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

广西大学本科毕业设计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一、绪论随着经济与现代社会的快速发展,环境问题越来越突出,面临着严峻的形势，人类的生活也面临着巨大的挑战。而二氧化碳则是重要的一环，首先它是人类不可或缺的物质，另一方面，它的超标排放也带来了温室现象等许多环境问题，怎样合理的使用二氧化碳，并减少因此而来的环境问题，正是现在社会应该关注的问题。要解决这一问题，首先则需要我们充分认识二氧化碳过量排放的危害。（一）、二氧化碳污染的危害1、对海洋的危害大气的二氧化碳含量增加，逐渐令全球海洋变酸。美国科学家估计，到了本世纪末，过酸的海水会导致珊瑚灭绝、浮游生物减少，甚至令海洋食物链崩溃。美国国家大气研究中心周三发表报告，指二氧化碳的排放将严重影响海洋化学成分，威胁珊瑚及海洋生物，珊瑚恐在本世纪末绝种。科学家解释，珊瑚及贝壳类生物需吸收碳酸钙组成外壳或骨胳，当二氧化碳溶于海水，就会形成碳酸，影响珊瑚及浮游生物组成身体部分。哥伦比亚大学仿真2050年的温室效应对水族箱内海洋生物的影响，发现珊瑚的生长拖慢一半。按此推断，珊瑚将会在本世纪末绝种。浮游生物减少更可能破坏海洋食物链，令鲸鱼、三文鱼及鲭鱼等面临威胁。科学家及政界均形容海洋变酸是当前最迫切的环境问题。众议员因斯莱说﹕这绝对是计时炸弹，随时影响科学界，甚至公众政策制定。目前发电厂、汽车等排放的二氧化碳，有三分一由海洋吸收。科学家过去普遍认为，海洋有助缓和温室效应，但这却令海洋酸性增加。科学家以pH度衡量酸碱度，pH度愈低，代表酸性愈高。迈阿密大学的海洋生物教授兰登指出，海洋的pH度通常介乎1000至1800个单位，但自工业革命以来，海洋pH度已下降了0.1个单位，令海洋酸性升至数百万年的最高水平。到下一世纪，海洋pH度将再下跌0.3个单位，令海洋生物面临重大威胁。2、对气候的危害温室效应”是近年来的热门话题，在媒体的报道中可以说是谈之色变，其实温室效应自“古”就有，它是由于大气层中的二氧化碳和水蒸气等物质吸收的热量多于散失的而造成的。它使地球保持了相对稳定的气温，是地球上生命赖以生存的必要条件。因而，“温室效应”并不是人们想象中的“恶魔”。只不过由于近年来人口激增、人类活动频繁，矿物燃料用量的猛增，再加上森林植被破坏，使得大气中二氧化碳和各种气体微粒含量不断增加，造成了温室效应加剧，导致了全球性气候变暖，才引起了人们对它的重视。近几十年来，由于人口急剧增加，工业迅猛发展，呼吸产生的二氧化碳及煤炭、石油、天然气燃烧产生的二氧化碳，远远超过了过去的水平。而另一方面，由于对森林乱砍乱伐，大量农田建成城市和工厂，破坏了植被，减少了将二氧化碳转化为有机物的条件。再加上地表水域逐渐缩小，降水量大大降低，减少了吸收溶解二氧化碳的条件，破坏了二氧化碳生成与转化的动态平衡，就使大气中的二氧化碳含量逐年增加。空气中二氧化碳含量的增长，就使地球气温发生了改变。在温室效应就是由于大气中二氧化碳等气体含量增加，使全球气温升高的现象。如果二氧化碳含量比现在增加一倍，全球气温将升高3℃～5℃，两极地区可能升高10℃，气候将明显变暖。气温升高，将导致某些地区雨量增加，某些地区出现干旱，飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。更令人担忧的是，由于气温升高，将使两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁，甚至被海水吞没。20世纪60年代末，非洲下撒哈拉牧区曾发生持续6年的干旱。由于缺少粮食和牧草，牲畜被宰杀，饥饿致死者超过150万人。这是“温室效应”给人类带来灾害的典型事例。因此，必须有效地控制二氧化碳含量增加，控制人口增长，科学使用燃料，加强植树造林，绿化大地，防止温室效应给全球带来的巨大灾难。科学家预测,今后大气中二氧化碳每增加1倍,全球平均气温将上升1.5～4.5℃,而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。因此,气温升高不可避免地使极地冰层部分融解,引起海平面上升。大气是包围地球的空气层，它由氮、氧、氩等多种气体组成，当太阳透过空气时太阳辐射能受到它们不同程度的削弱，形成了目前这种平衡状态的地球气候系统，人类也已经适应了这种状态。但随着生产的发展，工业革命的到来，人类的种种活动引起空气中某些成分的变化，打破了这种平衡的状态。例如：二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烃化合物、臭氧，这些气体对于来自太阳的短波辐射几乎是透明的，但对于从地面射出的长波辐射则有强烈的吸收作用，使地表辐射的热量留在了大气层内，起到类似暖房的玻璃罩或塑料大棚的作用，提高了地表的温度，通常称为“温室效应”。这种温室效应改变了原来的生态环境。根据科学家研究：二氧化碳加倍以后将使全球地面平均温度增加2-3℃，极地海冰融化，全球海面大幅上升，降水过程也将增加，而且分布并不均匀，随之而来的全球生态系统也将发生巨大的改变。3、对人体的危害美国一项长期环境跟踪调查发现，生活在风景区与污染区的居民其体内血液有毒物质含量相差无几，因为人每天约80～90%的时间是在室内度过的，室内环境污染给人们带来的影响甚至要大于室外。这引起了人们对室内空气质量的重视。在新鲜空气中二氧化碳的浓度，乡村约为0.03%，城市约为0.04%。而实验研究证明：当二氧化碳含量达0.07%时，有少数对气体敏感的人就感觉有不良气味和不适感觉；达0.1%时，空气中氨类化合物明显增加，人们普遍有不适感觉；达3%时，肺的呼吸量虽正常，但呼吸深度增加；达4%时，头痛、耳鸣、脉搏滞缓、血压上升；达8～10%时，呼吸明显困难，意识陷入不清，以致呼吸停止；达30%时，致死。虽然较高的室内二氧化碳会对人体健康产生危害，但通常情况下人们更多的是把其作为空气污染“指示剂”看待的：在室内人数一定时，室内二氧化碳浓度可以反映室内通风情况，从而可以粗略估计室内其他有害物质的污染程度。例如，在学校里空气的污浊程度达到一定程度时，感冒等流行疾病就容易传播。人们一般要求室内空气中二氧化碳含量应在0.07%以下，据最新颁布的国家标GB/T17226—1998《中小学教室换气卫生要求》[5]规定，“教室内空气中二氧化碳的最高容许浓度为0.15%”。我们知道，一个16～19岁的少年男子每天约需2800千卡的能量，即其在每天需要24mol，0.768kg氧气的同时，排出24mol，1.056kg二氧化碳。如果是在一个没有气体交换的封闭体系中，则其一小时所需的空气量为1mol÷0.15%*22.4L/mol=15m3。假如有一个容纳50名学生的教室（长9m，宽6m，高4m），则其每小时需置换的空气不应低于4次。因此，我们一定要重视家庭居室、学校教室、写字楼办公室、百货商场等公众较为集中地方二氧化碳的污染，特别是中小学生正处于发育旺盛期，个人抵抗力较成年人差，因而学校更要注意保持教室通风，要求学生常做室外活动，从而保持身体健康。在人体内，二氧化碳还起着调节呼吸的作用。与一般人的想法相反，正常情况下，氧对呼吸运动影响不大，而血液中二氧化碳的含量却对呼吸的调节起着特别明显的作用。因为，呼吸中枢对二氧化碳浓度的改变很敏感，当血液中二氧化碳分压稍高时，呼吸即加深加快，通气量增加；稍低时则变浅变慢，通气量减少。当然，若血液中二氧化碳太多时，对中枢神经系统就会产生毒性作用。4、制约经济发展在全球应对气候变化形势下，世界范围内正在经历一场经济和社会发展方式的巨大变革：发展低碳能源技术，建立低碳经济发展模式和低碳社会消费模式，并将其作为协调经济发展和保护气候之间关系的基本途径。就全球来看，欧美发达国家能源的利用率是相对较高的，但由于他们的消费水平高，二氧化碳的减排责任并不占优势。我国2007年二氧化碳排放总量为54.2亿吨，是世界二氧化碳的第二排放大国。在GDP高增长形势下，“高碳模式”已经成为发达国家绿色壁垒的重要内容。有分析认为，中国要达到欧洲的低碳水平，中国的钢铁产量必须要降下来；但中国要继续发展，钢产量就得继续维持10年至20年。当然，既保持高能耗产品的产量，又尽最大的能力减排二氧化碳，也可以定义为低碳经济。因此，发展低碳经济既是尽国际义务，也是中国未来经济发展的出路。这一切都已经引起了有识之士的重视，而且他们也都在各个领域积极探索这一问题的解决方案，并取得了一定成效。2008年8月《中国日报》报道了一则新闻：世界著名自然灾难专家、英国伦敦大学地球物理学教授比尔·麦克古尔在其新书《7年拯救地球》中宣称，如果温室气体在从现在起的7年中无法得到控制，那么地球将在2015年进入不可逆转的恶性循环中，包括战争、瘟疫、干旱、洪水、饥荒、飓风在内的各种灾祸将席卷地球。如今，7年拯救期已过去了2年，我们的时间越来越紧迫。好在我们已经知道了拯救的方法——减少碳排放，增加固碳能力。当然，这个拯救的责任需要国际社会成员来共同担当，而且国际社会已经有了控制手段：划分指标，建立碳排放权交易制度。在这个框架下，政府可以通过审批权，控制企业的碳排放。那么，我们现在要做的，就是：唤醒大众的低碳意识，因为大众的合力是巨大的，这是一个简单而且行之有效的方法。5、低碳生活极其优势“低碳生活”这一理念着眼于人类未来。近几百年来，以大量矿石能源消耗和大量碳排放为标志的工业化过程让发达国家在碳排放上遥遥领先于发展中国家。当然也正是这一工业化过程使发达国家在科技上领先于其他国家，也令它们的生产与生活方式长期以来习惯于“高碳”模式，并形成了全球的“样板”，最终导致其自身和全世界被“高碳”所绑架。在首次石油危机、继而在气候变化成为问题以后，发达国家对高耗能的生产消费模式和“低碳生活”理念才幡然觉悟，有了新认识。尽管仍有学者对气候变化原因有不同的看法，但由于“低碳生活”理念至少顺应了人类“未雨绸缪”的谨慎原则和追求完美的心理与理想，因此“宁可信其有，不愿信其无”，“低碳生活”理念也就渐渐被世界各国所接受。（二）、国内外二氧化碳的排放现状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。1990~2001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CO2[3]。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]。3、二氧化碳的性质(1)、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。①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。②在高温（170～200℃）高压（13.8～24.6MPa）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。③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反应生成糖等有机物并放出氧气[4]。(2)、物理性质二氧化碳是碳的两种氧化物之一，是一种无机物，是空气中常见的化合物。二氧化碳的化学式为CO2，相对分子质量是44。二氧化碳的沸点低(-78.5℃)，常温常压下是一种无色无味气体，密度1.977g/cm3，比空气大，能溶于水，20℃时每100体积水可溶88体积二氧化碳。液体二氧化碳在加压冷却时可凝成固体二氧化碳，俗称干冰，干冰密度为1500kg/m3，是一种低温致冷剂。4、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10.5～11，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10.5～11，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PH8～8.5，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1-1。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1-1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C1～C2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C2～C5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。（三）、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、制糖行业发展现状(1)、国外制糖行业的发展现状 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1-2。图1-2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1-12005-2011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。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1-3所示。甘蔗甘蔗蒸发提汁澄清煮炼成品糖图1-3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]。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1-4。图1-4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，碳酸酸法工艺流程如图1-5。图1-5碳酸法澄清工艺（四）、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(50～200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。目前回收提浓CO2气体的方法有溶剂法、膜分离法、变压吸附法、精馏法等方法，溶剂法是国内外回收CO2较多的一种方法，典型的有热钾碱法和乙醇胺（MEA）法，其优点是能有效回收二氧化碳，CO2浓度可达到99%以上，但其突出缺点是投资大、流程长、能耗高、设备腐蚀严重、开停车麻烦、运行费用高。对于处理窑气有两点严重的不足：1）窑气O2含量7%～10%，溶剂氧化反应严重，消耗大；2）每千标m³CO2需0.4MPa的蒸汽3.5t。采用溶剂法成本过高。变压吸附法是处理回收CO2的一种方法。一般变压吸附脱碳压力在0.6MPa以上，产品CO2气体来自解吸气，需用真空泵抽出，压力很低。原料气升压越高，装置的能耗和投资就越大，采用通常变压吸附法，需要加压两次。仅原料气的升压，就将导致动力消耗增加40%以上，大大提高产品陈本，同时将增大动力设备和吸附剂的投资。采用通常变压吸附法，投资和成本也过不了关。对于气体压力小于0.05MPa，CO2浓度只有7%～12%，而对产品气体CO2浓度要求不高的条件下，膜分离法和精馏法也不适用。通过分析比较，从分离效果及成本费用方面考虑，采用变压吸附（PSA）富集CO2更合适。糖厂锅炉烟道气CO2富集湿法工艺及其设备设计研究预处理工段（一）、设计条件1、工艺设计的原始数据设计处理能力：5500Nm3/h。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)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糖厂锅炉水膜除尘器后的烟道气成分成分N2CO2O2NOCOSO2含量79%10%~11%11%~10%142ppm84pm-(5)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Ⅰ：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φ=1200。2、工艺流程的确定工艺流程简图如图2-1。烟道气烟道气旋风除尘器引风机换热器稳压灌加压工段 图2-1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换热器Ⅰ，在换热器Ⅰ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。（二）、工艺过程及设备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）除尘后进入换热器Ⅰ（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，主要的设备有换热器等，各设备的名称和型号如表2-2所示。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旋风除尘器换热器Ⅰ引风机稳压罐X0101E0101C0101V0101B-900DN900F=75m29-26-15NO5.6AV=4.5m3φ12001111三、引风机和旋风除尘器的设计（一）、引风机的设计选型1、引风机的工作原理引风机的结构见图3-1。烟气以一个角度进入叶轮，在翼背上产生一个升力，同时必定在翼腹上产生一个大小相等方向相反的作用力，使气体排出叶轮呈螺旋形沿轴向向前运动。与此同时，风机进口处由于差压的作用，使气体不断地吸入2、引风机的设计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、换热器Ⅰ、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换热器降温，降压为783.2Pa，加上管道阻力所引起的压降损失为1800Pa。考虑抽取烟道气时负压降及整个预处理压降，可取负压降为1000Pa，则总压降：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：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3-1。表3-1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/n23.47kwY200L1-230kw823×993×1053118kg（二）、旋风除尘器的设计选型1、旋风除尘器的工作原理及特点(1)、工作原理旋风除尘器的结构见图3-2。当含尘气流以12~25m/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。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。图3-2旋风除尘器结构图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5~10cm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：①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；②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；③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。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)式中：T0=273k，代入数据，得：Q1=5500×=7252.75m3/h(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480~12000m3/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B-900旋风除尘器的性能和尺寸表参数见表3-1和表3-2：表3-1B-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3-2B-900旋风除尘器尺寸参数型号abD0D1D2D3DEhH-hB-90057626090054036021637811901206四、稳压罐的设计（一）、设计参数根据稳压罐任务要求，确定如下设计参数：容积，设计压力。(2)设计温度：由于从换热器Ⅰ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4.5~16mm时，C1=0.3mm。稳压罐的实际结构图如图4-1所示：（二）、计算过程1、筒体壁厚计算查JB/T4735-1997[32]，利用内插法得：80℃时，Q235-B许用应力[σ]t=128.25MPa，暂定厚度为4.5~16mm，则(3-2)代入数据，得：图4-1稳压罐结构图查《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δ不小于3mm，故取δ=3mm，则：δn=δ+C1+C1(3-3)式中：C1=0.3mm，C2=3mm，代入数据得：δn=δ+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δn=10mm,则δe=δn－C1－C2(3-4)代入数据得：δe=δn－C1－C2=10－3.3=6.7mm。2、封头计算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/T4737-1997[32],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)由于是标准椭圆形封头，K=1代入数据，得：同样，根据：不特殊腐蚀情况下，碳钢和低合金钢最小厚度δ不小于3mm，故取δ=3mm，δn=δ+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，δ为10mm。由于4.5<8<16mm，故许用应力范围一致，故取名义厚度δn=10mm,则δe=δn－C1－C2=10－3.3=6.7mm。3、接管计算取烟气进出接管取流速u=16m/s，则接管内径为：(3-6)式中：V=2.685kg/s，ρ=1.34kg/m3，代入数据得：进出口接管规格采用φ456×8mm，材料为20号不锈钢管。查《化工工艺制图》[11]表6-18，得接管长度为150mm。排污口接管根据实际排污需要，取φ57×3.5mm，即可满足要求。4、接管法兰计算查《常用化工单元设备设计》[12]，在公称压力为1.0MPa时的管法兰尺寸，见表4-1：表4-1管法兰系列尺寸(单位：mm)公称直径DN钢管外径A1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th法兰厚度C法兰内径B1法兰高度H法兰理论重量kg4504506155652620M24304845724.45、人孔及其补强计算查《化工设备机械基础》表11-1，选择材料为20号钢，根据筒体公称直径Di=1200>1000mm，则应至少设置一个人孔，且人孔最小直径为φ400，选择人孔法兰类型为板式平焊法兰，取公称直径为φ450mm，具体参数见表4-2：表4-2人孔主要尺寸(单位：mm)公称压力MP公称直径DNdw×SDD1ABLH1H2d螺栓0.6450480×659555033015020022011020M20×95由人孔外径D=480mm，故需补强。人孔直径：d=di+2C=450+2×3.3=456.6mm<，满足等面积法开孔计算适用条件。由δ=0.48mm开孔所需补强面积(3-7)式中，δet=δnt-C=6-3.3=2.7mm，(3-8)查JB/T4735-1997[32]，利用内插法得80℃时，Q235-B许用应力[σ]t=128.25MPa，暂定厚度为4.5~16mm；20号钢许用应力149.25MPa，暂定厚度为小于等于10mm，则，故取=1即:有效宽度按下式确定：﹜取大值，代入数据得：﹜取B=913.2mm有效高度按下式确定：外侧﹜取小值内侧﹜取大值代入数据得：}取h1=52.34mm}取h2=0筒体的金属面积A，按下式计算：（3-9）代入数据，得：=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、接管补强计算（1）、出气口接管查《过程设备设计》第三版表4-15，由于不另行补强最大接管外径为φ89mm，本开孔外径为426mm，需开孔补强。开孔直径，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=462.6<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,δt=δnt-C=9-2.3=5.7mm,，故取=1。由式(3-7)，代入数据得：A=462.6×0.48=222.05mm2有效宽度﹜取大值，代入数据得：﹜取B=925.2mm有效高度外侧﹜取小值内侧﹜取小值该孔实际外伸高度为150mm，内伸高度为0，代入数据得：﹜取h1=60.83mm﹜取h2=0封头有效厚度：δe=δn-C=10－3.3=7.7mm封头多余金属面积：由式(3-9)代入数据得：A1=（B－d）（δe－δ）－2δet（δe－δ）（1－fr）=（925.2－462.6）×（6.7－0.48）=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。（2）、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)=462.6mm<，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，可用等面积法进行开孔补强计算。又，δt=δnt-C=9-2.3=6.7mm，，故取=1由式(3-7)，代入数据得：A=462.6×0.48=222.05mm2有效宽度﹜取大值，代入数据得：﹜取B=925.2mm有效高度外侧﹜取小值内侧﹜取小值该孔实际外伸高度为150mm，内伸高度为0，代入数据得：﹜取h1=60.83mm﹜取h2=0封头有效厚度：δe=δn－C=10－3.3=6.7mm封头多余金属面积：由式(3-9)，代入数据得：A1=（B－d）（δe－δ）－2δet（δe－δ）（1－fr）=（925.2－462.6）×（6.7－0.48）=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，同理不需另行补强。③排污口查《过程设备设计》[14],由于管内径d=57mm<89mm,且属于单一开孔，不需另行补强。7、支座选取及其校核查JB/T4712.1-2007[33]，根据筒体公称直径DN=1200mm，选择支座型号为JB/T4712.1-2007，支座A2，材料为Q235-A/Q235-B，数量为4。具体尺寸见表4-3：表4-3A2支座系列参数尺寸(单位：mm)支座号允许载荷KN公称直径高度底板垫板地脚螺栓支座质量ed规格24012004201701201060240105024M2042015.8根据GB150-1998[10]表4-1，封头[σ]t=113MPa，查JB/T4712.1-2007附录A，则支承式支座实际承受载荷按下式计算：（3-10）式中：Q-支座承受载荷，KN；D-支座安装尺寸，D=2s2，mm；g-重力加速度，取g=9.8m/s；Ge-偏心载荷，N；H-水平力作用点到底板高度，mm；k-不均匀系数，3个以上支座取k=0.83；mo-设备总质量（含介质）；n-支座数量；P-水平力，取Pe+0.25Pw的大值，N；Pe-水平地震力，N；地震影响系数，7度地震取a=0.08；Pw-水平风载荷，N，Pw=1.2fiqoHo×10-6；Do-容器外径，mm；fi-风压化高度系数，由于高度小于10m，取fi=1.00；Ho-容器总高度，mm；qo-10m高度处的基本风压值，N/m2；Se-偏心距，mm。即：Pe=amog=0.08×6200×9.8=4860.8N(实际设备最大质量为6058.83kg，取计算值为m=6200kg，a=0.08,7度地震)质心高度：H=645+0.5×(2732+848)=2435mm水平力：P=Pe+0.25Pw=4860.8+0.25×2405.59=5462.2N取四个支座,即n=4，代入数据得：即：[Q]=40KN>Q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：δe=δn－C=10－3.3=6.7mm由表B.2内插得：[F]=54.3KN,则Q<[F]，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4-4：表4-4封头系列尺寸公称直径DNmm曲面高度h1mm直边高度h0mm内表面积Fm2容积V0m3厚度δpmm质量akg1200300401.7120.27110137则单个封头容积V0=0.271m3，筒体容积V、=V-2V0=4.5-2×0.271=3.958m3筒体高度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[σ]t=235MPa，屈服应力[σ]=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）式中：[σ]—试验时器壁金属温度下材料的许用应力，MPa；[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa。代入数据得：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：水压试验时的许用压力为：故筒体满足水压试验时的强度要求。五、换热器Ⅰ的设计（一）、工艺设计计算1、换热器的设计任务换热器Ⅰ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，设计一台列管换热器完成该任务。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、换热器Ⅰ设计方案的确定①换热器类型的选择根据工艺条件及设计参数，选用固定管板式换热器。②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。③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=℃壳程冷却水的定性温度为：两流体的温度差：Tm-tm=67.5-27=40.5℃<50℃，因此不需要考虑热补偿，则换热器不需要设计膨胀节。水的物性参数：查《化工原理》[16]附录二，并用内插法计算得水在27℃下的物性参数如下：密度：996.5kg/m3定压比热容：Cp0=4.177kJ/kg粘度：µ0=8.62×10-4Pa·S导热系数：λ0=0.6115W/(m·k)烟道气的物性参数：烟道气主要成分为N2(79%)、O2(11%)及CO2（10%），NO、CO、SO2含量很低，可忽略（甘蔗糖厂的锅炉燃料多为甘蔗渣，所以SO2含量很低）。查《工业气体手册》[17]得在定性温度67.5℃下各气体物性参数：N2：=1.25kg/m3Cp=1.047kJ/(kg•k)λ=0.287w/(m·k)µ=1.9535×10-5Pa·SO2:=1.428kg/m3Cp=0.92516kJ/(kg•k)λ=0.0299w/(m·k)µ=2.26657×10-5Pa·SCO2:=1.957kg/m3Cp=0.89388kJ/(kg•k)λ=0.01982w/(m·k)µ=1.6826×10-5Pa·S查《氮肥工业设计手册-理化数据分册》[18]混合气体在67.5℃下的物性参数由下式计算密度：混=（4-1）定压比热容：Cp混=（4-2）导热系数：λ混=（4-3）粘度：µ混=（4-4）式中：——烟道气的粘度Pa·S；——烟道气导热系数；——烟道气定压比热容；——烟道气密度；——各组分气体在定性温度下的体积分数；——各组分气体在定性温度下的分子分数；——各组分气体在定性温度下的粘度；——各组分气体在定性温度下的分子量；——各组分气体在定性温度下的定压比热容；——各组分气体在定性温度下的密度；——各组分气体在定性温度下的导热系数；则：=0.79×1.25+0.11×1.428+0.1×1.957=1.340kg/m3Cp=0.79×1.047+0.11×0.92516+0.1×0.89388=1.018kJ/(kg•k)λ==0.0278w/(m·k)µ==1.9563×10-5Pa·S④载热体用量气体流量：qm=5500× 热流量：Q=qmCPΔt=2.685×1.018×（85-50）=95.67kg/s冷却水用量：W水==平均传热温差：考虑管程可能为2程、4程或6程，但壳程数为1。查《化工原理课程设计指导》[19]图2-6得温差校正系数，故可选用单壳程的列管式换热器，所以两流体的平均温差：⑤选择传热系数及初估传热面积查《化工原理》【16】表6-8知该换热器的传热系数K范围为17-280W/(m2·k)，则初选传热系数K估=45W/m2·k则相应初始换热面积为：考虑到换热器换热面积有15%-25%的裕度，这里取A=A0×1.2=1.2×68.8=82.56m23、换热器I工艺参数的确定（1）、换热器及其流向的确定本设计采用25×2mm的不锈钢管。查《化工原理》[16]表6-9查取经验值，一般气态流体的管程流速为5-30m/s，则选取管程流速为11m/s。（2）、换热器管数和管程数的确定单程传热管数（根）取ns=5根式中ns——单程管子数VS——管内流体的体积流量，m3/sui——管内流体的适宜流速，m/sdi——管子内径，m单程管计算所需换热管长度为:L=m式中：L——管束长度，mA——所需传热面积，m2d0——管子外径，mns——单程管子数目则管程数可取1，管子长度根据《GB151管壳式换热器》[20]取2.5m。（3）、管子排列方式及管心距管子排列方式采用正三角形排列，管子与管板连接采用胀焊并用。管心距：t=1.25×25=31.25mm，取t=32mm；横过中心的管数为nc=1.1=1.1，取nc=23根。（4）、壳体内径Di=t(nc-1)+2e=32(23-1)+2×35=774mm，则取标准值Di=800mm，式中e=1.4d0=35mm。（5）、排管图布管限定圆的的直径DL=Di-2b3，式中b3=0.25d=0.25×25=6.25mm，由b3不小于8mm，则b3取8mm，则DL=800-2×8=784mm。根据壳体内径Di，管中心距t，横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图，中心排管21根，按正三角形排列，可排532根，再除去6根拉杆，实际排管526根，实际排管如图5-1。图5-1换热器I排管图（6）、确定挡板形式、数量、板间距及折流板厚度选用弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度为h=0.25Di=0.25×800=200mm。查《常用化工单元设备设计》[12]当公称直径D为500~1000mm时，有300、600两种，则可选折流板间距B=300mm，折流板与壳体间隙为3.5mm。折流板直径DC=800-2×3.5=793mm折流板数目NB=，取NB=6块则折流板实际间距B==271mm根据《换热器设计手册》[22]表1-6-2，取折流板厚度为6mm，材料为Q235-B。（7）、实际传热面积及传热系数换热器的实际传热面积为：S0=换热器的传热系数：4、换热器Ⅰ传热系数及压力降的计算（1）、壳程对流传热系数对圆缺形折流板可用下面公式(4-5)式中各量如下：流通面积：S0=BDi[1-(d0/t)]=0.271×0.8[1-=0.0474m2正三角形排列时传热管的当量直径：壳程流体流速：u0=雷诺数：由于雷诺数在2000-10000之间，属于过渡流，参考《化工原理》[16]式6-43有校正系数：则Re=2802.4×0.63≈1766.5普兰特准数：粘度校正：则（2）、管程对流传热系（4-6）管程流程面积：管程流体速度：雷诺数：普兰特准数：则（3）、计算总传热系数冷却剂用河水，查《常用化工单元设备设计》[12]表1-9得，水的污垢热阻RSi=0.0001719m2·k/w，烟道气污垢热阻，则(4-7)==52.37W/(m2·K)式中b——管壁厚度，m；λ——查《常用化工单元设备设计》[12]表1-9取传热管壁导热系数λ=16w/(m·k)。则传热面积的计算值为：则根据传热系数裕度，该换热器设计合适，可完成任务。换热面积裕度：传热面积裕度，该换热器面积合适。（4）、计算换热器Ι内流体的压力降a、管程压力降：(4-8)式中：——管程总压力降，Pa；——分别为单程直管阻力与局部阻力，Pa；Ft——污垢校正系数，对于Φ25×2.5mm管子，Ft=1.4；NS——串联壳程数；NP——管程数。其中式中：λ——摩擦阻力系数；l——传热管长度，m；di——传热管内径，m；ui——管内流速，m/s；——流体密度，kg/m3。Re=15840.2，取ε=0.2mm，则换热管相对粗糙度，查《化工原理》[16]图1-32，得摩擦系数λi=0.042则，由本换热器为单壳程，则=0则b、壳程压力降：(4-8)式中:——壳程总压降，Pa； ——流体流过管束的压力降，Pa；——流体流过折流板缺口的压力降，Pa；FS——结垢校正系数，对于液体，FS=1.15；NS——壳程数。式中:F——管子排列方式对压力降的校正因数，对正三角形排列，F=0.5。——壳程流体摩擦系数。当Re>500时，则由管程压力降、壳程压力降都小于允许压力降，所以该换热器设计合理。（二）、换热器Ⅰ的结构计算1、容器法兰的选择与计算①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。②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5-1。表5-10.6MPa的容器法兰参数DNDD1D3δd规格数量D5df90010309909454423M20329449042、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5-2。表5-2管板尺寸DNDD1D2D3D4D5Cd2规格数量bfb900103099095589794280014.523M202438483、接管的选择与计算①管程（烟道气）进出口接管d1，取u1=14m/s，那么接管内径：经圆整后可采用φ426×9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/s②壳程冷却水接管d2，取u2=1.1m/s，选取Φ89×4.5的热轧无缝钢管。则水的实际流速为：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①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HG20592-2009[27]，选用板式平焊法兰，得法兰尺寸如表5-3。表5-3管程接管法兰尺寸DNA1DKLnThCB14004265404952216M2228430②壳程接管法兰的选择：由接管尺寸可知DN(B)=80mm，PN=0.25MPa，则查HG20592-2009[27]，选用板式平焊法兰，法兰尺寸如表5-4.表5-4壳程接管法兰尺寸DNA1DKLnThCB18089200160184M1618915、管箱的选择与计算①壳程接管位置的最小尺寸②管程接管位置的最小尺寸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，定距管选用与换热器相同的不锈钢管。7、各部件的连接方式①管板与壳体的连接：壳体与管板连接采用焊接方式。②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。③管板与容器法兰的连接：固定管板式换热器的管板兼作法兰，与容器法兰采用螺栓连接。8、选择换热器支座立式换热器选用圆筒形裙式支座，裙座材料选用Q235-B。（1）、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。（2）、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5-5。表5-5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900φ802140（3）、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φ219×6。（4）、检查孔裙座开设检查孔，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5-6。表5-6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△P=6333.2Pa=Q1=7252.75m3/hPc=0.088MPaδn=6.3mmδe=6.7mmd=456.6mmB=913.2mmh1=52.34mmh2=0A1=2840.05mm2d=462.6mmA=222.05mm2B=925.2mmh1=60.83mmh2=0δe=7.7mmA1=2877.37mm2d=462.6mmA=222.05mm2B=925.2mmh1=60.83mmh2=0δe=6.7mmA1=2877.37mm2Pe=4860.8NPwδe=6.7mmh=3501.4mmPT=0.11MPa=11.52MPaTm=67.5℃tm=27℃λ=0.0278w/(m·k)µ=1.9563×10-5Pa·Sqm=2.685kg/sQ=95.67kg/sW水=5.726kg/sP=0.067R=8.75=36.5℃A=82.56m2（根）LmNc=23根Di=800mmDL=884mmh=200mmDC=793mmNB=6块B=271mmS0≈78㎡=33.6S0=0.0474m2=0.02mu0=0.121m/s=2802.4=0.63=5.89=1153.3=0.182㎡=11.01m/s=15840.2=0.716=66.7=62.5W/(m2·K)=50.05㎡△P1=324.87Pa==d1=427mmd2=82mm参考文献[1]冯孝庭.吸附分离技术[M].北京：化学工业出版社，2000[2]朱世勇等编，环境与工业气体净化技术[M].北京：化学工业出版社，2001[3]蒲恩奇等编，大气污染治理工程[M].北京：高等教育出版社，1999[4]钱颂文等编，换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002[5]郑津洋等编，过程设备设计[M]（第三版），北京：化学工业出版社，2012[6]全国压力容器标准化技术委员会.GB150—1998钢制压力容器.北京：中国标准出版社，1998[7]全国压力容器标准化委员会.GB151—1999管壳式换热器.北京：中国标准出版社，1999[8]中华人民共和国行业标准.GB150-1998钢制压力容器[M].北京：中国标准出版社，1998.5[9]中华人民共和国行业标准.GB151-1999管壳式换热器[M].北京：中国标准出版社，2000.12[10]华东化工学院机械制图教研组.化工制图[M].北京：高等教育出版社，1980[11]中华人民共和国行业标准JB/T4700~4707-2000压力容器法兰[M].昆明：云南科技出版社，2000.12[12]中华人民共和国行业标准HG/T20592~20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件[M].北京：中国计划出版社，2009.5[13]中华人民共和国行业标准JB/T4710-2005钢制塔式容器[M].北京：新华出版社，2005.10[14]陈道远.变压吸附法脱除二氧化碳的研究[D].硕士学论文.南京：南京工业大学[15]邵皓平，梁其熠编.空气分离变压吸附装置分析及其设计.[16]中华人民共和国行业标准.JB/T4735-1997钢制焊接常压容器.1997.1[17]中华人民共和国行业标准.JB/T4712-2007容器支座[M].北京：新华出版社，2007.9[18]中华人民共和国行业标准.HG21514~21535-95碳素钢、低合金钢制人孔和手孔，1995.12[19]中华人民共和国行业标准.HG20580~20585-1998钢制化工容器设计基础规定钢制化工容器材料选用规定.1998.11[20]中华人民共和国行业标准.HG/T21618-1998塔器设计技术规定丝网除沫器.1998.11[21]化工设备指导性技术文件.TCED41002-2000化工设备图样技术要求[M].北京：全国化工设备设计技术中心站.2000.11附录OpportunitiesheatexchangerapplicationsinenvironmentalsystemsR.K.Shah,B.Thonon,D.M.BenforadoABSTRACTThereisaworldwideinterestinusingpollutionpreventionmethodstoeliminateorlessenair,water,landandthermalpollutionproblems.Pollutionpreventionisdesigningprocessesthatdonotcreatepollutioninthefirstplace.Heatexchangersplayanessentialroleinpollutionpreventionandinthereductionofenvironmentalimpactofindustrialprocesses,byreducingenergyconsumptionorrecoveringenergyfromprocessesinwhichtheyareused.Theyareused:(1)inpollutionpreventionorcontrolsystemsthatdecreasevolatileorganiccompounds(VOCs)andotherairpollutantemissions;(2)insystemsthatdecreasepollutantsinwastewaterdischarges,theamountofthedischargeandthermalpollution;and(3)usedtorecoverenergyinfacilitiesthatincineratemunicipalsolidwasteandselectedindustrialhazardouswastes.Heatexchangersarealsousedintheheating,coolingandconcentrationofprocessstreamsthatarepartofmanyotherpollutionpreventionorcontrolrelatedprocesses.Inthispaper,firstpresentedisbackgroundinformationontheroleofheatexchangers,theirtypes,andadiscussionofenvironmentpollut