1、課程設計說明書設計題目： KZON-150/550空分裝置工藝流程計算及換熱器設計能源與動力工程學院制冷與低溫專業學生姓名：學號：專業班級：完成日期:指導教師：華中科技大學目錄2341.主要點狀態參數42.裝置總物料平衡63.裝置總熱量平衡74.單個設備的物料和熱量平衡85.技術經濟指標12151.結構設計152.傳熱計算1822主要設計及說明已知條件1. 產量和純度：氧: V O2 =150Nm 3 /h, 純度 yO2 =99.5%O 2氮: V LN2 =30L/h,其它為氣氮 , y N2 =xLN2 =99.99%N 2抽餾分量 : V F=0.1Nm 3 /Nm 3 A, yF=8

2、0%(Ar+N 2 )液空純度 : x A=3638 %O 22. 冷損分配 :總跑冷 :q 3=9kJ/Nm3 Aq3 上塔 =3.5kJ/Nm3 A(含冷凝蒸發器 )q3LN2 =0.3kJ/Nm3A, q 3LA =0.3kJ/Nm3Aq3 下塔 =2kJ/Nm3 A,換熱器 I: q3I =1.2kJ/Nm3 A, II: q 3II =1.7kJ/Nm3 A3. 壓力和阻力 :加工空氣進冷箱 : p 3 =2022 bar產品輸出壓 :p 21,16,13 >=1.02 bar上塔阻力 : ?puc =0.2bar,下塔阻力 : ?p lc =0.1bar主要結果取 38%O

3、2取 22bar取 1.03bar取 8°C 取 6°C取 5°C返流阻力 :換 I: ?p 20-21 =0.05bar,II: ?p 19-20 =0.04bar4. 溫度溫差 :環境溫度 : 30 °C, 預冷空氣 : 5 °C空氣進冷箱 : 10 °C/8 °C膨脹以后空氣過熱度 : 5 °C, 6 °C 或 8 °C主換熱器 I,II 熱端溫差均為 3°C,最小溫差 >1 °CLN 過冷器冷端溫差 : 38 °C主要設計及說明主要結果LA 過冷器冷端

4、溫差 : 35 °C5. 效率 :=0.72( 膨脹功不回收 )s=0.65( 空壓機 )T =0.75( 機械效率 )m6. 其它條件：液氧液面高度 : 400mm加工空氣損失取 10%工藝流程計算1. 主要點狀態參數上塔頂部壓力p 17 =p21 +?p 20-21 +?p19-20 =1.03+0.05+0.04=1.12bar上塔底部壓力p 14 =p 17 +?p uc =1.12+0.2=1.32bar冷凝蒸發器液氧液面溫度根據 p14=1.32bar,yO2 =99.5%O 2, 查得：取 5°C上塔頂壓力1.12bar上塔底壓力1.32bar液氧液面溫度92

5、.5KTLO2 Su =92.5K液氧密度3=1131.8kg/mL O2液氧底部壓力p=p 14+ H×10 -4 ×98.0665LO2 bLO2LO2=1.32+1131.8×0.4 × 10 -4 ×98.0665=1.364bar液氧底部溫度根據 p LO2 b =1.364bar,y O2 =99.5%O 2, 查得：主要設計及說明主要結果=93K液氧平均溫度液氧底部溫度93KTLO2 m =( TLO2 Su + TLO2 b )/2=(92.5+93)/2=92.75K下塔頂部氮氣冷凝溫度氮氣冷凝冷凝蒸發器平均溫差： ?T c&

6、#176;溫度C94.35K=1.6氮氣冷凝溫度下塔頂部Tc= TLO2 m +?Tc=92.75+1.6=94.35K壓力5.1bar下塔頂部壓力下塔底部壓力5.2bar根據 Tc=94.35K,y N2 =99.99%N 2, 查得：p lct =5.1bar下塔底部壓力p lcb=p lct +?p lc=5.1+0.1=5.2bar空壓機排出壓力p COMK =22bar透平膨脹機的狀態參數膨脹后溫膨脹前壓力度106Kp 4=22bar膨脹后壓力p 7 =p lcb =5.2bar膨脹后過熱度?tsu =6 °C根據p7 =5.2bar,查 得空 氣飽 和溫 度Tsa=100

7、K,h sa =2600kJ/kmol膨脹后溫度T7=Tsa +?t su =100+6=106K膨脹后焓值根據 p 7 =5.2bar,T7=106K,查得：h 7=2900kJ/kmol主要設計及說明主要結果過熱空氣焓差?h su =h7 h sa =2900-2600=300 kJ/kmol膨脹機絕熱效率s =0.72膨脹前溫度膨脹前焓值按作圖試湊得：h 4=3800kJ/kmol126.4 °C根據 p 4 =22bar,h 4 =3800 kJ/kmol,查空氣 T-S 圖，得膨脹前溫度返流氣進 I 溫度129.4 °CT4 =126.4 °C產品氣體溫

8、度T21,16,13 =5 ° C返流氣進 I 溫度T20,15,12 = 129.4 ° C2. 裝置總物料平衡空氣成分 : 78.08%N2 , 20.95%O 2 , 0.93%Ar, 0.04%CO2單位氮產量VN2 =(550/150) V O2 =3.67 VO2VO2 =0.191由 VO2 =150NmVN2 =0.7013/h, 得氧流量為： 6.344kmol/hVLN =0.026由 VLN2 =30L/h,得液氮流量為： 0.86359kmol/h所以，單位液氮產量為：VL N2 =(0.86359/6.344)VO2 =0.136 V O2根據空氣

9、物料平衡VO2 (1- yO2 )+3.67 VO2 y N2 +V WN yWN =78.08%其中污氮純度 y WN =80% 3%=78% ， VWN =0.1 Nm 3 /Nm 3A解得：單位氧產量VO2 =0.191Nm3 /Nm 3 A單位氮產量VN2 =3.67 VO2 =0.701Nm3 /Nm 3 A其中，單位液氮產量為VLN =0.136 VO2 =0.026Nm3 /Nm 3 A其余為氣氮。校核單位空氣量：主要設計及說明主要結果VK=0.191+0.7010.1=0.992 Nm3 /Nm 3 A誤差： E VK =(1-0.988)/1=0.8%理論加工空氣785.34

10、Nm3/h理論加工空氣量實際加工空氣818.06Nm3/hVK =150/0.191=785.34Nm3/h實際加工空氣量V Kp =V K/ (1 ?V)=785.34/(1-0.04)=818.06Nm3/h3. 裝置總熱量平衡等溫節流效應H TMcp T Mcp h p Mcp (ab2p)( 273.15)298.0665(98.0665)T( pp0 )28.95 1.009 ( 0.2680.0008622 102 ) ( 273.15 )98.0665(98.0665)2273.158(221.03)103146.46kJ / kmol膨脹產冷量?h pr =V pk ×

11、;(h 4 h 7)= V pk (3800-2900) =900 VpkkJ/kmol總跑冷損失Q3 =22.4 ×q3 =22.4 × 9=201.6kJ/kmol復熱不足冷損Q2 22.4(VN2N2 cpN 2T3 21 VO2O2c pO2 T3 16VWNWN cpWNT3 13)22.4(0.6781.2491.038730.1851.4260.914630.1 1.3060.98333)83.895 kJ / kmol由 上 塔 頂 部 壓 力p 17 =1.12bar,得 液 氮 溫 度 為TLN = 194.94 ° C液氮焓值為h L N=4

12、24.03kJ/kg當液氮為進口空氣狀態，焓值為主要設計及說明主要結果h LN 0=24.236kJ/kg液氮帶走的冷量QLN=()VLN2 M N=(24.236+424.03)×0.0252膨脹空氣量h LN 0h L N0.459× 28.013=281.812kJ/kmol因此膨脹空氣量為V PK=(Q3 +Q2 +Q LN ?H T)/ ?h pr =0.495Nm3/Nm 3 A膨脹產冷量?H PK = VPK?h pr =0.495 ×900=445.5 kJ/kmol膨脹機產冷量占比例?H PK/( ?H PK+?H T)=445.5/(445.5

13、+146.46)=75.3%跑冷損失比例Q3/( ?H PK+?H T)=201.6/(445.5+146.46)=34.1%4. 單個設備的物料和熱量平衡4.1.主冷 I由 p 3 =22bar, T3 =8 °C, 得h 3 = 29.211kJ/kg由 p 4 =22bar,T4 = 126.4 ° C, 得h 4 = 178.15kJ/kg由 p 21 =1.03bar,T 21 =5 ° C, 得h 21 =21.09kJ/kg由 p 20 =1.08bar,T 20 = 129.4 ° C, 得h 20 =159.36kJ/kg由 p 16

14、=1.03bar,T 16 =5 ° C, 得h 16 =18.626kJ/kg由 p 15 =1.08bar,T 15 = 129.4 ° C, 得h 15 =141.15kJ/kg主要設計及說明主要結果由 p 13 =1.03bar,T 13 =5 ° C, 得h 13 =20.121kJ/kg由 p 12 =1.08bar,T 12 = 129.4 ° C, 得h 12 =152.13kJ/kg空氣得冷量QAI =(h 3 h 4 )M A=( 29.21+178.15)×28.966=4314.17kJ/kmol冷損Q 3I =22.4

15、 q3I =22.4 ×1.2=26.88kJ/kmol返流氣得熱量誤差14%Q dI =(h 21 h 20 )V NM N+(h 16 h 15 )V OM O+(h 13 h 12 )VWN M WN=(21.09+159.36)×0.678 ×28.01+( 18.626+141.15)×0.185 ×31.98+( 20.12+152.13)×0.1 ×29.288=3736.23kJ/kmolVLA =0.5767誤差E I=(Q AI+Q 3I -Qd I)/( QAI +Q3 I)VLN=0.4233=(43

16、14.17+26.88-3734.23)/(4314.17+26.88)=14%4.2.下塔物料平衡VLA +VLN=VKVLA (1x A)+V LNxLN=78.08% V K解得：V LA=0.5767Nm3/Nm 3 AVLN=0.4233Nm3/Nm 3A4.3.LN 過冷器跑冷QLN=22.4 q LN =22.4 ×0.3=6.72kJ/kmol由 p22 =5.1bar,T22 =178 ° C, 得h 22 =391.34kJ/kg主要設計及說明主要結由 p23 =5.1bar,T23 =190 ° C, 得h 23 = 414.12kJ/kg由

17、 p17 =1.12bar,T 17 = 195 ° C, 得h 17 = 226.66kJ/kg因此，氮氣出口 18 點的焓值為QLNM N VLN (h22h23 )h18h17VNM N6.7228.0130.4233( 391.34414.12)0.67828.013212.08kJ / kg得到： T18 = 180.84 °C4.4.LA 過冷器跑冷QLA=22.4 qLA=22.4 ×0.3=6.72kJ/kmol由 p9 =5.2bar, T 9 =174.8 °C, 得h 9 =384.35kJ/kg由 p10 =5.2bar,T10

18、=175.84 ° C, 得h 10 =386.4kJ/kg果T18180.84°CT19 178 °C氮氣進口焓值h 18 = 212.08kJ/kg因此，氮氣出口 19 點的焓值為QLAM AVLA (h9h10 )h19VNM Nh186.7229.5280.5767( 384.35386.4)0.67828.013209.89 kJ / kg得到： T19 =178 °C4.5.主冷 II氧氣進口，由 p 14 =1.32bar,飽和狀態，得主要設計及說明主要結果h 14 =188.97kJ/kg污氮進口，由 p 11 =1.12bar,飽和狀態

19、，得h 11 =212.46kJ/kg因此返流氣得熱量Q dII =(h 20 h19 )VNM N+(h 15 h 14 )V O M O +(h 12 h 11 )V WN M WN=( 159.36+209.89)×0.678 ×28.01+( 141.15+188.97)×0.185 ×31.98+( 152.13+212.46)× 0.1 ×29.288=1418.72kJ/kmol冷損Q3II =22.4 q 3II =22.4 ×1.7=38.1kJ/kmol空氣得冷量T5=160.5 ° CQ AI

20、I =Qd II Q3II =1418.72 38.1=1376.62kJ/kmolQAII =(h 4 h 5 )(1 V PK )M A解得：T8=h 5= 272.2kJ/kg174.8 ° C得到 : T5 =160.5 °C4.6.下塔由節流后， p 6 =5.2bar,得到T6 =175.38 °Ch 6= 272.2kJ/kg混合后h 8 =h 7 V7 +h 6 V 6=207.54 × 0.495 +(272.2) × 0.505=240.84kJ/kg得到： T8=174.8 °C進入下塔總焓Q 下 i =h 8

21、M A = 240.84 × 28.966= 6976.2kJ/kmol隨 LN 和 LA 帶出總焓主要設計及說明主要結果Q 下 o=h 9 M LA V LA +h 22 M NV LN=384.35 ×29.528 ×0.5767+( 391.34) × 28.013 ×0.4233= 11185.5kJ/kmol冷損Q 下上4254.1Q3 下 =22.4 q3 下=22.4 ×2=44.8kJ/kmol因此下塔與上塔換熱量Q 下上=Q 下 iQ 下 o+Q 3 下=6976.2+11185.5+44.8=4254.1kJ/km

22、ol4.7.上塔進入上塔總焓Q 上 i=h 10 V LAM LA+h 23 V LN M N= 386.4 × 0.5767 ×29.528 414.12 × 0.4233 ×28.013=-11490.52kJ/kmol隨氧氣、氮氣、污氮、液氮帶出總焓Q 上下5070.34Q 下 o=h 17 M NV N2 +h 14 M OV O2 +h 11 M WN VWN +h LNM NV LN2= 226.66 ×28.013 ×0.6778+( 188.97) ×31.98 ×0.1849+( 212.46)

23、×29.288 × 0.1+( 424.03) ×28.013 ×0.02516= 6341.78kJ/kmol冷損誤差16%Q3 上=22.4 q 3 上=22.4 × 3.5=78.4kJ/kmol因此上塔與下塔換熱量Q 上下=Q 上 iQ 上 oQ 3 上=6341.78+11490.52 78.4=5070.34kJ/kmol誤差E 上下=(Q 上下Q 下上)/ Q 上下=(5070.34 4254.12)/5070.34=16%5. 技術經濟指標主要設計及說明主要結果加工空氣量VK=785.34Nm3 /h空壓機排量VKp =V K/

24、 (1 ?V)=818.06Nm3 /h氧提取率氮氣產量0.907V N2 =550Nm 3 /h氧提取率=VO2 y O2 /20.95%=0.191×99.5%/20.95%=0.907能耗4172.72能耗RT ln p2K VCOMKp1N O2MVO2T0.287 303ln221.293 901.630.9810.650.751504312.47kJ / Nm3O2計算結果匯總如下：物流參數匯總表物流名稱單位流量總流量物流名稱單位流量總流量氧產量0.191150餾分液氮量0.423332氮產量0.701550液空量0.577453污氮量0.179加工空氣量1785液氮量0

25、.02620空壓機排量1.042872膨脹量0.495389設備熱負荷、溫度及溫差匯總表溫度° C溫度° C單位熱負荷總熱負設備名稱熱端冷端熱端冷端（ kJ/Nm3A)荷（kW)空氣8-126.415841.13氮氣5-129.433111.0325.03主冷 I氧氣5-129.43330.66.9污氮5-129.43316.33.7空氣-126.4-160.562.114.3氮氣-129.4-178317.542.510主冷 II氧氣-129.4-180319.512.43.5污氮-129.4-190.6330.17.441.68液空-174.8-175.841.480.

26、33LA 過冷器氮氣-178-180.843.251.480.33液氮-179-19011.42.6LN 過冷器氮氣-180.84-1951.84511.42.6主要設計及說明主要結果換熱器設計選擇對主冷 I 進行設計。1. 結構設計1.1. 翅片結構參數選用 鋸齒 形 翅片 ， 翅 高h f=9.5mm,翅距s f=1.4mm,翅厚=0.2mm,隔板厚度 =1mm.fp翅內距x=sf f=1.2mm翅內高y=h f f=9.3mm當量直徑2xyd02.12571mmxy板束寬度Aiw 0=1000mm7.73 × 10 -3封條寬度Fib=15mm14.55m 2有效寬度w=w 0

27、2b=970mm每層通道截面積Aixyw7.73229 10 3 m2sf板束有效長度 L=1m 時，每層通道的傳熱面積Fi2( x y) wL14.55m2sf一次傳熱面積主要設計及說明主要結果FxF 1.66286m2bxy i二次傳熱面積FfyFi 12.8871m2xy1.2. 通道分配與通道排列為滿足換熱要求，擬按各流體標況下 1m/s的流速估算通道數。空氣29 層空氣N KVK811.4693600 Afu29.153600 0.00773229 1取29層氮氣氮氣20 層N N2VN2550氧氣3600 Af u19.763600 0.00773229 15 層取20層氧氣污氮3

28、 層NO 2VO21503600 Af u5.393600 0.00773229 1取 5 層污氮VWN81.15NWN2.923600 Af u3600 0.00773229 1取 3 層最后得到通道排列如下：通道排列表通道12345678910號氣流空氮空氮空氧空氮空污熱負-1.41.2-1.41.2-1.41.3-1.41.2-1.41.2荷2525282522通道11121314151617181920號氣流空氮空氮空氮空氧空氮熱負-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.3-1.41.2荷2525252825通道21222324252627282930號氣流空氮空氮空氮空

29、氧空污熱負-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.3-1.41.2荷2525252822通道31323334353637383940號氣流空氮空氮空氮空氮空氧熱負-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.3荷2525252528通道41424344454647484950號氣流空氮空氮空氮空污空氮熱負-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.2-1.41.2荷2525252225通道51525354555657號氣流空氧空氮空氮空熱負-1.41.3-1.41.2-1.41.2-1.4荷2825252以通道數為橫坐標，以各通道熱負荷代數和為縱坐

30、標的通道熱負荷分布曲線：通道熱負荷分布曲線主要設計及說明主要結果2. 傳熱計算2.1. 質量流速使用 hysys 建立該換熱器模型，得到質量流速為空氣： 994.1kg/h,氮氣： 651.6kg/h,氧氣： 202.9kg/h,污氮： 100.1kg/h.則單位面積質量流速分別為：空氣GKgK3600 N K Ai3600994.11.2315kg / m2 s290.00773229氮氣GN2gN23600 N N2 Ai3600651.61.1704kg / m2 s200.00773229氧氣gO2GO23600 NO2 Ai3600202.91.4578kg / m2 s200.00

31、7732291.2315kg/2m s1.1704kg/2m s1.4578kg/2m s1.1987kg/2m s污氮GWNgWN3600 NWN Ai3600100.11.1987kg / m2 s200.007732292.2. 傳熱計算傳熱計算表項目符號空氣氮氧污氮總通道數N292053質量流速 (kg/m 2s)g1.23151.17041.45781.1987冷端溫度 (° C)Tc-126.4-129.4-129.4-129.4熱端溫度 (° C)Th8555平均溫度 (° C)Tm-59.2-62.2-62.2-62.2進口壓力 barp i221

32、.081.081.08出口壓力 barp o221.031.031.03平均壓力 barp m221.0551.0551.055動力粘度 10 -5 (Ns/m 2 )1.84450.97001.08270.9952比熱 (J/kgK)c p1048.81021.2916.48977.87導熱系數 10 -2 (W/mK)2.57591.36981.37211.3562當量直徑 10 -3 (m)d o2.12572.12572.12572.1257雷諾數Re141.92256.49286.22256.04普朗特數Pr0.75100.72320.72320.7176Pr 2/30.82620.80570.80570.8015傳熱因子j0.02630.02030.01950.0203斯坦得數St0.03190.02510.02420.0253放熱系數 (W/m 2 K)41.17930.05032.31329.642翅片導熱系數 (W/mK)192192192192翅片參數 (1/m)翅片傳導距離 10 -3 (m)翅片效率表面效率2.3. 確定長度 F N =17131.9kfkkkm46.31139.56241.02439.292l4.75005.38334.87815.5054ml0.22000.21300.20010.2163th (ml)0.21