【正文】 往的研究中，纖維素在熱解情況下，向左旋葡聚糖和羥基乙醛等物質(zhì)轉(zhuǎn)化，一般不會向呋喃類物質(zhì)轉(zhuǎn)化。半纖維素在一般熱解過程中，以呋喃衍生物為熱解過程的中間產(chǎn)物。在上述催化劑的作用之下，秸稈中木質(zhì)素在500℃高溫的條件下，主要生成小分子類的物質(zhì)，包括 CO、CO H 2O、焦炭及 CH4 等烴類物質(zhì)，其反應(yīng)式如下： ()4323323 CedcCObHa????? ?? 高 溫酸 性 催 化 劑木 質(zhì) 素由于反應(yīng)過程使用的是高溫快速熱解，相對于一般的水解裝置，效率會大大的提高 [4＿6] 。旋風(fēng)分離器下來的沙石進(jìn)入沙石料倉，再通過料倉進(jìn)料到反應(yīng)器中（出料倉沙石溫度為 750℃左右） 。不能冷凝的部分氣體（即不凝氣）經(jīng)過玻璃棉除水器后經(jīng)引風(fēng)機壓縮進(jìn)入氣柜（氣柜中氣體可作為加熱沙石時的燃料送入流化床進(jìn)行燃燒之用） 。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計14 本設(shè)計的提出及意義 設(shè)計的提出根據(jù)現(xiàn)今國際國內(nèi)的嚴(yán)峻能源形勢，將石油等比較昂貴的基礎(chǔ)化工原料應(yīng)用于糠醛的生產(chǎn)是不可取的。為了將本工藝向著工業(yè)化的方向推進(jìn)，故提出了這一設(shè)計。能夠作為能源使用的生物質(zhì)資源有很多種，大體可以分為植物和非植物兩大類，其中植被物類主要包括森林、農(nóng)作物、草類等陸生植物和水草、藻類等水生植物；而非植物類主要有動物糞便、動物尸體、廢水中的有機成分、垃圾中的有機成分等。除此之外，約 %的秸稈可以作為能源使用，其中近 2 億噸的農(nóng)作物秸稈被我國農(nóng)民在民用爐灶內(nèi)直接燃燒用來炊事和取暖。在我國糠醛發(fā)展歷史上經(jīng)歷了兩次發(fā)展較快的時期，其一是在上個世紀(jì) 70 年代，當(dāng)時世界的化學(xué)工業(yè)受到二次石油危機的影響，刺激了糠醛消費的增長，這時我國迅速建立起幾十個小型糠醛生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)能力均在500 1000 噸左右。利用生物質(zhì)(如秸稈、玉米芯)作為原料來生產(chǎn)糠醛是生物質(zhì)資源高附加值應(yīng)用的一大途徑，但現(xiàn)在國內(nèi)通過水解法（包括一步法和兩步法）生產(chǎn)糠醛是比較普遍的情況，但其生產(chǎn)速率慢、占地面積大、能耗高、效率低、廢料多，并且污染情況也比較嚴(yán)重，因而迫切需要有一種全新的生產(chǎn)技術(shù)來改變這一現(xiàn)狀。由于產(chǎn)品的原料來源非常廣泛、供應(yīng)充足、價格低廉、投資較小、工藝流程短、產(chǎn)品純度高，因而市場競爭力較強；同時，我國的糠醛產(chǎn)業(yè)在世界糠醛產(chǎn)業(yè)中占有很大的比重，因而本工藝的市場前景也比較廣闊。表 流化床物料平衡質(zhì)量流量 kg/s位置砂石 碳 氣體 總計溫度 ℃ 壓力 Mpa空氣進(jìn)口 － － 25 固體物料進(jìn)口 － 450 物料出口 － 850 精餾塔物料衡算精餾塔粗產(chǎn)品冷凝器乙酸和水再沸器精糠醛圖 精餾塔的物流示意圖根據(jù)查找獲得的物質(zhì)的物性參數(shù)如表 所示。表 精餾塔物料衡算結(jié)果編號 組分 進(jìn)料量 進(jìn)料比例 餾出液 餾出液比例 釜液 釜液比例1 水 % % 0 %2 乙酸(LK) % % %3 糠醛(HK) % % %總計 1 1 1 () ????????????????????mN為核實清晰分割法的假設(shè)是否合理，計算塔釜中 H2O 的摩爾量和含量得 ()????????w （摩爾分?jǐn)?shù)） (),?Wxw可見水按清晰分割法分割略有誤差，應(yīng)再進(jìn)行試差。同時，它也為確定設(shè)備的熱負(fù)荷，能耗情況，確定其處理物料的量、性質(zhì)、物料的性質(zhì)及工藝要求再選擇傳熱面的型式、計算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸等起到了理論指導(dǎo)作用。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計24操作設(shè)備Q1Q2Q4Q5Q6反應(yīng)熱效應(yīng) Q3圖 設(shè)備熱量平衡示意圖（1）Q 1, Q4上述平衡中的 Q1 與 Q4 可采用下式計算：Q=ΣmcpT式中 m－輸入（或輸出）設(shè)備的物料量，kg；cp－物料的平均比熱容，kJ/(kg本設(shè)計中的大部分比熱數(shù)據(jù)（及其他物性數(shù)據(jù)）都可以通過查閱《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》（無機卷和有機卷）、《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》（及其續(xù)編版）、《化工原理》、《化工熱力學(xué)》得到，查找而未得者，可以通過《氣液物性估算手冊》及其它估算方法得到。（3）Q 5 與 Q6 的確定武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計25根據(jù)工藝操作經(jīng)驗，（Q 5＋Q 6）一般為（Q 4＋Q 5＋Q 6）的 5%～10%，只要計算出 Q4，就可以確定（Q 5＋Q 6），從而計算出 Q2。 熱解反應(yīng)器的熱量衡算①設(shè)計依據(jù)表 熱解反應(yīng)器進(jìn)口物料數(shù)據(jù)位置 物料名稱 流量kg/h 反應(yīng)溫度 ℃ 物質(zhì)比熱Cp(10℃)kJ/kg.℃細(xì)砂 － 800 秸稈 6050 20 焦炭 450 細(xì)砂 － 450 二氧化碳 450一氧化碳 450甲烷 450氫氣 450CnHm(n=2) 450CnHm(n=3) 450CnHm(n=4) 450H2O 450糠醛 450出口乙酸 605 450②熱量計算 計算過程中，以 1h 為計算基準(zhǔn)。kJ/h ??Qd. 過程熱效應(yīng) Q3(1)熱解反應(yīng)熱反應(yīng)物為纖維素與半纖維素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占秸稈的 60%。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計27表 熱解反應(yīng)器各物料數(shù)據(jù)組成 燃燒熱kJ/mol 質(zhì)量流量 kg/h 摩爾流量 kmol/h 相對比例H2 CO CH4 CnHm(n=2) 糠醛 1乙酸 反應(yīng)物 2807 3630 焦炭 木質(zhì)素 － － (g) ()??????yxzxxif nHQ11式中 H－表示燃燒熱，kJ/mol； n－表示物質(zhì)的量，mol； i，z－表示 1 至 x 為反應(yīng)物，x 至 y 為產(chǎn)物。表 噴淋塔進(jìn)口物料數(shù)據(jù)表組分 組成wt% 流量kg/h 溫度 ℃ 比熱 Cp(225℃)kJ/kg.℃ RkJ/kg二氧化碳 450 －一氧化碳 450 －甲烷 450 －氫氣 450 －CnHm(n=2) 450 －CnHm(n=3) 450 －CnHm(n=4) 450 －H2O 450 糠醛 450 452乙酸 450 ∑ 100 － － －表 噴淋塔液相各組成的物性參數(shù)組分 組成wt% 溫度 ℃ 比熱 Cp(44℃)kJ/kg.℃糠醛 40 乙酸 40 H2O 40 ∑ 100 － －武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計29表 噴淋塔出口數(shù)據(jù)表組分 流量kg/h 溫度 ℃ 比熱 Cp(42℃)kJ/kg.℃二氧化碳 84 一氧化碳 84 甲烷 84 氫氣 84 CnHm(n=2) 84 CnHm(n=3) 84 CnHm(n=4) 84 糠醛 84 乙酸 84 H2O 84 ②噴淋塔熱量計算計算過程中，以 1h 為計算基準(zhǔn)。/?Qd. 過程熱效應(yīng) Q3 ????e. 冷凝液的計算 Q2 ??③冷凝液的計算 ????武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計30表 冷凝液數(shù)據(jù)表代號 物料名稱 流量，kg/hx 糠醛 y 乙酸 z H20 流化床燃燒器的熱量衡算熱流交換示意圖如圖 所示。t?根據(jù)已知數(shù)據(jù) =966J/(kgt?該部分空氣升溫所消耗的碳量 ?碳武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計32式中 －表示空氣升溫所需的熱量，J；2Q－表示碳的熱值，J/kg；q－表示空氣升溫所消耗的碳的量，kg。再沸器的熱量用于組分的汽化和升溫，其中升溫過程的熱量可用下面方法計算得到。ir因而計算得 J/???rqQm水武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計34???rqQm乙 酸 92825糠 醛 J/ ??i因而，總共所需的熱量為： ()升 溫潛 熱 Q?所以 ????升 溫潛 熱 的熱量由再沸器提供，因而，其即為再沸器的載荷。通過調(diào)節(jié)篩板層數(shù)和篩板間距，可調(diào)整固體停留時間；篩板的轉(zhuǎn)動降低了生物質(zhì)顆粒的動態(tài)休止角，使得未熱解的生物質(zhì)易于流入下級篩板繼續(xù)分解。②設(shè)計依據(jù)表 旋轉(zhuǎn)篩板熱解反應(yīng)器物料參數(shù)參數(shù) 生物質(zhì) 砂 熱解蒸汽進(jìn)料流量，kg/s 停留時間，s 30 30 2堆密度，kg/m 3 200 1400 －武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計36表 熱解蒸汽的組成及流量組成名稱 分子量 分率，wt% 流量，kg/hCO2 44 CO 28 CH4 16 H2 2 CnHm(n=2) 29 CnHm(n=3) 43 CnHm(n=4) 56 H2O 18 糠醛 96 乙酸 60 605總計 － 100 表 反應(yīng)器進(jìn)、出口的物料平衡進(jìn)口 出口物料名稱 分率，wt% 流量，kg/h 物料名稱 分率，wt% 流量，kg/h秸稈 6050 焦炭 砂 砂 CO2 CO CH4 H2 C2 C3 C4 H2O 糠醛 乙酸 ∑ 100 ∑ 100 ③塔高及塔徑的確定生物質(zhì)與熱砂在旋轉(zhuǎn)篩板熱解反應(yīng)器內(nèi)停留時間為 30s，熱解蒸汽停留時間為 2s，以此為計算基準(zhǔn)。a. 熱解蒸汽理想氣體狀態(tài)方程： ()nRTPV?式中 P－為氣體壓強， Pa； V－為氣體體積，m 3； N－為氣體的物質(zhì)的量，mol； T－為體系溫度，K； R－為比例系數(shù) (mol表 450oC 下熱解蒸汽相關(guān)參數(shù)（以熱解反應(yīng)空時 30s 為基準(zhǔn)）組分 分子量 分率，wt% 流量，kg/h 所占體積，m 3CO2 44 CO 28 CH4 16 H2 2 CnHm(n=2) 29 CnHm(n=3) 43 CnHm(n=4) 56 H2O 18 糠醛 96 乙酸 60 605 ∑ － 100 b. 秸稈生物質(zhì)反應(yīng)空時 30s 內(nèi)，輸入熱解器的秸稈質(zhì)量： ??取秸稈堆密度 200kg/m3，可得其體積： 312./.mV武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計38c. 砂在以停留時間 30s 為基準(zhǔn)的計算中，砂質(zhì)量 ??由堆密度可計算出砂體積 d. 反應(yīng)器體積固相物料體積 ???固 96/483a總物料體積 ???總e. 反應(yīng)器高、塔徑及實際體積 ().??.?可取反應(yīng)器高度和直徑： mh7?實實際反應(yīng)器的體積為： 322 ??實實 噴淋塔的設(shè)計①設(shè)計依據(jù)武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計39表 噴淋塔入口氣相參數(shù)噴淋塔入口熱解氣 組成，wt% 流量，kg/h 摩爾質(zhì)量， g/mol二氧化碳 44一氧化碳 28甲烷 16氫氣 2CnHm(n=2) 28CnHm(n=3) 42CnHm(n=4) 56H2O 18糠醛 96乙酸 60∑ 100 －表 噴淋塔入口液相參數(shù)組分 組成，wt% 流量，kg/h糠醛 50 乙酸 20 H2O 30 ∑ 100 ②塔高及塔徑的確定噴淋液在噴淋塔內(nèi)下落速度設(shè)為 1m/s，取停留時間為 ，則塔高為。噴淋塔的高徑比按 3：1 計算。K)。mDS0⑥分別計算管程和殼程的傳熱系數(shù)每程管側(cè)的流路面積為 ()nNdaTt24??. mt ?? ()taWG?s)/(?kg ()?d?Re武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計43..35Re????查管內(nèi)傳熱因子圖 [25]，得 HJ ()??pc?? 忽略黏度的校正， ?w? ())(Pr)??wpHGcJh?)/(. 23/21 smWh ?????? ()??24/.22DPeT??m19. ()0dCT??.? 折流板間距 ? ()TsPBDa??./? ()sWGs?)/(? ()?ssDe?查管內(nèi)傳熱因子圖 [25]，得 0?HJ忽略黏度的校正， 1w?武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計44 ()?????????????wphCDeJ??)/(?⑦總的傳熱系數(shù)管內(nèi)糠醛粗液的污垢系數(shù) Kr/)(??管外水的污垢系數(shù)為 072平均直徑 ? ()wlr?? ()101010 ???????????wdrrdhK W/(m2表 換熱器設(shè)計結(jié)果序號 項目 數(shù)值1 傳熱量 Q，J/s 2 粗糠醛流量 W1，kg/s 3 冷卻水用量