Выбор рабочих параметров установки.

В установках для получения жидкого О₂ концентрация азотной флегмы х_А принимается равной или приблизительно равной концентрации у_А отходящего из верхней колонны газообразного азота.

При концентрации кислорода 99,2 моль О₂/моль (по условию), концентрация азота в уходящем азоте составляет 4 моль О₂/моль. у_А= х_А=0,973 моль N₂/моль[9].

Концентрация кубовой жидкости (при вводе в колонну смеси дросселируемого и расширенного в детандере воздуха, если установка работает по циклу высокого давления) х_R = 0,32-0,34 моль О₂/моль. х_R=0,33 моль O₂/моль[9].

При расчёте процесса разделения воздуха в колонне двукратной ректификации давление в верхней колонне принимается исходя из гидравлических сопротивлений коммуникаций и аппаратов, стоящих на пути продуктов разделения. Обычно сопротивление этих линий составляет 0,03…0,04 МПа. Тогда давление в низу верхней колонны будет:

р_в.к = 0,13…0,14 МПа.

Принимается р_в.к = 0,14 МПа.

Для получения среднего давления, при котором кипит жидкий кислород в межтрубном пространстве конденсатора, необходимо учесть давление гидростатического столба жидкости р_ср.к.

, где

H–высота гидростатического столба жидкости в конденсаторе, принимается равной 0,4…0,8 м. Принимается H=0,4 м.

ρ₀₂– плотность жидкого кислорода при его состоянии в конденсаторе-испарителе. Принимаем ρ₀₂ = 1120,278 кг/м³.

МПа

По концентрации кислорода и среднему давлению в колонне определяется средняя температура кипения кислорода .

К [2].

Принимая средний температурный напор в конденсаторе-испарителе равным = 3…4 К, определяется температура конденсации паров азота:

, К.

По температуре конденсации азота определяется давление в нижней колонне.

МПа [2].

Таблица 1.

Концентрация уА, моль N2/моль	0,973
Концентрация кубовой жидкости хR, моль O2/моль	0,33
Давление в верхней колонне рв.к, МПа	0,14
Температура кипения кислорода ,К	93,5
Температура конденсации паров азота , К	97
Давление в нижней колонне , МПа	0,6

Расчет на пк узла ректификации [10].

Возможности ЭВМ позволяют реализовать метод Льюиса и Мачесона для расчета ректификационных колонн ВРУ на основе определения реального изменения состава потока на каждой тарелке и по высоте колонны с учетом конструктивных параметров и изменяющихся свойств пара и жидкости. В ОАО "Криогенмаш" разработана обобщенная расчетная схема колонны, которая охваты­вает практически любые возможные варианты схем верхней и нижней колонн. В числе исходных данных для расчета должны быть заданы параметры всех входящих и выходящих потоков (состав, расход и состояние смеси); тепловые нагрузки конденсаторов и испарителей; конструктивные размеры тарелок для каждой секции (площадь, высота и ширина сливной перегородки, длина пути жидкости, диаметр отверстия и шаг перфорации). Про­грамма расчета предусматривает определение состава пара и жидкости тройной смеси во всех секциях, на каждой тарелке, начиная с первой (верхней).

Расчет ректификации на ЭВМ выполняется в программе, разработанной на языке FORTRAN, и позволяет производить термодинамический и технологический расчеты ректификационных колонн.

При расчете процесса ректификации воздух рассматривается как смесь трех компонентов N₂ - Аr – О₂.

В колонну подается шесть потоков питания: N, S, R, D и выводится пять продуктов разделения: А, Е, С, Н, К.

При проведении этого расчета используются принятые концентрации продуктов разделения воздуха и концентрации промежуточных продуктов разделения - кубовой жидкости и азотной флегмы.

Методика расчета процесса ректификации позволяет рассматривать воздух как смесь трех компонентов и дает возможность проводить определение не только числа теоретических тарелок, но и действительных.

При расчете колонн простой структуры «лишние» потоки обнуляются. Для расчета нижней колонны задаются количество вещества в потоке питания В, его состав и энергетическое состояние, тепловая нагрузка на конденсатор (Q=4000-5000 Дж/моль), давление колонны. Конечными продуктами разделения являются азотная флегма D и кубовая жидкость R, которые являются потоками питания для расчета верхней колонны. Продуктами разделения верхней колонны являются потоки газообразного азота А и жидкого кислорода К.

Основу расчета составляет определение средних коэффициентов эффективности каждой тарелки, которые зависят от гидродинамических, конструктивных и термодинамических показателей.

Коэффициенты эффективности рассчитываются по схеме:

.

где z – число ветвей потоков на тарелке,

g_z – относительный расход жидкости на ветвях потока (Σ g_z=1),

φ_z – относительная скорость пара на ветвях потока,

s_z – число секций полного перемешивания в ветвях потока.

При расчете расстояние между тарелками l, должно быть таким, чтобы верхняя граница слоя пены не доходила до вышележащей тарелки ( ) [2].

Для определения материальных потоков и нагрузки на конденсатор-испаритель производится термодинамический расчет (приложение 1).

Полученные результаты:

А= 0,811 моль/моль - азот;

К= 0,189 моль/моль - кислород;

R= 0,602 моль/моль - кубовая жидкость;

D= 0,398 моль/моль - азотная флегма.

Тепловая нагрузка на конденсатор составила Q=4088 кДж/кмоль.

Для определения геометрических, термодинамических и гидродинамических параметров ректификационных колонн производится технологический расчет (приложение 2).

Из результатов расчета видно, что коэффициент эффективности тарелки находится в пределах 0,5-0,8, расстояние между тарелками соответствует рекомендуемому расстоянию между тарелками для колонн определенного диаметра [3].

При сопоставлении полученных результатов с данными из литературы можно сделать вывод о том, что процесс ректификации выполнен правильно [2].