《低溫課程設計》word版.doc

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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(yè) 學生姓名 ：學 號：專業(yè)班級 ：完成日期 : 指導教師 ：華中科技大學目錄目錄2已知條件3工藝流程計算41.主要點狀態(tài)參數(shù)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12換熱器設計151.結構設計152.傳熱計算18參考文獻22主 要 設 計 及 說 明主要結果已知條件1. 產量和純度：氧: VO2=150Nm3/h,純度yO2=99.5%O2氮: VLN2=30L/h,其它為氣氮, yN2=xLN2=99.99%N2抽餾分量: VF=

2、0.1Nm3/Nm3A, yF=80%(Ar+N2)液空純度: xA=3638%O22. 冷損分配:總跑冷:q3=9kJ/Nm3Aq3上塔=3.5kJ/Nm3A(含冷凝蒸發(fā)器)q3LN2=0.3kJ/Nm3A, q3LA=0.3kJ/Nm3Aq3下塔=2kJ/Nm3A,換熱器I: q3I=1.2kJ/Nm3A, II: q3II=1.7kJ/Nm3A3. 壓力和阻力:加工空氣進冷箱: p3=2022bar產品輸出壓:p21,16,13=1.02bar上塔阻力: puc =0.2bar, 下塔阻力: plc =0.1bar返流阻力:換I: p20-21=0.05bar, II: p19-20=0

3、.04bar4. 溫度溫差:環(huán)境溫度: 30C, 預冷空氣: 5C空氣進冷箱: 10C/8C膨脹以后空氣過熱度: 5C, 6C或8C主換熱器I,II熱端溫差均為3C,最小溫差1CLN過冷器冷端溫差: 38C取38%O2取22bar取1.03bar取8C取6C取5C主 要 設 計 及 說 明主要結果LA過冷器冷端溫差: 35C5. 效率:s=0.72(膨脹功不回收)T=0.65(空壓機)m=0.75(機械效率)6. 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(tài)參數(shù)上塔頂部壓力p17=p21+p20-21+p19-20=1.03+0.05+0.04=1.12

4、bar上塔底部壓力p14=p17+puc=1.12+0.2=1.32bar冷凝蒸發(fā)器液氧液面溫度根據(jù)p14=1.32bar, yO2=99.5%O2, 查得：TLO2Su=92.5K液氧密度LO2=1131.8kg/m3液氧底部壓力pLO2b=p14+LO2HLO210-498.0665 =1.32+1131.80.410-498.0665=1.364bar液氧底部溫度根據(jù)pLO2b=1.364bar, yO2=99.5%O2, 查得：取5C上塔頂壓力1.12bar上塔底壓力1.32bar液氧液面溫度92.5K主 要 設 計 及 說 明主要結果=93K液氧平均溫度TLO2m=( TLO2Su+

5、 TLO2b)/2=(92.5+93)/2=92.75K下塔頂部氮氣冷凝溫度冷凝蒸發(fā)器平均溫差：Tc=1.6C氮氣冷凝溫度Tc= TLO2m+Tc=92.75+1.6=94.35K下塔頂部壓力根據(jù)Tc=94.35K, yN2 =99.99%N2, 查得：plct=5.1bar下塔底部壓力plcb=plct+plc=5.1+0.1=5.2bar空壓機排出壓力pCOMK=22bar透平膨脹機的狀態(tài)參數(shù)膨脹前壓力p4=22bar膨脹后壓力p7=plcb=5.2bar膨脹后過熱度tsu=6C根據(jù)p7=5.2bar, 查得空氣飽和溫度Tsa=100K, hsa=2600 kJ/kmol膨脹后溫度T7=T

6、sa+tsu=100+6=106K膨脹后焓值根據(jù)p7=5.2bar, T7=106K, 查得：h7=2900kJ/kmol液氧底部溫度93K氮氣冷凝溫度94.35K下塔頂部壓力5.1bar下塔底部壓力5.2bar膨脹后溫度106K主 要 設 計 及 說 明主要結果過熱空氣焓差hsu=h7hsa=2900-2600=300 kJ/kmol膨脹機絕熱效率 s =0.72膨脹前焓值按作圖試湊得：h4=3800kJ/kmol根據(jù)p4=22bar, h4=3800 kJ/kmol,查空氣T-S圖，得膨脹前溫度T4=126.4C產品氣體溫度T21,16,13=5C返流氣進I溫度T20,15,12=129.

7、4C2. 裝置總物料平衡空氣成分: 78.08%N2, 20.95%O2, 0.93%Ar, 0.04%CO2單位氮產量VN2=(550/150)VO2=3.67VO2由VO2=150Nm3/h, 得氧流量為：6.344kmol/h由VLN2=30L/h, 得液氮流量為：0.86359kmol/h所以，單位液氮產量為：VLN2=(0.86359/6.344)VO2=0.136VO2根據(jù)空氣物料平衡VO2(1-yO2)+3.67VO2yN2+VWNyWN=78.08%其中污氮純度yWN=80% 3%=78%，VWN=0.1 Nm3/Nm3A解得：單位氧產量 VO2=0.191Nm3/Nm3A單位

8、氮產量 VN2=3.67VO2=0.701Nm3/Nm3A其中，單位液氮產量為 VLN=0.136VO2=0.026Nm3/Nm3A其余為氣氮。校核單位空氣量：膨脹前溫度126.4C返流氣進I溫度129.4CVO2=0.191VN2=0.701VLN=0.026主 要 設 計 及 說 明主要結果VK=0.191+0.7010.1=0.992 Nm3/Nm3A誤差：EVK=(1-0.988)/1=0.8%理論加工空氣量VK=150/0.191=785.34Nm3/h實際加工空氣量VKp=VK/(1V)=785.34/(1-0.04)=818.06Nm3/h3. 裝置總熱量平衡等溫節(jié)流效應膨脹產冷

9、量hpr=Vpk(h4h7)= Vpk(3800-2900) =900 Vpk kJ/kmol總跑冷損失Q3=22.4q3=22.49=201.6kJ/kmol復熱不足冷損由上塔頂部壓力p17=1.12bar, 得液氮溫度為TLN=194.94C液氮焓值為hLN=424.03kJ/kg當液氮為進口空氣狀態(tài)，焓值為理論加工空氣785.34Nm3/h實際加工空氣818.06Nm3/h主 要 設 計 及 說 明主要結果hLN0=24.236kJ/kg液氮帶走的冷量QLN=( hLN0hLN)VLN2MN=(24.236+424.03)0.025228.013=281.812kJ/kmol因此膨脹空氣

10、量為VPK=(Q3+Q2+QLNHT)/ hpr=0.495Nm3/Nm3A膨脹產冷量HPK= VPKhpr=0.495900=445.5 kJ/kmol膨脹機產冷量占比例HPK/(HPK+HT)=445.5/(445.5+146.46)=75.3%跑冷損失比例Q3/(HPK+HT)=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

11、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膨脹空氣量0.459主 要 設 計 及 說 明主要結果由p13=1.03bar, T13=5C, 得h13=20.121kJ/kg由p12=1.08bar, T12=129.4C, 得h12=152.13kJ/kg空氣得冷量QAI=(h3h4)MA=(29.21+178.15)28.966=4314.17kJ/kmol冷損Q3I=22.4q3I=22.41

12、.2=26.88kJ/kmol返流氣得熱量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誤差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=0.4

13、233Nm3/Nm3A4.3. LN過冷器跑冷QLN=22.4qLN=22.40.3=6.72kJ/kmol由p22=5.1bar, T22=178C, 得h22=391.34kJ/kg誤差14%VLA=0.5767VLN=0.4233主 要 設 計 及 說 明主要結果由p23=5.1bar, T23=190C, 得h23=414.12kJ/kg由p17=1.12bar, T17=195C, 得h17=226.66kJ/kg因此，氮氣出口18點的焓值為得到：T18=180.84C4.4. LA過冷器跑冷QLA=22.4qLA=22.40.3=6.72kJ/kmol由p9=5.2bar, T9=

14、174.8C, 得h9=384.35kJ/kg由p10=5.2bar, T10=175.84C, 得h10=386.4kJ/kg氮氣進口焓值h18=212.08kJ/kg因此，氮氣出口19點的焓值為得到：T19=178C4.5. 主冷II氧氣進口，由p14=1.32bar, 飽和狀態(tài)，得T18180.84CT19178C主 要 設 計 及 說 明主要結果h14=188.97kJ/kg污氮進口，由p11=1.12bar, 飽和狀態(tài)，得h11=212.46kJ/kg因此返流氣得熱量QdII=(h20h19)VNMN+(h15h14)VOMO+(h12h11)VWNMWN=(159.36+209.8

15、9)0.67828.01+(141.15+188.97)0.18531.98+(152.13+212.46)0.129.288=1418.72kJ/kmol冷損Q3II=22.4q3II=22.41.7=38.1kJ/kmol空氣得冷量QAII=QdIIQ3II=1418.7238.1=1376.62kJ/kmolQAII=(h4h5)(1VPK)MA解得：h5=272.2kJ/kg得到: T5=160.5C4.6. 下塔由節(jié)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=240.8

16、4kJ/kg得到：T8=174.8C進入下塔總焓Q下i=h8MA=240.8428.966=6976.2kJ/kmol隨LN和LA帶出總焓T5=160.5CT8=174.8C主 要 設 計 及 說 明主要結果Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN=384.3529.5280.5767+(391.34)28.0130.4233=11185.5kJ/kmol冷損Q3下=22.4q3下=22.42=44.8kJ/kmol因此下塔與上塔換熱量Q下上=Q下iQ下o+Q3下=6976.2+11185.5+44.8=4254.1kJ/kmol4.7. 上塔進入上塔總焓Q上i=h10VLAMLA+h23V

17、LNMN=386.40.576729.528414.120.423328.013=-11490.52kJ/kmol隨氧氣、氮氣、污氮、液氮帶出總焓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冷損Q3上=22.4q3上=22.43.5=78.4kJ/kmol因此上塔與下塔換熱量Q上下=Q上iQ上oQ3上=6341.78+11490.5278.4=5070.34kJ/kmol

18、誤差E上下=(Q上下Q下上)/Q上下=(5070.344254.12)/5070.34=16%5. 技術經濟指標Q下上4254.1Q上下5070.34誤差16%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=VK/(1V)=818.06Nm3/h氮氣產量VN2=550Nm3/h氧提取率=VO2yO2/20.95%=0.19199.5%/20.95%=0.907能耗計算結果匯總如下：物流參數(shù)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

19、量1785液氮量0.02620空壓機排量1.042872膨脹量0.495389氧提取率0.907能耗4172.72設備熱負荷、溫度及溫差匯總表設備名稱溫度C溫度C單位熱負荷（kJ/Nm3A)總熱負荷（kW)熱端冷端熱端冷端主冷I空氣8-126.415841.13氮氣5-129.433111.0325.03氧氣5-129.43330.66.9污氮5-129.43316.33.7主冷II空氣-126.4-160.562.114.3氮氣-129.4-178317.542.510氧氣-129.4-180319.512.43.5污氮-129.4-190.6330.17.44 1.68 LA過冷器液空-1

20、74.8-175.841.48 0.33 氮氣-178-180.843.251.48 0.33LN過冷器液氮-179-19011.4 2.6 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(shù)選用鋸齒形翅片，翅高hf=9.5mm, 翅距sf=1.4mm, 翅厚f=0.2mm, 隔板厚度p=1mm.翅內距x=sff=1.2mm翅內高y=hff=9.3mm當量直徑板束寬度w0=1000mm封條寬度b=15mm有效寬度w=w02b=970mm每層通道截面積板束有效長度L=1m時，每層通道的傳熱面積

21、一次傳熱面積Ai7.7310-3Fi14.55m2主 要 設 計 及 說 明主要結果二次傳熱面積1.2. 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(shù)?？諝馊?9層氮氣取20層氧氣取5層污氮取3層最后得到通道排列如下：空氣29層氮氣20層氧氣5層污氮3層通道排列表通道號12345678910氣流空氮空氮空氧空氮空污熱負荷-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.421.25-1.421.22通道號11121314151617181920氣流空氮空氮空氮空氧空氮熱負荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.42

22、1.25通道號21222324252627282930氣流空氮空氮空氮空氧空污熱負荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38-1.421.22通道號31323334353637383940氣流空氮空氮空氮空氮空氧熱負荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.38通道號41424344454647484950氣流空氮空氮空氮空污空氮熱負荷-1.421.25-1.421.25-1.421.25-1.421.22-1.421.25通道號51525354555657氣流空氧空氮空氮空熱負荷-1.421.38-1.421.25

23、-1.421.25-1.42以通道數(shù)為橫坐標，以各通道熱負荷代數(shù)和為縱坐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：空氣氮氣氧氣污氮2.2. 傳熱計算1.2315kg/m2s1.1704kg/m2s1.4578kg/m2s1.1987kg/m2s傳熱計算表項目符號空氣氮氧污氮 總通道數(shù)N292053質量流速(kg/m2s)g1.23151.17041.

24、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barpi221.081.081.08出口壓力barpo221.031.031.03平均壓力barpm221.0551.0551.055動力粘度10-5(Ns/m2)1.84450.97001.08270.9952比熱(J/kgK)cp1048.81021.2916.48977.87導熱系數(shù)10-2(W/mK)2.57591.36981.37211.3562當量直徑10-3(m)do2.12572.12572.1257

25、2.1257雷諾數(shù)Re141.92256.49286.22256.04普朗特數(shù)Pr0.75100.72320.72320.7176Pr2/30.82620.80570.80570.8015傳熱因子j0.02630.02030.01950.0203斯坦得數(shù)St0.03190.02510.02420.0253放熱系數(shù)(W/m2K)41.17930.05032.31329.642翅片導熱系數(shù)(W/mK)192192192192翅片參數(shù)(1/m)m46.31139.56241.02439.292翅片傳導距離10-3(m)l4.75005.38334.87815.5054ml0.22000.21300.

26、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. 確定長度kfkFkNk=17131.9jfjFjNj=8629.6+2323.4+1276.3=12229.3對數(shù)平均溫差主 要 設 計 及 說 明主要結果Tlog=3C換熱器理論長度取后備系數(shù)1.15，兩端導流板長度0.53m，則換熱器實際長度L=1.15L0+0.53=2.739m圓整為2.8m.2.4. 分解校核氮-空氣EN2-K

27、=( LN2-KL0)/LN2-K=(2.35451.9212)/2.3545=18.4%氧-空氣對數(shù)平均溫差3C理論長度1.9212m實際長度2.739mEN2-K18.4%主 要 設 計 及 說 明主要結果EO2-K=( LO2-KL0)/LO2-K=(2.52221.9212)/2.5222=23.8%污氮-空氣EN2-K=( LN2-KL0)/LN2-K=(2.31571.9212)/2.3157=17.0%實際長度L=1.15LO2-K+0.53=1.152.5222+0.53=3.43m圓整為3.5m.EO2-K23.8%EN2-K17.0%實際長度3.5m參考文獻：1.鄭德馨，袁香玲.低溫工質熱物理性質表和圖，機械工業(yè)出版社.2.張祉佑，石秉三.低溫技術原理與裝置下冊，機械工業(yè)出版社.3.張祉佑，石秉三.低溫技術原理與裝置上冊，機械工業(yè)出版社.4.孫川， KZON-150/550空分裝置工藝流程計算及換熱器設計.華中科技大學課程設計論文. 2008.24