毕业设计（论文）-年产一万吨生物油冷凝器装置设计.doc

东北林业大学毕业设计21年产一万吨生物油冷凝器装置设计1 绪论1. 1 生物油冷凝器的概述1.1.1 课题的来源和背景我国石油安全已面临严峻挑战。我国人均石油资源仅为世界平均水平的1/10左右。然而，我国石油需求增长却非常快，现已成为世界第二大石油消费国。2006年石油进口已达1.7亿多吨，预计到2010年将超过2.0亿吨。如果不立即着手研究和发展能够替代石油的新型液体燃料，未来石油不足将严重影响我国国民经济增长速度。我国未来能源不足和仅靠传统能源产业无法解决已成定局。按现行经济增长模式和计划目标发展，到2050年，我国一次能源的需求量将超过100亿吨标准煤，而届时我国一次能源的供应能力仅为3035亿吨标准煤，与实际需求相差6570亿吨，这是仅靠传统能源产业所根本无法解决的。尽管国内生物柴油生产已较成熟，到2020年，将可能达到900多万吨，但这对石油缺口而言，实在是杯水车薪。从燃料乙醇看，大约3吨粮食才能生产1吨燃料乙醇，成本高、消耗水资源问题也十分突出。另外，如不采取有效措施，届时，我国SO2和CO2排放将是现在的2.0倍多。这是当今环保呼声日益高涨的国际社会所根本不能允许的。我国农林剩余物资源量太大、浪费惊人。据有关专家和部门估计，扣除现有各种利用，我国每年尚有4亿多吨各种农业秸杆、谷物壳皮和1.52.0亿吨的林业树皮、锯末、枝丫等生物质资源由于没有先进、高效、低成本的利用技术而被白白废弃掉。生物燃油（bio-oil）以废弃生物质为原料，是一种用途极为广泛的且可在一定程度上替代石油的新型液体能源，而且具有可再生性。与1吨柴油等热值的生物燃油的生产成本显著低于石油，可在一定程度和层面上替代石油直接用做燃料，还可将其与汽油、柴油按一定比例混合乳化，制成清洁环保型“生物燃油+柴油”混合乳化燃料，实验表明，这种燃料可在普通柴油机上使用，既节约石油，又可减少因大量燃烧石油产生的温室气体排放。综合上述，面对我国经济建设石油供应不足、农业剩余物巨量浪费、节能降耗和减排环保问题的巨大压力和挑战，加快研究和探索可将我国巨量浪费的农林剩余物经济、快速、高效地转化成可在一定层面上替代石油的生物燃油或“生物燃油+柴油”乳化燃料高新技术，是当前我国能源、环保和可持续发展方面亟待解决的重大现实问题，具有重大经济意义、石油安全意义和环保及可持续发展意义。1.1.2 生物油国内外研究开发情况概述自1973年世界首次石油危机以来，发达国家开始重视用废弃生物质制取生物燃油工艺和技术研究。从20世纪70年代以来，生物质热裂解液化的研究主要集中在欧美的加拿大、芬兰、意大利、瑞典、英国和美国等10余个欧美国家，已经形成较为完备的技术设备和工业化系统。由于日益严重的能源问题和环保压力，以及生物质热裂解液化装置和工艺过程简单、投资低、液体产物收率高、产品可以储存等优点，结果，现在越来越多的国家纷纷加入了该领域的研究，加快了该领域的研究进度，相继研制出流化床、旋转锥等多种典型工艺的反应器，有的已经达到商业化应用阶段。早在1980年，美国佐治亚工学院就开始开发引流床反应器，但直到1989年这个反应器才能够运行，其处理能力为15kg/h，这种反应器在反应过程中需要大量高温燃烧气，并会产生大量低热值的不凝气，这一缺点限制了它的使用。1981年Christian Roy博士和他的研究小组在de Sherbrooke大学开始了真空移动床的工艺研究，此后在加拿大的Laval大学继续深入研究，1996年被Pyrovac国际公司投入商业化运行，并于2000年在加拿大的Jonquiere建立了处理能力为3.5t/h的示范工厂，其特点是裂解蒸气停留时间很短，二次裂解得到较好抑制，但反应器的真空度需要性能良好的真空泵和精密的密封性作保证，结果增加了制造成本和运行难度，且能耗高。20世纪80年代，加拿大滑铁卢大学开始开发流化床热解液化技术，其特点是设备精巧、气相停留时间短、能较好地减少二次裂解、效率很高、工业放大容易，但缺点是要求原料颗粒尺寸太小，原料预处理的成本过高，生产规模大时热效率不高。2006年，加拿大达茂公司装机运行流化床设备最大日处理能力据称已达到200吨，是目前报道的处理能力最大的成套设备，但也存在着能耗高、装备价格昂贵的问题。1984年美国太阳能研究所开发了漩涡烧蚀反应器，此后英国阿斯顿大学又做了进一步的研究，当时的处理能力为3kg/h，其特点是相对于其它的系统，可以用粒径为2mm6.35mm的大颗粒生物质作为原料，但生物燃油中氧的含量比较高，而且工艺实现起来比较困难，仅处于实验室阶段。1989年荷兰的BTG集团开始研制闪速旋转锥反应器，它是由Van Swaaij和W Prins等人提出的，到1995年取得初步成功，2000年荷兰BTG研制出了喂入率为200kg/h的改进型旋转锥反应器，其后BTG又联合Twente大学于2003年建成了每小时可处理2吨物料的旋转锥式生物质闪速热解液化装置，并用所生产的生物燃油烧锅炉发电。该装置特点是升温速率高，固相滞留期短，整个反应过程不需要载气，从而减少了装置体积和成本，但由于反应器的动平衡和轴承在热环境下的冷却与密封时常出问题，致使整套装置运行与维护较复杂，相对能耗较高，而且单机处理能力有限。到目前，加拿大、荷兰、英国、意大利、德国等国均能在实验室中以木材为原料通过热解液化制取生物燃油，所报道的装置转化率多已达5060%以上，其中加拿大、荷兰、德国的某些技术已进入生产示范和推广应用阶段。国外总的发展趋势：一是深入研究各参数对产物产量及质量的影响；二是为降低燃油生产成本，生物质液化制油装置研发趋向于大型化、规模化、节能化和智能化；三是着手生物燃油应用的研究。我国是一个农业大国，生物质资源非常丰富，仅稻草、麦草、蔗渣、芦苇、竹子等非木材纤维素年产就超过10亿吨，加上大量的木材加工剩余物，是一个巨大的可再生能源库。在我国，有关利用生物质裂解液化制取生物燃油技术的研究起步较晚，但发展十分迅速。1995年，沈阳农业大学从荷兰Twente大学引进了一套加工能力为50kg/h的热解液化实验装置转锥式热解液化实验装置，并进行了实验室水平的裂解液化实验，这几乎成了我国用生物质热裂解制取生物燃油技术研究的起点。但遗憾的是，该项技术没有能够得到深入开发研究和推广应用。20世纪90年代中后期以来，浙江大学、山东理工大学、东北林业大学、河南农业大学、广洲能源研究所、山东省能源研究所等许多单位相继开展了一系列相关研究工作。90年代末，沈阳农业大学早期从事生物质热裂解研究的刘荣厚、王树荣和董良杰等人分别进入上海交通大学、浙江大学和吉林农业大学继续从事该领域的研究，分别相继设计完成了实验室用小规模的生物质热裂解液化装置。进入21世纪，东北林业大学，山东理工大学，中国科技大学，广州能源所等单位相继在此领域取得了较大的进展，现已能够将干生物质连续、高速地热裂解液化成生物燃油，所报道转化率多在4070%之间，生产规模已达到或接近中试水平。其中，山东理工大学研制的下降管式裂解液化装置，达到中试水平，生物质/生物燃油转化率为57%。中国科大生物质洁净能源实验室近年研制出了“自热式生物质热解液化装置”和“双循环流化床生物质气化装置”，并通过了安徽省科技厅组织的专家鉴定，但因流化床热解液化技术固有的一些问题限制了它的规模放大，难以实现产业化。2005年，东北林业大学生物质能技术工程中心在国家“863计划”和“948项目”资助下, 相继研制出了处理干生物质能力分别为200kg/h和300kg/h的三锥式双水内冷型生物质闪速裂解液化反应器和核心关键装置，并通过了小试。其中，200kg/h的三锥式双水内冷型生物质闪速热解液化反应器已获国家发明专利。实验结果表明，该装置加热速率高，效率高，能连续作业，生物质/生物燃油转化率达到6570，但由于三锥式反应器主轴和转锥高速旋转能耗高、密封要求高，以及单机装置规模性放大时运动部动平衡比较困难。因此，从显著降低能耗、增加装置可靠性和精确测控热载体工艺温度着手，东北林业大学生物质能技术工程中心又开始了全新、原创性的，基于接触加热和间接传热串联复合型的高效精控节能加热型热载体加热新技术和可组合的新型斜板槽式生物质快速裂解液化反应器原理与技术的研究工作。初步实验和理论分析表明，这种方式无载气、维修方便、工作可靠，易组合成大型成套裂解液化装置，可适应不同用户和产能规模要求，小试完成后更容易进入中试阶段。其中，所提出的探索研究关键：接触加热和间接传热串联复合型热载体高速高效加热装置设想和斜板槽弯折组合式生物质裂解液化反应器技术方案已申请国家专利保护（已获国内专利，正在申请国外专利），已引起国内外同行的高度重视，研究前景喜人。综上所述，我国目前生物质裂解液化装置从技术上看，中国自己的原创技术非常少，许多技术多是原创于国外技术的变种，没有完全的自主知识产权；在能耗、运行稳定性、放大难易和经济性等方面还存在着许多问题；现有的大部分装置多没有温度精确调控功能，不能满足国家在未来发展生物燃油产业化、规模化生产及应用的需要。因此，研究和探索我国具有完全自主知识产权的原创性、低能耗、高可靠、高速高效和能够精确控制的生物质裂解液化制取生物燃油新技术、新方法，非常必要，是当前我国生物质快速裂解液化生产生物燃油新技术、新方法探索和创新的前沿。1.3 本次设计的主要内容 本设计的内容主要是设计生物油研制过程中的冷凝器装置，具体到各个部分的内容有：一级冷凝器设计、二级冷凝器设计、储油桶设计和接管设计。2 生物油冷凝工艺设计生物质快速热解制取生物油是在常压、超高加热速率等条件下，生物质被热裂解形成含有大量可冷凝有机分子的热解气，这些热解气经过高效冷凝器快速冷凝获得液体生物油。生物质的化学组成、组分含量、热解过程中的进料速率、加热速率、冷凝速率等因素对获得的生物油品质都有较大影响。生物质热解气的冷凝过程非常复杂，直接影响到生物油的品质和产率。生物油是一种多组分有机混合物，其组成成分极其复杂。目前已知组分多达200余种，组分间沸点重叠现象严重。在生物油中，水分占总重量的25%30%左右，其余主要为含氧有机物，包括醇、酯、醛、酮以及有机酸等，氧元素的含量高达50%，生物油的液体溶液呈现强极性。强化生物质高温热解气冷凝过程中的传热传质效果对于提高生物油的品质及产量非常重要。生物质经高温热解产生的分子团的温度如果不能迅速降低，不仅将直接影响生物油的成分，并大大降低产油率。冷凝器通常有两种，即表面式冷凝器及直接接触式冷凝器。表面式冷凝器即冷却液与生物油蒸汽由金属壁面分隔开，生物油蒸汽在金属表面冷凝成液体；而在直接接触式冷凝器中，冷却液直接与生物油蒸汽接触而将其冷凝成液体。表面式冷凝器费用贵，而且消耗更多的冷却液，通常是在冷却液与生物油蒸汽不能直接接触的情况下使用。从经济的观点出发，用直接接触式冷凝器要比表面式冷凝器耗费要低，因此，直接接触式冷凝器应用较为普遍。直接接触式冷凝器也叫混合式冷凝器，常用的混合式冷凝器有淋水孔板式、填料式和喷射式等，最常用的是淋水孔板式混合式冷凝器。本设计中采用逆流高位淋水孔板式混合式冷凝器，生物油蒸汽由冷凝器的下部进入，冷却液由冷凝器的上部引入自喷头喷出，依次经淋水板流下，将生物油蒸汽冷凝成液体，生物油液体靠重力的作用而排出。冷凝液体直接采用常温下的生物油（以约为293K的常温成品生物油作为冷凝液）：常温下的生物油雾化，直接喷洒到热解反应器产生的高达450左右的高温生物质热解气中，微小的冷凝液液滴直接与热解气接触，大大增加冷凝过程中的汽液接触面积，增强了冷凝效果，使得热解气能快速降温到100 左右，以达到热解气成分快速稳定和使部分高沸点成分冷凝为液体的目的。这将导致:一方面热解气由于温度降低，部分成分被冷凝成液体；另一方面，作为冷凝物质的雾状液滴由于受到周围环境的加热而导致在其表面发生蒸发现象，部分低沸点的成分反而蒸发成气体，重新进入热解气。2.1 进反应器的物料量日处理生物质7.2t，每小时处理生物质，7.21000/24=300 kg/h。根据计算，进入反应器的物料量（含水率10%）为 300kg/h。热解转化成气态物（油蒸汽）按8590%计，剩余1015%视为焦碳及渣子2.2反应器出口设计流量根据经验：1kg油气1m3体积。考虑到反应器中出口附近温度仍很高，1kg油气的实际体积可能超过1m3。因此，取设计裕度参数为1.15，用以计算反应器出口最大流量：Q1=300（85%90%）1.15=293.25310.5（293310）m3/h取最大值310m3/h为反应器出口流量设计，以保证反应器工作正常和安全2.3冷凝器流量设计生物质加工量300 kg/h 其中：60%生成为可冷凝气（生物油产量），=30060%=180 kg/h 30%为不可冷凝气，=30030%=90 kg/h 其余10%视为焦炭及渣子，=30010%=30 kg/h。 因此，热解转化成气态物（油蒸汽）按90%计。（1）冷凝器入口理论流量设计 若取设计裕度参数为1.0，则流量为 Q2= Qr=30090%1.0=270m3/h （2）冷凝器出口理论流量设计 因为不凝气一般占生物质重量的30%，即：30030%取设计裕度参数为1.0，则冷凝器出口理论流量即出口不凝气流量为： Q390 m3/h。3一级冷凝器设计计算3.1参数 生物油是混合物，由多种有机物及水构成。其中含水1530%，若含水按30%计， 生物油中水量：=18030%=54 kg/h， 生物油中有机物产量：=18070%=126 kg/h， 设一级冷凝器冷凝油气（可冷凝部分）的70%，二级冷凝器冷凝油气的30%，由于温度的影响，其中水全部在一级冷凝器中冷凝。 一级冷凝器冷凝生物油产量：=18070%=126 kg/h其中：水一级冷凝： =18030%=54 kg/h生物油中有机物一级冷凝：=126kg/h -54 kg/h =72 kg/h离开一级冷凝器生物油气体量：=18070%=126 kg/h二级冷凝器冷凝生物油总产量的30%：=18030%=54 kg/h。3.2冷凝器中物料流向及温度一级冷凝器用低温生物油作为冷载体，低温生物油进入一级冷凝器时温度为50，离开一级冷凝器时温度为80；进入一级冷凝器生物油气体温度为450，生物油冷凝相变温度为120 ，离开一级冷凝器生物油温度为80，离开一级冷凝器生物油气体温度为80。即：热裂解气（生物油气）入口温度：T1=450 ，生物油冷凝相变温度： =120 ， 生物油冷凝液（出口）温度： T2=80 ， 冷却生物油进入温度 t1=50 ， 冷却生物油出口温度 t2=80 不凝气出口温度 T3=80 生物油气体与冷却用生物油在一级冷凝器中顺流，则有：生物油气体T1 , 450 生物油气体T2 ,80 生物油t1 ,80 冷生物油t2 ,50冷凝温度的确定油的换热系数a =60 W/mK 3.3换热量 热裂解气由水蒸汽、有机物成分气体及不凝结气组成。(1) 由水蒸汽凝结成水换热量生物油含水量为生物油的30%，水全部在一级冷凝器中冷凝。一级冷凝器中冷凝水量：=18030%=54 kg/h 水的汽化潜热： =2258 kJ/kg（100），水的相变温度： =100 ，水蒸气比热： =2.1 kJ/kg（450时），水比热： =4.18 kJ/kg热裂解气中水蒸气凝结需交换热量：（2）热裂解气中有机物成分气体凝结成油换热量热裂解气量中有70%在一级冷凝器中冷凝，不凝气体在冷凝器中不冷凝，但温度降低。生物油的比热按4 kJ/kg计算【生物油热物性及生物质热解气喷雾冷凝过程的关键问题研究谢鲲，文中推导估算了在280480K温度下生物油的比热容为2.73.9 kJ/kgK，,比热容与温度正相关，随着温度的升高，有机混合物的比热容值在增大，水的含量在降低。故最终生物油冷却换热计算时的比热按4 kJ/kg计算，冷却用生物油量计算时的比热按2.7 kJ/kgK计算】。 生物油含有机物70%，（水的汽化潜热为油品的4倍多，取4.5倍，则油的汽化潜热为22584.5=502 kJ/kg），按生物油含有机物的成分比例及各自的汽化热估算为460 kJ/kg。(根据生物油主要成分及物性表，由网上相关资料查得主要成分的物性参数计算所得)生物油主要成分及参数No.化合物相对含量/%潜热/ kJ/kg 沸点/比热/ kJ/kg液体密度kg/m3气体密度kg/m31N-羟甲基乙酰胺1.0772乙酸乙酯8.781368801.920.90053.043乙酸11.325406117.91.991.0494二乙氧基甲烷5.930890.831951-羟基-2丙酮8.7995232.356丙酸乙酯2.25499.172-甲氧基-2-乙氧基丙烷0.28081-羟基-2丁酮0.90593-呋喃甲醛0.59210乙酰胺基乙酸1.421112-呋喃甲醛8.129450161.71.7421.163.3112丙酰胺基乙酸1.44713甲氧基-N-甲基甲酰胺0.30214丁酸乙酯0.52215乙酰氧基-2-丙酮1.326161，4-二羰基环戊烯0.34717呋喃丙酮0.321182（5H）-呋喃0.996192，2-乙氧基乙醇1.9528462.3920乙-甲基呋喃甲醛0.780212，3-二甲基环戊-2-烯酮0.307223（2H）-sothiazolone,2-methyl0.326233-甲基-2-羟基-环戊-2-烯酮1.75224吲哚2.492255（H）-1-氮茚4.660262-甲氧基苯酚6.193(364)51120127乙氨基甲酸甲酯5.529284-甲基-2-甲氧基苯酚7.0552201.67294-乙氧基-2-甲氧基苯酚1.78630Tebrahydro-1,3-oxazine-2-Thione0.157314-丙烯基（1，2）-2-甲氧基苯酚3.2221.91322，5-二羟基苯丙酮0.572334-丙烯基（2，3）-2-甲氧基苯酚2.629344-羟基-3-甲氧基苯乙酮0.926生物油中有机物大部分在120冷凝，然后从120冷却到80，而不凝气体从120降温到80。生物油汽化热： kJ/kg生物油气体比热容：=2.1 kJ/ kgK（100 ）（与水蒸气相同）（3）不凝气降温换热量30%为不可冷凝气：=30030%=90 kg/h 不凝气体比热容：=2.1 kJ/ kgK（100 ）（与水蒸气相同）t=450-80=370 。不凝气体需交换热量：（4）一级冷凝器总换热量注：1焦耳=2.77810-7千瓦小时，1 kJ =2.810-4千瓦小时.(5) 热油和冷却油之间的传热对数平均温度差为tp (6) 油汽接触面A m2（7）冷却喷淋需油量W1计算 注：C为生物油比热，C =2.7 kJ/ kg（8）淋油板油孔流量W1 注：孔口油流速Vk 淋油板油孔直径根据经验值范围选取，取dk = 5 mm = 0.005 m淋水板上油深度，hw = 6 mm =0.006 m：流量系数0.51.0，平均取0.5（9）淋油板上油孔数n（10） 淋油板段数Z 取四段（11）淋油高度H1（12）淋油式换热器淋油段的容积V1（13）淋油式换热器的半径r取r=0.3m=300mm（14）储油段容积V设油储存时间t=2分钟，则储油量V2（15）储油段高度h（16）淋油式换热器的总高度H（17）一级冷凝器总体积V 4二级冷凝器计算4.1. 参数生物油产量的30%在二级冷凝器中冷凝,G2 =18030%=54 kg/h，不可冷凝气为30%， G不凝气=30030%=90 kg/h 4.2.冷凝器中物料流向及温度热裂解气入口温度： T1= 80 ，不凝气（出口）温度： T2= 50 ，冷却生物油进入温度: tl= 30 ，冷却生物油出口温度: t2= 40 麦秸油热裂解气的比热不知道，设比热容c = 4kJ/kg.K .油的换热系数a =60 W/mK = 0.06 X3.6X106J/ mK生物油气体与冷却用生物油在冷凝器中为逆流流动:生物油气体80,T1 不凝气体50, T2 冷生物油30, tl 冷生物油40, t24.3.换热量（1）热裂解气中有机物成分气体凝结成油换热量有机物量 =18030%=54 kg/h，（2）不凝气降温换热量不凝气体量：=30030%=90 kg/h 不凝气体比热容：=2.1 kJ/ kgK（100 ）（与水蒸气相同）t=80-50=30 不凝气体需交换热量：（3）二级冷凝器总换热量（4）一级冷凝器总换热量注：1焦耳=2.77810-7千瓦小时，1 kJ =2.7810-4千瓦小时.(4) 热油和冷却油之间的传热对数平均温度差为tpj (5) 油汽接触面A m2 (6) 冷却喷淋需油量W2（7）淋油板油孔流量W2注：孔口油流速 Vk淋油板油孔直径根据经验值范围选取，取dk = 5 mm = 0.005 m淋水板上油深度，hw = 6 mm =0.006 m：流量系数0.51.0，平均取0.5（8）淋油板上油孔数n（9）淋油板段数Z取三段 (10)淋油高度H1(11)淋油式换热器淋油段的容积V1 （12）淋油式换热器的半径r取r=0.125 m =125 mm（13）储油段容积V2设油储存时间t=1分钟，则储油量V2（14）储油段高度h（15）淋油式换热器的总高H（16）二级冷凝器总体积 V5 储油桶计算5.1 一级储油桶储油量：生物油密度：=1100kg/m3储存时间：t=5分钟储油桶有效高取：h取1.0m。（1）储油桶体积（2）储油桶直径储油桶总高取：H=1+0.2=1.2m。（3）计算桶体厚度根据GB150-1998钢制压力容器计算如下：式中：壁厚，mmP设计压力，MpaDi内径，mmt设计温度下材料的许用应力，MPa焊接接头系数，0.85。本设计：设计压力p=1Mpa，桶高H=1200mm，内径Di=680mm，材料为16MnR,腐蚀裕量C=2mm, 设计温度下材料的许用应力t=170MPa ,液柱静压力：0.012MPa 则p=1+0.012=1.012Mpa。最小壁厚=2.4+2=4.4mm，名义厚度：6mm。5.2 二级储油桶储油量：生物油密度：=1100kg/m3储存时间：t=5分钟储油桶有效高取：h取1.0m。（1）储油桶体积（2）储油桶直径：储油桶总高取：H=1+0.2=1.2m。（3）计算桶体厚度根据GB150-1998钢制压力容器计算如下：式中：壁厚，mmP设计压力，MpaDi内径，mmt设计温度下材料的许用应力，MPa焊接接头系数，0.85。本设计：设计压力p=1Mpa，桶高H=1200mm，内径Di=680mm，材料为16MnR,腐蚀裕量C=2mm, 设计温度下材料的许用应力t=170MPa ,液柱静压力：0.012MPa 则p=1+0.012=1.012Mpa。最小壁厚=1.34+2=3.34mm，名义厚度：6mm以上只是做简单的计算，还要进行校核计算。6接管计算 m式中：d接管内径，m W冷量生物油，kg/h 生物油密度，kg /m3u 生物油流速，m/s。6.1 一级冷凝器（1）热裂解气进入一级冷凝器入口 若取设计裕度参数为1.0，则流量为 Q2= Qr=30090%1.0=270m3/h生物油气体密度，根据生物油中主要成分的密度计算得到=3.4kg /m3。生物油属高粘度液体，流速范围0.51 m/s，流进时u取1，流出时取0.5m/s。热裂解气流速取15 m/s。（2）热裂解气离开一级冷凝器（3）冷生物油入口（4）生物油出口6.2 二级冷凝器接管（1）热裂解气进入二级冷凝器（2）不凝气出口30%为不可冷凝气：=30030%=90 kg/h（3）冷生物油入口（4）生