1、 I 摘要 工业生产颗粒产品时常常伴随冷却降温问题 ,例如颗粒肥料和聚酯切片的冷却等。处理这样的问题的常用方法是利用固体颗粒流态化原理，通过风冷、增设换热构件等对固体颗粒进行冷却。 本次设计的是一个实验平台，通过实验平台测得的实验数据来研究流化床颗粒冷却器中不同换热构件的传热系数。实验平台主要包括流化床换热构件旋风分离器、动力设备、加料设备。换热构件有蛇形、列管式、鼠笼式三种型式。 关键词 ：颗粒冷却；流化床；换热构件；传热系数；旋风分离器 II ABSTRACT Industrial production of granular products often accompany coolin
2、g problems, such as granular fertilizer and polyester chip cooling, etc. The commonly used method to cope with this problem is to use solid particle fluidization principle, through the air cooling system, adding heat exchange component to cool the solid particles. This design is a experimental platf
3、orm, base on the experimental data measuring in experiment platform to study the particles fluidized bed cooler in different heat transfer coefficient of heat transfer components. Experimental platform mainly includes the fluidized bed, heat transfer components, cyclone separator, power equipment, f
4、eeding equipment. Heat transfer components comprise serpentine tube bending, shell and tube type, squirrel cage three kind of type. Keywords: Particle cooling; Fluidized bed; Heat transfer component; Heat transfer coefficient; Cyclone separator 目 录 摘要 . I ABSTRACT.II 第一章 绪论 . 1 1.1 流态化冷却技术发展简介 . 1 1
5、.1.1 流态化技术发展简介 . 1 1.1.2 流态化冷却技术 . 3 1.2 颗粒流化床形成 . 3 1.2.1 流化过程 . 3 1.2.2 流态化的实现要素和特点 . 4 1.2.3 流化床冷却器基本构造 . 6 1.3 流化床的主要优缺点 . 9 1.3.1 流化床的优点 . 9 1.3.2 流化床的缺点 . 10 1.4 设备设计的意义 . 11 第二章 流化床冷却器工艺计算 . 12 2.1 工艺流程 . 12 2.1.1 流程工艺图 . 12 2.1.2 流程介绍 . 12 2.2 主体设备尺寸设计计算 . 13 2.2.1 筒体直径设计计算 . 13 2.2.2 冷却器高度设
6、计计算 . 14 2.3 物料及热量衡算 . 15 2.4 换热构件的设计计算 . 17 2.4.1 换热构件形式 . 17 2.4.2 流态化床层与壁面间的传热 . 18 2.4.3 床层对管壁传热系数的影响因素 . 19 2.4.4 蛇形管换热器设计计算 . 20 2.4.5 单管式列管换热器设计计算 . 22 2.4.6 鼠笼式换热器设计计算 . 23 2.5 气体预分布器与分布板设计 . 26 2.5.1 气体预分布器 . 27 2.5.2 气体分布板 . 27 2.6 压 降计算 . 28 2.6.1 流化床层压降 . 28 2.6.2 分布板压降 . 28 2.6.3 换热构件压降
7、 . 29 2.7 强度计算 . 30 2.7.1 筒体的强度计算 . 30 2.7.2 壳 体开孔补强校核 . 31 2.7.3 封头厚度计算 . 31 第三章 旋风分离器的设计计算 . 33 第四章 附件结构设计 . 37 4.1 换热管 . 37 4.2 接管 . 38 4.3 法兰 . 38 4.4 螺栓螺母 . 40 4.5 支架 . 41 第五章 压缩机和泵的选型 . 42 5.1 压缩机的选型 . 42 5.1.1 空气压缩机的种类 . 42 5.1.2 空气压缩机选型 . 43 5.2.3 压缩机型号确定 . 46 5.2 泵的选型 . 47 5.2.1 泵的分类 . 47 5
8、.2.2 泵的选型 . 47 5.2.3 泵的型号确定 . 49 第六章 总结 . 50 参考文献 . 52 致谢 . 53 四川理工学院毕业设计 1 第一章 绪论 颗粒材料 指小而圆的物质，最简单的颗粒形状是 圆球 ； 粒径 在 40 500m范围内，气固密度差在 1400 4000 3/mkg 之间的颗粒称粗颗粒；粒径在 20 100m 范围内，气固 密度 差小于 1400 3/mkg 的颗粒称细颗粒；由许多个 粒度 间隔不大的粒级颗粒构成的颗粒系统称颗粒群。 生活中我们常常用到颗粒材料有农业生产中的化肥、合成 材料需要的聚酯切片、聚苯颗粒材料等，工业生产这些颗粒材料伴随着很大的热量交换，
9、而对于解决这样的办法很多，但常用的方法就是流态化原理。 流态化 1是固体流态化的简称，即依靠流体流动的作用使固体颗粒悬浮在流体中或随流体一起流动的过程。固体流态化技术现在普遍应用于固体材料的燃烧、煤的气化和焦化及化工生产中的气固相催化反应、物料的干燥加热与冷却、吸附、固体物料的输送等领域，成为跨学科发展的应用技术。近年来，人们在低温煅烧水泥熟料、煤炭干法分选等领域也尝试利用流态化技术，获得了较好的效果。 1.1 流态化 冷却技术发展简介 1.1.1流态化技术发展简介 流态化技术究竟何时出现、为何人所创？目前尚无定论。因为人类的文明史已有数千年之久，早先的淘金、冶炼，甚至淘米等都可以看成是流态化
10、技术在生产中应用。目前人们公认的流态化技术首先较大规模的工业应用始于 1926 年。当时德国科学家温克勒在诺伊纳建成第一台实用的常压流化床气化发生炉，用于粉煤气化，该法于 1922 年获得德国专利。 1926 年建成投产第一台煤气发生炉。在此以前，工业生产中制造水煤气的常用的方法是将块煤放在卧式或立式炉内通入空气及水蒸气进行气化。这种固定 床汽化炉中使用的煤块需要有一定的尺寸，而且要均匀。而煤矿开采出来的不光是煤块，还有大量的煤粉。随着采掘机机械化水平不断提高，原煤中含煤量不断增多。对于劣质煤，其中煤末的含量更多，于是就形成了日趋紧张的煤块供应不足与大量造气需要之间的矛盾。人们分析固定床的气化
11、过程，发现煤粉之间的空隙率小，气体通过的阻力很大，无法进行事宜操作，而且固定床中颗粒之间、颗粒与气体之间、床层物料与器壁之间的传热效果较差，不适合高放热的气化反应过程。在此分析的基础上进过大量研究、改进，终于提出了流化床粉煤造气法 1。 第一章 绪论 2 本世 纪 40 年代，由于第二次世界大战的影响，航空汽油的需求激增。当时石油炼化工业中主要的炼油方法是采用固定床催化裂变；催化剂在反应器里不动，反应过程和催化剂的再生过程交替在同一设备进行，属于间歇操作，且催化剂寿命短，需要不断再生。为进行连续生产，不得不采用两套装置，轮流操作，致使操作麻烦，设备生产能力也受很大限制。为了解决这个矛盾，美国麻
12、省理工学院和美孚石油公司率先推出流花催化裂化装置以取代传统固定法生产。 从 40 年代中期开始，美国和加拿大等地出现了流态化培烧装置，用于黄铁矿、石灰石等物料煅烧。这可以视为 流态化燃烧技术的开始。 近几十年来，流态化技术的应用与研究更广泛，不仅仅应用于石油炼制，而且在化工、冶金、制药、动力、环保等领域均得到广泛重视和开发应用。 我国在本世纪 50 年代初期，就开展了对流态化技术及其应用的研究工作，最早的应用实例就是流态化焙烧。 1956 年南京化学工业公司采用流态化技术焙烧黄铁矿以制造二氧化硫并制造硫酸。 1957 年我国在辽宁葫芦岛采用流态化装置焙烧精矿以生产二氧化硫，获得成功。 50年代
13、末，我国首次从原苏联获得流态化技术生产苯酐技术，次用一个直径 3m 的反应器，可使生产能力打到 800t/a。 1965 年沈阳化工研究院与大连染料厂合作，成功开发了流态化冷凝技术，在年产600t 苯酐生产系统中，应用达 8年之久。同年，我国建成了第一台自行设计和制造的流态化催化裂化装置，生产能力为 150t/h，随后又建成了一些规模更大的装置。 50年代中期，采用新型的全沸腾风貌式流态化技术用于固体煤颗粒的燃烧，获得良好效果，因而与多国家开始重视正反面工作。 1973 年的石油危机客观上促使这种燃烧技术的发展。这种燃烧方式有非常广泛的燃烧适应能力，可燃用一般锅炉燃烧，也可燃用一些 其他固体染
14、料，如无烟煤、贫煤、石煤、页岩等。 1975 年，原西德鲁奇公司在第一代风帽式全沸腾炉的燃烧装置中引入外分离装置，使得效率大大提高。 我国自 1964 年开始流态化燃烧技术的研究工作。 1965 年清华大学与广东茂名石油公司研制我国第一台燃烧母页岩的风帽式流化床锅炉，至今已有 50 年。目前 2 130t/t容量的鼓泡床锅炉在我国已有 2000 多台，约占全国工业锅炉蒸发量 1%。由于我国燃烧构成的特殊性，因而发展固体燃料的流态化燃烧技术有着特殊意义。 进入 80 年代以来，我国也开始重视循环床的研究工作，继 36t/h循环床沸腾炉 1988年 11 月在山东水热电厂投运之后， 75t/h 循
15、环锅炉及燃烧梅尼的 35t/h 循环床锅炉均已四川理工学院毕业设计 3 列为国家科技攻关计划或工业示范项目，有些项目已完成并投入使用。 1.1.2流态化冷却技术 流态化过程普遍件随有传热问题，放热过程需要撤走热量，吸热过程需要补充热量 ;无热效应产生的过程，因不是在常温下进行，需维持适宜的温度，亦存在热平衡的计算问题。因此，流化床的传热问题是流化床设计的重要问题之一。 由于固体颗粒热容较大，运动的粒子与流动的流体都直接参与传热过程，使床内温度梯度极小，床层 温度比较均与 ;气固间的剧烈搅动，传热表面不断更新，都提高了气固间的给热系数和床层与热交换器器壁间的给热系数，加之流化床所用固体粒子比固定
16、床的小得多，粒子的比表面积极大，因面传热速率大大提高。综上所述，流化床的传热效率高，其传热系数约比固定床的高 10 倍 4。 流化床传热过程可分为如下三部分： （一）点与点之间的传热 床层中点与点之问的传热是在高速率下进行的。颗粒的剧烈搅混可使床层导热系数比银还高 100 倍。因此，在设计时就不必考虑这种传执部分。 （二）流体与颗粒间的传热 固体颗粒的 热量传给流体主要是以对流传热方式进行。不少实验证明，气体进入床层很快与固体颗粒传热，在极短的区域内达到温度平衡，这一区域大约只有 25毫米高，在此区域以上床层温度是均匀的。气固间传热速率如此快，并不是由于高的传热系数所致，主要是流体与颗粒间有较
17、大的接触表面积。 （三）流化床床层与热交换器是面之固的传热 在流化床系统中，单靠进、出床层的物料总热焓一般不能取得热平衡。除个别采用向床层直接喷入冷却介质 (水等物质 )外，一般都采用在床内增设换热器，撤出床层多余热量或加入床层不足的热量。 1.2 颗粒流化床 形成 1.2.1流化过程 在垂直的管中装人固体颗粒，气体自下而上通过颗粒床层，随着气体流速逐渐增大，管中的固体顺粒将出现三种状态 2（如图 1-1所示）：固定床阶段、流态化阶段、气体输送阶段。 第一章 绪论 4 图 1-1 不同流速下床层变化 一、 固定床阶段即为颗粒静止时的状态。 二、 流态化阶段也称流化床阶段，当气流速度逐渐增大时，
18、气流对颗粒的曳力也逐渐增大，当该气速增大至某一定值时，固体颗粒达至受力平衡，即： 气流对颗粒的曳力 +气流对颗粒的浮力 =颗粒的重力 此时，固体颗粒有可能在床层中自由浮沉。只是由于固定床阶段 颗粒紧密接触，彼此有嵌顿、搭桥现象，因而床层有可能不是一下子全部琉松、颗粒全部浮起。 三、气体输送阶段，在正常流态化阶段，由于固体颗粒大小不一，会有一些细小颗粒在曳力、浮力作用下被气流带出床外，但运动的固体物料仍可形成一定的上界面。操作速度带出速度后，被带出的物料逐渐增多，甚至一些大颗粒也被带出，原有的床层上界面逐渐消失，对应的料层阻力急剧减小。这就是气力输送状态。 气力输送也称为气流床。当操作速度很大时
19、，气流对固体颗粒的携带能力也很大。这时的单颗粒受力关系为： 气流对颗粒的曳力 +气流对颗粒的浮力 颗 粒受到的重力 1.2.2流态化的实现要素和特点 由流态化过程的分析可以得出，流态化实际上是一种状态，可称之为固体物料颗粒在流体介质作用下的流体化状态，也可称为颗粒状固体与流体介质接触并发生作用的一种操作状态，或者还可以称之为介于固定床 (对应固定床状态 )与输送床 (也称流动床或四川理工学院毕业设计 5 气流床，对应气力输送状态 )之间的一种相对稳定的状态。人们可以利用这种状态实现某种目，的，如加快反应速度等，因而流态化状态的应用就成了一种方法或技术。它具有这么几个要素 1：有固体颗粒存在、有
20、流体介质存在、固体与流体介质在特定条件下发生作 用。 流态化过程具有以下特点 : 一、类似液体的特性 流化床中气体和固体的运动情况很像沸腾的液体，因而也称之为沸腾床，它表现出类似液体的性质，即： 轻小的物料颗粒容易浮起； 当容器倾斜时，流态化床层的上界面仍保持相对水平状态； 气、固两相流体 (运动着的固体粒子群也属于流体 )容易变形、流动，没有固定的形状，如在容器侧部开口，固体颗很容易自孔口流出 ; 有两个流态化容器并联相通时，两容器的上界面维持相同的高度。 这种似液体性对于实现操作过程的连 续化与自动化是非常有利的。 二、固体颗粒的剧烈运动与迅速混合 由于流化床内颖粒处于悬浮运动状态，又由于
21、气固流化床以气泡运动为基本特征颗粒在气流或气泡作用下进行强烈的运动，包括上下运动和左右运动，床层基本处于全混状态，温度与浓度趋于均匀。这一均温特性便于温度的调节控制及维持稳定的运动。但是当固体物料连续进、出床层时，固体颗粒在床内停留时间并不一致，这对于要求颗粒充分停留的工艺操作是不利的。 三、强烈的碰撞与摩擦 这种碰撞与摩擦是固，体颗粒在床内强烈运动的结果，包括颗粒之间的碰撞 与摩擦，颗粒与容器壁之间的碰撞与摩擦。如果床内设置阻挡元件 (如沸腾锅炉床层内布置的埋管受热面 )，则固体颗粒与阻挡元件之间的碰撞与摩擦也是非常强烈的。这种特点对于气固系统与固体壁面 (容器壁面及阻挡件表面 )间的对流传
22、热是极为有利的，对于固体颗粒表面的更新，促进床内反应过程的进行及床层内的加热、冷却也是很有利的。其缺点是固体壁面的物理磨损较严重。假如所需工艺操作不希望颗粒过于粉碎，则可通过控制物料的进、出一时间来减少粉碎程度。 四、颗粒比表面积大 流化床的要素之一是限制固体物料的粒度，因而其物料粒 度比固定床小得多，颗粒的比表面积相应要大得多，气固间或两种不同的固体颗粒间的传热、传质和反应过程也第一章 绪论 6 强烈得多。 五、气体与颗粒的接触时间不均匀 在气固流化床中，大部分气流以气泡的形式较快地通过床层，与颗粒的接触时间有限，而固味与部分气体形成的密度相对均匀的乳化相中气体与颗粒的接触时间较长，这就造成了气、固相间接触时间的不均匀规象。假如固体颗粒扮演催化剂角色，则其催化作用会受到相应的影响。 流化床的这些特性对于工业应用真有非常重要的意义，因为在流态化技术的工业应用中必须首先解决采用何种类型的流 态化、应控制哪些参数以获得最佳操作状态等向题。 1.2.3流化床冷却器基本构造 流化床的结构型式 4很多，但不论什么型式，一般都由壳体，气体分布装置，内部构件，换热装置，气固分离装置和固体颗粒加、卸装置所组成如图 1-2所示。 图 1-2 流化床结构示意图 1 换热器； 2 壳体； 3 加料口； 4 内部构件； 5 循环管； 6 固体颗粒； 7 分布板； 8 预分布器
