低温课程设计报告Word文件下载.docx

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取5°

LA过冷器冷端温差:

3~5°

5.效率:

ηs=0.72（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×

10-4×

98.0665

=1.32+1131.8×

0.4×

=1.364bar

液氧底部温度

根据pLO2b=1.364bar,yO2=99.5%O2,查得：

上塔顶压力

1.12bar

上塔底压力

1.32bar

液氧液面温度

92.5K

=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=1.6°

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°

根据p7=5.2bar,查得空气饱和温度Tsa=100K,hsa=2600kJ/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

93K

94.35K

5.1bar

5.2bar

106K

过热空气焓差

∆hsu=h7－hsa=2900-2600=300kJ/kmol

膨胀机绝热效率ηs=0.72

膨胀前焓值按作图试凑得：

h4=3800kJ/kmol

根据p4=22bar,h4=3800kJ/kmol,查空气T-S图，得

膨胀前温度

T4=－126.4°

产品气体温度

T21,16,13=5°

返流气进I温度

T20,15,12=－129.4°

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，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=0.1Nm3/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：

－126.4°

－129.4°

VO2=0.191

VN2=0.701

VLN=0.026

VK=0.191+0.7010.1=0.992Nm3/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－h7）=Vpk（3800-2900）=900VpkkJ/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°

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

hLN0=－24.236kJ/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

∆HPK=VPK∆hpr=0.495×

900=445.5kJ/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=8°

C,得

h3=－29.211kJ/kg

由p4=22bar,T4=－126.4°

h4=－178.15kJ/kg

由p21=1.03bar,T21=5°

h21=－21.09kJ/kg

由p20=1.08bar,T20=－129.4°

h20=－159.36kJ/kg

由p16=1.03bar,T16=5°

h16=－18.626kJ/kg

由p15=1.08bar,T15=－129.4°

h15=－141.15kJ/kg

膨胀空气量

0.459

由p13=1.03bar,T13=5°

h13=－20.121kJ/kg

由p12=1.08bar,T12=－129.4°

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）×

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

VLA=0.5767Nm3/Nm3A

VLN=0.4233Nm3/Nm3A

4.3.LN过冷器

跑冷

QLN=22.4qLN=22.4×

0.3=6.72kJ/kmol

由p22=5.1bar,T22=－178°

h22=－391.34kJ/kg

14%

VLA=0.5767

VLN=0.4233

由p23=5.1bar,T23=－190°

h23=－414.12kJ/kg

由p17=1.12bar,T17=－195°

h17=－226.66kJ/kg

因此，氮气出口18点的焓值为

得到：

T18=－180.84°

4.4.LA过冷器

QLA=22.4qLA=22.4×

由p9=5.2bar,T9=－174.8°

h9=－384.35kJ/kg

由p10=5.2bar,T10=－175.84°

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

T19=－178°

4.5.主冷II

氧气进口，由p14=1.32bar,饱和状态，得

T18

－180.84°

T19

－178°

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）×

28.01+（－141.15+188.97）

31.98+（－152.13+212.46）×

=1418.72kJ/kmol

Q3II=22.4q3II=22.4×

1.7=38.1kJ/kmol

QAII=QdII－Q3II=1418.72－38.1=1376.62kJ/kmol

QAII=（h4－h5）（1－VPK）MA

h5=－272.2kJ/kg

得到:

T5=－160.5°

4.6.下塔

由节流后，p6=5.2bar,得到

T6=－175.38°

h6=－272.2kJ/kg

混合后

h8=h7V7+h6V6=－207.54×

0.495+（－272.2）×

0.505

=－240.84kJ/kg

T8=－174.8°

进入下塔总焓

Q下i=h8MA=－240.84×

28.966=－6976.2kJ/kmol

随LN和LA带出总焓

T5=－160.5°

Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN

=－384.35×

29.528×

0.5767+（－391.34）×

28.013×

0.4233

=－11185.5kJ/kmol

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×

0.6778+（－188.97）×

31.98×

0.1849

+（－212.46）×

29.288×

0.1+（－424.03）×

0.02516

=－6341.78kJ/kmol

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

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

16%

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

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

1

785

液氮量

0.026

20

1.042

872

膨胀量

0.495

389

0.907

4172.72

设备热负荷、温度及温差汇总表

设备名称

温度°

单位热负荷（kJ/Nm3A）

总热负荷（kW）

热端

冷端

主冷I

空气

8

-126.4

158

41.13

氮气

5

-129.4

3

111.03

25.03

氧气

30.6

6.9

污氮

16.3

3.7

主冷II

-160.5

62.1

14.3

-178

17.5

42.5

10

-180

19.5

12.4

3.5

-190.6

30.1

7.44

1.68

LA过冷器

液空

-174.8

-175.84

1.48

0.33

-180.84

3.2

0.33

LN过冷器

液氮

-179

-190

11.4

2.6

-195

1.84

11.4

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

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。

取29层

取20层

取5层

取3层

最后得到通道排列如下：

29层

20层

5层

3层

通道排列表

通道号

2

4

6

7

9

气流

空

氮

氧

污

热负荷

-1.42

1.25

1.38

1.22

11

12

13

14

15

16

17

18

19

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

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

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：

2.2.传热计算

1.2315kg/m2s

1.1704kg/m2s

1.4578kg/m2s

1.1987kg/m2s

传热计算表

项目

符号

污氮

总通道数

N

质量流速（kg/m2s）

g

1.2315

1.1704

1.4578

1.1987

冷端温度（°

C）

Tc

热端温度（°

Th

平均温度（°

Tm

-59.2

-62.2

进口压力bar

pi

1.08

出口压力bar

po

1.03

平均压力bar

pm

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

雷诺数

Re

141.92

256.49

286.22

256.04

普朗特数

Pr

0.7510

0.7232

0.7176

Pr2/3

0.8262

0.8057

0.8015

传热因子

j

0.0263

0.0203

0.0195

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）

192

翅片参数（1/m）

m

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

翅片效率

ηf

0.9842

0.9852

0.9869

0.9847

表面效率

ηs

0.9860

0.9884

0.9864

αηfFN

17131.9

8629.6

2323.4

1276.3

2.3.确定长度

αkηfkFkNk=17131.9

∑αjηfjFjNj=8629.6+2323.4+1276.3=12229.3

对数平均温差