低温课程计划设计.doc

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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12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223主 要 设 计 及 说 明 主要结果已知条件1. 产量和纯度：氧: V O2=150Nm3/h,纯度 yO2=99.5%O2

2、氮: V LN2=30L/h,其它为气氮 , yN2=xLN2=99.99%N2抽馏分量: V F=0.1Nm3/Nm3A, yF=80%(Ar+N2)液空纯度: x A=3638%O22. 冷损分配:总跑冷:q 3=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: p 3=2022bar产品输出压:p 21,16,13=1.02bar上塔阻力: puc =0.2

3、bar, 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 5C4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: 40

4、0mm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液氧底部温度取 5C上塔顶压力1.12bar上塔底压力1.32bar液氧液面温度92.

5、5K5根据 pLO2b=1.364bar, yO2=99.5%O2, 查得：主 要 设 计 及 说 明 主要结果6=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：T c=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

6、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7过热空气焓差hsu=h7h sa=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：h 4=3800kJ/kmo

7、l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%N 2, 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V

8、O2(1-yO2)+3.67VO2yN2+VWNyWN=78.08%其中污氮纯度 yWN=80% 3%=78%，V WN=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8VK=0.191+0.7010.1=0.992 Nm3/Nm3A误差：E VK=(1-0.98

9、8)/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 220 223 73.15()(98.065(.().26. .28.951( 1)805()7358()46./TpphpabHMccpTkJmol膨胀产冷量hpr=Vpk(h4h 7)= 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 222223131631.4( )0678.9.087.5.

10、40.9.13)95/NpOpWNpVcTVcTVcTkJmol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/h9主 要 设 计 及 说 明 主要结果hLN0=24.236kJ/kg液氮带走的冷量QLN=( hLN0h LN)VLN2MN=(24.236+424.03)0.025228.013=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=

11、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