Параметры потоков в характерных точках установки.

№ точки на схеме	p, МПа	T, К	i, кДж/кг	Примечание
1в	0, 1			Исходный воздух
2в	20, 0	– =(8...10)		На теплом конце аппарата 2
3в		278...281
4в		+(2...3)
5в		250–255
6в		= +(10...15)		На холодном конце аппарата 4
7в
8в
1 R
2 R				Переохлаждение кубовой жидкости ()
3 R
4 R
1 D		– =(1, 5...2)		Пластинчато-ребристый конденсатор-испаритель
2 D		–(6...8)		Переохлаждение азотной флегмы
1а
2а
3а		–(5...6)		На теплом конце переохладителя 11
5а		+12		На теплом конце аппарата 4
6а
1к	0, 1			Равно T и p окружающей среды
2к		–(6...8)		Переохлаждение жидкого кислорода

При проектировании установки принимается, что воздух, подаваемый в блок разделения, является бинарной смесью, в которой содержится 21 % кислорода и 79 % азота.

Исходные данные: производительность по жидкому кислороду , кг/с; чистота получаемого кислорода , % O₂; температура окружающей среды Т ₀.

Начальное давление воздуха при всасывании в компрессор принимается равным p ₁ = 0, 1 МПа. Давление воздуха на входе в блок разделения обычно принимается = 18–20 МПа. Давление отбросного азота на выходе из блока разделения составляет примерно 0, 1 МПа.

Некоторые величины принимаются, по ходу расчета.

Разность температур на теплом конце аппарата 2 обычно составляет = 8–10 К.Температура = 278–281 К. В блоке очистки 3 воздух подогревается на 2–3 К.

Для обеспечения нормальных условий теплообмена в аппарате 4 разность температур на его холодном конце принимается 10–15 К.Температура отбросного азота на входе в аппарат 4 (т.е. на теплом конце переохладителя 11) обычно на 5–6 К ниже температуры кубовой жидкости . В аппарате 5 воздух охлаждается до температуры = 250–255 К.

Температура жидкого кислорода , принимается на 6–8 К ниже температуры . Применение конденсатора 9 пластинчато-ребристого типа позволяет снизить температурный напор в нем до величины Δ T = 1, 5–2 К.

Адиабатный к.п.д. турбодетандера принимается = 0, 7–0, 75.

Выбор типа холодильного цикла в значительной степени зависит от величины удельных теплопритоков q ₃, из окружающей среды. На основе опытных данных величина q ₃ аппроксимируется зависимостью, кДж/м³ п.в.

где q ₃ – удельные теплопритоки извне, кДж/м³; V _в – количество воздуха, перерабатываемое в установке и приведенное к нормальным условиям, м³/ч.

Удельный выход жидкого кислорода зависит от доли детандерного воздуха , которая, в свою очередь, зависит от условий теплообмена в теплообменнике 4.

Вначале величины определяются путем совместного решения уравнений теплового баланса аппаратов 2, 4 и баланса холодопроизводительности установки

;

.

Энтальпия находится по температуре и давлению .

Энтальпия газообразного кислорода определяется по его температуре и давлению = 0, 1 МПа. Температура равна температуре окружающей среды .

После определения проверяются условия теплообмена в аппарате 4.

Величина не должна превышать 0, 2. Обычно = 0, 15–0, 19 кмоль/кмоль п.в.

Потоки А и В _т находятся из выражений

В _т = В – В _д;

А = В – К _ж.

Концентрация отбросного азота x_а, % N₂, в жидкостных установках всегда определяется расчетом из уравнения

,

где выражены в % по N₂.

Энтальпия воздуха на входе в нижнюю колонну 8 определяется из уравнения смешения потоков из системы уравнений

.

Величины потоков R и D определяются из системы уравнений

Здесь концентрация кубовой жидкости принимается равной 65–67 % N₂; концентрация азотной флегмы .

Из уравнения теплового баланса переохладителя 11 определяется энтальпия кубовой жидкости

,

где = 6–8 К – величина переохлаждения азотной флегмы.

Величина переохлаждения кубовой жидкости на выходе из аппарата 11

,

где – изобарная теплоемкость кубовой жидкости, Дж/(кг·К).

Энтальпия кубовой жидкости на входе в верхнюю колонну определяется из выражения

,

где – плотность потока R при нормальных условиях, = 6–8 К – переохлаждение потока .

Энтальпия воздуха на входе в колонну (в системе T – P – I – X – Y) определяется из выражения

,

где – энтальпии кислорода и азота, приведенные к номограмме T – P – I – X – Y, Дж/кмоль; – теплопритоки к колоннам из окружающей среды, Дж/кмоль п.в.

Удельное тепло конденсатора 9 может быть найдено из уравнения теплового баланса нижней колонны, Дж/кмоль п.в.

,

где – теплопритоки к нижней колонне, Дж/кмоль п.в.; определяются по номограмме T – P – I – X – Y по известным концентрациям и давлениям потоков.

Величина потока определяется

,

где – удельная теплота парообразования кислорода, Дж/кмоль.0

Величина потока .

Удельное количество пара в нижней колонне, кмоль/(кмоль п.в.)

,

где – удельная теплота парообразования азота, Дж/кмоль.

Удельное количество флегмы в нижней колонне, кмоль/кмоль п.в.

.

Удельное количество пара и флегмы в верхней колонне

– отгонная секция

;

– концентрационная секция

,

где δ – коэффициент самоиспарения при дросселировании потока D.

Расчет процесса ректификации в колоннах производится по методу Поншона как обычно.

Количество перерабатываемого воздуха, приведенное к нормальным условиям, м³/ч

.

Производительность компрессора, м³/с

где β = 0, 03–0, 05 – коэффициент, учитывающий потери воздуха при продувках компрессора и блока разделения.

Мощность, потребляемая компрессором, Вт

.

Расход воздуха через детандер, м³/с

.

Работа, получаемая в детандере и превращенная в тепло трения в масляном тормозе машины, равна, Вт

.

Мощность, потребляемая блоком осушки и очистки, для его регенерации, Вт

,

где =0, 25–0, 3 – доля азота, используемого для регенерации блока очистки; – подогрев азота в нагревателе цеолитового блока, принимаемый 350–360 К.

Так как в течение суток регенерация протекает периодически, то среднесуточная мощность, потребляемая блоком очистки, Вт

,

где τ – суммарная длительность регенерации в течение суток, в часах. Холодопроизводительность холодильной машины, Вт

.

Мощность, потребляемая холодильной машиной, Вт

,

где – холодильный коэффициент машины.

Удельный расход электроэнергии, Дж/(кг O₂)

.