糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究——预处理工段
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糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究——预处理工段,糖厂,锅炉,烟道,二氧化碳,富集,湿法,工艺,及其,设备,设计,研究,预处理,工段
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广西大学GUANGXIGUANGXI UNIVERSITYUNIVERSITY本科毕业论文 论文题目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设 备设计研究预处理工段 学科专业 过程装备与控制工程 毕业生姓名 覃 双 福 广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究1导师姓名 黄 世 钊 导师职位 副 教 授 甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2浓缩系统摘要摘要甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2浓缩系统采用变压吸附法从甘蔗糖厂锅炉烟道气中富集二氧化碳，并将其用于亚硫酸法制糖的澄清工艺，不仅减少了锅炉烟道气二氧化碳的排放，保护了生态环境，同时该工艺还能很好地解决了碳酸法制糖生产工艺的滤泥综合利用难、污染严重的问题，是对传统亚硫酸法制糖生产工艺一个重大改良。设计说明书先阐述了二氧化碳的排放和减排的情况、国内外甘蔗制糖工业的发展现状以及二氧化碳在制糖工业中的应用，比较论证了工业废气二氧化碳的回收利用的相关技术，得出了选用变压吸附法回收提纯二氧化碳的优势和发展前景。设计说明书对甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2浓缩系统进行了工艺和设备两部分的设计，工艺部分设计了工艺流程和设备平面布置，设备部分对压缩机、旋风除尘器和引风机等设备进行了设计选型，对冷却器、冷却器、稳压罐、储气罐、气液分离器等设备进行了设计计算，通过化工设备强度计算专业软件（SW6-1998）校核了冷却器的机械强度。最后用绘图软件 AutoCAD2007 绘制了工艺流程图、设备平面布置图及冷却器、冷却器、气液分离器、稳压罐等设备的装配图和零部件图共 16 张。关键词关键词：糖厂锅炉、烟道气、二氧化碳、变压吸附、设计 Abstract本科毕业论文2 Cane sugar mill boiler flue gas CO2 concentration system using pressure swing adsorption of carbon dioxide enrichment from sugar cane boiler flue gas, and to clarify the legal sulfite process for sugar, not only reduces the boiler flue gas carbon dioxide emissions and protect the environment, while the process is also a good solution to filter mud utilization carbonated sugar production process of the legal system is difficult, serious pollution problems, is the traditional method of sugar production process sulfite a major improvement. Design specification describes the first case and the reduction of carbon dioxide emissions, cane sugar industry development status at home and abroad as well as carbon dioxide in the sugar industry, the comparison demonstrated technologies for recycling industrial emissions of carbon dioxide, obtained the choice PSA recovery advantages and prospects purification of carbon dioxide. Design specification for sugar cane boiler flue gas CO2 concentration system were two parts of the process and equipment design, process design part of the process and equipment layout, equipment, part of the compressor, cyclones and other equipment were induced draft fan design and Selection of cooler , cooler , surge tank, gas tank, gas-liquid separator and other equipment were designed, calculated by professional software chemical equipment intensity (SW6-1998) check the cooler mechanical strength. Finally, draw the graphics software AutoCAD2007 assembly drawing and parts flow chart diagram, equipment layout plan and cooler , cooler , gas-liquid separator, surge tank and other equipment of 16.Keywords: sugar boiler, flue gas, carbon dioxide, pressure swing adsorption, the design第一章第一章 绪论绪论.21.1 二氧化碳的减排.21.2 制糖行业发展现状及制糖工艺方法.71.3 工业废气二氧化碳的回收利用.10第二章第二章 甘蔗糖厂锅炉烟道气甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2 浓缩系统浓缩系统.152.1 工艺特性.152.2 各工段的工艺过程及设备.16广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究3第三章第三章 旋风除尘器旋风除尘器和和稳压罐的设计稳压罐的设计.193.1 旋风除尘器的设计选型.193.2 稳压罐的设计.20第四章第四章 冷却器冷却器的设计的设计.304.1 工艺设计计算.304.2 冷却器的结构计算.38第五章第五章 风机风机和和压缩机的选型压缩机的选型.415.1 风机的选型.415.2 压缩机的选型.41参考文献参考文献.44本科毕业论文4第一章 绪论1.1 二氧化碳二氧化碳与环境与环境1.1.1 二氧化碳排放二氧化碳直接参与大自然的形成，影响人类和生物界的生存。近 20 年来，随着科学技术的发展，人们对 CO2的生产和应用作了深入的研究，作为一种潜在的碳资源，它几乎可用于各个工业领域，越来越受到人们的重视，应用领域得到了广泛的开发，工业发达国家对工业排放气体 CO2的回收利用早已引起重视并作了大量推广。而在发展中国家，二氧化碳的节能减排也越来越受到人们的关注。随着工业高度发展，大气中的二氧化碳含量日益增高，它能够吸收地面放出的红外辐射，在地球周围形成绝热层，阻止热量向外层空间扩散，使平均气温上升，此即二氧化碳的温室效应。二氧化碳是引起全球气候变化的最主要的温室气体之一，控制二氧化碳排放问题受到世界各国的广泛关注。控制温室气体的排放、减缓气候变化已成为我国实施可持续发展战略的重要组成部分。研究表明，二氧化碳来源于人类对煤、天然气和石油等化石燃料的过度开发和利用，特别是工业革命以后人类越来越依赖于化石燃料。人类向大气排放的温室气体主要有：二氧化碳、甲烷、氮氧化物和其他气体，其中大约 60%的温室效应是由二氧化碳产生的。全球气候变暖可能引起冰川融化、干旱蔓延、农作物生产率下降、动植物行为发生异变等自然灾害，已成为当今最为显著的环境问题之一，对世界社会政治稳定及生态环境影响深远。据 IPCC（联合国政府间气候变化专业委员会）报道，20 世纪全球地面平均气温升高了 0.6；同时，近几十年来，极端天气事件的灾害次数和造成的经济广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究5损失均呈快速上升的趋势。人类活动的影响主要是指由于人类活动造成大气中的一些气体（包括 CO2、CH4等）浓度升高，这些气体起着类似于温室玻璃的作用，只放进阳光，吸收热能而不反射产生的热能的红外辐射，从而引起气候变暖，大气中二氧化碳浓度的变化如图 1-1。在所有的温室气体中，CO2在大气中含量高、寿命长，对温室效应的贡献最大，而且主要是由人为因素产生，CO2应当作为温室气体消减与控制的重点，CO2减排是可持续发展的必然要求。根据美国能源部的预测，在全球范围内必须减少 60%的 CO2排放才能真正防止全球气候变化。温室效应是全球性环境问题，一方治理，全体受益，付出的代价与获得的效益没有一一对应关系。因此，实现 CO2减排，防止全球变暖，是一个全球性的战略课题，它不可能建立在某一项 CO2的减排技术上，而应当大系统的规模上统筹抉择。人类大力减排 CO2的初衷是保护地球家园，实现可持续发展，决不能在减排过程中引发新的环境问题。可持续发展战略要求减排方案“绿色化” ，具体原则为：以保护和恢复自然生态环境作为长期目标，发挥自然的自身调节作用；以调整能源结构为中期目标，逐步以可再生能源替代化石燃料等不可再生资源；以开发新的回收 CO2的“绿色”工艺为近期目标，通过回收工艺的改进降低回收 CO2的成本1。1.1.2 国内外二氧化碳的排放现状1.1.2.1 中国二氧化碳的排放现状2000 年至 2010 年，中国能源消费同比增长 120%，占全球比重由 9.1%提高到约 20%，二氧化碳排放占比由 12.9%提高到约 23%，人均二氧化碳排放量目前已经超过世界平均水平。19902001 年，中国二氧化碳排放量净增 8.23 亿吨，占世界同期增加量的 27%，预计到 2020 年，排放量还要在2000 年的基础上增 1.32 倍，这个增量要比全世界在 1990 年到 2001 年的总排放增量还大。科学预测表明，到 2025 年前后，中国的二氧化碳排放总量可能超过美国，居世界第一位。从人均来看，目前中国人均二氧化碳排放本科毕业论文6量高于世界平均水平，到 2025 年可能达到世界平均水平。从排放强度来看，由于技术和设备相对陈旧落后，我国单位 GDP 的温室气体排放量也居世界前列。根据英国风险评估公司 Maplecroft 公布的温室气体排放量数据显示，中国每年向大气中排放的二氧化碳超过 60 亿吨，位居世界各国之首。中国政府在温室气体减排方面面临前所未有的国际压力，但对 CO2的回收利用的研究起步较晚，对 CO2应用开发工作做得更少，为了解决能源紧张，消除污染，大力开展 CO2资源的综合开发利用显得十分重要。我国政府作出到 2020 年单位 GDP 的 CO2排放量比 2005 年降低40%50%的承诺。根据我们的理解，对这个承诺首先需要明确两点：一是此排放特指化石能源用和水泥生产的排放，不包括土地利用的排放，亦不包括生态建设的（固碳）负排放；二是 GDP 计量必须是 2005 年的不变价格，不能以美元计（即要排除汇率变动因素） 。在这样的前提下，我们即可计算出 2020 年我国总共可以排放多少 CO2。温总理在哥本哈根气候大会上曾明确承诺：“我们将坚定不移地位实现、甚至超过这个目标而努力。 ”这就可以理解为 45%的相对减排是我国的最低目标。如果我国能保持年均 GDP 增长率达 10%，到 2020 年可排放的CO2总量为 134.27 亿吨，比 2008 年增加了 90%，人均排放量为 9.45 吨 CO23。1.1.2.2 国外二氧化碳的排放现状2000 年至 2004 年期间，全球二氧化碳排放量每年增加 3.2%，大幅超过了 1990 年至 1999 年年均 1.1%的增长率，各国人均碳排放量如图 1-2。1980 年全球二氧化碳排放量约为 50 亿吨，之后持续增加，至 2004 年已超过 73 亿吨。研究组认为，除发展中国家人口增加和经济增长外，越来越多的国家为维持一定规模的经济产值而加大了温室气体排放量。自工业革命以来，美国、日本等发达国家排放的二氧化碳占地球大气二氧化碳总量的 77%。这表明发达国家有责任在减排等对策上起带头作用。全球能源相关二氧化碳排放量在 2009 年经历金融危机引发的“攀升低谷”后，2010年升至 306 亿吨，高出 2008 年排放量的 5%。世界经济 2010 年恢复增长，二氧化碳的排放量至 2011 年夜增加了 16 亿吨，这是有史以来的最高增加幅度2。广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究7图 1-2 各国人均碳排放量1.1.3 二氧化碳在工业上的应用二氧化碳是自然界中最普通的化合物之一，化学分子式为CO2，相对分子质量44.01 地球上 99.99%的二氧化碳存在于自然界的矿物中，二氧化碳通常是由燃烧有机化合物、细胞的呼吸作用、微生物的发酵作用等所产生。植物在有阳光的情况下吸取二氧化碳，在其叶绿素内进行光合作用，产生碳水化合物和氧气，氧气可供其他生物进行呼吸作用，这种循环称为碳循环，游离态的二氧化碳在大气中的浓度约为0.3%，是一种密度较大的无色气体，不支持燃烧、对眼睛和呼吸器官有刺激作用，高浓度时略带酸味，高浓度二氧化碳对人身安全有影响，同时可抑制细菌生长，加压和冷却时能变成液体或固体（干冰） ，由于二氧化碳本身的性质特点#随着人民生活水平和质量的提高，二氧化碳在食品工业上得到越来越广泛的应用。1.1.3.1 二氧化碳的性质(1) 物理性质二氧化碳俗称碳酸气，又名碳酸酐。在标准状况下，二氧化碳是无色、无臭、略有酸性的气体，相对分子质量是 44.01，不能燃烧，容易被液化，相对密度约为空气密度的 1.53 倍。其物理状态的三态（气态、固态、液态）与温度和压力密切相关。固态二氧化碳在 1.01105Pa 时的升华温度为-78.476（194.67K） ，乃是 1968 年国际实用温标（IPTS-1968）定义的二级定点温度之一。在常温下（31以下）二氧化碳能被压缩成液体，常压下能冷凝成固体，即干冰。本科毕业论文8对于密闭容器的二氧化碳，其液相密度值将随温度的升高而降低，变化范围为 463.91179.9 kg/m3；而气相二氧化碳密度则随温度升高而增大，范围为 13.89463.9kg/m3。固态二氧化碳（干冰）的密度值范围为1521.41595.2kg/m3，随着温度的增加，密度将稍下降。二氧化碳是非极性分子，但可溶于极性较强的溶剂中，其溶解度大小与温度、压力和溶剂的性质有关。二氧化碳易溶于水，在 0.1MPa 压力下，它的饱和水溶液中所溶的二氧化碳体积与水的体积比随温度不同而不同，在 18时，二氧化碳在水中的溶解热为 19.92kJ/mol，在 25时为20.30kJ/mol。不同温度下饱和水溶液中所溶的二氧化碳体积与水体积之比273K 时为 1.71；283K 时为 1.19。常温常压下饱和水溶液中所溶解二氧化碳的气体体积与水的体积比近乎为 1，大部分二氧化碳是以结合较弱的水合物分子形式存在的，只有一小部分形成碳酸。碳酸是二元弱酸，会形成两类盐，即碳酸盐和碳酸氢盐。氨和碱金属的碳酸盐易溶解于水，其他金属的碳酸盐难溶于水。对难溶于的碳酸盐来说，相应的碳酸氢盐的溶解度较大。但易溶于水的氨和碱金属的碳酸盐的相应的碳酸氢盐溶解度却相对较低。碳酸盐和碳酸氢盐的另一个重要性质是受热条件下不太稳定，一般来说，碳酸盐的热稳定性高于碳酸氢盐。当压力低于 0.5MPa 时，溶解度与压力成正比。超过 0.5MPa 时，由于碳酸的形成，压力升高，二氧化碳溶解度增大的幅度增加。(2) 化学性质一般情况下，二氧化碳性质稳定，但在高温或催化存在情况下，二氧化碳可参与某些化学反应。 高温下，二氧化碳可分解为一氧化碳和氧；在二氧化碳中，美、铝、钾等活性金属可继续保持燃烧，反应生成金属氧化物，析出游离态碳；二氧化碳可以用其他方法还原，例如氢气。 在高温（170200）高压（13.824.6MPa）条件下，二氧化碳和氨气发生反应生成尿素，这个方法被广泛用于尿素及其衍生生物的生产过程中。 生化反应，二氧化碳在地球的生态环境中起着重要的作用，在植物的新陈代谢过程中，在光和叶绿素的催化作用下，空气中的二氧化碳和水广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究9反应生成糖等有机物并放出氧气4。1.1.3.2 二氧化碳的利用(1) 二氧化碳在制糖工业中的应用 在传统的制糖工艺中，常用碳酸法即用二氧化碳和石灰乳作为主要清净剂的方法处理蔗汁。碳酸法清净剂中，用二氧化碳进行饱充，使加入的石灰与二氧化碳生成大量的碳酸钙沉淀，并发挥其吸附作用，吸附胶体及色素，然后沉淀过滤以除去沉淀物。饱充的 PH 控制在 10.511，此过程称为一碳饱充。蔗汁经一碳饱充后必须将沉淀物分离除去，所得一碳清汁的碱度尚很高，PH 为 10.511，所以必须进行二碳饱充，只通入二氧化碳气，使蔗汁的可溶性钙盐全部以碳酸钙形式沉淀下来。二碳饱充的中点碱度为 PH88.5，此时清汁的含钙量可降低至最低，使蔗汁纯度进一步提高。最新研究表明，还可以从甘蔗糖厂锅炉烟道气中富集二氧化碳并将其应用于亚硫酸法制糖澄清工艺，工艺流程简图见图 1-3。结果表明，采用本工艺，并结合上浮清净技术，使广西永金华糖集团有限公司的糖厂色值100IU 的优一级白砂糖产量同比 07/08 榨季提高 25.35 个百分点，色值120IU 的优一级白砂糖产量同比 07/08 榨季提高 55.69 个百分点，二氧化硫含量10mg/KS 的一级白砂糖产量同比 07/08 榨季提高 69.56 个百分点，混浊度40MAU 的一级白砂糖产量同比 07/08 榨季提高 55.23 个百分点。图 1-3 锅炉烟道气变压吸附工艺简图(2) 二氧化碳在有机化工生产上的利用 二氧化碳在催化剂作用下与氢气反应可生成甲醇、二甲醚、低碳烯氰、低碳醇等小分子物质。 、制合成气，将二氧化碳作为辅助碳源，与煤、焦炭、天然气或油共同作为原料，利用造气工艺实现二氧化碳向一氧化碳的部分转化。以焦炭制水煤气-PSA 工艺为例。该工艺在放空时浪费能源，污染环境，在水蒸气气本科毕业论文10化和 PSA 后续加压泽能耗高。若采用二氧化碳和氧气为气化剂，用焦炭部分氧化还原法可制得纯度为 69%的一氧化碳，并实现二氧化碳向一氧化碳的转化。经 MDEA 脱碳，催化脱氧后可获得纯度 96%以上的一氧化碳，回收的余下二氧化碳又可返回气化炉再利用。该工艺除减排二氧化碳外，还具有节省蒸汽、气化效率高、焦炭消耗低的特点。在天然气转化工艺中也可补入二氧化碳，通过调节合成气的氢碳比，在消耗二氧化碳的同时，可产生更多的一氧化碳。制备 C1C2 混合酶，有废弃中的 CO2加氢制低碳醇是人们感兴趣的课题，尤以日本为盛，然而所用催化剂较昂贵。日本国家材料化学研究所采用 Rh-Fe/SiO2催化剂，在 5MP、533K 下通过 CO2H2，二氧化碳的转化率为 26.7%，乙醇的选择性为 16.2%。当采用 Rh-Li-Fe 三元催化剂时，乙醇的选择性由 15.5%增至 34%。合成混合燃料，使用二氧化碳和水制备，可使用催化转化法、微波-等离子还原法。使用 CO2-H2-CO 制备，首先采用 Pd 改性的 Cu-Zn-Cr-Al 催化剂将二氧化碳加氢为甲醇，第二步采用 H-Ga-Silicate 催化剂将粗甲醇转换为 C2C5氰。(3) 二氧化碳在食品工业上的应用 对果蔬、粮食保鲜；对鲜鱼、肉保鲜，二氧化碳对柿果有脱涩保脆的作用。饮料上，用于含气饮料的生产、果汁半成品保存、二氧化碳在红酒酿造中的应用。在食品冷藏和冷冻中的应用。还有干燥食品、制造冰淇淋、油脂防止氧化等1。1.2 制糖行业发展现状及制糖工艺方法制糖行业发展现状及制糖工艺方法糖是人们主要的生活资料之一。蔗糖和淀粉、糖类、蛋白质、脂肪及某些无机盐是保证人们健康的主要营养品，每公斤糖可在人体内发出 3950千卡的热量，维持人体的活力。因此，糖是人体需的重要营养物质，尤其对于运动员、婴儿及某些病人，则更是不可缺少。糖除了供直接食用外，也是一种重要的工业原料。食品工业就离不开糖，其他如医药工业及若干有机化学工业都与糖有密切关系。1.2.1 制糖行业发展现状(1) 国外制糖行业的发展现状广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究11目前，世界上有产糖能力的国家和地区达到 107 个。在世界上有产糖能力的国家和地区中，产糖量 50 万吨以上的国家和地区有 34 个，产糖量100 万吨以上的国家和地区有 23 个，产糖量 500 万吨以上的只有巴西、印度、欧盟、中国、泰国、美国、墨西哥、澳大利亚 8 个国家，这 8 个国家的产糖量占全球的大部分，世界主要产糖国的食糖产量见图 1-4。图 1-4 世界主要产糖国的食糖产量(2) 国内制糖行业的发展现状我国是世界上主要的食糖生产和消费大国。20 世界 90 年代以来，由于东南沿海地区产业结构和农业结构调整，我国甘蔗生产逐渐向西转移，区域布局得到优化。2004 年全国有 359 家糖厂，制糖能力 1100 万吨，其中甘蔗糖厂 340 家、制糖能力近 1000 万吨，主要分布在广西、云南、广东、海南等省区、按照气候条件适宜、具有一定生产规模、制糖产业布局合理等原则，我国选择桂中南、滇西南和粤西为全国甘蔗优产区，包括 48 个县市。经过区域结构调整，我国产糖省由原来的 21 个减少到 18 个，我国糖业布局逐步向优势产区集中。甘蔗种植区域重点向西南区域转移，基本形成了广西、云南、粤西为主体的蔗糖生产布局。根据 2007-2008 年榨期，3省区产糖 1298.65 万吨，占全国蔗糖产量的 95%以上。(3) 广西制糖行业的发展现状甘蔗产业是广西的特色优势产业之一，也支柱产业之一。自 1992 年以来，广西的甘蔗种植面积、产糖量一直位居全国首位，甘蔗产量和食糖产本科毕业论文12量均占全国的 60%以上，是与巴西圣保罗、澳大利亚昆士兰、印度北方邦、美国福罗里达等量齐观的中国“糖都” ，对我国食糖的供求平衡发挥了极其重要的作用。广西有 51%的县市种植甘蔗，糖业的税收占全区财政收入的13%17%。近年来广西的食糖产量如表 1-1 所示。表 1-1 2005-2011 年榨季广西食糖产量（单位：万吨）制糖期 05/0606/0707/0808/0909/1010/11全国产量881.51199.411884.021243.121073.831045.42广西产量527.7708.6937.2763710.2627.8近十多年来是广西甘蔗种植发展最快的时期。自从 1992-1993 年榨季，甘蔗种植面积达到 42.8 万吨，产糖量 226 万吨，跃居全国首位，广西甘蔗不仅仅从种植面积上有所突破，从单产和含糖量等标准上有很大的提高，并且先后培育出“桂糖 11 号” 、 “桂糖 17 号” 、 “桂糖 22 号”等一批高产高糖的优良品种。2015 年广西预计将突破产量 1100 万吨的大关，并建成全国最大的糖业制造和储备基地。1.2.2 甘蔗制糖的工艺流程甘蔗制糖的过程中，从原料甘蔗到成品糖，大致要经历提汁、澄清、蒸发、煮炼这几个工段。甘蔗制糖工艺流程图如图 1-5 所示。图 1-5 甘蔗制糖工艺流程图提汁就是从甘蔗原料中提取蔗汁，现在常用的方法有三种：压榨法、渗出法、磨压法，这三种方法都是要先将含有糖分的甘蔗组织细胞加以破坏，然后采用多重压榨、多级喷淋或挤压把糖汁抽下取出来。澄清是把提汁工段得到的蔗汁进行除杂处理，提汁工段得到的蔗汁是暗绿色的混浊液体，除了含有蔗糖外，还含有不溶性的非糖物质，如叶绿素、蔗屑，可溶性的非糖物质，如有机酸、无机盐、胶体等。澄清的目的就是通过加热、加澄清剂、沉降、过滤等工序以除去蔗汁中对制糖有妨碍的非糖物质，以提高成品糖的品质和回收率。蒸发就是通过加热作用使糖汁中一部分水气化而得到浓缩的糖浆。澄甘蔗蒸发提汁澄清煮炼成品糖广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究13清工段的糖汁在除杂处理后变成了清汁，但还是含有大量的水分，一般为84%88%的水分，只有经过蒸发浓缩后才能送去煮炼。煮炼的目的是把处理好的糖浆制成成品，并最大限度的把糖液中蔗糖以结晶的形式提炼出来。煮炼包括煮糖、助晶、分蜜、干燥和筛分。煮糖是对糖浆进一步加热浓缩使之析出蔗糖。助晶是对糖浆降温冷却，加快晶体的析出。分蜜是将助晶后的糖膏送入离心机，使晶体与母液分离。干燥是将分蜜得到的糖用热空气或其他方法除去水分至符合要求的含水量。干燥后的砂糖按规格大小用筛分类，叫做筛分。筛分后的合格砂糖便可以装包作为成品，送入仓库贮存或出厂5。1.2.3 常用的甘蔗制糖方法根据生产过程中澄清方法的不同，制糖方法大致可分为石灰法、亚硫酸法、碳酸法。(1) 石灰法石灰法是以石灰作为主要澄清剂的生产方法，石灰法具有取材容易、价格便宜、工艺过程简单的优点，所以石灰法应用广泛。但石灰法的澄清效果较差，不能用于制白糖，只能制得含蔗糖分为 96%97%的粗糖，粗糖呈浅黄色，表面有一层糖蜜，一般不直接使用，而是供给精炼糖厂作原料。(2) 亚硫酸法亚硫酸法主要是以石灰和二氧化硫作为澄清剂，SO2与石灰形成亚硫酸钙，亚硫酸钙具有吸附作用，再加上 SO2具有抑制色素生成的作用，其澄清的效果优于石灰法，可用于生产白糖，亚硫酸法所用设备和制造方法比较简单，消耗材料较少，成本较低，在甘蔗原料新鲜的情况下，可生产出白糖，但当原料有变化或质量较差时，白糖质量就会下降，而且亚硫酸法制得的白糖在贮存时会发生变黄的现象，亚硫酸法工艺流程如图 1-6。本科毕业论文14图 1-6 亚硫酸法澄清工艺(3) 碳酸法碳酸法主要以石灰和二氧化碳做澄清剂来澄清糖汁，碳酸法所除去的非糖物质比亚硫酸法要多，所以总回收率较高，所以制得的成品糖的纯度较高，色值较低，且能长久贮存而不变色，但碳酸法生产流程长、设备多，而且需要耗费大量的石灰和二氧化碳，因此生产成本较高，另外碳酸法制糖会产生大量的碱性虑泥，会造成严重环境污染6,在这三种制糖方法中，石灰法制出的糖品质较差，而碳酸法产生的滤泥难以处理，会造成严重的环境污染，所以这两种方法在现代甘蔗制糖工业中的应用逐渐减少，现在最常用的方法就是亚硫酸法，在亚硫酸法的基础上改进得到的半硫半碳法，就是同时用 CO2和 SO2作为澄清剂，就降低了糖中含硫量，在一定的程度上解决了久贮变黄的问题，只要控制加入适量的 CO2，就不会造成滤泥污染。1.3 工业废气二氧化碳的回收利用工业废气二氧化碳的回收利用能源与环境已成为全球普遍关注的焦点问题。无论是发达国家还是发展中国家，都把可持续发展战略作为国家宏观经济发展战略的一种必然选择。目前，温室气体大量排放所产生的温室效应，已经对自然条件和人类广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究15生存条件带来了诸多负面影响。例如，气温升高，海平面上升，频繁恶劣天气等。因而， “温室效应”引起的气候变化已成为一个全球性热点环境问题，愈来愈引起世界各国的关注。大气中主要的温室气体是水汽（H2O），水汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的 60%70，其次是二氧化碳（CO2）大约占了 26，其他的还有臭氧（O3），甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O）全氟碳化物（PFCs）、氢氟碳化物（HFCs）、含氯氟烃（HCFCs）及六氟化硫（SF6）等。在各种温室气体中，CO2 以其较长的寿命年限(50200 年)及超高的排放量，而且二氧化碳是化学惰性的，不能通过光化学或化学作用去除。因而除水汽外对“温室效应”的贡献最大。人类燃烧煤、油、天然气和树木，产生大量二氧化碳和甲烷进入大气层后使地球升温，使碳循环失衡，改变了地球生物圈的能量转换形式。自工业革命以来，大气中二氧化碳含量增加了 25%，远远超过科学家可能勘测出来的过去 16 万年的全部历史纪录，而且目前尚无减缓的迹象。因而，二氧化碳在全球范围的“温室效应”中扮演着十分重要的角色，应当作为温室气体削减与控制的重点，CO2减排是可持续发展的必然要求。从化石燃料燃烧排放的烟气中分离回收 CO2是世界各国普遍关注的问题。化石燃料中即使只有 10%的 CO2得到回收利用，它提供的碳源也是十分巨大的，在一定程度上可以解决全世界的 CO2需求问题。这种方法将提供最大的碳源，同时也是减缓 CO2排放的最有力、最直接的手段之一。目前 CO2的回收利用主要要有四种方法：吸收分离法、膜分离法、低温分离法和物理吸附法。1.3.1 吸收分离法 吸收分离法师利用溶液对混合气体进行洗涤来分离 CO2的方法。按吸收剂的不同，分为化学吸收法和物流吸收法。(1) 化学吸收法 化学吸收法是利用 CO2为酸性气体与碱性物质反应的特点进行吸收并形成一种弱联接的中间体化合物，然后在还原塔内加热富 CO2的吸收本科毕业论文16液解吸出来同时吸收剂得以再生的方法。(2) 物理吸收法 物理吸收法的过程与化学吸收法的过程相似，只是吸收剂水对 CO2的吸收按照物理溶解的方法进行的。根据混合剂在溶剂中溶解度的不同，实现 CO2与其他气体的分离，吸收后通过降压使 CO2溶解度降低而吸收，溶剂循环使用。分离 CO2的典型物理吸收法有:加压水洗法低温甲醇法(Rextisol 法) Selexol 法碳酸丙烯醋法(Flour)N甲基吡咯烷酮(Purisol)法无论是化学吸收还是物理吸收，对于尾气都需要额外的工艺进行处理而造成一定溶剂的浪费，同时该方法投资费用大，能耗高，分离回收成本较高。1.3.2 膜分离法 根据气体分离的机理不同，膜分离法又分为分离膜和吸收膜两类。分离膜技术士基于混合气体中 CO2与其他组分透过膜材料的速度不同而实现与其他组分的分离。吸收膜技术是在薄膜的另一侧有化学吸收液，并依靠吸收液对分离气体进行选择，而微孔薄膜材料只起到隔离气体与吸收液的作用。膜分离技术具有结构简单、操作方便、一次性投资少、设备紧凑、占地面积小、能耗低等优点，但仍处于发展阶段，还有待进一步的开发与研究。1.3.3 低温蒸馏法 低温蒸馏法是通过低温冷凝分离 CO2的一种物理过程，一般是经过多次压缩和冷却后，以引起 CO2的相变，达到从烟气中分离 CO2的目的，适用于高浓度的情况，目前主要应用于分离提纯油田伴生气中的 CO2。该方法的优点在于能够产生高纯液态的 CO2便于管道输送，但是也有设备庞大、能耗较高、分离效果差的弊端7。1.3.4 . 物理吸附法 (1) 吸附现象吸附是利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，使其中所含的一种或广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究17数种组分被吸附在固体表面上，以达到分离的目的。吸附现象的发展及其在生产上的应用已有悠久的历史，但直到不久以前，吸附操作还只是一种辅助手段，主要用于溶剂的回收及气体的精制等。近年来，由于技术的进步，吸附应用得到了很大的发展，目前在工业上已经不仅是一种辅助手段，而成为必不可少的单元操作了。在石油化工中可用于气体的干燥、天然气的脱硫以及混合物中有价值的溶剂蒸汽的回收。对液体而言，可用于丙酮、丁酮、二氯乙烷等化工产品的去湿，混合二甲苯的分离及废水废液 的处理等。吸附操作的主要优点是选择性高，它能分离其他过程难以分离的混合物。同时由于吸附速率极快，吸附作用可以进行的相当完全，故可以用于回收浓度很低的蒸汽或溶剂，而留下大量无用的气体或液体；或用于清洁浓度很低的有害或无用的组分，而得到大量清洁的气体或液体，这种分离效果一般是其他分离过程（如精馏、吸收等）难以达到的。吸附操作的优点还在于避开了高压、深冷、不需要大型的机械设备和昂贵的合金材料。但吸附操作也有其缺点，主要是理论尚不够成熟；固体吸附剂的吸附容量小，因而要耗费大量的吸附剂，使分离设备体积庞大；应用于大型及过程的连续化、自动化带来了一定的困难。致使吸附操作长期以来发展比较缓慢。近些年来对上述问题已有所突破，如新型性能优良的吸附剂分子筛的应用，已经模拟移动床的问世，为装置的大型化、自动化创造了条件，对于吸附技术的发展起了向前推进的作用。当气体或液体与某些固体接触时，气体或液体的分子会积聚在固体表面上，这种现象称之为吸附。它可以被认为是某些固体能将某些物质从气体混合物中凝聚到某一表面上的一种物理化学现象。由于某些固体这些吸附能力，所以在化工中可以用来实现气体或液体的分离。在气体分离方面，它可用于气体的干燥、脱臭和去除杂质成分以及烃类气体的分离。对液体可用于油品的脱水、脱色、脱味和去除杂质以及烷烃与芳烃的分离等。吸附与吸收不同。吸收时，液相中固体物质是均匀分散的。流体分子富集在固体表面上，形成一层吸附层（或称吸附膜） ，而没有向固体内部渗透。由于吸附是一种固体表面现象，所以只有那些具有较大内表面的多孔固体才具有吸附能力。本科毕业论文18(2) 吸附剂 吸附剂在吸附过程中起关键作用，也是长期阻碍吸附操作发展的因素之一。虽然吸附是一种普遍现象，所有固体表面对于流体都或多或少具有物理吸附作用，但合乎工业要求的吸附剂必须是多孔性、比面积大的物质，以增大其吸附容量。吸附剂的有效表面是包括颗粒内部孔道的面，且主要是内表面。例如，硅胶的内表面高达 500m2/g，活性炭的则可达 1000m2/g。其次，工业吸附还须对不同的吸附具有选择性的吸附作用。例如，10X 分子筛吸附水和硫化氢的能力，远大于吸附乙烯、丙烯和丙烷的能力，所以可用 10X 分子筛对裂解气进行脱硫和脱水。第三，工业用吸附剂通常为颗粒状的，应具有一定的工程特性，如重度、机械强度、几何形状等。例如，颗粒大小要均匀，如果颗粒太大且不均一，床层则不易填充紧密，致使空隙率大切空隙分布不均，当流体通过时容易 反混现象，降低了分离效果。如果颗粒太小，则会使床层阻力增大，甚至会造成吸附剂被带出吸附器外。吸附剂颗粒应具有一定的机械强度，以便于在装入设备时不至磨损，也不会因床层增设，或因本身重量而被压碎。目前对于吸附过程的实质还不是很清楚，对于鉴别吸附剂的吸附能力还只能依靠直接的实验数据，尚不能从理论上推出。下面举一些常用的吸附剂。 活性炭活性炭是最先用于化工生产的吸附剂。是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。将骨头、煤、椰壳、木材（或木屑）在低于 873K 下进行碳化，所得残炭再用水蒸气或热空气进行活化处理后即可得可供使用的活性炭。其吸附能取决于原始成炭物质及碳化、活化等操作条件。按其形状可分为粉末状活性炭和颗粒状活性炭。可用于混合气体中溶剂蒸汽的回收，烃类气体的分离，油品和糖液的脱色，水的净化等。近年来在三废处理上活性炭也得到了广泛的应用。 硅胶它是粒状无晶形氧化铝，如图 1-7。当硅酸钠液体用酸处理后沉淀得的胶状物，在约 637K 下加热后即可制的硬质玻璃状物质。它是多孔结构，广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究19比表面积为 350m2/g。硅胶吸水量很大，它从气体中吸附的水分可达自身重量的 50%，因此常用于气体或液体的干燥脱水，吸水后的硅可加热到300oC 放出水分而再生。图 1-7 硅胶 活性氧化铝它也是常见大量使用的吸附剂。将含水氧化铝在严格控制的加热速度下，于 637K 加热制成。这种含水氧化铝的脱水导致内表面生成，比表面积为 250m2/g。它具有良好的机械强度，可以在移动床中使用。主要用于其他的干燥脱水，碳氢化合物或石油气的脱硫。 活性白土天然粘土经酸处理后，称为本白性土也称活性白土。主要成分是硅藻土，其本身就已有活性。活性白土的化学组成为 Si:(5070)%；Al2O3:(1016)%;Fe2O3: (24) %；MgO: (16) %等。活性白土的化学组成随原料粘土和活化条件不同而有很大差别，但一般认为吸附能力和化学组成关系不大。主要用于润滑油及动植物油脂的脱色精制，石油馏分的脱色或脱水及溶剂的精制等。 分子筛分子筛是近几十年发展的一种沸石吸附剂。它具有特定的均匀一致的空穴尺寸。它是多孔性的硅酸铝骨架结构，比表面积约为 8001000m2/g。这些骨架结构里面有空洞，即所谓的“窗口” ，窗口的尺寸就限制了可以进入的分子大小。比它小的分子可以进入，比它大的分子就被拒于“窗外” 。这样，就起到了分子筛的作用。另外分子筛也可以根据分子的极性及不饱和程度，本科毕业论文20利用吸附作用进行分离。由于人工合成了优质的分子筛，而且品种多种多样，能适应多种需要，所以使吸附分离过程得到迅速发展。分子筛的通式如下：Mex/n(ALO2)X(SiO2)YMH2O，式中:x/n 为价数为n 的金属阳离子数；m 为结晶水分子数。分子可用于气体和液体的脱水干燥、气体和液体烃类混合物的分离、以及精制气体等，例如用于含氢气体脱杂质、液化石油气脱硫、空气精制等，一般用 13X 分子筛。此外，分子筛也用作催化裂化、正构烷烃异构化等过程和催化剂。分子筛的出现，使吸附分离过程大大向前推进了一步。它可用于石油裂解气和天然气的干燥，以防止水合烃类在低温下结冰，引起设备堵塞。一般选用 3A 或 4A 分子筛作为干燥剂。还可以用于对二甲苯的分离、正构烷烃与异构烷烃的分离，在分离 C6C8正构烯烃过程中，用低沸点烃作脱附剂后 C11C14正构烯烃纯度可达 98.8%。吸附分离制氢和富氧，可得到纯氢（可达 99.999%）和 95%的富氧8。(3) 主要吸附方法物理吸附法主要是利用固态吸附剂在混合剂对混合气中 CO2的选择性可逆吸附作用来分离回收 CO2，分为变压吸附（PSA） 、变温吸附（TSA） 、以及变电吸附法（VSA） 。相对来说，TSA 热惯性较大，系统庞大，VSA能耗较大，而 PSA 一般在中等的压力(低于 6.0MPa)下进行，操作简单，自动化程度高，设备不需要特殊材料、能耗也较低。相对来说，从分离效果及成本费用方面考虑，PSA 是优先选择。 (4) PSA 基本原理及其工艺特点PSA 采用变压吸附分离气体混合物的基本原理是利用吸收剂对不同气体在吸收量、吸附力等方面的差异以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性，在加压时完成混合气体的吸附分离，在降压条件下完成吸附剂的再生，从而实现气体分离及吸收剂循环使用的目的。利用变压吸附分离回收 CO2，概括起来有以下特点：1 自动化程度高，操作方便，整套装置除真空泵和压缩机外再无其他运转设备，维修方便； 开停车方便，装置启动数小时就能获得合格的产品 CO2； 装置操作费用低，除动力设备耗电外，只需要少量仪表空气和冷源；广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究21 装置适应性强，液体二氧化碳产品的纯度范围广； 吸附剂使用寿命长，一般 8 年以上，装置运行过程中吸附剂无损失。第二章 甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2 浓缩系统2.1 设计条件设计条件2.1.1 工艺设计的原始数据(1) 设计处理能力：5500Nm3/h。(2) 生产时日：每年按 180 天，每天 24 小时连续操作。(3) 物料：甘蔗糖厂锅炉烟道气。(4) 甘蔗糖厂锅炉水膜除尘器后的烟道气成分如表 2-1 所示。表 2-1 甘蔗糖厂锅炉水膜除尘器后的烟道气成分成分N2CO2O2NOCOSO2含量79%10%11%142ppm84pm-(5) 甘蔗糖厂锅炉水膜除尘器后的烟道气温度：87。(6) 旋风除尘器：烟道气入口温度为 87，出口温度为 85。(7) 换热器：烟道气入口温度为 85，出口温度为 50。 冷却水进口温度为 25，出口温度为 29。(8) 稳压罐：容积 V=4.5m3，直径 =1200。本科毕业论文222.1.2 工艺流程的确定工艺流程简图如图 2-1。图 2-1 甘蔗糖厂锅炉烟道气 CO2浓缩系统工艺流程简图从锅炉出来的烟道气经水膜除尘器后由引风机抽送入旋风除尘器和冷却器，在冷却器冷却至常温，进入稳压罐稳压缓冲后送入压缩机进行加压，得到的压缩气体直接送入变压吸附（PSA）系统进行 CO2吸附，吸附塔塔顶及塔底排出气体分别进入相应的储气罐，其中主要产品 CO2可由鼓风机送至用户用于工艺生产，富含氮氧的产品气体则用于其他工艺过程。2.2 工艺过程及设备工艺过程及设备2.2.1 工艺过程来自锅炉的烟道气先经过水膜除尘处理，使烟道气的粉尘含量降低，由引风机（C0101）抽送入旋风除尘器（X0101）除尘后进入冷却器（E0101）的管程进行冷却，经稳压罐（V0101）缓冲后再送入下一级加压工段。具体工艺流程图如图 2-2 所示。图 2-2 预处理工段工艺流程图(2) 设备在预处理工段中，主要的设备有冷却器等，各设备的名称和型号如表2-2 所示。广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究23表 2-2 预处理工段各设备名称及型号序号名称设备位号型号规格数量备注1234旋风除尘器冷却器引风机稳压罐X0101E0101C0101V0101B-900DN900 F=75m29-26-15NO5.6AV=4.5m3 =12001111第三章 旋风除尘器和稳压罐的设计3.1 旋风除尘器的设计选型旋风除尘器的设计选型3.1.1 旋风除尘器的工作原理及特点(1) 工作原理本科毕业论文24旋风除尘器的结构见图 3-1。当含尘气流以 1225m/s 速度由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动变为圆周运动。旋风气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下，朝椎体运动。通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向器避。尘粒一旦与器避接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达椎体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心考靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高。当气流到达椎体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下而上继续做螺旋形流动，即内旋气流。最后净化气经排气管排出器外。一部分为被捕集的尘粒也由此逸失。图 3-1 旋风除尘器结构图自进气管流入的另一小部分气体，则向旋风除尘器顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动。当到达排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排气管排出。分散在这一部分上旋气流中的尘粒也随同被排走。(2) 特点广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究25旋风除尘器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式-固体分离装置。旋风除尘器用于工业生产以来，已有百余年历史。对于捕集、分离510cm 以上的粉尘效率较高，被广泛地应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械、轻纺等工业部门。旋风除尘器有以下几个特点： 结构简单，器身无运动部件，不需特殊的附属设备，占地面积小，制造、安装投资较少； 操作、维护简便，压力损失中等，动力消耗不大，运转、维护费用较低； 操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制。对于粉尘的物理性质无特殊要求，同时可根据化工生产的不同要求，选用不同材料制作，或内衬各种不同的耐磨、耐热材料，以提高使用寿命。3.1.2 设计选型(1) 确定设计条件 气体处理量的确定：由设计任务书 Q=5500Nm3/h，将其转化为工作温度 t=87oC 下的气体体积： Q1=Q (3-1)00TtT 式中：T0=273k，代入数据，得： Q1 =5500=7252.75m3/h 27387273(2) 设备选型由除尘设备9查得，B 型旋风除尘器采用 180蜗壳进口，入口面积较大，具有较高的处理能力，其处理风量为 48012000m3/h,对于较细粉尘的除尘效率高，且体型较短，因此根据工艺条件，查除尘设备表 3-35 及表 3-36，拟选 B-900 旋风除尘器。(3) 确定旋风除尘器参数本科毕业论文26B-900 旋风除尘器的性能和尺寸表参数见表 3-1 和表 3-2：表 3-1 B-900 旋风除尘器性能表型号进口气速 v(j)，m/s处理气量 Q，m3/h压力损失P,PaB-9001897002750表 3-2 B-900 旋风除尘器尺寸参数型号abD0D1D2D3DEhH-hh1h2h3hekB-90057626090054036021637811901206930450258432453.2 稳压罐的设计稳压罐的设计3.2.1 设计参数根据稳压罐任务要求，确定如下设计参数：(1) 容积，设计压力mmDmV1200,5 . 43。MPaPPc088. 008. 01 . 11 . 1(2) 设计温度：由于从换热器出来时介质的温度为 50，取设计温度为 80。(3) 选材：由于是常压容器，选择壳体材料为 Q235-B，使用状态为热轧。(4) 腐蚀裕量：由于介质气体腐蚀微弱，查过程设备设计14,在无特殊腐蚀情况下，碳钢和低合金钢 C2不小于 1mm，故取 C2=3mm。(5) 焊接接头形式：纵焊采用双面焊全焊透对接形式，局部无损检测，=0.85。(6) 负偏差：由过程设备设计14查得 Q235-B 在厚度 4.516mm 时，C1=0.3mm。稳压罐的实际结构图如图 3-2 所示：广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究27图 3-2 稳压罐结构图3.2.2 计算过程(1) 筒体壁厚查 JB/T4735-199732，利用内插法得：80时，Q235-B 许用应力t=128.25MPa，暂定厚度为 4.516mm，则 ticDP2(3-2) 代入数据，得： mmDPtic48. 085. 025.12821200088. 02查过程设备设计14，在无特殊腐蚀情况下，碳钢和低合金钢最小厚度 不小于 3mm，故取 =3mm，则： n=+C1+ C1 (3-3)式中：C1=0.3mm，C2=3mm，代入数据得：本科毕业论文28n=+C1+C2=3+3+0.3=6.3mm查化工工艺制图11表 6-17，得当公称直径为 1200mm 时，内压圆筒的最小壁厚为 8mm，取实际筒体壁厚为 n=10mm, 则 e=nC1C2 (3-4)代入数据得： e=nC1C2=103.3=6.7mm。 (2) 封头选用壳体材料与筒体材料相同，均为 Q235-B，C2=2mm。从受力均匀及加工工作量上考虑，查 JB/T 4737-199732,选择标准椭圆形封头(DN1200mm)。取封头及筒体焊接方式为双面焊全焊透对接形式，局部检测，=0.85，则封头壁厚： (3-5) ticDP2 由于是标准椭圆形封头，K=1代入数据，得： mmDPtic48. 085. 025.12821200088. 02同样，根据：不特殊腐蚀情况下，碳钢和低合金钢最小厚度 不小于3mm，故取 =3mm，n=+C1+C2=3+3+0.3=6.3mm。由于筒体壁厚为10mm，故取封头壁厚与筒体一致， 为 10mm。由于 4.581000mm，则应至少设置一个人孔，且人孔最小直径为400，选择人孔法兰类型为板式平焊法兰，取公称直径为 450mm，具体参数见表 3-4：表 3-4 人孔主要尺寸(单位：mm)公称压力 MP公称直径DNdwSDD1ABLb b1b2H1H2d螺栓总质量0.64504806595 550 330 150 200 30 26 30 220 11020M2095106由人孔外径 D=480mm，故需补强。人孔直径：d=di+2C=450+23.3=456.6mm，满足等面积mmD6002i法开孔计算适用条件。本科毕业论文30由 =0.48mm 开孔所需补强面积 (3-7)1 (2rfetdA 式中 ，et=nt-C=6-3.3=2.7mm， (3-8) ttnrf查 JB/T4735-199732，利用内插法得 80时，Q235-B 许用应力t=128.25MPa，暂定厚度为 4.516mm；20 号钢许用应力149.25MPa，暂定厚度为小于等于 10mm， tn则，故取=1125.12825.149rfrf 即 2219.2mm0.486 .564A有效宽度按下式确定：取大值，代入数据得：ntndBdB222取 B=913.2mm6 .488621026 .4562 .9136 .4562BB有效高度按下式确定：外侧 取小值实际高度11hntdh内侧 取大值实际高度22hntdh 代入数据得：取 h1=52.34mmmm22052.34mm6456.611hh取0mm34.5266 .45622hhh2=0广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究31筒体的金属面积 A，按下式计算： （39）reetefdBA121代入数据，得： reetefdBA121 48. 06.76 . 6452 .139 =2840.05mm2 而 Ae=A1+A2+A3，由于 A=219.2mm2,仅 A1就已经远大于 A，故不再需另行计算 A2、A3，且无需另行补强。(6) 接管补强 出气口接管查过程设备设计14第三版表 4-15，由于不另行补强最大接管外径为 89mm，本开孔外径为 426mm，需开孔补强。开孔直径，Cddi2取接管、封头、筒体的腐蚀裕量均为 C=C1+C2，则d=456+2(3+0.3)=462.6mm该压力罐开孔直径：d=462.6mm600212002iD满足等面积法开孔补强计算条件利用等面积法开孔补强，且,t=nt-C=9-2.3=5.7mm,，故取=1。mm48. 0125.12825.149rfrf由式(3-7)，代入数据得：A=462.60.48=222.05 mm2有效宽度取大值，代入数据得：ntndBdB2226 .500921026 .4622 .9256 .4622BB取 B=925.2mm本科毕业论文32有效高度外侧 取小值接管实际外伸高度11hntdh内侧 取小值接管实际内伸高度22hntdh该孔实际外伸高度为 150mm，内伸高度为 0，代入数据得：取 h1=60.83mmmm150mm83. 068462.611hh取 h2=0083.6096 .46222hmmh封头有效厚度： e=n-C=103.3=7.7mm封头多余金属面积：由式(3-9)代入数据得：A1 =（Bd） （e）2et（e） （1fr） =（925.2462.6）（6.70.48） =2877.37mm2显然，上封头的多余金属面积 A1=2877.37mm2，远大于所需补强面积A=222.05mm2，同理椭圆封头中心外椭圆道气出口无需另行补强。 进气口接管根据过程控制技术15表 4-15，进气口接管外径为 426mm，故需补强。开孔直径=456+2(3+0.3)Cddi2=462.6mm，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，mm600212002iD可用等面积法进行开孔补强计算。广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究33又，t=nt-C=9-2.3=6.7mm，故取=1mm48. 0125.12825.149rfrf由式(3-7)，代入数据得：A=462.60.48=222.05mm2有效宽度取大值，代入数据得：ntndBdB222取 B=925.2mm6 .500921026 .4622 .9256 .4622BB有效高度外侧 取小值接管实际外伸高度11hdhnt内侧 取小值接管实际内伸高度22hdhnt该孔实际外伸高度为 150mm，内伸高度为 0，代入数据得：取 h1=60.83mmmm150mm83. 069462.611hh取 h2=0083.6096 .46222hmmh封头有效厚度： e=nC=103.3=6.7mm封头多余金属面积：由式(3-9)，代入数据得：A1 =（Bd） （e）2et（e） （1fr）=（925.2462.6）（6.70.48） =2877.37mm2本科毕业论文34显然，上封头的多余金属面积 A1=2877.37mm2，远大于所需补强面积A=222.05mm2，同理不需另行补强。 排污口查过程设备设计14,由于管内径 d=57mmQ所以 4 个 A2 支座能满足本体允许载荷的要求；稳压罐支座适用A2，DN1200.由表 B.2 查允许垂直载荷F封头有效厚度：e=nC=103.3=6.7mm由表 B.2 内插得：F=54.3KN,则 QF，所以 4 个 A2 支座能够满足封头允许垂直载荷的要求。(8) 罐体重要尺寸由罐体容积为 4.5m3，外径为 1200mm，查常用化工单元设备设计12附表 1 得封头系列尺寸，见表 3-6：表 3-6 封头系列尺寸公称直径 DN mm曲面高度 h1 mm直边高度 h0 mm内表面积 F m2容积V0 m3厚度 p mm质量 a kg本科毕业论文361200300401.7120.27110137 则单个封头容积 V0=0.271m3， 筒体容积 V、=V-2V0=4.5-20.271=3.958 m3筒体高度 mmmDVh4 .35015014. 3214. 3958. 34422(9) 水压试验校核对于 Q235-B 材料，试验时水温不得低于 5，其常温许用应力t=235MPa，屈服应力=113MPa，卧置试压。试验方法：试验时，容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽。试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压不少于 30min，然后将压力降至规定试验压力的 80%，并保持足够长时间以便对所有焊接接头和连接部位检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时压力： （3-11） tTPP25. 1式中：试验时器壁金属温度下材料的许用应力，MPa； t设计温度下材料的许用应力，MPa。代入数据得： MPaPPtT11. 0113113088. 025. 125. 1为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按下式校核试验时圆筒的薄膛应力：MPaDPeeiTT52.1133 . 08233 . 08120011. 02水压试验时的许用压力为：MPaMPaTs52.11775.17923585. 09 . 09 . 0故筒体满足水压试验时的强度要求。广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究37第四章 冷却器的设计4.1 工艺设计计算工艺设计计算(1) 冷却器的设计任务冷却器需要将烟道气从 85冷却到 50，冷却水入口温度为 25，出口温度为 29，每小时处理烟道气 5500Nm3，每年按 180 天计，每天 24小时连续操作，设计一台列管冷却器完成该任务。甘蔗糖厂锅炉烟道气在经过水膜除尘器后的成分见表 2-1。(2) 冷却器设计方案的确定本科毕业论文38 冷却器类型的选择根据工艺条件及设计参数，选用固定管板式冷却器。 流程及流向的确定 由于烟道气粘度小，容易结垢，因此为了便于清洗，烟道气走管程，冷却水走壳程。为了提高传热效果，流向选逆流。 确定流体的定性温度及物性数据管程烟道气的定性温度为：Tm= 5 .6725085221TT壳程冷却水的定性温度为：Ctttm2722925221两流体的温度差：Tm-tm=67.5-27=40.5 500 时，82. 04 .28020 . 50 . 5228. 0228. 00oeRf则 Pap65.6702143. 05 .996162382. 05 . 021本科毕业论文48PauDBNpB140201292. 05 .9968 . 0271. 025 . 36225 . 3202 Pap49.904115. 14 .14011.6460由管程压力降、壳程压力降都小于允许压力降，所以该冷却器设计合理。4.2 冷却器冷却器的结构计算的结构计算(1) 容器法兰的选择与计算 由壳程设计的设计压力 P=0.22MPa，按照设计压力公称压力的原则，就确定法兰公称压力为 0.6MPa。 根据法兰公称直径等于其相连的壳体内径，则法兰公称直径DN=900mm，同时由设计温度 t=50和 PN=0.6MPa，根据化工工艺制图11选用甲型平焊法兰，尺寸见表 4-1。表 4-1 0.6MPa 的容器法兰参数DNDD1D3d规格数量D5df90010309909454423M2032944904(2) 管板的选择由壳程工作压力为 0.22MPa，则可取管板的公称压力为 0.6MPa，根据壳体内径，查换热器设计手册22表 1-6-9 可选取 DN900 的整体管板，管板尺寸见表 4-2。表 4-2 管板尺寸DNDD1D2D3D4D5Cd2规格数量bfb900103099095589794280014.523M20243848(3) 接管的选择与计算 管程（烟道气）进出口接管 d1，取 u1=16m/s，那么接管内径：mmmuVd399399. 016340. 1685. 2441广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究49经圆整后可采用 4269 的热轧无缝钢管，接管外伸长度查换热器设计手册22表 1-6-6，取外伸长度为 250mm。则气体的实际流速为：m/s32.15408. 0340. 1685. 244221dVu 壳程冷却水接管 d2，取 u2=1.3m/s， mmmuVd75075. 03 . 15 .996726. 5442选取 894.5 的热轧无缝钢管。则水的实际流速为： m/s，14. 1.08. 05 .996726. 544222dVu查换热器设计手册22表 1-6-6 取外伸长度为 150mm。(4) 接管法兰的选择 管程接管法兰的选择: 由接管尺寸可确定 DN(B)=400mm，PN=0.25MPa，则查 HG20592-200927，选用板式平焊法兰，得法兰尺寸如表 4-3。表 4-3 管程接管法兰尺寸DNA1DKLnThCB14004265404952216M2228430 壳程接管法兰的选择：由接管尺寸可知 DN(B)=80mm，PN=0.25MPa，则查 HG20592-200927，选用板式平焊法兰，法兰尺寸如表 4-4.表 4-4 壳程接管法兰尺寸DNA1DKLnThCB18089200160184M161891(5) 管箱的选择与计算 壳程接管位置的最小尺寸mmCbdLn5 .10848)420(289421本科毕业论文50mmSc481244 管程接管位置的最小尺寸mmChdLfn35010037242622mmSc1004(6) 拉杆、定距管的选用查化工设备机械设计基础13表 16-17 得，拉杆数量为 6 根，拉杆直径为 16mm，定距管选用与冷却器相同的不锈钢管。(7) 各部件的连接方式 管板与壳体的连接：壳体与管板连接采用焊接方式。 管子与管板的连接：管子与管板采用胀焊并用，先进行强度胀，然后进行密封焊。 管板与容器法兰的连接：固定管板式冷却器的管板兼作法兰，与容器法兰采用螺栓连接。(8) 选择冷却器支座立式冷却器选用圆筒形裙式支座，裙座材料选用 Q235-B。 裙座与圆筒壳的连接型式采用对接型式，裙座壳的外径与相连壳封头外径相等，裙座壳与相连壳封头的连接焊缝应采用全焊接续焊，则裙座外径 D=820mm。 排气孔由 JB/T4710-2005钢制塔式容器28表 7-2 查得排气孔尺寸见表 4-5。表 4-5 排气孔尺寸公称直径 DN排气孔尺寸排气孔数量排气孔中心线至裙座顶端距离900802140 引出孔引出管或引出孔加强管上应焊支承板支撑，且应预留有间隙，以满足热膨胀的需要。由 JB/T4710-2005钢制塔式容器28表 7-6 查得，引出孔的加强管由无缝钢管 2196。 检查孔广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目 糖厂锅炉烟道气二氧化碳富集湿法工艺及其设备设计研究51裙座开设检查孔，选择圆形检查孔、引出孔和检查孔的加强管与裙座壳的连接应采用全焊接结构，由 JB/T4710-2005钢制塔式容器28表 7-7查得圆形检查孔的外径 di=450mm。由 JB/T4710-2005钢制塔式容器28，将裙座的结构尺寸汇总于表4-6。表 4-6 裙座结构尺寸壳径排气管数量排气管的直径 DN排液孔宽度检查孔直径 DO检查孔数量/个引出管通孔直径 dN900280254501200盖板厚度裙座的壁厚基础环厚度地脚螺栓规格螺孔直径基础环螺孔直径地脚螺栓数量/个181024M2743508螺栓座筋板高筋板间距筋板厚度盖板宽度2007512140第五章 风机和压缩机的选型5.1 风机的选型风机的选型在烟道气的预处理中需要一台引风机来提供动力。在预处理的工艺中，烟道气经过旋风除尘器、冷却器、引风机最终到达稳压罐进行储存。其中在旋风除尘阶段的降压为 2750Pa，在冷却阶段气体流经冷却器降温，降压为 783.2Pa，加上管道阻力所引起的压降损失为 1800Pa。考虑抽取烟道本科毕业论文52气时负压降及整个预处理压降，可取负压降为 1000Pa，则总压降： PaP2 .6333100018002 .7832750根据工况要求并考虑加 10%的附加值，可知引风机的实际处理量：hmQ/2 .84131 . 176483则根据以上参数查风机产品样本23，选取风机型号为：离心式引风机 9-26-5No5.6A 右 90。参数见表 5-1。表 5-1 离心式引风机的参数转速全风压风压轴功率电动机型号电机功率外型尺寸(长宽高)压量2900r/min9894Pa9048m3/n23.47kwY200L1-230kw8239931053118kg5.2 压缩机的选型压缩机的选型5.2.1 压缩机类型的选择水环式真空泵在化工生产中经常使用，是一种粗真空泵。它所能获得的极限真空为 20004000Pa，串联打球喷射器可达 270670Pa。水环泵也可用作压缩机，称为水环式压缩机，属于低压压缩机。其压力范围为12105Pa。其结构简单，工作可靠，可抽吸含固体微粒、水分、或易燃易爆气体，也可用于抽吸腐蚀性气体。单级极限压力为 104Pa，双级可达103Pa，最大抽速达 500L/s。水环式真空泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，水环泵和其他类型的机械真空泵相比的优点如下：（1）结构简单，制造精度要求不高，容易加工。（2）结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直
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