粉煤气化流化床设计.docx

粉煤气化流化床反应器装置设计 姓名：程灿灿 学号：2010037031 班级：装备02 指导老师：李云 目录粉煤气化流化床反应器装置设计11.流化床应用背景31.1 流化床反应器的原理31.2流化床反应器的应用31.3.流化床的基本概念31.3.1流态化31.3.2 临界流化速度42.流化床的设计42.2尺寸及强度计算42.2.1 临界流化速度计算公式为：42.2.2 颗粒带出速度计算公式为：52.2.4床层扩大段直径62.2.5 流化床的总高度H62.2.6材料选择62.2.7强度设计72.2.8开孔及开孔补强计算72.3 内构件的选择82.3.1 气体分布器的选用82.3.2换热件的选用92.3.3旋风分离器的选用93.收获101.流化床应用背景1.1 流化床反应器的原理流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床是在鼓泡床锅炉（沸腾炉）的基础上发展起来的，因此鼓泡床的一些理论和概念可以用于循环流化床锅炉。但是又有很大的差别。早期的循环流化床锅炉流化速度比较高，因此称作快速循环循环床锅炉。快速床的基本理论也可以用于循环流化床锅炉。鼓泡床和快速床的基本理论已经研究了很长时间，形成了一定的理论。要了解循环流化床的原理，必须要了解鼓泡床和快速床的理论以及物料从鼓泡床湍流床快速床各种状态下的动力特性、燃烧特性以及传热特性。1.2流化床反应器的应用 流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（即煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。1.3.流化床的基本概念1.3.1流态化当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。 对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为“散式”流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为“聚式”流态化。循环流化床锅炉属于“聚式”流态化。1.3.2 临界流化速度1.对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然解锁，床层压降降至床层的静压。如果床层是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉一般的流化风速是23倍的临界流化速度。2.影响临界流化速度的因素：（1）料层厚度对临界流速影响不大。（2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。（3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。（4）流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小。2.流化床的设计2.1题目分析煤的处理量：10公斤/天 工作温度 600度，输送介质：氮气，颗粒粒度：1毫米。对这个题目，可以认为不考虑其内部煤与空气的热态反应，简单的考虑成氮气吹入，使得粉煤浮起，形成流化状态。这里将一些条件进行简化，粉煤可看做是球形的，直径为0.001m，暂时取入口气体压力为1Mpa。粉煤密度选为500kg/m3.2.2尺寸及强度计算2.2.1 临界流化速度计算公式为：其中：dp 是固体颗粒的平均直径 s 是固体颗粒的密度 f是流体的黏度 f是流体的密度质量流量为：10kg/86400s=1.16x10-4kg/s 在这里，dp=0.001m，s=500kg/m3，f=3.8017x10-5pa.m，f=1.396kg/m3计算得到临界流化速度Umf=0.078m/s 此时临界雷诺数Rep=2.860.4，不符合代入公式2中，得到Ut=2.0m/s此时临界雷诺数为Rep=73.4500，故符合。所以颗粒带出速度为2.0m/s2.2.3 流化床直径D计算公式为D=4vu其中：v是气体在操作温度，压力下的体积流量，m3/s u是空床操作气速，m/s 由于 Umfu100m，选取床层的膨胀比R=1.11.2，在这里选为1.2令床层高度Hmf=0.05m，则L1=RxHmf=1.2x0.05=0.06m(2) 分离高度H1由分离高度经验图知，D=0.05m，U=0.1m/s时，H1/D=3,故H1=3D=0.15m(3)扩大段高度H2由经验知，H2=D1=0.07m(4)锥底的高度H3H3=D2tan2=0.052tan45=0.025m故流化床总的高度为H=L1+H1+H2+H3=0.06+0.15+0.07+0.025=0.305m2.2.6材料选择由于操作压力不是很高，操作温度达到600度，传送物质为煤粉，具有一定的腐蚀性，故选用耐高温耐腐蚀的材料，如合金钢，综合考虑后，选用0Cr18Ni9作为壳体的材料。2.2.7强度设计依据我国现行压力容器常规设计的标准GB150-1998钢制压力容器、JB4731-2000钢制卧式容器，JB47004707-92压力容器法兰，JB/T4712-92鞍式支座1) 容器的筒体和封头壁厚设计； 内压圆筒的计算厚度由(2-1)式即中径公式确定：标准椭圆形封头是经常采用的封头型式,其计算厚度由(2-2)式确定： （2-2）式中：pc-计算压力，MPa，根据设计压力p和液柱静压力来确定。当受压元件所承受的液柱静压力小于设计压力的5%时，可忽略静压力的影响，取pc=p，否则计算压力为设计压力与液柱静压力的和。在这里，pc 选为1Mpa，焊接接头系数=0.80 0Cr18Ni9在600度时许用应力为 62Mpa数据代入后，得到计算厚度为0.51mm腐蚀裕量C2取为2mm故设计厚度d1=d+C2=0.51mm+2mm=2.51mm名义厚度dn=3mm对于低合金钢制的压力容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度为3mm，故名义厚度 应取5mm2.2.8开孔及开孔补强计算（1）开孔补强的方法：压力容器为弥补开孔周围区域强度下降而采取的加强措施称作开孔补强。壳体开孔后因承载面积减小及应力集中使开孔边缘应力增大且强度受到削弱，为使孔边应力下降至允许范围以内，可采用增加大面积壳体厚度的整体式补强或在开孔附近区域内增加补强元件金属的局部补强。由于开孔削弱的局部性，局部补强的效果显著，常用的补强元件有补强圈、接管和整锻件。在中低压容器中应用最为广泛的是补强圈补强，也称“贴板补强”。整体式补强的结构简单，制造方便，但补强效率不高，材料浪费，仅在为保证刚度需增加壳体厚度或因开孔多而局部补强不便时采用。补强计算准则主要有等面积补强和极限分析补强两种。补强元件与壳体金属熔焊成一体的可作为整体受力结构，其抗疲劳性能好，如接管补强、整锻件补强和加厚壳体补强。补强圈补强属非整体受力结构，其抗疲劳性能较差。制造时如必须在主要焊缝上开孔，则应对开孔边缘的焊缝作100无损探伤。（2）选用的补强方式：因该流化床处理量较小，只设计一个粉煤的送入口，其他孔暂不考虑。根据粉煤的处理量以及该流化床的计算直径，初步将该小孔的直径定为20mm。选用补强圈补强d=1.5dn=7.5mm图1. 补强圈2.3 内构件的选择2.3.1 气体分布器的选用 空气分布器是通过特殊织物纤维织成的空气分布系统，通过纤维渗透和喷孔射流的独特出风模式，达到均匀送风的送出风末端系统。由于该流化床直径较小，故只能在其支撑盘上对称放置4个气体分布器，以使粉煤能够均匀上升流化。 图2. 气体分布器3.收获这次课程设计，是对我们大学四年来的理论学习知识的一次具体应用。刚开始，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。在不断收集资料，进而对流化床进行了解的过程中，慢慢熟悉了将这个课程设计实施下去的整体流程。 实际上，整个课程设计花的时间并不多，只是实际设计过程碰到很多难题，拖延了进度。开始寻找设计资料时，就发现网上关于流化床的设计方面的信息少之又少，相关的书籍也都没有很详细的过程。关于内部构件的选取也没有相关介绍。再后来，设计时需要的计算数据大都需要自己通过各种途径收集，有的数据甚至找不到来源，只能靠“猜测”。不过正是有了很多的不确定因素，才让我花更多的时间在数据及资料的收集上来，甚至把以前的专业基础课的书籍都翻了出来。可以说是对以前学过的知识的一种回顾吧。整个过程收获很多，不仅提高了自己收集，查阅以及分析资料的能力，还将自己之前学过的知识系统的结合在一起，让自己跟清楚的了解到自己大学四年学习到的东西。同时，自己也尝试着学习Solidworks，用