《低温课程设计》word版.doc

课程设计说明书设计题目：KZON-150/550空分装置工艺流程计算及换热器设计能源与动力工程学院 制冷与低温专业 学生姓名 ：学 号：专业班级 ：完成日期 : 指导教师 ：华中科技大学目录目录2已知条件3工艺流程计算41.主要点状态参数42.装置总物料平衡63.装置总热量平衡74.单个设备的物料和热量平衡85.技术经济指标12换热器设计151.结构设计152.传热计算18参考文献22主 要 设 计 及 说 明主要结果已知条件1. 产量和纯度：氧: VO2=150Nm3/h,纯度yO2=99.5%O2氮: VLN2=30L/h,其它为气氮, yN2=xLN2=99.99%N2抽馏分量: VF=0.1Nm3/Nm3A, yF=80%(Ar+N2)液空纯度: xA=3638%O22. 冷损分配:总跑冷:q3=9kJ/Nm3Aq3上塔=3.5kJ/Nm3A(含冷凝蒸发器)q3LN2=0.3kJ/Nm3A, q3LA=0.3kJ/Nm3Aq3下塔=2kJ/Nm3A,换热器I: q3I=1.2kJ/Nm3A, II: q3II=1.7kJ/Nm3A3. 压力和阻力:加工空气进冷箱: p3=2022bar产品输出压:p21,16,13=1.02bar上塔阻力: puc =0.2bar, 下塔阻力: plc =0.1bar返流阻力:换I: p20-21=0.05bar, II: p19-20=0.04bar4. 温度温差:环境温度: 30C, 预冷空气: 5C空气进冷箱: 10C/8C膨胀以后空气过热度: 5C, 6C或8C主换热器I,II热端温差均为3C,最小温差1CLN过冷器冷端温差: 38C取38%O2取22bar取1.03bar取8C取6C取5C主 要 设 计 及 说 明主要结果LA过冷器冷端温差: 35C5. 效率:s=0.72(膨胀功不回收)T=0.65(空压机)m=0.75(机械效率)6. 其它条件：液氧液面高度: 400mm加工空气损失取10%工艺流程计算1. 主要点状态参数上塔顶部压力p17=p21+p20-21+p19-20=1.03+0.05+0.04=1.12bar上塔底部压力p14=p17+puc=1.12+0.2=1.32bar冷凝蒸发器液氧液面温度根据p14=1.32bar, yO2=99.5%O2, 查得：TLO2Su=92.5K液氧密度LO2=1131.8kg/m3液氧底部压力pLO2b=p14+LO2HLO210-498.0665 =1.32+1131.80.410-498.0665=1.364bar液氧底部温度根据pLO2b=1.364bar, yO2=99.5%O2, 查得：取5C上塔顶压力1.12bar上塔底压力1.32bar液氧液面温度92.5K主 要 设 计 及 说 明主要结果=93K液氧平均温度TLO2m=( TLO2Su+ TLO2b)/2=(92.5+93)/2=92.75K下塔顶部氮气冷凝温度冷凝蒸发器平均温差：Tc=1.6C氮气冷凝温度Tc= TLO2m+Tc=92.75+1.6=94.35K下塔顶部压力根据Tc=94.35K, yN2 =99.99%N2, 查得：plct=5.1bar下塔底部压力plcb=plct+plc=5.1+0.1=5.2bar空压机排出压力pCOMK=22bar透平膨胀机的状态参数膨胀前压力p4=22bar膨胀后压力p7=plcb=5.2bar膨胀后过热度tsu=6C根据p7=5.2bar, 查得空气饱和温度Tsa=100K, hsa=2600 kJ/kmol膨胀后温度T7=Tsa+tsu=100+6=106K膨胀后焓值根据p7=5.2bar, T7=106K, 查得：h7=2900kJ/kmol液氧底部温度93K氮气冷凝温度94.35K下塔顶部压力5.1bar下塔底部压力5.2bar膨胀后温度106K主 要 设 计 及 说 明主要结果过热空气焓差hsu=h7hsa=2900-2600=300 kJ/kmol膨胀机绝热效率 s =0.72膨胀前焓值按作图试凑得：h4=3800kJ/kmol根据p4=22bar, h4=3800 kJ/kmol,查空气T-S图，得膨胀前温度T4=126.4C产品气体温度T21,16,13=5C返流气进I温度T20,15,12=129.4C2. 装置总物料平衡空气成分: 78.08%N2, 20.95%O2, 0.93%Ar, 0.04%CO2单位氮产量VN2=(550/150)VO2=3.67VO2由VO2=150Nm3/h, 得氧流量为：6.344kmol/h由VLN2=30L/h, 得液氮流量为：0.86359kmol/h所以，单位液氮产量为：VLN2=(0.86359/6.344)VO2=0.136VO2根据空气物料平衡VO2(1-yO2)+3.67VO2yN2+VWNyWN=78.08%其中污氮纯度yWN=80% 3%=78%，VWN=0.1 Nm3/Nm3A解得：单位氧产量 VO2=0.191Nm3/Nm3A单位氮产量 VN2=3.67VO2=0.701Nm3/Nm3A其中，单位液氮产量为 VLN=0.136VO2=0.026Nm3/Nm3A其余为气氮。校核单位空气量：膨胀前温度126.4C返流气进I温度129.4CVO2=0.191VN2=0.701VLN=0.026主 要 设 计 及 说 明主要结果VK=0.191+0.7010.1=0.992 Nm3/Nm3A误差：EVK=(1-0.988)/1=0.8%理论加工空气量VK=150/0.191=785.34Nm3/h实际加工空气量VKp=VK/(1V)=785.34/(1-0.04)=818.06Nm3/h3. 装置总热量平衡等温节流效应膨胀产冷量hpr=Vpk(h4h7)= Vpk(3800-2900) =900 Vpk kJ/kmol总跑冷损失Q3=22.4q3=22.49=201.6kJ/kmol复热不足冷损由上塔顶部压力p17=1.12bar, 得液氮温度为TLN=194.94C液氮焓值为hLN=424.03kJ/kg当液氮为进口空气状态，焓值为理论加工空气785.34Nm3/h实际加工空气818.06Nm3/h主 要 设 计 及 说 明主要结果hLN0=24.236kJ/kg液氮带走的冷量QLN=( hLN0hLN)VLN2MN=(24.236+424.03)0.025228.013=281.812kJ/kmol因此膨胀空气量为VPK=(Q3+Q2+QLNHT)/ hpr=0.495Nm3/Nm3A膨胀产冷量HPK= VPKhpr=0.495900=445.5 kJ/kmol膨胀机产冷量占比例HPK/(HPK+HT)=445.5/(445.5+146.46)=75.3%跑冷损失比例Q3/(HPK+HT)=201.6/(445.5+146.46)=34.1%4. 单个设备的物料和热量平衡4.1. 主冷I由p3=22bar, T3=8C, 得h3=29.211kJ/kg由p4=22bar, T4=126.4C, 得h4=178.15kJ/kg由p21=1.03bar, T21=5C, 得h21=21.09kJ/kg由p20=1.08bar, T20=129.4C, 得h20=159.36kJ/kg由p16=1.03bar, T16=5C, 得h16=18.626kJ/kg由p15=1.08bar, T15=129.4C, 得h15=141.15kJ/kg膨胀空气量0.459主 要 设 计 及 说 明主要结果由p13=1.03bar, T13=5C, 得h13=20.121kJ/kg由p12=1.08bar, T12=129.4C, 得h12=152.13kJ/kg空气得冷量QAI=(h3h4)MA=(29.21+178.15)28.966=4314.17kJ/kmol冷损Q3I=22.4q3I=22.41.2=26.88kJ/kmol返流气得热量QdI=(h21h20)VNMN+(h16h15)VOMO+(h13h12)VWNMWN=(21.09+159.36)0.67828.01+(18.626+141.15)0.18531.98+(20.12+152.13)0.129.288=3736.23kJ/kmol误差EI=(QAI+Q3I-QdI)/(QAI+Q3I)=(4314.17+26.88-3734.23)/(4314.17+26.88)=14%4.2. 下塔物料平衡VLA+VLN=VKVLA(1xA)+VLNxLN=78.08%VK解得：VLA=0.5767Nm3/Nm3AVLN=0.4233Nm3/Nm3A4.3. LN过冷器跑冷QLN=22.4qLN=22.40.3=6.72kJ/kmol由p22=5.1bar, T22=178C, 得h22=391.34kJ/kg误差14%VLA=0.5767VLN=0.4233主 要 设 计 及 说 明主要结果由p23=5.1bar, T23=190C, 得h23=414.12kJ/kg由p17=1.12bar, T17=195C, 得h17=226.66kJ/kg因此，氮气出口18点的焓值为得到：T18=180.84C4.4. LA过冷器跑冷QLA=22.4qLA=22.40.3=6.72kJ/kmol由p9=5.2bar, T9=174.8C, 得h9=384.35kJ/kg由p10=5.2bar, T10=175.84C, 得h10=386.4kJ/kg氮气进口焓值h18=212.08kJ/kg因此，氮气出口19点的焓值为得到：T19=178C4.5. 主冷II氧气进口，由p14=1.32bar, 饱和状态，得T18180.84CT19178C主 要 设 计 及 说 明主要结果h14=188.97kJ/kg污氮进口，由p11=1.12bar, 饱和状态，得h11=212.46kJ/kg因此返流气得热量QdII=(h20h19)VNMN+(h15h14)VOMO+(h12h11)VWNMWN=(159.36+209.89)0.67828.01+(141.15+188.97)0.18531.98+(152.13+212.46)0.129.288=1418.72kJ/kmol冷损Q3II=22.4q3II=22.41.7=38.1kJ/kmol空气得冷量QAII=QdIIQ3II=1418.7238.1=1376.62kJ/kmolQAII=(h4h5)(1VPK)MA解得：h5=272.2kJ/kg得到: T5=160.5C4.6. 下塔由节流后，p6=5.2bar, 得到T6=175.38Ch6=272.2kJ/kg混合后h8=h7V7+h6V6=207.540.495+(272.2)0.505=240.84kJ/kg得到：T8=174.8C进入下塔总焓Q下i=h8MA=240.8428.966=6976.2kJ/kmol随LN和LA带出总焓T5=160.5CT8=174.8C主 要 设 计 及 说 明主要结果Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN=384.3529.5280.5767+(391.34)28.0130.4233=11185.5kJ/kmol冷损Q3下=22.4q3下=22.42=44.8kJ/kmol因此下塔与上塔换热量Q下上=Q下iQ下o+Q3下=6976.2+11185.5+44.8=4254.1kJ/kmol4.7. 上塔进入上塔总焓Q上i=h10VLAMLA+h23VLNMN=386.40.576729.528414.120.423328.013=-11490.52kJ/kmol随氧气、氮气、污氮、液氮带出总焓Q下o=h17MNVN2+h14MOVO2+h11MWNVWN+hLNMNVLN2=226.6628.0130.6778+(188.97)31.980.1849+(212.46)29.2880.1+(424.03)28.0130.02516=6341.78kJ/kmol冷损Q3上=22.4q3上=22.43.5=78.4kJ/kmol因此上塔与下塔换热量Q上下=Q上iQ上oQ3上=6341.78+11490.5278.4=5070.34kJ/kmol误差E上下=(Q上下Q下上)/Q上下=(5070.344254.12)/5070.34=16%5. 技术经济指标Q下上4254.1Q上下5070.34误差16%主 要 设 计 及 说 明主要结果加工空气量VK=785.34Nm3/h空压机排量VKp=VK/(1V)=818.06Nm3/h氮气产量VN2=550Nm3/h氧提取率=VO2yO2/20.95%=0.19199.5%/20.95%=0.907能耗计算结果汇总如下：物流参数汇总表物流名称单位流量总流量物流名称单位流量总流量氧产量0.191150馏分液氮量0.423332氮产量0.701550液空量0.577453污氮量0.179加工空气量1785液氮量0.02620空压机排量1.042872膨胀量0.495389氧提取率0.907能耗4172.72设备热负荷、温度及温差汇总表设备名称温度C温度C单位热负荷（kJ/Nm3A)总热负荷（kW)热端冷端热端冷端主冷I空气8-126.415841.13氮气5-129.433111.0325.03氧气5-129.43330.66.9污氮5-129.43316.33.7主冷II空气-126.4-160.562.114.3氮气-129.4-178317.542.510氧气-129.4-180319.512.43.5污氮-129.4-190.6330.17.44 1.68 LA过冷器液空-174.8-175.841.48 0.33 氮气-178-180.843.251.48 0.33LN过冷器液氮-179-19011.4 2.6 氮气-180.84-1951.84511.42.6 主 要 设 计 及 说 明主要结果换热器设计选择对主冷I进行设计。1. 结构设计1.1. 翅片结构参数选用锯齿形翅片，翅高hf=9.5mm, 翅距sf=1.4mm, 翅厚f=0.2mm, 隔板厚度p=1mm.翅内距x=sff=1.2mm翅内高y=hff=9.3mm当量直径板束宽度w0=1000mm封条宽度b=15mm有效宽度w=w02b=970mm每层通道截面积板束有效长度L=1m时，每层通道的传热面积一次传热面积Ai7.7310-3Fi14.55m2主 要 设 计 及 说 明主要结果二次传热面积1.2. 通道分配与通道排列为满足换热要求，拟按各流体标况下1m/s的流速估算通道数。空气取29层氮气取20层氧气取5层污氮取3层最后得到通道排列如下：空气29层氮气20层氧气5层污氮3层通道排列表通道号12345678910气流空氮空氮空氧空氮空污热负荷-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.421.25-1.421.22通道号11121314151617181920气流空氮空氮空氮空氧空氮热负荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.421.25通道号21222324252627282930气流空氮空氮空氮空氧空污热负荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.421.22通道号31323334353637383940气流空氮空氮空氮空氮空氧热负荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38通道号41424344454647484950气流空氮空氮空氮空污空氮热负荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.22-1.421.25通道号51525354555657气流空氧空氮空氮空热负荷-1.421.38-1.421.25-1.421.25-1.42以通道数为横坐标，以各通道热负荷代数和为纵坐标的通道热负荷分布曲线：通道热负荷分布曲线主 要 设 计 及 说 明主要结果2. 传热计算2.1. 质量流速使用hysys建立该换热器模型，得到质量流速为空气：994.1kg/h, 氮气：651.6kg/h, 氧气：202.9kg/h, 污氮：100.1kg/h.则单位面积质量流速分别为：空气氮气氧气污氮2.2. 传热计算1.2315kg/m2s1.1704kg/m2s1.4578kg/m2s1.1987kg/m2s传热计算表项目符号空气氮氧污氮 总通道数N292053质量流速(kg/m2s)g1.23151.17041.45781.1987冷端温度(C)Tc-126.4-129.4-129.4-129.4热端温度(C)Th8555平均温度(C)Tm-59.2-62.2-62.2-62.2进口压力barpi221.081.081.08出口压力barpo221.031.031.03平均压力barpm221.0551.0551.055动力粘度10-5(Ns/m2)1.84450.97001.08270.9952比热(J/kgK)cp1048.81021.2916.48977.87导热系数10-2(W/mK)2.57591.36981.37211.3562当量直径10-3(m)do2.12572.12572.12572.1257雷诺数Re141.92256.49286.22256.04普朗特数Pr0.75100.72320.72320.7176Pr2/30.82620.80570.80570.8015传热因子j0.02630.02030.01950.0203斯坦得数St0.03190.02510.02420.0253放热系数(W/m2K)41.17930.05032.31329.642翅片导热系数(W/mK)192192192192翅片参数(1/m)m46.31139.56241.02439.292翅片传导距离10-3(m)l4.75005.38334.87815.5054ml0.22000.21300.20010.2163th(ml)0.21650.20980.19750.2130翅片效率f0.98420.98520.98690.9847表面效率s0.98600.98690.98840.9864fFN17131.98629.62323.41276.32.3. 确定长度kfkFkNk=17131.9jfjFjNj=8629.6+2323.4+1276.3=12229.3对数平均温差主 要 设 计 及 说 明主要结果Tlog=3C换热器理论长度取后备系数1.15，两端导流板长度0.53m，则换热器实际长度L=1.15L0+0.53=2.739m圆整为2.8m.2.4. 分解校核氮-空气EN2-K=( LN2-KL0)/LN2-K=(2.35451.9212)/2.3545=18.4%氧-空气对数平均温差3C理论长度1.9212m实际长度2.739mEN2-K18.4%主 要 设 计 及 说 明主要结果EO2-K=( LO2-KL0)/LO2-K=(2.52221.9212)/2.5222=23.8%污氮-空气EN2-K=( LN2-KL0)/LN2-K=(2.31571.9212)/2.3157=17.0%实际长度L=1.15LO2-K+0.53=1.152.5222+0.53=3.43m圆整为3.5m.EO2-K23.8%EN2-K17.0%实际长度3.5m参考文献：1.郑德馨，袁香玲.低温工质热物理性质表和图，机械工业出版社.2.张祉佑，石秉三.低温技术原理与装置下册，机械工业出版社.3.张祉佑，石秉三.低温技术原理与装置上册，机械工业出版社.4.孙川， KZON-150/550空分装置工艺流程计算及换热器设计.华中科技大学课程设计论文. 2008.24