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1、 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 4 1. 主要点状态参数 4 2. 装置总物料平衡 6 3. 装置总热量平衡 7 4. 单个设备的物料和热量平衡 8
2、 5. 技术经济指标 12 换热器设计 15 1. 结构设计 15 2. 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
3、度: xA=36~38%O2 2. 冷损分配: 总跑冷:q3=9kJ/Nm3A q3上塔=3.5kJ/Nm3A(含冷凝蒸发器) q3LN2=0.3kJ/Nm3A, q3LA=0.3kJ/Nm3A q3下塔=2kJ/Nm3A, 换热器I: q3I=1.2kJ/Nm3A, II: q3II=1.7kJ/Nm3A 3. 压力和阻力: 加工空气进冷箱: p3=20~22bar 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
4、0.04bar 4. 温度温差: 环境温度: 30°C, 预冷空气: 5°C 空气进冷箱: 10°C/8°C 膨胀以后空气过热度: 5°C, 6°C或8°C 主换热器I,II热端温差均为3°C,最小温差>1°C LN过冷器冷端温差: 3~8°C 取38%O2 取22bar 取1.03bar 取8°C 取6°C 取5°C 主 要 设 计 及 说 明 主要结果 LA过冷器冷端温差: 3~5°C 5. 效率: ηs=0.72(
5、膨胀功不回收) ηT=0.65(空压机) ηm=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 ρLO2=1131.8kg/m3 液氧底部压力 pLO2b=p14+ρLO2HLO2
6、×10-4×98.0665 =1.32+1131.8×0.4×10-4×98.0665 =1.364bar 液氧底部温度 根据pLO2b=1.364bar, yO2=99.5%O2, 查得： 取5°C 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
7、塔顶部氮气冷凝温度 冷凝蒸发器平均温差：∆Tc=1.6°C 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=6°C 根据p7=5.2bar, 查得空气饱和温度Tsa=100K, hsa=2600 kJ
8、/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=h7－hsa=2900-2600=300 kJ/kmol 膨胀机绝热效率 ηs =0.72 膨胀
9、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=－126.4°C 产品气体温度 T21,16,13=5°C 返流气进I温度 T20,15,12=－129.4°C 2. 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
10、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 －126.4°C 返流气进I温
11、度 －129.4°C VO2=0.191 VN2=0.701 VLN=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/(1－∆V)=785.34/(1-0.04)=818.06Nm3/h 3. 装置总热量平衡 等温节流效应 膨胀产冷量 ∆hpr=Vpk×(h4－h
12、7)= Vpk(3800-2900) =900 Vpk kJ/kmol 总跑冷损失 Q3=22.4×q3=22.4×9=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=－194.94°C 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=－2
13、4.236kJ/kg 液氮带走的冷量 QLN=( hLN0－hLN)VLN2MN=(－24.236+424.03)×0.0252 ×28.013=281.812kJ/kmol 因此膨胀空气量为 VPK=(Q3+Q2+QLN－∆HT)/ ∆hpr=0.495Nm3/Nm3A 膨胀产冷量 ∆HPK= VPK∆hpr=0.495×900=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
14、备的物料和热量平衡 4.1. 主冷I 由p3=22bar, T3=8°C, 得 h3=－29.211kJ/kg 由p4=22bar, T4=－126.4°C, 得 h4=－178.15kJ/kg 由p21=1.03bar, T21=5°C, 得 h21=－21.09kJ/kg 由p20=1.08bar, T20=－129.4°C, 得 h20=－159.36kJ/kg 由p16=1.03bar, T16=5°C, 得 h16=－18.626kJ/kg 由p15=1.08bar, T15=－129.4°C, 得 h15=－141.15kJ/kg
15、 膨胀空气量 0.459 主 要 设 计 及 说 明 主要结果 由p13=1.03bar, T13=5°C, 得 h13=－20.121kJ/kg 由p12=1.08bar, T12=－129.4°C, 得 h12=－152.13kJ/kg 空气得冷量 QAI=(h3－h4)MA=(－29.21+178.15)×28.966=4314.17kJ/kmol 冷损 Q3I=22.4q3I=22.4×1.2=26.88kJ/kmol 返流气得热量 QdI=(h21－h20)VNMN+(h16－h15)VOMO+(h13－h12)VWNMWN =(－21.09+159.36
16、)×0.678×28.01+(－18.626+141.15) ×0.185×31.98+(－20.12+152.13)×0.1×29.288 =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=VK VLA(1－xA)+VLNxLN=78.08%VK 解得： VLA=0.5767Nm3/Nm3A VLN=0.4233Nm3/Nm3A 4.3. LN过冷器 跑冷 QLN=22.4qLN=22.4×
17、0.3=6.72kJ/kmol 由p22=5.1bar, T22=－178°C, 得 h22=－391.34kJ/kg 误差 14% VLA=0.5767 VLN=0.4233 主 要 设 计 及 说 明 主要结果 由p23=5.1bar, T23=－190°C, 得 h23=－414.12kJ/kg 由p17=1.12bar, T17=－195°C, 得 h17=－226.66kJ/kg 因此，氮气出口18点的焓值为 得到：T18=－180.
18、84°C 4.4. LA过冷器 跑冷 QLA=22.4qLA=22.4×0.3=6.72kJ/kmol 由p9=5.2bar, T9=－174.8°C, 得 h9=－384.35kJ/kg 由p10=5.2bar, T10=－175.84°C, 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=－178°C 4.5. 主冷II 氧气进口，由p14=1.32bar, 饱和状态，得 T18 －180.84°C
19、 T19 －178°C 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=(h20－h19)VNMN+(h15－h14)VOMO+(h12－h11)VWNMWN =(－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 冷损 Q3
20、II=22.4q3II=22.4×1.7=38.1kJ/kmol 空气得冷量 QAII=QdII－Q3II=1418.72－38.1=1376.62kJ/kmol QAII=(h4－h5)(1－VPK)MA 解得： h5=－272.2kJ/kg 得到: T5=－160.5°C 4.6. 下塔 由节流后，p6=5.2bar, 得到 T6=－175.38°C h6=－272.2kJ/kg 混合后 h8=h7V7+h6V6=－207.54×0.495+(－272.2)×0.505 =－240.84kJ/kg 得到：T8=－174.8°C 进入下塔总焓 Q下i=h8MA
21、－240.84×28.966=－6976.2kJ/kmol 随LN和LA带出总焓 T5=－160.5°C T8=－174.8°C 主 要 设 计 及 说 明 主要结果 Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN =－384.35×29.528×0.5767+(－391.34)×28.013×0.4233 =－11185.5kJ/kmol 冷损 Q3下=22.4q3下=22.4×2=44.8kJ/kmol 因此下塔与上塔换热量 Q下上=Q下
22、i－Q下o+Q3下 =－6976.2+11185.5+44.8=4254.1kJ/kmol 4.7. 上塔 进入上塔总焓 Q上i=h10VLAMLA+h23VLNMN =－386.4×0.5767×29.528－414.12×0.4233×28.013 =-11490.52kJ/kmol 随氧气、氮气、污氮、液氮带出总焓 Q下o=h17MNVN2+h14MOVO2+h11MWNVWN+hLNMNVLN2 =－226.66×28.013×0.6778+(－188.97)×31.98×0.1849 +(－212.46)×29.288×0.1+(－424.03)×28.013×0
23、02516 =－6341.78kJ/kmol 冷损 Q3上=22.4q3上=22.4×3.5=78.4kJ/kmol 因此上塔与下塔换热量 Q上下=Q上i－Q上o－Q3上 =－6341.78+11490.52－78.4=5070.34kJ/kmol 误差 E上下=(Q上下－Q下上)/Q上下 =(5070.34－4254.12)/5070.34=16% 5. 技术经济指标 Q下上 4254.1 Q上下 5070.34 误差 16
24、 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/(1－∆V)=818.06Nm3/h 氮气产量 VN2=550Nm3/h 氧提取率 ρ=VO2yO2/20.95%=0.191×99.5%/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 0.191 150 馏分液氮量 0.423 332 氮产量 0.701 550 液空量 0.577 453 污氮量 0.1 79 加工空气量
25、1 785 液氮量 0.026 20 空压机排量 1.042 872 膨胀量 0.495 389 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 -126.4 158 41.13 氮气 5 -129.4 3 3 111.03 25.03 氧气 5 -129.4 3 3 30.
26、6 6.9 污氮 5 -129.4 3 3 16.3 3.7 主冷II 空气 -126.4 -160.5 62.1 14.3 氮气 -129.4 -178 3 17.5 42.5 10 氧气 -129.4 -180 3 19.5 12.4 3.5 污氮 -129.4 -190.6 3 30.1 7.44 1.68 LA过冷器 液空 -174.8 -175.84 1.48 0.33 氮气 -178 -180.84 3.2 5 1.48 0.33 LN过冷器 液氮 -17
27、9 -190 11.4 2.6 氮气 -180.84 -195 1.84 5 11.4 2.6 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δf=0.2mm, 隔板厚度δp=1mm. 翅内距 x=sf－δf=1.2mm 翅内高 y=hf－δf=9.3mm 当量直径 板束宽度 w0=1000mm 封条宽度 b=15mm 有效宽度 w=w0－2b=970mm 每层通道截面积 板
28、束有效长度L=1m时，每层通道的传热面积 一次传热面积 Ai 7.73×10-3 Fi 14.55m2 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、 29层 氮气 20层 氧气 5层 污氮 3层 通道排列表 通道号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 气流 空 氮 空 氮 空 氧 空 氮 空 污 热负荷 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.38 -1.42 1.25 -1.42 1.22 通道号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 气流 空 氮 空 氮 空 氮 空 氧 空 氮 热负荷 -1.42 1.25
30、 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.38 -1.42 1.25 通道号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 气流 空 氮 空 氮 空 氮 空 氧 空 污 热负荷 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.38 -1.42 1.22 通道号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 气流 空 氮 空 氮 空 氮 空 氮 空 氧 热负荷 -1.42 1.25 -
31、1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.38 通道号 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 气流 空 氮 空 氮 空 氮 空 污 空 氮 热负荷 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.25 -1.42 1.22 -1.42 1.25 通道号 51 52 53 54 55 56 57 气流 空 氧 空 氮 空 氮 空 热负荷 -1.42 1.38 -1.42 1.25
32、 -1.42 1.25 -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/m2s
33、 1.1704kg/m2s 1.4578kg/m2s 1.1987kg/m2s 传热计算表 项目 符号 空气 氮 氧 污氮 总通道数 N 29 20 5 3 质量流速(kg/m2s) g 1.2315 1.1704 1.4578 1.1987 冷端温度(°C) Tc -126.4 -129.4 -129.4 -129.4 热端温度(°C) Th 8 5 5 5 平均温度(°C) Tm -59.2 -62.2 -62.2 -62.2 进口压力bar pi
34、22 1.08 1.08 1.08 出口压力bar po 22 1.03 1.03 1.03 平均压力bar pm 22 1.055 1.055 1.055 动力粘度10-5(Ns/m2) μ 1.8445 0.9700 1.0827 0.9952 比热(J/kgK) cp 1048.8 1021.2 916.48 977.87 导热系数10-2(W/mK) λ 2.5759 1.3698 1.3721 1.3562 当量直径10-3(m) do 2.1257 2.1257 2.1257 2.1257 雷诺数 R
35、e 141.92 256.49 286.22 256.04 普朗特数 Pr 0.7510 0.7232 0.7232 0.7176 Pr2/3 0.8262 0.8057 0.8057 0.8015 传热因子 j 0.0263 0.0203 0.0195 0.0203 斯坦得数 St 0.0319 0.0251 0.0242 0.0253 放热系数(W/m2K) α 41.179 30.050 32.313 29.642 翅片导热系数(W/mK) λ 192 192 192 192 翅片参数(1/m) m
36、46.311 39.562 41.024 39.292 翅片传导距离10-3(m) l 4.7500 5.3833 4.8781 5.5054 ml 0.2200 0.2130 0.2001 0.2163 th(ml) 0.2165 0.2098 0.1975 0.2130 翅片效率 ηf 0.9842 0.9852 0.9869 0.9847 表面效率 ηs 0.9860 0.9869 0.9884 0.9864 αηfFN 17131.9 8629.6 2323.4 1276.3 2.3. 确定长度
37、 αkηfkFkNk=17131.9 ∑αjηfjFjNj=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=3°C 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-K－L0)/LN2-K=(2.3545－1.9212)/2.3545=18.4% 氧-空气 对数平均温差 3°C 理论长度 1.9212m 实际
38、长度 2.739m EN2-K 18.4% 主 要 设 计 及 说 明 主要结果 EO2-K=( LO2-K－L0)/LO2-K=(2.5222－1.9212)/2.5222=23.8% 污氮-空气 EN2-K=( LN2-K－L0)/LN2-K=(2.3157－1.9212)/2.3157=17.0% 实际长度 L=1.15LO2-K+0.53=1.15×2.5222+0.53=3.43m 圆整为3.5m. EO2-K 23.8% EN2-K 17.0% 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. 22
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