы ВРУ и других систем, где работают 2 (и более) переключаемых аппарата;

§ Регенераторы газовых криогенных машин, где имеется единственный аппарат, через который проходит сначала прямой поток, а затем обратный.

По конструктивному исполнению теплообменной поверхности (насадки) аппараты могут быть выполнены с насадкой из алюминиевой ленты, сетки, шариков, с каменной (базальтовой) насадкой, со встроенным змеевиком.

Примеры теплообменников разных типов

Не существует однозначной связи между назначением аппарата и его конструктивным исполнением. Например, основной теплообменник криогенной установки может изготавливаться трубчатым витым, пластинчатым, матричным или труба в трубе. Применение того или иного типа аппарата зависит от значительного числа факторов. Тем не менее, существуют устоявшиеся представления, что основной теплообменник нужно делать витым, а концевой холодильник компрессора – кожухотрубным. Таких примеров можно привести много. Настоящий квалифицированный проектировщик должен рассмотреть максимально возможное число вариантов конструкций.

Ректификационные колонны

Процесс ректификации требует, кроме собственно колонн, наличия устройств для создания паровой и жидкостной флегмы. Такими устройствами могут быть конденсаторы (дефлегматоры) и испарители. Кроме того, колонна состоит из отгонной и концентрационной секций или хотя бы одной из них.

По схеме осуществления процесса ректификационные колонны делятся на:

§ Колонны однократной ректификации, состоящие из одной отгонной секции;

§ Колонны однократной ректификации, состоящие из одной концентрационной секции;

§ Колонны однократной ректификации, состоящие из отгонной и концентрационной секций;

§ Колонны двукратной ректификации.

По типу ректификационных устройств:

§ Насадочные колонны;

§ Тарельчатые колонны;

§ Механические ректификаторы.

Адсорберы

Адсорберы относятся к аппаратам, в которых происходят процессы сорбции. Обычно адсорберы применяют для извлечния определенных компонентов из газовой или жидкой смеси.

По сотоянию слоя адсорбента адсорберы делятся на аппараты с неподвижным слоем, с движущимся слоем и с псевдоожиженным слоем.

По числу слоев адсорбента - на однослойные, двухслойные и многослойные.

По направлению движения потока – на аппараты с продольным движением потока и с радиальным движением.

По агрегатному состоянию потока различают газовые (паровые) и жидкостные адсорберы.

Абсорберы

Абсорберы, как и адсорберы, применяют для извлечения определенных компонентов из смеси газов. В отличие от адсорберов, в абсорберах поглощающая среда является жидкой. Применяют абсорберы, чаще всего, для удаления примесей агрессивных веществ. В криогенной технике абсорберы встречаются редко.

Вспомогательные аппараты

Каплеотделители

Каплеотделители (влаго-, маслоотделители) применяют для исключения попадания капель жидкости в низкотемпературные технологические аппараты.

По способу отделения капель делятся на гравитационные, инерционные, контактные.

Фильтры

Фильтры производят разделение компонентов потока по размерам частиц и применяются обычно для удаления механических примесей. Отделение частиц происходит при прохождении потока через фильтрующий элемент. В некоторых случаях фильтрующий элемент смачивается (например, машинным маслом) для прилипания частиц твердых примесей.

Ресиверы и сборники

Ресиверы представляют собою емкости высокого давления, предназначенные для хранения сжатого газа. Сборниками обычно называют сосуды, в которых происходит накопление сжижаемых криогенных жидкостей.

Газгольдеры

Газгольдеры служат для хранения газа при атмосферном давлении. Применяют сухие газгольдеры в виде прорезиненных мешков объемом в десятки кубометров и мокрые в виде колпаков, плавающих в затворной жидкости.

Конструкции теплообменников

Ректификационные колонны

Базовые величины

1. Скорость пара, отнесенная к площади барботажа:

w = (G M_n) / (r" F_b), [ м/с]

где M_n — молярная масса пара, кг/моль; r" — плотность пара, кг/м³.

2. Удельная нагрузка на сливную перегородку:

q = (L M) / (r' b), [ м³/(м×с) ]

где М — молярная масса жидкости, кг/моль; r' — плотность жидкости, кг/м³.

3. Средний статический уровень жидкости на тарелке

h₀ = m + 0,315z₁ + 1,91q – (0,41 + 91z₁)×10^–3×w×(r")^0,5, [ м ]

где m — коэффициент, зависящий от типа тарелки (табл. 5.1 )

Т а б л и ц а 5.1.

Значения коэффициентов, используемых при гидравлическом расчете тарелок

Тарелка	m	с₁	c₂	c₃
с кольцевым током с диаметральным током	0,00238 0,00588	3,275 2,78	3.917 3,325	0,95 0,99

Конденсаторы-испарители

Адсорбенты.

Все адсорбенты, природные и синтезированные, разделяют на непористые и пористые. К непористым относят адсорбенты, радиусы пор которых весьма велики и стремятся к бесконечности, например, графитированная сажа, однородная поверхность металлов, полированное стекло и т.д. Пористые адсорбенты имеют поры различных типов. Акад. М.М. Дубинин ввел классификацию пор сорбентов: макропоры, переходные поры (мезопоры), микропоры и супермикропоры. Эффективные радиусы, нм: макропор 100—200 (удельная площадь внутренней поверхности 0,5—2,0 м²/г), мезопор 1,8—100 (удельная площадь поверхности 10—400 м²/г), микропор менее 1,5—1,6 (удельный объем 0,2—0,8 см³/г). Адсорбция на поверхности макропор пренебрежимо мала, а сами макропоры играют главным образом транспортную роль. На поверхности мезопор происходит как мономолекулярная, так и полимолекулярная адсорбция, завершающаяся объемным заполнением пор по механизму капиллярной конденсации.

К пористым адсорбентам относят активные угли, силикагели, алюмогели и гидратированные алюмосиликаты (цеолиты).

Активные угли (АУ) — пористые промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода — неправильно упакованных сеток шестичленных углеродных колец. Их получают из различных видов органического сырья: твердого топлива различной степени метаморфизма (фтор, уголь, антрацит), дерева и продуктов его переработки, отходов кожевенной промышленности. В последние годы получили распространение так называемые углеродные молекулярные сита (УМС), которые получают прессованием порошкообразных битуминозного угля и специальных смол или путем модификации промышленных АУ смолами. Пористая структура углеродных адсорбентов представлена гаммой пор всех размеров от микропор до макропор.

Силикагели — высушенные гели кремниевой кислоты пористого строения с сильно развитой внутренней поверхностью. Получают действием серной или соляной кислоты на раствор силиката натрия; при этом выделяется гель состава SiO₂•пН₂O. В силикагеле поры однородны и равномерно распределены, размеры пор зависят от методов обработки в процессе его получения. Промышленность выпускает три сорта силикагелей: микропористый (средний диаметр пор менее 2 нм), среднепористый (2,0 — 4,0 нм) и крупнопористый (5–8 нм). Силикагели применяют для осушки воздуха и газов, улавливания паров органических соединений, разделение и очистки газов и жидкостей, (например, тонкая очистка неоногелиевой смеси от азота, очистка кубовой жидкости от углеводородов и др.).

Алюмогели — смеси нормального гидрата окиси алюминия Al(ОН)₃ с полигидратами окиси алюминия. По сорбционным свойствам алюмогели близки к силикагелю, но в отличие от него стойки к воздействию жидкостей. Применяется как осушитель, адсорбент для хроматографии, катализатор или носитель активных центров.

Цеолиты — кристаллические гидратированные алюмосиликаты — встречаются в природе (около 36 типов) и могут быть синтезированы. Состав цеолита в общем виде можно выразить формулой: Аl₂О₃ • nSiO₂ • (R₁•R₂) • O₂ • m Н₂О, где R₁ — одновалентный катион (Nа⁺, К⁺ и др.); R₂ — двухвалентный катион (Ca⁺⁺, Ва⁺⁺ и др.).Известно около 100 разновидностей синтетических цеолитов, однако практическое значение имеют лишь несколько типов.

Промышленность выпускает цеолиты с кристаллической решеткой трех типов А, X, У. В зависимости от преобладающих ионов цеолиты обозначают NаА, КА и т.д. Цеолиты – типичные микропористые адсорбенты, размеры входных окон в полости, образованных каркасом, соизмеримы с размерами молекул. Ниже приведены обозначения цеолитов общего назначения по классификациям России и США.

Классификация России	KA	NaA	CaA	CaX	NaX
Классификация США	3A	4A	5A	10X	13X
Размер входного окна, м×10^-10	3	4	5	8	9

Кинетика адсорбции.

Процесс адсорбции всегда происходит с конечной скоростью. Скорость поглощения вещества зависит от природы и пористости адсорбента, внешних параметров (температуры, давления и др.) и свойств самого вещества. Кинетика сорбции изучает скорость поглощения вещества единичными гранулами адсорбента или тонкими слоями толщиной в один слой гранул при постоянных значениях р и Т. Зависимость величины адсорбции а от времени t называется кинетической кривой. В большинстве случаев для описания кинетики адсорбционного процесса может быть использована диффузионная модель перемещения адсорбтива в пористой среде.

Процесс адсорбции состоит из трех основных стадий:

§ внешней диффузии, или конвективного переноса адсорбата из потока к внешней поверхности зерен адсорбента через пограничный слой (внешнедиффузионнфй массообмен);

§ внутренней диффузии адсорбата в глубь пор поглотителя;

§ собственно процесса адсорбции на внутренней сорбирующей поверхности пор, протекающего практически мгновенно и поэтому обычно не учитываемого в расчетах.

Внешнедиффузионный процесс.

В реальных условиях большое влияние на процесс поглощения вещества оказывают условия течения газа. Для слоя из зернистого материала ламинарный режим наблюдается, если критерий Рейнольдса Re < 20; турбулентный режим — если Re > 200; при 20 < Re < 200 возникает переходный режим. Если адсорбент имеет достаточно развитые транспортные поры и диффузия молекул абсорбтива внутри адсорбента совершается значительно быстрее, чем приближение молекул адсорбтива к поверхности гранул, то внешнедиффузионный массообмен является лимитирующим в кинетике адсорбции. В этом случае уравнение кинетики адсорбции имеет вид:

r_H ¶a/¶t = bо (с - с*), (7.13)

r_H — насыпная плотность адсорбента, кг/м³; bo —коэффициент массоотдачи, отнесенный к 1 м³ слоя, с^-1; с – концентрация адсорбтива в газовом потоке, кг/м³; с* — концентрация в газовой фазе адсорбтива, находящегося в равновесии с поглощенным веществом, кг/м³.

Основная задача кинетики адсорбции — определение кинетических коэффициентов для использования их в уравнениях динамики адсорбции, поэтому разумным подходом к решении этой задачи является определение кинетических коэффициентов при экспериментальном изучении динамики адсорбции. Кинетический коэффициент обычно определяют из опытов по изучению начальной (первой) стадии динамики адсорбции, которая описывается уравнением

с/с₀ = ехр (-bе L/w), (7.14)

с₀ — содержание адсорбтива на входе в слой адсорбента, с – текущее содержание адсорбтива, равновесное с поглощенным веществом, bе — эффективный кинетический коэффициент; L - длина слоя адсорбента; w — скорость газового потока.

При наличии продольного переноса компонента, обусловленного молекулярной диффузией, коэффициент массоотдачи bе уменьшается; в этом случае учитывают поправочный коэффициент

, (7.15)

где w — скорость газа, отнесенная к площади полного сечению аппарата, м/с; bо – коэффициент массоотдачи, 1/с; f — удельная площадь поверхности массообмена, м²/м³; D* — коэффициент продольного переноса (обычно D*»0,5wdэ); dэ — эквивалентный диаметр зерна адсорбента.

В практических расчетах, если неизвестно точное значение коэффициснта bо для данной системы, его определяют по эмпирическим критериальным уравнениям

Nu_д = 0,883 Rе^0,47 Pr_д^0,33 , при Re < 30;

Nu_д = 0,53 Rе^0,64 Pr_д^0,33 , при 30 < Re < 150 (7.16)

где Nu_д = bо×dэ/ D; Rе= w×dэ×rг / m; Pr_д= m/(rг D)

D – козффициент молекулярной диффузии компонента в смеси, м²/с;

rг, m плотность и динамическая вязкость газа, кг/м³ и Па×с.

Внутридиффузионный процесс.

Внутридиффузионный процесс лимитирует скорость процесса поглощения вещества при сравнительно больших скоростях газового потока. В этом случае для практических целей используют приближенное уравнение Глюкауфа

¶a/¶t = bт×(а* - а), (7.17)

где bт — кинетический коэффициент внутренней диффузии; а*— величина адсорбции, равновесная текущей концентрации адсорбтива в потоке на внешней поверхности гранул. Кинетический коэффициент внутренней диффузии зависит от размера гранул адсорбента, степени его заполнения q, типа адсорбента и природы адсорбируемого вещества. С увеличением степени заполнения значение bт уменьшается. Если известен коэффициент внутренней диффузии D_i, который обычно определяют по экспериментальным данным, то коэффициент bт можно вычислить по формуле

bт = 4 p² D_i / dэ . (7.18)

Коэффициент внутренней диффузии можно также найти расчетом:

D_i= Kф r² / (p²t_0,5), (7.19)

где Kф — коэффициент, зависящий от формы гранул (для промышленных адсорбентов Kф = 0,1 ... 0,6); t_0,5 — время отработки половины емкости гранулы.

Численное значение D_iпри отсутствии молекулярно-ситовых эффектов часто лежит в интервале (1 ... 20) 10^-5 см² /с. Следует иметь в виду, что коэффициент D_i носит формальный характер, так как гранулы промышленных адсорбентов имеют не однородную, а бидисперсную пористую структуру.

Динамика адсорбции.

Расчет процессов и аппаратов адсорбционного разделения и очистки газовых смесей, кроме знания кинетических коэффициентов массообмена, требует знания динамики адсорбции, задачами которой являются нахождение функций распределения содержания адсорбированного вещества в слое адсорбента во времени и определение содержание адсорбтива в газовой фазе.

Решение этих задач сводится к определению явного вида функций

a=f(t, х) и с = f(t, х), (7.22)

где х — координаты слоя адсорбента; t — текущее время.

Полная система уравнений динамики адсорбции составлена В.В. Рачинским. Система состоит из четырех уравнений гидродинамики (Навье—Стокса, неразрывности, состояния подвижной фазы и распространения теплоты в потоке), определяющих пространственно-временное распределение полей скоростей и температуры в потоке, и трех уравнений адсорбционного взаимодействия для каждого компонента (баланса веществ, кинетики и статики процесса), определяющих пространственно-временное распределение содержаний адсорбата и адсорбтива.

Решение полной системы уравнений представляет большие трудности. Поэтому на практике применяют частные решения, полученные путем введения упрощающих допущений. Мы примем, что процесс протекает изотермически при постоянном давлении и расходе, и что продольная диффузия отсутствует. Тогда система уравнения сведется к трем уравнениям:

§ уравнение баланса поглощенного вещества

-w(¶c/¶x) – ¶a/¶t = e(¶c/¶t); (7.23)

§ уравнение кинетики адсорбции

¶a/¶t = bэ×(c*- c); (7.24)

§ уравнение изотермы адсорбции

a = f(c). (7.25)

Здесь w —скорость потока, м/с; t — время, с; с — содержание компонента в газовой фазе потока, кг/м³; а — величина адсорбции компонента (количество компонента, поглощенного адсорбентом), (кг компонента)/(кг адсорбента); с* — содержание компонента в газовой фазе, равновесное величине а, кг/м³; e — относительный свободный объем, м³/м³; bэ — общий коэффициент массопередачи, 1/с.

Область 1.

В первой области уравнение изотермы адсорбции приобретает вид

а = Г×с,

где Г = а_м×В – коэффициент Генри (величина безразмерная),

а –поглотительная способность адсорбента, кг/м³,

с – концентрация примеси в газе, кг/м³.

Продолжительность защитного действия адсорбера (продолжительность работы) для области 1 вычисляется по уравнению:

. (7.27)

Здесь t – продолжительность адсорбции, с;

w – скорость газового потока, отнесенная к полному сечению адсорбера, м/с;

Н – высота слоя адсорбента, м;

b – коэффициент массопередачи, м/с:

f_уд – удельная поверхность адсорбента, м²/м³;

b – специальная функция от аргумента у = 1 – 1,85×с/с₀ , (функция, обратная математической функции Крампа).

с₀ – начальная концентрация примеси,

с – конечная (на выходе) концентрация примеси.

Значения b можно оценить по следующим данным:

с/с₀	0,005	0,01	0,03	0,05	0,1	0,2	0,3
b	1,84	1,67	1,35	1,19	0,94	0,63	0,42

Обратите внимание, что первый член уравнения (7.27) выражает время работы адсорбера при полном насыщении (идеальный случай), а второй учитывает неполноту насыщения последних слоев адсорбента.

Область 2.

Продолжительность защитного действия адсорбера (продолжительность работы) для области 2 вычисляется по уравнению:

(7.28)

В этой формуле:

а₀ – поглотительная способность адсорбента, равновесная с₀ (начальной концентрации примеси), вычисляется по уравнению (7.26) или по справочным данным;

р = с₀ / у₁, где у₁ вычисляется по уравнению (7.26) как с при а=а_м/2. Нетрудно видеть, что у₁ = 1/В.

Область 3.

Продолжительность защитного действия адсорбера (продолжительность работы) для области 3 вычисляется по уравнению

. (7.29)

Дополнительных пояснений эта формула не требует.

Регенерация адсорбента