低溫課程設(shè)計模版

1、設(shè) 計 計 算 及 說 明主要結(jié)果一、設(shè)計參數(shù)（一）產(chǎn)量與純度氧氣：，氮產(chǎn)量：，其他為氣氮，純度： 抽餾分量： 液空純度： （二）冷損及分配總跑冷損失：分配：（含冷凝蒸發(fā)器）主換熱器：（三）壓力與阻力加工空氣進(jìn)冷箱壓力： 2022bar產(chǎn)品輸出壓力 1.05bar（略高于大氣壓力）上塔阻力： 0.2bar下塔阻力： 0.1bar主換熱器返流阻力：I: 0.05bar II: 0.04bar分子篩吸附器再生氣阻力：0.05bar過冷器返流阻力可忽略不計。（四）溫度與溫差環(huán)境空氣溫度30空氣進(jìn)冷箱溫度 10出膨脹機的空氣過熱度 5主換熱器I熱端溫度差取 3冷凝蒸發(fā)器平均溫差取 1.5LN過冷器冷端

2、溫差 38LA過冷器冷端溫差 35（五）效率透平膨脹機膨脹功不回收空壓機 ， （六）其他液氧液面高度 400mm加工空氣損失取510（吹除、切除引起）二、流程特點（一）中壓claude循環(huán) 2025bar工作壓力（二）獲雙高產(chǎn)品： Ar： 0.93 抽出Ar餾分（三）采用板翅式換熱器溫差小。（四）采用帶預(yù)冷的分子篩吸附 、 、 。（五）制取部分液態(tài)產(chǎn)品：30l/h LN2冷損：分別為溫差損失、跑冷損失和液態(tài)產(chǎn)品帶走的損失。三、擬定工作流程并對各主要狀態(tài)點編號參考如下圖所示:四、計算各主要點的狀態(tài)參數(shù)（一）上塔塔頂壓力 p17=p21+p20-21+p19-20=1.05+0.05+0.04=1

3、.14bar（二）上塔底部壓力p14=p17+puc=1.14+0.2=1.34bar（三）冷凝蒸發(fā)器液氧液面溫度根據(jù)p14=1.34bar, yO2=99.5%O2, 查氧氮系統(tǒng)y-T圖得：TLO2Su=-180.25°C（四）冷凝蒸發(fā)器底部液氧溫度液氧密度：LO2=1133kg/m3液氧底部壓力：pLO2b=p14+LO2HLO2×10-4×98.0665=1.34+1133×0.4×10-4×98.0665=1.384bar液氧底部溫度根據(jù)pLO2b=1.384bar, yO2=99.5%O2,查氧氮系統(tǒng)y-T圖得：TLO2b

4、=-179.95°C（五）冷凝蒸發(fā)器中液氧平均溫度TLO2m=( TLO2Su+ TLO2b)/2=(-180.25°C -179.95°C)/2=-180.1°C（六）下塔頂部氮氣冷凝溫度冷凝蒸發(fā)器平均溫差 Tc=1.5°C氮氣冷凝溫度 Tc= TLO2m+Tc=-180.1+1.5=-178.6°C（七）下塔頂部壓力根據(jù) Tc=178.6°C, yN2 =99.99%N2, 查氧氮系統(tǒng)y-T圖得：plct=5.1975bar（八）下塔底部壓力plcb=plct+plc=5.1975+0.1=5.2975bar（九）空氣進(jìn)

5、可逆式換熱器壓力pCOMK=22bar（十）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=5.2975bar膨脹后過熱度： tsu=6°C飽和溫度及焓值根據(jù)膨脹后壓力，查空氣的T-S圖得： Tsa=176.24°C， hsa=389 kJ/kg膨脹后的溫度 T7=Tsa+tsu=170.24°C膨脹后的焓值根據(jù)膨脹后的壓力和溫度，查空氣的T-S圖得：h7=-206.2 kJ/kg過熱空氣的焓差 hsu=h7hsa=-206.2 kJ/kg(389) kJ/kg=182.8kJ/kg膨脹機絕熱效率：膨脹前焓值利用HYSYS建立膨脹機

6、模型得：h4=177.1kJ/kg膨脹前溫度根據(jù)膨脹前的壓力和焓值，查空氣T-S圖得：T4=126.3°C五、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(chǎn)量：VN2=(550/150)VO2=3.67VO2由VO2=150Nm3/h, 得氧流量為：6.696kmol/h由VLN2=30L/h, 得液氮流量為：0.8637kmol/h所以，單位液氮產(chǎn)量為：VLN2=(0.8637/6.696)VO2=0.129VO2根據(jù)空氣物料平衡VO2(1-yO2)+VN2yN2+VLNyN2+VWNyWN=78.08%其中污氮純度?。?/p>

7、yWN=80% 2%=78%解得：VO2=0.185Nm3/Nm3AVN2=3.67VO2=0.678Nm3/Nm3AVLN=0.129VO2=0.0238Nm3/Nm3A校核單位空氣量： VK=0.185+0.678+0.0238+0.1=0.9865 Nm3/Nm3A誤差：EVK=(1-0.9865)/1=1.35%理論加工空氣量VK=150/0.185=811.47Nm3/h實際加工空氣量VKp=VK/ (1V)=901.63Nm3/h六、裝置總熱量平衡（一）等溫節(jié)流效應(yīng)（二）膨脹產(chǎn)冷量hpr= MA (h4h7)=28.95×(-177.1+206.2)=840.13kJ/k

8、mol（三）總跑冷損失Q3=22.4×q3=22.4×9 kJ/kmol =201.6kJ/kmol（四）復(fù)熱不足損失（五）液氮帶走冷量液氮溫度 根據(jù)液氮輸出壓力及濃度，查氧氮二元系的y-T圖得：TLN=194.94°C液氮焓值 根據(jù)液氮輸出壓力及溫度，查得：hLN=-421.1kJ/kg當(dāng)液氮為進(jìn)口空氣狀態(tài)p=22bar， T=10°C時，查得焓值： hLN0=-27.1kJ/kg液氮帶走的冷量QLN=( hLN0hLN)VLN2MN=(-27.1+421.1)×0.0238×28.013 kJ/kmol=242.83kJ/kmol

9、（六）膨脹空氣量由裝置的熱平衡式得到：VPK=(Q3+Q2+QLNHT)/ (hprHT )=0.554Nm3/Nm3A（七）膨脹機產(chǎn)冷量占總產(chǎn)冷量的比例膨脹產(chǎn)冷量HPK= VPKhpr=0.554×840.13=465.2 kJ/kmol膨脹機產(chǎn)冷量占比例HPK/HPK+(1-VPK )HT=465.2/ 465.2+(1-0.554)×143.64=87.89%（八）跑冷損失占總冷損的比例Q3/HPK+(1-VPK )HT=201.6/ 465.2+(1-0.513)×143.64=38.09%七、其他熱平衡計算（一）可逆式換熱器I 1、進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)對于空氣

10、，查空氣的T-S圖由p3=22bar, T3=10°C, 得h3=27.1kJ/kg由p4=21.95bar, T4=126.3°C, 得h4=-177.2kJ/kg由p21=1.05bar, T21=7°C, 得h21=19.02kJ/kg由p20=1.1bar, T20=134.3°C, 得h20=164.4kJ/kg由p16=1.05bar, T16=7°C, 得h16=16.7kJ/kg由p15=1.1bar, T15=134.3°C, 得h15=142.1kJ/kg由p13=1.05bar, T13=7°C, 得h

11、13=18.25kJ/kg由p12=1.1bar, T12=134.3°C, 得h12=157.3kJ/kg 2、熱量平衡空氣得冷量QAI = MA (h3h4) =(27.1+177.2)×28.966 kJ/kmol=4348.4kJ/kmol冷損Q3I=22.4q3I=22.4×1.2=26.88kJ/kmol返流氣得熱量QdI=(h21h20)VNMN+(h16h15)VOMO+(h13h12)VWNMWN=(19.02+164.4)×0.678×28.01+(16.7+142.1)×0.185×31.98+(18.

12、25+157.3)×0.1×29.288 =3908.85kJ/kmol誤差EI=(QAI+Q3I-QdI)/(QAI+Q3I)=(4348.4+26.88-3908.85)/(4348.4+26.88)=10.73% 3、熱負(fù)荷氮氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷 氧氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷污氮通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷 空氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷4、換熱器熱量溫度圖 （二）下塔物料平衡及熱量平衡物料平衡VLA+VLN=VKVLA(1xA)+VLNxLN=78.08%VK解得：VLA=0.5767Nm3/Nm3AVLN=0.4233Nm3/Nm3A（三）LN過冷器熱量平衡跑冷Q

13、LN=22.4qLN=22.4×0.3=6.72kJ/kmol由p22=5.1975bar, T22=-178.6°C, 得h22=390.7kJ/kg由p23=5.1975bar, T23=186.94°C, 得h23=408.1kJ/kg由p17=1.14bar, T17=194.94°C, 得h17=226.5kJ/kg因此，氮氣出口18點的焓值為得到：T18=183.9°C（四）LA過冷器熱量平衡跑冷QLA=22.4qLA=22.4×0.3=6.72kJ/kmol由p9=5.2975bar,xo2 =38%,查氧氮二元系x-T

14、圖得：T9=174.5°C 由p9=5.2975bar, T9=174.5°C，得h9=381.2kJ/kg由p10=5.2975bar, T10=180.9°C, 得h10=393.5kJ/kg氮氣進(jìn)口焓值h18=183.9kJ/kg因此，氮氣出口19點的焓值為得到：T19=172.8°C（五）節(jié)流閥節(jié)流前壓力 21.91 bar節(jié)流后壓力 5.2975bar利用HYSYS建立節(jié)流閥模型，得 h5=209.8kJ/kg， T5=148.5°C h6=209.8kJ/kg， T6=173.6°C（六）可逆式換熱器II的熱量衡算1、進(jìn)出

15、口狀態(tài)參數(shù)氧氣進(jìn)口，由p14=1.34bar, 飽和狀態(tài)，得h14=182.5kJ/kg污氮進(jìn)口，由p11=1.14bar, 飽和狀態(tài)，得h11=212.4kJ/kg2、熱平衡返流氣得熱量QdII=(h20h19)VNMN+(h15h14)VOMO+(h12h11)VWNMWN=(164.4+203.89)×0.678×28.013+(142.1+182.5)×0.185×31.98+(157.3+212.4)×0.1×29.288=1150.06kJ/kmol冷損Q3II=22.4q3II=22.4×1.7=38.08kJ

16、/kmol空氣得冷量QAII=(h4h5) MA= (177.2+209.8)×28.97 =943.77 kJ/kmol誤差EII=( QAII+Q3IIQdII)/ QdII=(943.77+38.081150.06)/1150.06=14.63%3、熱負(fù)荷氮氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷 氧氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷污氮通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷 空氣通道單位熱負(fù)荷及總熱負(fù)荷 （七）冷凝蒸發(fā)器的熱平衡計算及校核1、下塔由T6=173.6°C，h6=209.8kJ/kg得到混合后h8=h7V7+h6V6=(-206.2)×0.554+(209.8)×0.4

17、46=207.81kJ/kg得到：T8=171.9°C進(jìn)入下塔總焓Q下i=h8MA=207.95×28.966=6020.16kJ/kmol隨LN和LA帶出總焓Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN=381.2×29.528×0.5767+(390.7)×28.013×0.4233=11124.27kJ/kmol冷損Q3下=22.4q3下=22.4×2=44.8kJ/kmol因此下塔與上塔換熱量Q下上=Q下iQ下o+Q3下=6020.16+11124.27+44.8=5148.91kJ/kmol2、上塔進(jìn)入上塔總焓Q上i

18、=h10VLAMLA+h23VLNMN=393.5×0.5767×29.528408.1×0.4233×28.013=11540.05kJ/kmol隨氧氣、氮氣、污氮、液氮帶出總焓Q上o=h17MNVN2+h14MOVO2+h11MWNVWN+hLNMNVLN2=226.5×28.013×0.6778+(182.5)×31.98×0.1849+(212.4)×29.288×0.1+(-421.1)×28.013×0.02516=6319.53kJ/kmol冷損Q3上=22.4

19、q3上=22.4×3.5=78.4kJ/kmol因此上塔與下塔換熱量Q上下= (Q上o+Q3上)Q上i=6319.5378.4+11540.05=5142.12kJ/kmol誤差E上下=(Q上下Q下上)/Q上下=(5148.915142.12)/5148.91=0.13%八、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算加工空氣量VK=811.47Nm3/h空壓機排量VKp=VK(1V)=901.63Nm3/h氮氣產(chǎn)量VN2=550Nm3/h氧提取率=VO2YO2/20.95%=0.1849×99.5%/20.95%=0.878能耗 九、匯總表（一）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

20、流量氧產(chǎn)量0.185150餾分液氮量0.423343氮產(chǎn)量0.678550液空量0.577468污氮量0.181加工空氣量1811液氮量0.023819.3空壓機排量1.111902膨脹量0.544401（二）設(shè)備熱負(fù)荷、溫度及溫差匯總表設(shè)備名稱溫度°C溫差°C單位熱負(fù)荷（kJ/Nm3A)總熱負(fù)荷（kW)熱端冷端熱端冷端主冷I空氣10-126.3194.12 43.76 氮氣7-134.338123.23 27.78 氧氣7-134.33833.09 7.46 污氮7-134.33818.18 4.10 主冷II空氣-126.3-148.518.81 4.24 氮氣-134

21、.3-172.8824.333.48 7.55 氧氣-134.3-180.4831.910.66 2.40 污氮-134.3-190.6842.17.20 1.62 LA過冷器 液空-174.5-180.99.35 2.11 氮氣-172.8-183.91.739.65 2.18 LN過冷器 液氮-178.6-186.949.21 2.08 氮氣-183.9-194.945.389.51 2.14 十、 可逆式換熱器I的設(shè)計計算（板翅式）（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計1、翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)選用鋸齒形翅片，翅高h(yuǎn)f=4.7mm, 翅距sf=2.0mm, 翅厚f=0.3mm, 隔板厚度p=1mm.翅內(nèi)距 x=sff=1

22、.7mm翅內(nèi)高 y=hff=4.4mm當(dāng)量直徑 板束寬度 w0=600mm封條寬度 b=15mm有效寬度 w=w02b=570mm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一次傳熱面積二次傳熱面積2、通道分配與通道排列（一個單元）為滿足換熱要求，擬按各流體標(biāo)況下6m/s的流速估算通道數(shù)?？諝?，取18層氮氣，取12層氧氣，取3層污氮，取2層最后得到通道排列如下通道號12345678910氣流空氧空氮空氮空氮空氮熱負(fù)荷-2.43 2.49 -2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 2.31 通道號11121314151617181920氣流空氮空

23、污空氮空氧空氮熱負(fù)荷-2.43 2.31 -2.43 2.05 -2.43 2.31 -2.43 2.49 -2.43 2.31 通道號21222324252627282930氣流空氮空氧空氮空污空氮熱負(fù)荷-2.43 2.31 -2.43 2.49 -2.43 2.31 -2.43 2.05 -2.43 2.31 通道號3132333435氣流空氮空氮空熱負(fù)荷-2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 通道排列表 以通道數(shù)為橫坐標(biāo)，以各通道熱負(fù)荷代數(shù)和為縱坐標(biāo)的通道熱負(fù)荷分布曲線：通道熱負(fù)荷分布曲線（二）傳熱計算1、質(zhì)量流速換熱器介質(zhì)流量使用hysys建立該換熱器模型，得到質(zhì)量流速

24、為，空氣：1049.41kg/h, 氮氣：687.78kg/h, 氧氣：214.14kg/h, 污氮：106.09kg/h.則單位面積質(zhì)量流速分別為：空氣 氮氣 氧氣 污氮 3.傳熱計算列表符號空氣K污氮WN氧O氮N總通道數(shù)N181232質(zhì)量流速g7.597 7.468 9.301 6.912 冷端溫度Tc-126.3-134.3-134.3-134.3熱端溫度Th10777平均溫度Tm-58.15-63.65-63.65-63.65進(jìn)口壓力pi221.1 1.11.1出口壓力po21.951.051.051.05平均壓力pm21.9751.0751.0751.075動力粘度1.50E-051

25、.38E-051.54E-051.41E-05比熱cp1078 1028 886.7982.9導(dǎo)熱系數(shù)2.11E-021.92E-021.91E-021.91E-02當(dāng)量直徑do2.452 2.452 2.452 2.452 雷諾數(shù)Re1.243E+031.332E+031.481E+031.202E+03普朗特數(shù)Pr0.7658 0.7347 0.7168 0.7267 Pr2/30.8371 0.8142 0.8009 0.8083 傳熱因子j0.0137 0.0135 0.0132 0.0138 斯坦得數(shù)St0.0164 0.0166 0.0165 0.0171 放熱系數(shù)133.96 1

26、27.36 136.16 115.84 翅片導(dǎo)熱系數(shù)192192192192翅片參數(shù)m68.20 66.50 68.76 63.42 翅片傳導(dǎo)距離l0.0024 0.0025 0.0023 0.0028 ml0.1603 0.1641 0.1580 0.1768 th(ml)0.1589 0.1627 0.1567 0.1750 翅片效率f0.9915 0.9911 0.9918 0.9897 表面效率s0.9939 0.9936 0.9941 0.9926 4.換熱器長度的確定kfkFkNk=8238.82jfjFjNj=5268.71+1445.26+774.91=7488.77對數(shù)平均溫

27、差 Tlog=5.1°C換熱器理論長度取后備系數(shù)1.15，兩端導(dǎo)流板長度0.48m，則換熱器實際長度L=1.15L0+0.48=2.982m圓整為3m.5.分解校核（1）污氮空氣 EN2-K=( L0LN2-K)/ L0=(2.1761.958)/2.176=10.0%（2）氧空氣 EO2-K=(L0LO2-K)/ L0=(2.1762.032)/2.176=6.63%（3）氮空氣EN2-K=( L0LN2-K)/ L0=(2.1761.825)/2.7=1.61%實際長度L=1.15L0+0.48=1.15×2.176+0.48=2.982m圓整為3m.6.板束阻力列表項目符號空氣氮氧污氮雷諾數(shù)Re1243133214811202摩擦因子f0.0667 0.0650 0.0626 0.0676 板束長度L(m)3333當(dāng)量直徑d0(mm)2.452 2.452 2.45