6. Примеры работы с программой
Структура головного модуля. Головной модуль Adsorb предназначен для вызова различных подпрограмм в определённой последовательности, определяющих задачу, поставленную проектировщиком. В этом модуле с помощью оператора open(1,file=’имя файла’) задаются имена файлов с исходными данными, а оператором open(9,file=’имя файла’) – создаваемые в результате выполнения программы файлы. Перед открытием нового файла следует с помощью оператора close(1) или close(9) закрыть открытые файлы.
Вызов различных подпрограмм производится оператором call. Следует соблюдать определённую последовательность при вызове подпрограмм. Загрузка конструктивных характеристик производится модулем AdDataK, выполняемым до вызова любых других модулей. Исходные данные, в том числе тип адсорбата и тип адсорбента, загружаются из файлов данных модулем AdInOut, а все параметры адсорбатов и адсорбентов в соответствии с этими типами загружаются из файла AdDataA. В подпрограммах AdDez и AdRDPO производятся соответственно конструкторский расчет адсорбера и расчет параметров регенерации/десорбции адсорбента–продувки с целью охлаждения адсорбера газообразным азотом–охлаждения адсорбера кипящим азотом.
Ввод исходных данных. В файлах исходных данных первые 6 строчек предназначены для информации и не используются в программе. Все числовые данные вводятся построчно, в строке между числами можно вводить произвольное количество пробелов.
В первой строке данных (в седьмой строке) вводится параметр управления вводом данных. Если этот параметр (целое число без десятичной точки) равен 1, то при последующих запусках программы данные будут автоматически считываться из этого файла. В противном случае данные следует вводить в процессе диалога, используя пробелы между числами и клавишу Enter для перехода на новую запись (строчку). Данный параметр можно изменить, только отредактировав файл исходных данных.
Во второй строке вводятся 2 целых числа: первое – тип адсорбата (1 – вода, процесс осушки; 2 – двуокись углерода CO2; 3 – азот N2), второе – тип адсорбента (1 – активная окись алюминия; 2 – цеолит NaX; 3 – цеолит CaA; 4 – активный уголь CKT-4).
В третьей строке – режимные параметры адсорбции: расход очищаемой смеси; рабочее давление в адсорбере; температура адсорбции; концентрация примесей; продолжительность процесса адсорбции.
В четвёртой строке – температура газообразного азота на входе в электронагреватель для дальнейшей подачи в адсорбер на регенерацию; температура горячего азота на входе в адсорбер; температуры азота на выходе из адсорбера в начале процесса регенерации и в конце этого процесса; продолжительность процесса регенерации.
В пятой строчке вводится температура адсорбера в конце процесса продувки адсорбера, продолжительность процесса охлаждения адсорбера продувкой азота, продолжительность процесса охлаждения адсорбера кипящим жидким азотом. Если время процесса кипения задано равным 0, этот процесс исключается из расчета.
Приведём тексты файлов исходных данных (строчки с 7-й по 11-ю) и текст головной программы, соответствующие последовательному расчёту водяного, углекислотного и азотного адсорберов с регенерацией адсорбента, охлаждением газом N2 и охлаждением азотного адсорбера кипящим азотом.
Файл AdDataH2O.txt Файл AdDataCO2(NaX).txt
1 1
1 37.8
8. 278. .09 6. 293
450. 293. 400. 3. 300.
3. 0.
1
2
2
37.8 8. 205. 0.5 6.
293.
636. 293. 483.
3. 300. 3.
0.
Файл AdDataN2.txt
1
3 4
18.068 8. 80.4 2.81 6.
293. 473. 293. 433. 3.
300. 3. 3
program
Adsorb
open(9,file='AdRez.txt')
call
AdDataK
open(1,file='AdDataH2O.txt')
call
AdInOut(na1,na2)
close(1)
call
AdDataA(na1,na2)
call
AdDez(na1,na2)
open(1,file='AdDataCO2(NaX).txt')
call
AdInOut(na1,na2)
close(1)
call
AdDataA(na1,na2)
call
AdDez(na1,na2)
call
AdRDPO
open(1,file='AdDataN2.txt')
call
AdInOut(na1,na2)
close(1)
call
AdDataA(na1,na2)
call
AdDez(na1,na2)
call
AdRDPO
end
Приведённый пример соответствует конструкции системы очистки дыхательной смеси от примесей, расчёт которой произведён в части 1.
Результаты расчёта. Далее приведены примеры содержимого файлов с результатами расчета.
Удаление влаги из дыхательной смеси.
И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е :
===============================
Адсорбат - пары воды (H2O)
Адсорбент - активная окись алюминия
Расход очищаемого потока, куб.м/ч 42.500
Давление адсорбции, МПа 8.00
Температура на входе в адсорбер, К 278.00
Количество примеси, г/кг 0.001
Время адсорбции, ч 5.12
Т потока при рег./десорбции на вх. в эл. нагрев., 293.00
Т потока при рег./десорбции на входе в адсорбер, 553.00
Т потока на выходе в начале рег./десорбции, К 293.00
Т потока на выходе в конце рег./десорбции, К 400.00
Время регенерации/десорбции, ч 3.00
Т адсорбера в конце продувки, К 300.00
Время охлаждения продувкой, ч 3.00
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А :
=====================================
Масса влаги, кг 0.342
Динамическая ёмкость адсорбента, г/г 0.070
Расход смеси при рабочих условиях, куб.м/ч 0.548
Масса адсорбента, кг 4.892
Объём адсорбента, куб.м 0.0089
Параметры подходящей трубы по ГОСТ 9940-81
------------------------------------------------------
Номер строки в таблице с выбранной трубой 1
Количество баллонов, шт. 1
Скорость потока в адсорбере, м/мин 1.374
Расчётная высота слоя, м 1.339
Наружный диаметр, мм 102.000
Выбранная толщина стенки обечайки, мм 5.000
Расчётный объём обечайки, л 9.559
Параметры прочностного расчета обечайки
---------------------------------------
Предел прочности материала (490...1710 мПа) 490.0
Коэффициент запаса прочности (2,35...4,00) 3.00
Поправка на условия эксплуатации (0,9...1,0) 1.0
Коэффициент ослабления из-за пайки (0,8...1,0) 0.0
Прибавка на коррозию (от 1 мм) 0.0
Расчётная толщина стенки обечайки, мм 2.310
Расчётная толщина стенки плоского днища, мм 8.700
----------------------------------
Масса баллона с коммуникациями, кг 19.873
Масса изоляции, кг 3.635
Регенерация/десорбция:
-------------------------------
Средняя Т потока на выходе, К 346.500
Средняя Т металла в конце регенерации, К 476.500
Средняя Т изоляции в конце регенерации, К 384.750
Потребное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 2130.165
на нагрев адсорбента 1019.564
на регенерацию/десорбцию 963.217
на нагрев изоляции 233.461
через изоляцию в окр. среду 758.977
Расход потока, куб.м/ч 6.351
Мощность электроподогревателя, кВт 0.655
Скорость потока (н.у.), м/с 0.363
Охлаждение адсорбера продувкой потока:
-------------------------------------
Средняя Т охлаждающего потока, К 388.250
Аккумулированное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 1894.077
на нагрев адсорбента 906.565
на нагрев изоляции 215.649
Потери через изоляцию в окр. среду, кДж 758.977
Расход охлаждающего азота, куб.м/ч 6.253
Скорость охлаждающего азота, м/с 0.261
Очистка от примеси диоксида углерода при использовании в качестве адсорбента цеолита СаА (2 адсорбера).
И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е :
===============================
Адсорбат - двуокись углерода (CO2)
Адсорбент - цеолит CaA
Расход очищаемого потока, куб.м/ч 42.500
Давление адсорбции, МПа 8.00
Температура на входе в адсорбер, К 231.00
Количество примеси, % об. 0.500
Время адсорбции, ч 5.12
Т потока при рег./десорбции на вх. в эл. нагрев., 293.00
Т потока при рег./десорбции на входе в адсорбер, 636.00
Т потока на выходе в начале рег./десорбции, К 293.00
Т потока на выходе в конце рег./десорбции, К 483.00
Время регенерации/десорбции, ч 3.00
Т адсорбера в конце продувки, К 313.00
Время охлаждения продувкой, ч 2.00
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А :
=====================================
Количество примеси, куб.м 1.0880
Масса примеси, кг 2.151
Парциальное давление примеси, кПа 40.000
Динамическая ёмкость адсорбента, куб.см/г 60.451
Расход смеси при рабочих условиях, куб.м/ч 0.455
Масса адсорбента, кг 17.998
Объём адсорбента, куб.м 0.0277
Параметры подходящей трубы по ГОСТ 9940-81
------------------------------------------------------
Номер строки в таблице с выбранной трубой 21
Количество баллонов, шт. 2
Скорость потока в адсорбере, м/мин 0.706
Расчётная высота слоя, м 1.288
Наружный диаметр, мм 127.000
Выбранная толщина стенки обечайки, мм 5.000
Расчётный объём обечайки, л 14.919
Параметры прочностного расчета обечайки
---------------------------------------
Предел прочности материала (490...1710 мПа) 490.0
Коэффициент запаса прочности (2,35...4,00) 3.00
Поправка на условия эксплуатации (0,9...1,0) 1.0
Коэффициент ослабления из-за пайки (0,8...1,0) 0.0
Прибавка на коррозию (от 1 мм) 0.0
Расчётная толщина стенки обечайки, мм 2.937
Расчётная толщина стенки плоского днища, мм 11.065
----------------------------------
Масса баллона с коммуникациями, кг 24.566
Масса изоляции, кг 8.365
Регенерация/десорбция:
-------------------------------
Средняя Т потока на выходе, К 388.000
Средняя Т металла в конце регенерации, К 559.500
Средняя Т изоляции в конце регенерации, К 426.250
Потребное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 8715.425
на нагрев адсорбента 5202.855
на регенерацию/десорбцию 1639.431
на нагрев изоляции 780.205
через изоляцию в окр. среду 1278.302
Расход потока, куб.м/ч 18.248
Мощность электроподогревателя, кВт 2.482
Скорость потока (н.у.), м/с 0.371
Охлаждение адсорбера продувкой потока:
-------------------------------------
Средняя Т охлаждающего потока, К 436.250
Аккумулированное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 6539.885
на нагрев адсорбента 3904.121
на нагрев изоляции 663.101
Потери через изоляцию в окр. среду, кДж 852.201
Расход охлаждающего азота, куб.м/ч 34.078
Скорость охлаждающего азота, м/с 0.440
Очистка от примеси диоксида углерода при использовании в качестве адсорбента активного угля СКТ-4.
И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е :
===============================
Адсорбат - двуокись углерода (CO2)
Адсорбент - активный уголь CKT-4
Расход очищаемого потока, куб.м/ч 42.500
Давление адсорбции, МПа 8.00
Температура на входе в адсорбер, К 231.00
Количество примеси, % об. 0.500
Время адсорбции, ч 5.12
Т потока при рег./десорбции на вх. в эл. нагрев., 293.00
Т потока при рег./десорбции на входе в адсорбер, 480.00
Т потока на выходе в начале рег./десорбции, К 300.00
Т потока на выходе в конце рег./десорбции, К 400.00
Время регенерации/десорбции, ч 3.00
Т адсорбера в конце продувки, К 240.00
Время охлаждения продувкой, ч 2.00
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А :
=====================================
Количество примеси, куб.м 1.0880
Масса примеси, кг 2.151
Парциальное давление примеси, кПа 40.000
Динамическая ёмкость адсорбента, куб.см/г 86.743
Расход смеси при рабочих условиях, куб.м/ч 0.455
Масса адсорбента, кг 12.543
Объём адсорбента, куб.м 0.0292
Параметры подходящей трубы по ГОСТ 9940-81
------------------------------------------------------
Номер строки в таблице с выбранной трубой 54
Количество баллонов, шт. 1
Скорость потока в адсорбере, м/мин 0.424
Расчётная высота слоя, м 1.630
Наружный диаметр, мм 159.000
Выбранная толщина стенки обечайки, мм 4.000
Расчётный объём обечайки, л 30.959
Параметры прочностного расчета обечайки
---------------------------------------
Предел прочности материала (490...1710 мПа) 490.0
Коэффициент запаса прочности (2,35...4,00) 3.00
Поправка на условия эксплуатации (0,9...1,0) 1.0
Коэффициент ослабления из-за пайки (0,8...1,0) 0.0
Прибавка на коррозию (от 1 мм) 0.0
Расчётная толщина стенки обечайки, мм 3.791
Расчётная толщина стенки плоского днища, мм 14.280
----------------------------------
Масса баллона с коммуникациями, кг 32.556
Масса изоляции, кг 6.189
Регенерация/десорбция:
-------------------------------
Средняя Т потока на выходе, К 350.000
Средняя Т металла в конце регенерации, К 440.000
Средняя Т изоляции в конце регенерации, К 370.000
Потребное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 3674.278
на нагрев адсорбента 2202.017
на регенерацию/десорбцию 1626.693
на нагрев изоляции 303.276
через изоляцию в окр. среду 1099.565
Расход потока, куб.м/ч 17.599
Мощность электроподогревателя, кВт 1.305
Скорость потока (н.у.), м/с 0.324
Охлаждение адсорбера продувкой потока:
-------------------------------------
Средняя Т охлаждающего потока, К 340.000
Аккумулированное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 3516.055
на нагрев адсорбента 2107.193
на нагрев изоляции 563.227
Потери через изоляцию в окр. среду, кДж 733.044
Расход охлаждающего азота, куб.м/ч 17.580
Скорость охлаждающего азота, м/с 0.273
Вариант, не проходящий по плотности.
И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е :
===============================
Адсорбат - двуокись углерода (CO2)
Адсорбент - активный уголь CKT-4
Расход очищаемого потока, куб.м/ч 42.500
Давление адсорбции, МПа 8.00
Температура на входе в адсорбер, К 231.00
Количество примеси, % об. 0.500
Время адсорбции, ч 5.12
Т потока при рег./десорбции на вх. в эл. нагрев., 293.00
Т потока при рег./десорбции на входе в адсорбер, 480.00
Т потока на выходе в начале рег./десорбции, К 300.00
Т потока на выходе в конце рег./десорбции, К 400.00
Время регенерации/десорбции, ч 3.00
Т адсорбера в конце продувки, К 240.00
Время охлаждения продувкой, ч 2.00
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А :
=====================================
Количество примеси, куб.м 1.0880
Масса примеси, кг 2.151
Парциальное давление примеси, кПа 40.000
Динамическая ёмкость адсорбента, куб.см/г 86.743
Расход смеси при рабочих условиях, куб.м/ч 0.455
Масса адсорбента, кг 12.543
Объём адсорбента, куб.м 0.0292
Параметры подходящей трубы по ГОСТ 9940-81
------------------------------------------------------
Номер строки в таблице с выбранной трубой 54
Количество баллонов, шт. 1
Скорость потока в адсорбере, м/мин 0.424
Расчётная высота слоя, м 1.630
Наружный диаметр, мм 159.000
Выбранная толщина стенки обечайки, мм 4.000
Расчётный объём обечайки, л 30.959
Параметры прочностного расчета обечайки
---------------------------------------
Предел прочности материала (490...1710 мПа) 490.0
Коэффициент запаса прочности (2,35...4,00) 3.00
Поправка на условия эксплуатации (0,9...1,0) 0.9
Коэффициент ослабления из-за пайки (0,8...1,0) 0.0
Прибавка на коррозию (от 1 мм) 0.0
Расчётная толщина стенки обечайки, мм 4.224
Расчётная толщина стенки плоского днища, мм 14.280
ВАРИАНТ НЕ ПРОХОДИТ ПО ПРОЧНОСТИ!!!
----------------------------------
Масса баллона с коммуникациями, кг 32.556
Масса изоляции, кг 6.189
Регенерация/десорбция:
-------------------------------
Средняя Т потока на выходе, К 350.000
Средняя Т металла в конце регенерации, К 440.000
Средняя Т изоляции в конце регенерации, К 370.000
Потребное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 3674.278
на нагрев адсорбента 2202.017
на регенерацию/десорбцию 1626.693
на нагрев изоляции 303.276
через изоляцию в окр. среду 1099.565
Расход потока, куб.м/ч 17.599
Мощность электроподогревателя, кВт 1.305
Скорость потока (н.у.), м/с 0.324
Охлаждение адсорбера продувкой потока:
-------------------------------------
Средняя Т охлаждающего потока, К 340.000
Аккумулированное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 3516.055
на нагрев адсорбента 2107.193
на нагрев изоляции 563.227
Потери через изоляцию в окр. среду, кДж 733.044
Расход охлаждающего азота, куб.м/ч 17.580
Скорость охлаждающего азота, м/с 0.273
Расчет адсорбера для очистки от примеси азота.
И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е :
===============================
Адсорбат - азот (N2)
Адсорбент - активный уголь CKT-4
Расход очищаемого потока, куб.м/ч 20.078
Давление адсорбции, МПа 8.00
Температура на входе в адсорбер, К 80.40
Количество примеси, % об. 1.816
Время адсорбции, ч 5.12
Т потока при рег./десорбции на вх. в эл. нагрев., 293.00
Т потока при рег./десорбции на входе в адсорбер, 450.00
Т потока на выходе в начале рег./десорбции, К 293.00
Т потока на выходе в конце рег./десорбции, К 433.00
Время регенерации/десорбции, ч 3.00
Т адсорбера в конце продувки, К 300.00
Время охлаждения продувкой, ч 3.00
Время оконч. охлаждения кипением, ч 3.00
Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А :
=====================================
Количество примеси, куб.м 1.8668
Масса примеси, кг 2.175
Парциальное давление примеси, кПа 145.280
Динамическая ёмкость адсорбента, куб.см/г 289.441
Расход смеси при рабочих условиях, куб.м/ч 0.075
Масса адсорбента, кг 6.450
Объём адсорбента, куб.м 0.0150
Параметры подходящей трубы по ГОСТ 9940-81
------------------------------------------------------
Номер строки в таблице с выбранной трубой 16
Количество баллонов, шт. 1
Скорость потока в адсорбере, м/мин 0.129
Расчётная высота слоя, м 1.551
Наружный диаметр, мм 121.000
Выбранная толщина стенки обечайки, мм 5.000
Расчётный объём обечайки, л 15.967
Параметры прочностного расчета обечайки
---------------------------------------
Предел прочности материала (490...1710 мПа) 1710.0
Коэффициент запаса прочности (2,35...4,00) 3.00
Поправка на условия эксплуатации (0,9...1,0) 0.9
Коэффициент ослабления из-за пайки (0,8...1,0) 0.0
Прибавка на коррозию (от 1 мм) 0.0
Расчётная толщина стенки обечайки, мм 0.865
Расчётная толщина стенки плоского днища, мм 5.619
----------------------------------
Масса баллона с коммуникациями, кг 27.214
Масса изоляции, кг 4.732
Регенерация/десорбция:
-------------------------------
Средняя Т потока на выходе, К 363.000
Средняя Т металла в конце регенерации, К 441.500
Средняя Т изоляции в конце регенерации, К 367.250
Потребное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 5306.537
на нагрев адсорбента 1956.381
на регенерацию/десорбцию 1314.618
на нагрев изоляции 245.934
через изоляцию в окр. среду 804.646
Расход потока, куб.м/ч 28.431
Мощность электроподогревателя, кВт 1.770
Скорость потока (н.у.), м/с 0.908
Охлаждение адсорбера продувкой потока:
-------------------------------------
Средняя Т охлаждающего потока, К 370.750
Аккумулированное количество теплоты, кДж:
на нагрев металла 2079.410
на нагрев адсорбента 766.624
на нагрев изоляции 222.748
Потери через изоляцию в окр. среду, кДж 804.646
Расход охлаждающего азота, куб.м/ч 7.483
Скорость охлаждающего азота, м/с 0.215
Окончательное охлаждение кипением:
----------------------------------
Средняя Т изоляции, К 190.200
Отводимое кипением количество теплоты, кДж:
от металла 2504.011
от адсорбента 1189.757
от изоляции 303.936
Потери холода через изоляцию, кДж 1114.042
Расход кипящего азота, кг/ч 8.725
Данные результаты получены при задании в процессе диалога во время расчёта фиксированной высоты адсорбера – 1,8 м. Полученные скорости потоков соответствуют рекомендованным значениям, имеющимся в литературных источниках. При решении задачи унификации адсорберов путём выбора одинакового диаметра или поиска ограниченных по высоте конструкций адсорберов при соблюдении рекомендуемых скоростей потока возможно в диалоговом режиме работы программы варьирование скоростью потока. Таким образом можно, например, попробовать подобрать вариант адсорбера для комплексной осушки смеси и одновременной очистке от двуокиси углерода.
При расчёте углекислотного адсорбера были заданы несколько более жёсткие (в пределах рекомендованных) требования к прочности конструкции. Попытка в процессе диалоговых расчётов получить конструкцию приемлемых размеров при рекомендуемых скоростях потока привела к решению, не соответствующему заложенным в расчёт прочностным требованиям. Данная проблема разрешается, если смягчить требования к прочности конструкции и увеличить поправочный коэффициент на условия эксплуатации с рекомендованного значения 0,9 до 1,0. В частности при изменении величины допустимого предела прочности возможен выбор скоростей, приводящих к получению приемлемого диаметра адсорбера и его высоты. Такие же проблемы возникают при выборе в качестве конструкционной базы для изготовления адсорберов трубы круглой 08Х18Н10 (AISI 304). Окончательное решение данного вопроса должны принимать проектировщики.
В зависимости от поставленной задачи для численного эксперимента с помощь представленной программы можно сделать множество других выводов и получить различные конструкторские решения. Например, проведение расчетов углекислотного адсорбера при изменении толщины изоляции от 10 до 100 мм (при расчете потерь через изоляцию по формуле, а не задании потерь, как доли от суммарного нагрева) показало, что оптимальная толщина изоляции для рассматриваемого варианта находится в области 40 мм.
При таких расчётах водяного адсорбера наблюдались отдельные случаи отрицательных значений теплозатрат, что свидетельствует об отрицательной разности температур и теплопритоках из окружающей среды вместо теплопотерь. Такие режимы следует считать нерасчётными и вносить изменения в конструкцию.
Дальнейшие исследования предполагают корректную постановку технического задания на численный эксперимент с помощью представленной программы.