低温课程设计模版

1、设 计 计 算 及 说 明主要结果一、设计参数（一）产量与纯度氧气：，氮产量：，其他为气氮，纯度： 抽馏分量： 液空纯度： （二）冷损及分配总跑冷损失：分配：（含冷凝蒸发器）主换热器：（三）压力与阻力加工空气进冷箱压力： 2022bar产品输出压力 1.05bar（略高于大气压力）上塔阻力： 0.2bar下塔阻力： 0.1bar主换热器返流阻力：I: 0.05bar II: 0.04bar分子筛吸附器再生气阻力：0.05bar过冷器返流阻力可忽略不计。（四）温度与温差环境空气温度30空气进冷箱温度 10出膨胀机的空气过热度 5主换热器I热端温度差取 3冷凝蒸发器平均温差取 1.5LN过冷器冷端

2、温差 38LA过冷器冷端温差 35（五）效率透平膨胀机膨胀功不回收空压机 ， （六）其他液氧液面高度 400mm加工空气损失取510（吹除、切除引起）二、流程特点（一）中压claude循环 2025bar工作压力（二）获双高产品： Ar： 0.93 抽出Ar馏分（三）采用板翅式换热器温差小。（四）采用带预冷的分子筛吸附 、 、 。（五）制取部分液态产品：30l/h LN2冷损：分别为温差损失、跑冷损失和液态产品带走的损失。三、拟定工作流程并对各主要状态点编号参考如下图所示:四、计算各主要点的状态参数（一）上塔塔顶压力 p17=p21+p20-21+p19-20=1.05+0.05+0.04=1

3、.14bar（二）上塔底部压力p14=p17+puc=1.14+0.2=1.34bar（三）冷凝蒸发器液氧液面温度根据p14=1.34bar, yO2=99.5%O2, 查氧氮系统y-T图得：TLO2Su=-180.25°C（四）冷凝蒸发器底部液氧温度液氧密度：LO2=1133kg/m3液氧底部压力：pLO2b=p14+LO2HLO2×10-4×98.0665=1.34+1133×0.4×10-4×98.0665=1.384bar液氧底部温度根据pLO2b=1.384bar, yO2=99.5%O2,查氧氮系统y-T图得：TLO2b

4、=-179.95°C（五）冷凝蒸发器中液氧平均温度TLO2m=( TLO2Su+ TLO2b)/2=(-180.25°C -179.95°C)/2=-180.1°C（六）下塔顶部氮气冷凝温度冷凝蒸发器平均温差 Tc=1.5°C氮气冷凝温度 Tc= TLO2m+Tc=-180.1+1.5=-178.6°C（七）下塔顶部压力根据 Tc=178.6°C, yN2 =99.99%N2, 查氧氮系统y-T图得：plct=5.1975bar（八）下塔底部压力plcb=plct+plc=5.1975+0.1=5.2975bar（九）空气进

5、可逆式换热器压力pCOMK=22bar（十）透平膨胀机的状态参数膨胀前压力： p4=22bar膨胀后压力： p7=plcb=5.2975bar膨胀后过热度： tsu=6°C饱和温度及焓值根据膨胀后压力，查空气的T-S图得： Tsa=176.24°C， hsa=389 kJ/kg膨胀后的温度 T7=Tsa+tsu=170.24°C膨胀后的焓值根据膨胀后的压力和温度，查空气的T-S图得：h7=-206.2 kJ/kg过热空气的焓差 hsu=h7hsa=-206.2 kJ/kg(389) kJ/kg=182.8kJ/kg膨胀机绝热效率：膨胀前焓值利用HYSYS建立膨胀机

6、模型得：h4=177.1kJ/kg膨胀前温度根据膨胀前的压力和焓值，查空气T-S图得：T4=126.3°C五、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：6.696kmol/h由VLN2=30L/h, 得液氮流量为：0.8637kmol/h所以，单位液氮产量为：VLN2=(0.8637/6.696)VO2=0.129VO2根据空气物料平衡VO2(1-yO2)+VN2yN2+VLNyN2+VWNyWN=78.08%其中污氮纯度取：

7、yWN=80% 2%=78%解得：VO2=0.185Nm3/Nm3AVN2=3.67VO2=0.678Nm3/Nm3AVLN=0.129VO2=0.0238Nm3/Nm3A校核单位空气量： VK=0.185+0.678+0.0238+0.1=0.9865 Nm3/Nm3A误差：EVK=(1-0.9865)/1=1.35%理论加工空气量VK=150/0.185=811.47Nm3/h实际加工空气量VKp=VK/ (1V)=901.63Nm3/h六、装置总热量平衡（一）等温节流效应（二）膨胀产冷量hpr= MA (h4h7)=28.95×(-177.1+206.2)=840.13kJ/k

8、mol（三）总跑冷损失Q3=22.4×q3=22.4×9 kJ/kmol =201.6kJ/kmol（四）复热不足损失（五）液氮带走冷量液氮温度 根据液氮输出压力及浓度，查氧氮二元系的y-T图得：TLN=194.94°C液氮焓值 根据液氮输出压力及温度，查得：hLN=-421.1kJ/kg当液氮为进口空气状态p=22bar， T=10°C时，查得焓值： hLN0=-27.1kJ/kg液氮带走的冷量QLN=( hLN0hLN)VLN2MN=(-27.1+421.1)×0.0238×28.013 kJ/kmol=242.83kJ/kmol

9、（六）膨胀空气量由装置的热平衡式得到：VPK=(Q3+Q2+QLNHT)/ (hprHT )=0.554Nm3/Nm3A（七）膨胀机产冷量占总产冷量的比例膨胀产冷量HPK= VPKhpr=0.554×840.13=465.2 kJ/kmol膨胀机产冷量占比例HPK/HPK+(1-VPK )HT=465.2/ 465.2+(1-0.554)×143.64=87.89%（八）跑冷损失占总冷损的比例Q3/HPK+(1-VPK )HT=201.6/ 465.2+(1-0.513)×143.64=38.09%七、其他热平衡计算（一）可逆式换热器I 1、进出口状态参数对于空气

10、，查空气的T-S图由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、热量平衡空气得冷量QAI = MA (h3h4) =(27.1+177.2)×28.966 kJ/kmol=4348.4kJ/kmol冷损Q3I=22.4q3I=22.4×1.2=26.88kJ/kmol返流气得热量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误差EI=(QAI+Q3I-QdI)/(QAI+Q3I)=(4348.4+26.88-3908.85)/(4348.4+26.88)=10.73% 3、热负荷氮气通道单位热负荷及总热负荷 氧气通道单位热负荷及总热负荷污氮通道单位热负荷及总热负荷 空气通道单位热负荷及总热负荷4、换热器热量温度图 （二）下塔物料平衡及热量平衡物料平衡VLA+VLN=VKVLA(1xA)+VLNxLN=78.08%VK解得：VLA=0.5767Nm3/Nm3AVLN=0.4233Nm3/Nm3A（三）LN过冷器热量平衡跑冷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，氮气出口18点的焓值为得到：T18=183.9°C（四）LA过冷器热量平衡跑冷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、图得：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氮气进口焓值h18=183.9kJ/kg因此，氮气出口19点的焓值为得到：T19=172.8°C（五）节流阀节流前压力 21.91 bar节流后压力 5.2975bar利用HYSYS建立节流阀模型，得 h5=209.8kJ/kg， T5=148.5°C h6=209.8kJ/kg， T6=173.6°C（六）可逆式换热器II的热量衡算1、进出

15、口状态参数氧气进口，由p14=1.34bar, 饱和状态，得h14=182.5kJ/kg污氮进口，由p11=1.14bar, 饱和状态，得h11=212.4kJ/kg2、热平衡返流气得热量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冷损Q3II=22.4q3II=22.4×1.7=38.08kJ

16、/kmol空气得冷量QAII=(h4h5) MA= (177.2+209.8)×28.97 =943.77 kJ/kmol误差EII=( QAII+Q3IIQdII)/ QdII=(943.77+38.081150.06)/1150.06=14.63%3、热负荷氮气通道单位热负荷及总热负荷 氧气通道单位热负荷及总热负荷污氮通道单位热负荷及总热负荷 空气通道单位热负荷及总热负荷 （七）冷凝蒸发器的热平衡计算及校核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进入下塔总焓Q下i=h8MA=207.95×28.966=6020.16kJ/kmol随LN和LA带出总焓Q下o=h9MLAVLA+h22MNVLN=381.2×29.528×0.5767+(390.7)×28.013×0.4233=11124.27kJ/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iQ下o+Q3下=6020.16+11124.27+44.8=5148.91kJ/kmol2、上塔进入上塔总焓Q上i

18、=h10VLAMLA+h23VLNMN=393.5×0.5767×29.528408.1×0.4233×28.013=11540.05kJ/kmol随氧气、氮气、污氮、液氮带出总焓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冷损Q3上=22.4

19、q3上=22.4×3.5=78.4kJ/kmol因此上塔与下塔换热量Q上下= (Q上o+Q3上)Q上i=6319.5378.4+11540.05=5142.12kJ/kmol误差E上下=(Q上下Q下上)/Q上下=(5148.915142.12)/5148.91=0.13%八、技术经济指标计算加工空气量VK=811.47Nm3/h空压机排量VKp=VK(1V)=901.63Nm3/h氮气产量VN2=550Nm3/h氧提取率=VO2YO2/20.95%=0.1849×99.5%/20.95%=0.878能耗 九、汇总表（一）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

20、流量氧产量0.185150馏分液氮量0.423343氮产量0.678550液空量0.577468污氮量0.181加工空气量1811液氮量0.023819.3空压机排量1.111902膨胀量0.544401（二）设备热负荷、温度及温差汇总表设备名称温度°C温差°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10-126.3194.12 43.76 氮气7-134.338123.23 27.78 氧气7-134.33833.09 7.46 污氮7-134.33818.18 4.10 主冷II空气-126.3-148.518.81 4.24 氮气-134

21、.3-172.8824.333.48 7.55 氧气-134.3-180.4831.910.66 2.40 污氮-134.3-190.6842.17.20 1.62 LA过冷器 液空-174.5-180.99.35 2.11 氮气-172.8-183.91.739.65 2.18 LN过冷器 液氮-178.6-186.949.21 2.08 氮气-183.9-194.945.389.51 2.14 十、 可逆式换热器I的设计计算（板翅式）（一）结构设计1、翅片结构参数选用锯齿形翅片，翅高hf=4.7mm, 翅距sf=2.0mm, 翅厚f=0.3mm, 隔板厚度p=1mm.翅内距 x=sff=1

22、.7mm翅内高 y=hff=4.4mm当量直径 板束宽度 w0=600mm封条宽度 b=15mm有效宽度 w=w02b=570mm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二次传热面积2、通道分配与通道排列（一个单元）为满足换热要求，拟按各流体标况下6m/s的流速估算通道数。空气，取18层氮气，取12层氧气，取3层污氮，取2层最后得到通道排列如下通道号12345678910气流空氧空氮空氮空氮空氮热负荷-2.43 2.49 -2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 2.31 通道号11121314151617181920气流空氮空

23、污空氮空氧空氮热负荷-2.43 2.31 -2.43 2.05 -2.43 2.31 -2.43 2.49 -2.43 2.31 通道号21222324252627282930气流空氮空氧空氮空污空氮热负荷-2.43 2.31 -2.43 2.49 -2.43 2.31 -2.43 2.05 -2.43 2.31 通道号3132333435气流空氮空氮空热负荷-2.43 2.31 -2.43 2.31 -2.43 通道排列表 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（二）传热计算1、质量流速换热器介质流量使用hysys建立该换热器模型，得到质量流速

24、为，空气：1049.41kg/h, 氮气：687.78kg/h, 氧气：214.14kg/h, 污氮：106.09kg/h.则单位面积质量流速分别为：空气 氮气 氧气 污氮 3.传热计算列表符号空气K污氮WN氧O氮N总通道数N181232质量流速g7.597 7.468 9.301 6.912 冷端温度Tc-126.3-134.3-134.3-134.3热端温度Th10777平均温度Tm-58.15-63.65-63.65-63.65进口压力pi221.1 1.11.1出口压力po21.951.051.051.05平均压力pm21.9751.0751.0751.075动力粘度1.50E-051

25、.38E-051.54E-051.41E-05比热cp1078 1028 886.7982.9导热系数2.11E-021.92E-021.91E-021.91E-02当量直径do2.452 2.452 2.452 2.452 雷诺数Re1.243E+031.332E+031.481E+031.202E+03普朗特数Pr0.7658 0.7347 0.7168 0.7267 Pr2/30.8371 0.8142 0.8009 0.8083 传热因子j0.0137 0.0135 0.0132 0.0138 斯坦得数St0.0164 0.0166 0.0165 0.0171 放热系数133.96 1

26、27.36 136.16 115.84 翅片导热系数192192192192翅片参数m68.20 66.50 68.76 63.42 翅片传导距离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.换热器长度的确定kfkFkNk=8238.82jfjFjNj=5268.71+1445.26+774.91=7488.77对数平均温

27、差 Tlog=5.1°C换热器理论长度取后备系数1.15，两端导流板长度0.48m，则换热器实际长度L=1.15L0+0.48=2.982m圆整为3m.5.分解校核（1）污氮空气 EN2-K=( L0LN2-K)/ L0=(2.1761.958)/2.176=10.0%（2）氧空气 EO2-K=(L0LO2-K)/ L0=(2.1762.032)/2.176=6.63%（3）氮空气EN2-K=( L0LN2-K)/ L0=(2.1761.825)/2.7=1.61%实际长度L=1.15L0+0.48=1.15×2.176+0.48=2.982m圆整为3m.6.板束阻力列表项目符号空气氮氧污氮雷诺数Re1243133214811202摩擦因子f0.0667 0.0650 0.0626 0.0676 板束长度L(m)3333当量直径d0(mm)2.452 2.452 2.45