低温课程设计.doc

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
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=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(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+1131.8×0.4×10-4×98.0665
=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/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，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－h7)= 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=－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
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

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)×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=22.4×0.3=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=－180.84°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

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
Q3II=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=－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)×28.013×0.02516
=－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%
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
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
30.6
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
-179
-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
-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
-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
-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

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
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
Re
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
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
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.
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