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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=
2、0.1Nm3/Nm3A, yF=80%(Ar+N2)液空纯度: xA=3638%O22. 冷损分配:总跑冷:q3=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: p3=2022bar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=0
3、.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5C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: 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=1.12
4、bar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液氧底部温度根据pLO2b=1.364bar, yO2=99.5%O2, 查得：取5C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+
5、 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=1.6C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=T
6、sa+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=h7hsa=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：h4=3800kJ/kmol根据p4=22bar, h4=3800 kJ/kmol,查空气T-S图，得膨胀前温度T4=126.4C产品气体温度T21,16,13=5C返流气进I温度T20,15,12=129.
7、4C2. 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=0.1 Nm3/Nm3A解得：单位氧产量 VO2=0.191Nm3/Nm3A单位
8、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/(1V)=785.34/(1-0.04)=818.06Nm3/h3. 装置总热量平衡等温节流效应膨胀产冷
9、量hpr=Vpk(h4h7)= 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/h主 要 设 计 及 说 明主要结果hLN0=24.236kJ/kg液氮带走的冷量QLN=( hLN0hLN)VLN2MN=(24.236+424.03)0.025228.013=281.812kJ/kmol因此膨胀空气
10、量为VPK=(Q3+Q2+QLNHT)/ hpr=0.495Nm3/Nm3A膨胀产冷量HPK= 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
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膨胀空气量0.459主 要 设 计 及 说 明主要结果由p13=1.03bar, T13=5C, 得h13=20.121kJ/kg由p12=1.08bar, T12=129.4C, 得h12=152.13kJ/kg空气得冷量QAI=(h3h4)MA=(29.21+178.15)28.966=4314.17kJ/kmol冷损Q3I=22.4q3I=22.41
12、.2=26.88kJ/kmol返流气得热量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=VKVLA(1xA)+VLNxLN=78.08%VK解得：VLA=0.5767Nm3/Nm3AVLN=0.4233Nm3/Nm3A4.3. LN过冷器跑冷QLN=22.4qLN=22.40.3=6.72kJ/kmol由p22=5.1bar, T22=178C, 得h22=391.34kJ/kg误差14%VLA=0.5767VLN=0.4233主 要 设 计 及 说 明主要结果由p23=5.1bar, T23=190C
