超重力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

摘 要超重力機(jī)作為一種新型、高效的強(qiáng)化傳質(zhì)設(shè)備，已被廣泛用于化工分離與納米材料制備領(lǐng)域。超重力濕法高精度脫除低濃度煤氣中的硫化氫的成功運(yùn)行，有望替代傳統(tǒng)干法脫除的工藝?？梢詮V泛應(yīng)用于煤氣天然氣、等工業(yè)氣體中的脫硫。超重力技術(shù)能高效率脫除高濃度體系中的高濃度，這樣的技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行成本是傳統(tǒng)脫硫塔技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的；高精度脫除天然氣中的硫化氫技術(shù)，基本達(dá)到干法精脫硫的效果，但其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)于干法技術(shù)。因此，有理由相信，超重力機(jī)將會廣泛應(yīng)用到天然氣、石油氣以及水煤氣等氣體的硫化氫去除作業(yè)，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)收益以及社會進(jìn)步。本文是在收集超重力機(jī)（旋轉(zhuǎn)填充床）的設(shè)計、計算、分析、使用等資料的基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)在超重力機(jī)有關(guān)的設(shè)計理論以及方法，來完成對超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 關(guān)鍵詞：超重力機(jī)；脫硫率；體積傳質(zhì)系數(shù)；Abstract As a kind of new and highly efficient mass transfer equipment, the super gravity machine has been widely used in the field of chemical separation and preparation of nano materials. High precision removal of hydrogen sulfide from low concentration gas by high gravity wet process is expected to replace the traditional dry process. Can be widely used in gas, gas, and other industrial gases in the desulfurization. High gravity technology energy efficient removal of high concentration system in high concentration, such technical indicators and the running cost is the traditional technology of desulfurization tower fell far short of the; high precision removal from natural gas hydrogen sulfide technology, basically reached the dry desulfurization effect, but its economy and technology refers to indicate significantly better than dry technology. Therefore, there is reason to believe that high gravity apparatus can be widely used in natural gas, refinery gas, synthesis gas, gas and other gas hydrogen sulfide removal, will bring obvious economic benefit and social benefit.This article is in collecting hyper gravity machine in a rotating packed bed (RPB) design, calculation, analysis and use of data base, with reference to the now high gravity machine the design theory and method, to complete the structural design of high gravity machine.Keyword: Super gravity machine; desulfurization efficiency; volumetric mass transfer coefficient目 錄第一章 緒 論41.1 超重力技術(shù)研究背景41.1.1超重力技術(shù)41.1.2 超重力旋轉(zhuǎn)填充床的研究和意義51.2超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作原理51.2.1超重力機(jī)的工作原理和類型51.2.2超重力機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)61.2.3超重力機(jī)的基本特點(diǎn)81.3超重力機(jī)的國類外研究進(jìn)展91.3.1國內(nèi)外現(xiàn)狀101.3.2超重力機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀101.4本論文研究的目的、意義和內(nèi)容111.4.1本論文研究的目的和意義111.4.2本文的研究內(nèi)容12第二章 方案及反應(yīng)參數(shù)擬定122.1方案內(nèi)容132.2方案確定依據(jù)及選型132.3本章小結(jié)13第三章 超重力機(jī)的設(shè)計及計算133.1 超重力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)133.2主要部件尺寸的確定143.2.1氣體和液體的入口以及出口管直徑143.2.2選擇噴淋管以及尺寸的確定153.2.3填充床層的尺寸163.2.4 填料的選擇183.3轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算183.3.1轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計183.3.2轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的計算193.4功率計算193.5轉(zhuǎn)動軸的設(shè)計213.6機(jī)械密封系統(tǒng)的選定223.7超重力機(jī)外殼尺寸的確定223.8本章小結(jié)22結(jié) 論23致 謝23參 考 文 獻(xiàn)24第一章 緒 論 1.1 超重力技術(shù)研究背景 所有在地球上的物體都會受到地球引力的作用，而作為兩類極端的受力作用環(huán)境微重力條件以及超重力條件，為物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)以及生物學(xué)等打開了全新的研究領(lǐng)域，添加了極大的生命活力。在微重力科學(xué)不斷發(fā)展，為大眾廣泛接受的同時，超重力科學(xué)也逐步開始引起大眾的注意力。新世紀(jì)以來，全球的專家學(xué)者都十分關(guān)注超重力科學(xué)研究，指的是采用旋轉(zhuǎn)設(shè)備形成一類特殊的工作環(huán)境，也就是超重力條件，其加速度比重力加速度大許多。在超重力作用下，不同類型分子之間相互作用以及傳導(dǎo)過程都比一般重力作用下速率大很多，不僅僅導(dǎo)致整個反應(yīng)體系的速率提高，令單位設(shè)施體積的工作效率大大提升，大約提升12個數(shù)量級，進(jìn)而充分精簡化設(shè)計體積，令過去數(shù)十米高的大型設(shè)備縮小為高度低于兩米的超重力機(jī)。所以，超重力技術(shù)被認(rèn)為是提高傳導(dǎo)以及多體系作用過程的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)手段，被稱之為跨世紀(jì)的領(lǐng)先技術(shù)，同時，超重力機(jī)也美稱之為“化學(xué)工業(yè)中的晶體管”。 1.1.1超重力技術(shù) 超重力技術(shù)是使用某種方法讓物體在地球的萬有引力場之下可以獲得比地球加速度大得多的力。一般情況下我們實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境是通過讓物體旋轉(zhuǎn)來獲得離心力。它使重力加速度轉(zhuǎn)化成為離心加速度，打破一般重力場里加速度的條件限制。在超重力作用下，參加反應(yīng)或者準(zhǔn)備分離的液體分子在比重力加速度大上百倍甚至千倍的超重力作用下，通過多孔介質(zhì)完成流動傳遞，不同類型的分子之間進(jìn)行擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率要比在地球重力場作用下的大很多，超強(qiáng)的剪切力把液體瞬間打碎成為納米級別的顆粒，同時形成巨大的、不斷交替的相界面，傳導(dǎo)速率要比在普通塔器里的大很多，大約13個級別。由超重力技術(shù)現(xiàn)世以來，因其相對于傳統(tǒng)的傳質(zhì)設(shè)備具有體積小、重量輕、容易操作、可以用于不同環(huán)境等特點(diǎn)，得到了很多相關(guān)研究者的熱切關(guān)注。特別是在化工方面有廣闊的應(yīng)用前景。 1.1.2 超重力旋轉(zhuǎn)填充床的研究和意義超重力填充床設(shè)備，長期以來都是全球研究傳質(zhì)學(xué)科重點(diǎn)關(guān)注的一門前沿性創(chuàng)新項(xiàng)目課題。即使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用時間比較短，但是截至目前看來，它的發(fā)展前景非常廣闊，體現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力，特別是在在納米材料的生產(chǎn)方面，超重力技術(shù)具有天然的優(yōu)勢令他獲得了眾多專家學(xué)者們的關(guān)注。不僅在納米材料學(xué)科領(lǐng)域里獲得廣泛的應(yīng)用，超重力技術(shù)還在原油冶煉、環(huán)境治理、物理化學(xué)等各大領(lǐng)域里具有重大應(yīng)用價值。最近幾年以來，超重力型填充材料床設(shè)備的研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有了突破性的進(jìn)步發(fā)展，但是這門全新的可續(xù)技術(shù)，它還有很多尚待發(fā)掘的性能特點(diǎn)，需要專家學(xué)者的深入研究。從工業(yè)實(shí)踐方面分析，超重力填充床還沒有得到廣泛的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的推廣使用還有待提高。 1.2超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作原理 1.2.1超重力機(jī)的工作原理和類型超重力機(jī)作為一類全新的強(qiáng)化傳導(dǎo)設(shè)施在化工領(lǐng)域迅速發(fā)展進(jìn)步，截至目前，超重力機(jī)的構(gòu)造，通常有立式以及臥式兩類。根據(jù)流體在填料層中的流動方式通常又可以劃分為逆流型以及錯流型兩種，例如下圖1-1所示。旋轉(zhuǎn)填充材料床是由轉(zhuǎn)軸、格箱、噴淋管以及液體傳送管等各類零部件構(gòu)成，轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)填充材料床中十分關(guān)鍵的組成，通常用作加固以及連動填充材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 圖1-1 旋轉(zhuǎn)填充床分類錯流型填充床的基本特征有：在液相中，采用中間靜止的噴淋管完成噴灑作業(yè)，噴灑到正在高速旋轉(zhuǎn)的填充材料中。流入轉(zhuǎn)子的液體在強(qiáng)大離心力的作用下，旋轉(zhuǎn)速率大幅提高，穿過填充材料層之后，在填充床的內(nèi)部完成集聚，從排液口流出。氣相采用軸向運(yùn)動穿過轉(zhuǎn)子填充材料層，在填充材料層里完成兩者的相互接觸，在填充材料的表面實(shí)現(xiàn)氣液兩相之前的相互轉(zhuǎn)化過程。旋轉(zhuǎn)填充材料床逆流的基本原理是：當(dāng)氣體流入旋轉(zhuǎn)填充材料床的邊緣位置之后，從外到里在巨大壓力作用下完成逆向流動，最后在填充材料的外部滲透出。液體從進(jìn)液管中流入。使用噴淋管噴射，噴灑在填充材料的內(nèi)部。流入轉(zhuǎn)子的液體隨著轉(zhuǎn)子中填充材料的轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)速率提高，在離心力作用下，徑向流出。在兩相傳遞過程里，填充材料將液相分開、破裂進(jìn)而生成許多實(shí)時更新的液滴，同時填充材料通道又令液相的表面不斷更新，在旋轉(zhuǎn)床中構(gòu)成了良好的傳遞和作用環(huán)境，令氣相、液相之間的接觸效率充分提升。 1.2.2超重力機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)超重力機(jī)結(jié)構(gòu)中十分關(guān)鍵的組件就是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的主要作用在于：一是固定填充材料，二是帶動填充材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使氣液相接以及微觀轉(zhuǎn)化獲得良好的運(yùn)行效果，截至目前，超重力機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)型有填料式、碟片式、折流式以及螺旋式。整體來說，填料式是應(yīng)用范圍最廣的轉(zhuǎn)子類型。 1.填料式轉(zhuǎn)子填料式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1-2所示，主要是在轉(zhuǎn)子內(nèi)部添加填充材料，填充材料的填充方式通常選用高空隙率以及大比表面積的散裝方式或者整裝模式，填充材料通常都是選用顆粒狀、金屬絲網(wǎng)狀或者波紋狀等類型。和重力場作用下的傳遞對比，旋轉(zhuǎn)床中轉(zhuǎn)子的工作效率基本上是采用減小液膜的厚度，提高接觸面積等方式改善的。除此之外，傳質(zhì)還能夠在填充材料之間的縫隙或者設(shè)備間隙里的液體表面完成。 圖1-2 填料式轉(zhuǎn)子示意圖 2.碟片式轉(zhuǎn)子碟片式轉(zhuǎn)子的填充材料選用平面碟片型填充材料，中心福射狀填充材料以及同心圓波紋型填充材料。它作為一類可以良好較地提升氣液傳遞頁面的填充材料，其主要優(yōu)勢在于兩相之間的傳遞面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填充材料的表面積。氣液傳遞的效率有了充分的改善，同時也大大減小了填料的損耗，因而設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、排布合理緊湊，其基本組成如下圖1-3所示。 圖1-3 碟片式轉(zhuǎn)子示意圖 3.螺旋式轉(zhuǎn)子 如下圖1-4所示，螺旋式轉(zhuǎn)子中間是一個空腔，在轉(zhuǎn)盤中設(shè)置有螺旋型旋轉(zhuǎn)葉片。但是因?yàn)闅庖簝上鄠鬟f的時間變長，而相接表面和其他填充材料轉(zhuǎn)子的相接面積一致，都是采用降低液膜厚度以及提高液體在轉(zhuǎn)子里的傳遞時間來增強(qiáng)液體傳遞效果的，其主要優(yōu)勢在于構(gòu)造簡單，加工容易，不會產(chǎn)生堵塞問題等。 圖1-4 螺旋式轉(zhuǎn)子示意圖 4.折流式轉(zhuǎn)子 折流式轉(zhuǎn)子指的是最新研發(fā)的轉(zhuǎn)子。如下圖1-5所示。這類轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)動盤以及不動盤構(gòu)成。轉(zhuǎn)動盤和不動盤中都安裝了擋圈，不動盤中的擋圈保持靜止，和其他類型的轉(zhuǎn)子對比，這類轉(zhuǎn)子動靜相互結(jié)合，氣液相接轉(zhuǎn)化更加快速；氣液在轉(zhuǎn)子里進(jìn)行“S”型逆流傳遞，將兩相之間的傳遞時間大大延長；液相在轉(zhuǎn)子里的分布更加均勻、合理，因此這類轉(zhuǎn)子的基本特點(diǎn)有：工作效率很高，結(jié)構(gòu)清晰，維修方便等，但是電能消耗比較大。 圖1-5 折流式轉(zhuǎn)子示意圖 1.2.3超重力機(jī)的基本特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1.超重力的主要優(yōu)點(diǎn)是它的小尺寸和低重量。福勒（1989 B）發(fā)現(xiàn)相比于去除CO的等效柱，超重力的單位將為36.FT比在高度和重達(dá)60000磅的少。超重力的小尺寸使得它有利于為高壓力的服務(wù)，為殼的材料節(jié)省顯著，在服務(wù)建設(shè)昂貴的合金是必需的（福勒1989a）。超重力的結(jié)果為基礎(chǔ)，支持儲蓄較低的重量，這是在支持的應(yīng)用和改造的重要價值。超重力裝置可以安裝在滑動（1989）。 2.小尺寸和低重量的超重力裝置可以讓他們被從一個加工廠到另一個（福勒1989；凱萊赫1993）。這使得超重力裝置適合現(xiàn)場處理。該單位也可以被安置在建筑物的內(nèi)部他們在溫帶和寒冷氣候條件下全年可操作。 3.超重力的單位是不敏感的運(yùn)動（福勒1989）。隨著他們的小尺寸和重量輕，這使得超重力單位在船上應(yīng)用。 4.在超重力液體停留時間短，使得它非常適合處理熱敏感材料（福勒1989）。平均液停留時間為12級秒（keyvani 1989）。5。超重力單位可能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)更迅速，相比傳統(tǒng)的造成不合格產(chǎn)品可能性?。ǜ＠?989）。 缺點(diǎn)： 1.超重力機(jī)是一個旋轉(zhuǎn)裝置，需要額外的電源（福勒1989 B；凱萊赫1993）。超重力機(jī)操作成本會高于可比常規(guī)高。超重力旋轉(zhuǎn)的填料使容易密封失效。 2.傳統(tǒng)的超重力轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置不提供一些中間的徑向距離內(nèi)的外周或眼的填料。因此，連續(xù)蒸餾，兩超重力單位被要求整改,分別為一個精餾部分和一個剝離部分（Wang et al。2008）。 3.填料的結(jié)果是更大的降低超重力旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子（福勒1989b）。 4.液體在外周的分布，或眼，極大地影響了超重力機(jī)的性能（Trent 1999）。對于大的液體負(fù)荷，防止轉(zhuǎn)子從它的旋轉(zhuǎn)平面上偏移均勻的液體分布是必不可少的。 5.液體流中的固體的存在可能會阻塞旋轉(zhuǎn)填料。6.缺乏關(guān)于擴(kuò)大，機(jī)械設(shè)計，控制理念，成本，和可靠性限制超重力機(jī)的使用。 總之，超重力似乎很適合小型、熱敏性流體的場內(nèi)加工.小的尺寸和重量允許安裝在可移動的安裝滑道上. 1.3超重力機(jī)的國類外研究進(jìn)展 1.3.1國內(nèi)外現(xiàn)狀 因?yàn)槌亓夹g(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，全球很多大型化工企業(yè)都紛紛開始針對這門技術(shù)進(jìn)行研究創(chuàng)新，并展開了一系列的調(diào)試以及工業(yè)試運(yùn)行，但是具體的商業(yè)性運(yùn)用還沒有大幅的報道。與此同時，西方很多大學(xué)、研究所也在大型化工企業(yè)的贊助下開始投入到超重力方面的研究當(dāng)中。 針對超重力方面的研究，截至目前，已逐漸發(fā)展成為處理過程高效、可靠、穩(wěn)定、低污染，促進(jìn)社會進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新型可續(xù)技術(shù)。在西方很多發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)把這門技術(shù)定義為二十一世紀(jì)化工領(lǐng)域中最為重要的發(fā)展方向之一。 可以說，在二十一世紀(jì)中，超重力的技術(shù)手段將發(fā)展成為提升國民經(jīng)濟(jì)等多個領(lǐng)域里最為廣泛運(yùn)用的新型科學(xué)技術(shù)。 截至目前，全球各國都掀起了研究超重力傳導(dǎo)技術(shù)的熱潮。從最先開始研究這個領(lǐng)域的國家英國，快速擴(kuò)增到中國、日本、加拿大等多個國家。 1.3.2超重力機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀 1.超重力機(jī)在分離工業(yè)方面的應(yīng)用 在分離工業(yè)領(lǐng)域中，超重力機(jī)通常應(yīng)用在原油脫氧、精煉分離以及硫化氫去除等多個方面 超重力機(jī)在油田注水脫氧方面：截至目前，在原油脫氧技術(shù)中廣泛采用的是脫氧塔去氧方式，但是通過脫氧塔去氧之后，液體中只有極少量的溶解氧。很多時候?yàn)榱肆钜后w中的含氧量滿足相關(guān)規(guī)范要求，還必須添加其他脫氧劑。與此同時，為了進(jìn)一步提升氣液的接觸面方便脫氧處理，普通的塔器一般都建立在高處，鋼材損耗量很大，成本費(fèi)用也隨之提升。旋轉(zhuǎn)填充床主要應(yīng)用在原油脫氧技術(shù)中，能夠保障出口處的溶解氧含量達(dá)標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)不單單脫氧效果好，工藝流程簡單，同時還能夠大大減少除氧劑的投加量。 超重力機(jī)在精餾分離領(lǐng)域的推廣使用：截至目前，隨著高科技產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐步提升，精餾技術(shù)由于受到傳統(tǒng)技術(shù)方式里裝置體型過大，投資成本過高，能耗較大等多種不利因素的限制，發(fā)展比較緩慢。旋轉(zhuǎn)填充床技術(shù)應(yīng)用到精餾分離領(lǐng)域中，能夠?qū)庖簜鬟f基本單元碎裂成為微米級別甚至是納米級別的液滴，這樣以來，氣液傳遞就是在大于重力數(shù)十倍的超重力作用下完成，氣液兩相的接觸面積大大提升，傳遞效率也大幅增高。 超重力機(jī)在脫硫領(lǐng)域的使用：截至目前，國內(nèi)外脫硫手段還是選用傳統(tǒng)的脫硫技術(shù)。因?yàn)槭艿降厍蛑亓龅淖饔?，一般的脫硫技術(shù)存在處理速率較慢，運(yùn)行效果差，裝置體型過高、投資成本大、設(shè)備容易堵塞，維修困難等問題。旋轉(zhuǎn)填料床里的脫硫技術(shù)結(jié)合普通的脫硫技術(shù)，采用超重力作用大大提升脫硫的作用效果，減少反應(yīng)時間，同時處理后的濃度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。 2.超重力機(jī)的納米材料制備方面的應(yīng)用 納米材料作為新世紀(jì)的主要材料之一，截至目前，人們已經(jīng)能夠生產(chǎn)出粒度非常小的金屬型、復(fù)合型、碳化物型材料等等，但是卻很難生產(chǎn)出納米鹽材料。這是由于納米鹽的加工流程非常復(fù)雜，關(guān)系到兩相之間轉(zhuǎn)化、反應(yīng)、結(jié)合等，它不單單改變反應(yīng)速率，而且可以嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的性質(zhì)。因此，需要充分強(qiáng)化兩相之間的傳遞意思微觀混合作用，在分子級別上合理地調(diào)控化學(xué)反應(yīng)以及結(jié)晶作用，進(jìn)而生產(chǎn)出粒度較小、分布均勻的納米材料。 3.超重力機(jī)的快速反應(yīng)過程中的應(yīng)用 因?yàn)槌亓C(jī)的操作非常靈活，可以快速、有效、可靠的完成微觀混合作用，穩(wěn)定所需時間很短，所以在多種工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如北京化工大學(xué)退出了二苯甲焼二異氰酸酯，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)過程中的能耗也大大降低，產(chǎn)品的質(zhì)量水平也滿足全球領(lǐng)先技術(shù)要求。 1.4本論文研究的目的、意義和內(nèi)容 1.4.1本論文研究的目的和意義 作為一類全新的氣液傳遞裝置，和普通的塔器裝置對比，超重力機(jī)具備傳遞系數(shù)大、體型小、重量小、應(yīng)用面廣泛等優(yōu)勢，逐漸吸引到更多的專家學(xué)者的關(guān)注。自從旋轉(zhuǎn)填充床在國內(nèi)應(yīng)用以來，針對旋轉(zhuǎn)床的設(shè)計還一直處于摸索時期，針對旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)計原理的文獻(xiàn)非常缺乏。截至目前，根據(jù)最新的資料分析來說，基本上還是在基礎(chǔ)性的運(yùn)用研究，工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的報道很少。這是由于反應(yīng)設(shè)備還不夠完善，很多應(yīng)用方面需要不斷改進(jìn)。在綜合工程使用過程里，也具有一系列的問題，因此，順利完成的工程項(xiàng)目實(shí)例很少，從而嚴(yán)重限制了旋轉(zhuǎn)填充床的推廣使用。采用數(shù)值模擬展開分析研究，合理化旋轉(zhuǎn)床的各項(xiàng)參數(shù)，為深入研究以及實(shí)踐操作供應(yīng)理論依據(jù)以及技術(shù)手段。為之后研發(fā)推廣具備優(yōu)良穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)填充床供應(yīng)有效地測試數(shù)據(jù)以及理論基礎(chǔ)。1.4.2本文的研究內(nèi)容 在本文中，主要采用了氣體里的CO2吸收作用。采用弱酸（CO2）弱堿（有機(jī)胺）無機(jī)鹽完成吸收作用。設(shè)計出在上述反應(yīng)條件下的反應(yīng)器，并采用數(shù)值模擬方式展開研究。具體內(nèi)容如下所述： （1）針對超重力機(jī)完成對全球應(yīng)用情況以及研究程度的調(diào)查研究。了解全球超重力填充床反應(yīng)設(shè)備的研發(fā)狀況，掌握旋轉(zhuǎn)床的運(yùn)行原理，為之后旋轉(zhuǎn)床的實(shí)際設(shè)計工作做好準(zhǔn)備； （2）按照已有的超重力機(jī)在設(shè)計工作中所需要處理的問題展開研究分析，制定反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式； （3）針對混合氣里的CO2挑選出合理的反應(yīng)指數(shù)，同時確定在本次設(shè)計里需要運(yùn)用的各種指數(shù)，滿足增大傳遞效率的要求。 （4）在上述研究分析的基礎(chǔ)之上，完成針對填充床的設(shè)計作業(yè)，明確實(shí)際的運(yùn)行指數(shù)； （5）按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完成填充床的設(shè)計工作，其中主要有材料的挑選、填充材料、噴淋管、轉(zhuǎn)軸以及氣液接口等各種零部件的設(shè)計； （6）按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對填充床的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開了檢測校核，其中主要有臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)軸角速度、氣壓大小等，保障設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)定要求； （7）針對轉(zhuǎn)子體系完成動平衡的檢測校核，充分確保填充床運(yùn)行的安全性； 在本次設(shè)計中，運(yùn)用到了流體力學(xué)、機(jī)械工程以及動力學(xué)等多門學(xué)科的理論知識，針對填充床的工作效率展開了深入的研究分析。通過本次論文的深入研究分析，能夠?yàn)楹罄m(xù)相關(guān)方面的研究工作供應(yīng)多種理論依據(jù)，同時還可以為其他多種類別的氣液傳遞技術(shù)供應(yīng)參考建議。 第二章 方案及反應(yīng)參數(shù)擬定 2.1方案內(nèi)容 工藝條件：本研究是天然氣中H2S的吸收來達(dá)到脫硫目的，當(dāng)然使用的設(shè)備是超重力旋轉(zhuǎn)填料床。工作原理則是通過堿液（Na2CO3）鐵離子（Fe3+）氧化得到硫，最后硫以泡沫的形式離開反應(yīng)系統(tǒng)。通過超重力機(jī)吸收天然氣中H2S的主要反應(yīng)方程式如下：(a)堿液把天然氣中的H2S吸收使之成為液相：(b) S2離子被鐵離子氧化從而生成單質(zhì)硫： 工藝條件:工作溫度最大值是50，額定工作溫度是20，在大氣壓強(qiáng)條件下，液體流量是100L/h，氣體流量是0.5m3/h，電動設(shè)備的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)。 2.2方案確定依據(jù)及選型 立式填充床和臥式填充床相比，其占地面積更小，工作性能更加穩(wěn)定，此外，立式填充床只需要一個垂直的支承，因而設(shè)計工作更加簡單，很好的預(yù)防了兩邊支承受力不平衡而造成的晃動，轉(zhuǎn)軸碎裂等意外事故。立式填充床里的液體可以有效地保障左右對稱，傳遞效果良好，所以針對氣體的吸附效果更加令人滿意，在本次設(shè)計中，筆者選用立式填充床。 2.3本章小結(jié) 在本章中，筆者結(jié)合全球各國的研究現(xiàn)狀，包括具體應(yīng)用范圍，從可以有效運(yùn)用的出發(fā)點(diǎn)展開分析討論，初步設(shè)計一類旋轉(zhuǎn)立式填充床模型，基本思路如下：（1） 設(shè)計基本原則：具有良好的實(shí)用性、有效性以及安全性； （2）設(shè)計基本思路：選擇出一類相對可行的操作方案，研究分析旋轉(zhuǎn)型填充床的基本原理以及操作方式，展開系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃，之后再按照實(shí)際運(yùn)用環(huán)境以及運(yùn)行狀況針對轉(zhuǎn)子完成模擬仿真處理；（3）設(shè)計初步方案：采用針對臥式、立式兩類填充床的設(shè)計方案對比分析，明確填充床的設(shè)計形式。第3章 超重力機(jī)的設(shè)計及計算 3.1 超重力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)超重力機(jī)與傳統(tǒng)反應(yīng)塔相比是使用高速旋轉(zhuǎn)的生產(chǎn)裝置來替代固定的生產(chǎn)裝置，此設(shè)備的出現(xiàn)使得投資費(fèi)用降低很多，而且設(shè)備體積也是大幅度減小，因而占地也會減小，生產(chǎn)效率會比以前高上很多。在設(shè)計過程中必須要設(shè)計出一套完善的密封系統(tǒng)，因?yàn)槌亓C(jī)需要具備良好的密封性才能實(shí)現(xiàn)快速地混合與分離。根據(jù)上述分析，我對超重力機(jī)進(jìn)行了整體設(shè)計，如下圖所示： 圖3-1超重力機(jī)整體結(jié)構(gòu)的示意圖 針對一臺能夠滿足工藝設(shè)計要求同時能夠正常工作的超重力機(jī)，我們在設(shè)計時要考慮下面的幾個方面： （1）計算功率并選擇合適的電動機(jī) （2）確定重要附件的尺寸大小 （3）設(shè)計轉(zhuǎn)動軸計算臨界轉(zhuǎn)速并校核其強(qiáng)度 （4）設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)并計算強(qiáng)度 （5）確定合適的密封系統(tǒng)，這是也是最主要考慮的因素 3.2主要部件尺寸的確定要完成超重力旋轉(zhuǎn)填充材料床的設(shè)計工作，就必須充分考慮各個關(guān)鍵部件的尺寸大小，這些部件主要是：填料層尺寸大小氣體進(jìn)出口管直徑選擇噴淋管類型及其尺寸液體進(jìn)出管口直徑 3.2.1氣體和液體的入口以及出口管直徑已知液體流量L=100L/h，氣體流量G=0.5m3/h。那么根據(jù)查得公式可以得出其中 Vg氣體的實(shí)際流速，進(jìn)行設(shè)計的時候，通常選用Vg=10m/s; L液體的實(shí)際流量，單位m3/h； Dl液體入口處的管徑，單位m； G氣體的實(shí)際流量，單位m3/h； Dg氣體進(jìn)口管內(nèi)徑，單位m； Vl液體流速，設(shè)計時一般取Vl=3m/s。 由(3-1)跟(3-2)兩式求出Dl =3.4mm；Dg= 4.2mm由實(shí)際生產(chǎn)的鋼鋼規(guī)格，最終選用的液體管口尺寸為10mm；氣體管口尺寸為14mm。3.2.2選擇噴淋管以及尺寸的確定 噴淋管是超重力機(jī)上的重要附件之一，它的結(jié)構(gòu)會影響到設(shè)備的運(yùn)行效率。在本次設(shè)計中，筆者采用直管傳遞液體，這樣以來，能夠令液體表現(xiàn)出非常合理的工作狀態(tài)。 噴淋管具有開孔型以及開縫型兩類，筆者選擇的是開孔結(jié)構(gòu)的噴淋管。這是因?yàn)殚_孔型噴淋管可以讓液體在噴淋管軸向的垂直方向噴出，噴出的方向比較集中，有益于液體在填料層中均勻分布，從而大大地增加傳質(zhì)效率。 (a)開孔型噴淋管 (b)開縫型噴淋管 圖3-2噴淋管結(jié)構(gòu)示意圖通過液體的實(shí)際流量以及液體流通管徑，能夠推算出液體的實(shí)際流速，進(jìn)而推算出噴淋管的總量：在上式里 d噴淋管的內(nèi)徑大小，單位m； V0液體在噴淋管內(nèi)流速，m/s 液體的流量已知是100L/h，噴淋管內(nèi)徑取為10mm，液體在噴淋管內(nèi)的流速取為3m/s，則計算得出np=0.54，選用2根單側(cè)開孔的噴淋管。噴淋管孔徑設(shè)定為1mm，開孔數(shù)為3個，孔為圓孔，那么噴淋面積為其中 Vp 噴口速度，m/s；通常情況下Vp=1.5V0因此計算可得出Ap=2.510-6m2，噴淋管取2根，單側(cè)開孔，孔間距4mm, 每側(cè)3孔，填料高度來決定圓孔的垂直距離，噴嘴的面積跟噴淋管噴淋面積。表3-1噴淋管的開孔項(xiàng)目單位數(shù)值單個噴嘴面積m26單個噴管所需噴嘴總數(shù)量個4.16710-6所需噴嘴的總面積m22.510-6 3.2.3填充床層的尺寸 如下圖3-3所示：下圖是超重力機(jī)轉(zhuǎn)子填料層的組成圖。其中，內(nèi)徑是R1，填料層的高度是b，外徑是R2。 （1）內(nèi)半徑R1的確定在本次設(shè)計中，我們選用的是立體式的結(jié)構(gòu)組成，氣體與液體的連通模式是旋轉(zhuǎn)逆流傳導(dǎo)，其中，主要反映就是氣-液兩項(xiàng)接觸反應(yīng)，因此在填料層中間位置的下端需要進(jìn)行封閉處理，這就要求填充層的內(nèi)徑必須大于氣體進(jìn)口處的半徑，從而能夠包含噴淋管管徑，取內(nèi)徑R1=40mm（2）填充床層高度b的確定在本次設(shè)計里，填料層高度的選擇需要根據(jù)轉(zhuǎn)子的系統(tǒng)構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由上下端口以及填充材料構(gòu)成，下端采用限位銷、鍵面以及轉(zhuǎn)軸進(jìn)行固定處理，因此僅有轉(zhuǎn)軸以及和轉(zhuǎn)子連接非常牢固的轉(zhuǎn)子，在工作的時候才能夠保持平衡。上下端口都是整體系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計，液體能夠完全浸潤填充材料，所以在材料層的高度的設(shè)計作業(yè)里，必須考慮填充材料的系統(tǒng)構(gòu)造，選取b=50mm（3） 填充床層外半徑R2的確定 在超重力機(jī)里，氣液傳導(dǎo)的作用基本上都是通過填料表層的液膜以及液滴中完成，這樣以來，填充材料的表層潤濕性就可以用來判斷液體能否在填料表面構(gòu)成液態(tài)膜，假如填充材料沒有徹底潤濕，填充材料的表面就不能被有效充分使用。超重力機(jī)和普通的塔器裝置不同，液體是由填充層的內(nèi)部向填充床的外部進(jìn)行流動，同時在流動過程中，液體的流量截面積在不斷增大，液體的噴射密度在不斷減小，假如必須保障填充材料徹底潤濕，那么填充材料內(nèi)部的液體噴淋量必須大于最下值。選用填充材料的外徑進(jìn)行運(yùn)算校對；旋轉(zhuǎn)填料床的外徑為 （3-6） 在上式里 填充材料的比表面積，； 最小噴淋密度，； 最小濕潤速率，取最小的濕潤速率 由以上計算得出，對于一定旋轉(zhuǎn)填充床： （3-7） 計算的。去填料外半徑為100mm3.2.4 填料的選擇填充材料作為超重力機(jī)中十分重要的內(nèi)部組件，它主要用來增大氣液反應(yīng)時的接觸面積。填料常用的有金屬、塑料、陶瓷等等。其中金屬調(diào)料的通量很高，工作效率良好，但是不銹鋼的成本比較高，一般的鋼材抗腐蝕性太差；塑料填充材料的空隙率很大，而且高溫條件下會熔化；陶瓷材料耐腐蝕，但易碎，空隙率小?？紤]到超重力機(jī)所選用的填充材料比塔設(shè)備少很多，初步選用不銹鋼型填充材料。填充材料的主要特征如下表3-2所示。 3.3轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算 填料式轉(zhuǎn)子目前應(yīng)用十分寬廣，在本次設(shè)計中，筆者選用填充材料型轉(zhuǎn)子完成設(shè)計作業(yè)。 3.3.1轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計有兩個設(shè)計重點(diǎn)，其一是強(qiáng)度要求，轉(zhuǎn)子需要足夠的強(qiáng)度支撐填充床層；其二是轉(zhuǎn)子表面的開孔率要高，從而使流通的面積變大。然而這兩個設(shè)計重點(diǎn)是互相掣肘的，如果提高開孔率會使轉(zhuǎn)子的金屬部分變少從而減小轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。所以需要在兩者之前找到平衡。常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有鼠籠型和圓筒型開孔轉(zhuǎn)子兩者，后者通常是由鋼板卷焊成，如果增加開孔率則會大大增加轉(zhuǎn)子壁的厚度，使設(shè)備的投入增加，而選用鼠籠型則可以避免后者的缺點(diǎn)。故本次設(shè)計選取鼠籠型結(jié)構(gòu)（鼠籠型結(jié)構(gòu)如下圖3-4）。該結(jié)構(gòu)由上下端蓋、襯套、螺母、螺栓組成，上下端蓋和襯套的材料為Q235，螺母和螺栓的材料為40Cr。 圖3-4 鼠籠型轉(zhuǎn)子示意圖3.3.2轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的計算轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的工作環(huán)境下，產(chǎn)生應(yīng)力作用主要來自轉(zhuǎn)子本身的重力作用以及填充材料層在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁形成的作用力。轉(zhuǎn)鼓外部螺栓的工作強(qiáng)度必須滿足如下計算式： （3-8）在上式里 最大旋轉(zhuǎn)彎矩，；能夠在螺栓的受力圖里獲得： 螺栓的工作強(qiáng)度，Pa； 螺釘?shù)墓ぷ鲝?qiáng)度，采用不銹鋼材料，選用 W截面的實(shí)際模量大小，針對螺釘，； d螺栓的直徑大小，m。因此，螺釘?shù)闹睆酱笮”仨毞?（3-9）由上面的式子可以算出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)鼓直徑d=206mm；上下端蓋的厚度為H=8mm；螺栓采用M10，螺栓孔的直徑是；襯套的內(nèi)徑、外徑大小依次是，；襯套的實(shí)際長度。根據(jù)材料的獨(dú)特性質(zhì)能夠推算出轉(zhuǎn)子的工作質(zhì)量是4.47kg。3.4功率計算超重力機(jī)的功率消耗主要包括下面幾點(diǎn)：（1） 液體增大到工作轉(zhuǎn)速所消耗的功率 = （3-10）在上式里 液體的實(shí)際密度， ； 旋轉(zhuǎn)床旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s; L液體流量，； 填料外半徑，m。由上式計算可得=0.00475KW（2）氣體通過旋轉(zhuǎn)填料層時壓力變化提供的功率 （3-11） （3-12） 式中 氣體相對密度，； H總壓頭，m； 、 分別指的是氣體進(jìn)口、出口處的實(shí)際壓強(qiáng)； Q進(jìn)氣總量； 、分別指的是氣體進(jìn)口、出口處的實(shí)際速度。根據(jù)上式運(yùn)算可得明顯比小很多。(3) 液體運(yùn)動損失的功率 （3-13）在上式里 K 有效阻力常熟，其數(shù)值大小和Re數(shù)值大小有關(guān)； 液體的實(shí)際密度，； 填充材料的外半徑以及內(nèi)半徑，m； 旋轉(zhuǎn)角速度，; H填充材料層的實(shí)際高度，m； a填充材料層的比表面積，。按照液體的物理、化學(xué)性質(zhì)，選取，那么。4. 軸承式密封材料進(jìn)行摩擦運(yùn)動所損耗的功率 （3-14）在上式里 F軸承作用力，N： f摩擦指數(shù)。綜上可得轉(zhuǎn)子消耗的總功率為 (3-15)由上式可求得N=0.00497kW，故該超重力機(jī)的總消耗功率為0.00497kW 電機(jī)負(fù)載功率計算 （3-16） 在上式里 轉(zhuǎn)子材料的組成密度，； 旋轉(zhuǎn)角速度， 填充材料的半徑； R轉(zhuǎn)子的外徑： V填充材料的體積， .由上式可以求得P=659.3W 3.5轉(zhuǎn)動軸的設(shè)計 超重力機(jī)中的軸是低速轉(zhuǎn)軸，所以我們設(shè)計的軸應(yīng)該有較好的低溫沖擊韌性和比較低的缺口敏感性，故選用力學(xué)性能好的40Cr作為軸的材料。對軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算： MPa （3-17）式中 截面系數(shù)，； T扭矩，； 軸的剪切應(yīng)力，MPa； n軸轉(zhuǎn)速，r/min; P軸所傳遞的功率，kW； d軸直徑，mm； 軸材料的許用扭剪應(yīng)力，MPa估算軸的直徑有如下公式： mm （3-18）式中 C由軸的材料和承載能力確定的常數(shù)。查40Cr的力學(xué)性能表，取C的范圍在107到98之間，大致可以算得傳動軸的直徑d大于14mm傳動軸的強(qiáng)度計算 MPa （3-19）式中 軸應(yīng)力，MPa； M軸所受的扭矩，； T軸所受的扭矩， ； W軸的抗彎截面系數(shù)，； 軸的彎曲應(yīng)力。 由上式（3-19）可得=26.1MPa，由于選定的材料為40Cr， 查表可知=70Mpa，所以是安全的。 3.6機(jī)械密封系統(tǒng)的選定機(jī)械密封（又稱端面密封）是動力機(jī)械和流體機(jī)械中不可或缺的零部件。在化工裝置的使用中，所處理的氣體、液體大多數(shù)易燃易爆或有腐蝕性，如果密封失效導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，后果不堪設(shè)想。所以在超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，密封系統(tǒng)的選定十分重要。在本次超重力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我準(zhǔn)備采用集裝式機(jī)械密封。這種密封裝置的靜環(huán)、動環(huán)、軸套和壓蓋與輔助密封在安裝之前用一軸套都集裝在一起，便于拆裝檢查和維修零部件。集裝式密封操作比較容易，使用者普遍可以接受。它所采用的彈簧壓縮、密封截面面積、平衡性以及O形圈的過剩量等都是長時間實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積以及使用者反饋所收集到的信息。今后機(jī)械密封的發(fā)展方向主要有：選取集裝式密封最合適的系數(shù)，自動機(jī)械安裝誤差減小，沒有彈簧堵塞問題，沒有O形圈損耗等。 在本次超重力機(jī)構(gòu)造設(shè)計作業(yè)中，采用的集裝式密封的優(yōu)勢在于：（1） 軸可以隨時調(diào)整；（2） 安裝時裝配比較方便；（3） 機(jī)械設(shè)備熱膨脹之后可以重調(diào)；（4） 利用配合可以自定中心；（5） 安裝時不需要測量密封工作長度。3.7超重力機(jī)外殼尺寸的確定超重力機(jī)外殼主要用來接收在機(jī)體內(nèi)反應(yīng)時甩出來的液體，外殼的尺寸大小決定了整個超重力機(jī)的穩(wěn)定與否。外殼的大小要適中，過大浪費(fèi)材料，過小會導(dǎo)致氣體在殼體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)加劇，影響轉(zhuǎn)子的工作。本次設(shè)計的外殼殼體各個部位的尺寸如下表殼體內(nèi)徑/mm殼體厚度/mm殼體與轉(zhuǎn)子之間的距離/mm殼體的高度/mm3004501503.8本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是針對超重力機(jī)的基本構(gòu)件完成設(shè)計作業(yè)，同時重點(diǎn)對如下多個部件的組成展開了研究分析。（1）對超重力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件完成了設(shè)計；（2）超重力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其強(qiáng)度的計算；（3）對超重力機(jī)的消耗功率進(jìn)行了計算；（4）對超重力機(jī)的轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行了對其強(qiáng)度的計算；（5）根據(jù)超重力機(jī)設(shè)計的需求選取了一種機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)對超重力機(jī)進(jìn)行密封方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計；（6）確定了超重力機(jī)外殼的尺寸，并對整體的設(shè)計繪制一整套的圖紙；（7）本次設(shè)計的超重力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，平穩(wěn)運(yùn)行，是較為使用的化工設(shè)備。 結(jié) 論本文已超重力機(jī)作為研究對象，針對超重力機(jī)的在全世界的應(yīng)用情況以及現(xiàn)如今的發(fā)展?fàn)顩r開展了深入分析研究，并且按照相關(guān)專業(yè)理論知識完成了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成了基本的設(shè)計流程。運(yùn)用了AUTOCAD軟件建立了超重力機(jī)的模型，在本次