【正文】 W2，kg/s 4 換熱面積 A，m 2 5 管數(shù) 1046 管長(zhǎng) L0，m 57 管心距 PT，mm 688 殼體直徑 DS，m 9 折流板間距 B，m 流化床的計(jì)算根據(jù)流化床的輸送介質(zhì)和輸送量，將該流化床定性為循環(huán)流化床(快速床)。c由此可以計(jì)算出 εf 和 εmf。流化床計(jì)算結(jié)果列于表 ，旋風(fēng)分離器計(jì)算結(jié)果列于表 。重量 較輕 重一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于物系無(wú)特殊工藝特性要求，且生產(chǎn)能力不是過(guò)小的精餾操作，宜采用板式塔。因而必需采用真空蒸餾的方法進(jìn)行操作。本設(shè)計(jì)的精餾過(guò)程是將三組分精餾提純，則可使用 2 個(gè)塔進(jìn)行操作?，F(xiàn)今主要的兩種精餾塔的性能比較如表 所示。循環(huán)流化床(快速床) 中的顆粒的平均速度(氣流方向上的)并不是流化床中的氣流的速度，因而氣體的停留時(shí)間比顆粒短很多。最小流化速度 umf 參照文獻(xiàn) [ 9,13,21]進(jìn)行確定，具體公式如下： (Rep20) ()gdpmf??1650)(2?? (Rep1000) ())( (Rep10) ().94..1)(????pmfd ()fpuRe終端速度 計(jì)算按下式 [9]進(jìn)行：t ()ppt dgu??????????312)(254??再由李森科準(zhǔn)數(shù)對(duì)阿基米德準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系圖進(jìn)行驗(yàn)證?！?所得傳熱系數(shù) K 滿(mǎn)足要求 [25]，故計(jì)算合理。根據(jù)傳熱面求管根數(shù) NT。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)40表 噴淋塔氣相組分參數(shù)組分 分子量 組成，wt% 質(zhì)量，kg 物質(zhì)的量，mol 體積，m 3 溫度，℃二氧化碳 44 450一氧化碳 28 450甲烷 16 450氫氣 2 450CnHm(n=2) 28 450CnHm(n=3) 42 450CnHm(n=4) 56 450H2O 18 450糠醛 96 450乙酸 60 450∑ － 100 －b. 回流液體積表 噴淋塔回流液組分參數(shù)組分 組成（ wt%） 流量（kg/h） 質(zhì)量(kg) 密度（kg/m3） 體積(m 3)糠醛 50 乙酸 20 H2O 30 ∑ 100 － － c. 塔高及塔徑校正氣體體積 ??校 正總體積 35..416?總噴淋塔值徑計(jì)算 ()hdV2π??武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)41 換熱器設(shè)備計(jì)算①計(jì)算定性溫度，確定物理常數(shù)表 特性數(shù)據(jù)項(xiàng)目 管程 殼程定性溫度( ℃) 62 μ（) ρ（kg/m3) Cp（kJ/kg.℃） λ(W/m.℃) ②計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差 )()(1 ????mt ???tS傳熱量 ())(21TcWQp sJ/????冷卻水量 ())(122tcp?skgW/)35( ???③溫差修正系數(shù)設(shè)定管程數(shù)為多程，單程殼程。由于氣相物質(zhì)在噴淋塔中，當(dāng)溫度下降時(shí)液化。計(jì)算熱解蒸汽體積，采用公式()，壓力取 。反應(yīng)器高徑比為 3:1。未完全熱解的生物質(zhì)由篩孔進(jìn)入下級(jí)篩板繼續(xù)分解。其核心在于反應(yīng)區(qū)時(shí)由多層旋轉(zhuǎn)篩板和靜態(tài)攪拌槳組成?！?；piC－表示升溫前后的溫度差，K。碳m由以上所得 可求得物料衡算和設(shè)備計(jì)算所需的下列數(shù)據(jù)流化床進(jìn)口空氣的質(zhì)量流量 ?進(jìn)流化床進(jìn)口空氣的體積流量 ，其溫度為 25℃53v進(jìn)流化床出口氣體的質(zhì)量流量 流化床出口空氣的體積流量 ，其溫度為 850℃17q3v?進(jìn) 精餾塔熱量衡算根據(jù) 節(jié)中的計(jì)算結(jié)果和查得的參數(shù)，得到精餾塔計(jì)算的已知數(shù)據(jù)如表武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)33 所示。故求得 ?空空氣升溫所需的熱量為 ??空空 ?式中 －表示細(xì)砂在升溫過(guò)程中的平均比熱容，J/(kg為將細(xì)砂從循環(huán)進(jìn)入流化床的 450℃（見(jiàn)主反應(yīng)器計(jì)算）升溫到流化床出口處的 850℃，故細(xì)砂進(jìn)出口能量的變化為 ()tmcQp??1式中 －表示細(xì)砂在升溫過(guò)程中的平均比熱容，kg ?b. 物料離開(kāi)設(shè)備帶走的熱量 Q4使用公式() 。熱解蒸汽所含糠醛、乙酸、水液化進(jìn)入粗糠醛儲(chǔ)槽。木質(zhì)素的燃燒熱為 (－kJ/g) ?！?； T－物料的溫度，℃。Q 2 正值表示需對(duì)設(shè)備加熱；負(fù)值表示需冷卻。純物理過(guò)程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱；而對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱變化的同時(shí)，往往還伴有狀態(tài)變化熱。由于 Q1（Q 4）的絕對(duì)值是無(wú)法計(jì)算的，因而需要找一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn)情況，即25℃及 105Pa 為計(jì)算基準(zhǔn)。③熱量平衡方程式熱量平衡方程式可以表達(dá)為：Q1＋Q 2＋Q 3=Q4＋Q 5＋Q 6 ()式中 Q1－隨物料進(jìn)入到設(shè)備的熱量，kJ（一般是無(wú)法得到的，只能通過(guò)與其它熱量的差值體現(xiàn)出來(lái)）；Q2－加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量， kJ； Q3－過(guò)程熱效應(yīng)，kJ；Q4－隨物料離開(kāi)設(shè)備所帶走的熱量，kJ；Q5－加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量，kJ；Q6－設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)22表 精餾塔物料衡算結(jié)果編號(hào) 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 % % %2 乙酸(LK) % % %3 糠醛(HK) % % %－ 總計(jì) 1 1 1再求得 Nm[20]為： () ????????????????????m ()????????w （摩爾分?jǐn)?shù)） (),?Wxw與前一次計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，因而可認(rèn)為這種分割方法合理同理，用該方法計(jì)算精餾塔，結(jié)果如表 所示。設(shè)計(jì)要求：餾出液糠醛含量為 %以下釜液中乙酸含量為 %以下假定乙酸為輕關(guān)鍵組分（LK） 、糠醛為重關(guān)鍵組分（HK） ，用清晰分割法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)物料衡算的關(guān)系式，可得到兩個(gè)關(guān)系式。表 噴淋塔進(jìn)出口物料衡算一覽表進(jìn)口 出口組分組成 wt% 流量 kg/h 組成 wt% 流量 kg/hCO2 CO CH4 H2 CnHm(n=2) CnHm(n=3) CnHm(n=4) H2O — —糠醛 — —乙酸 605 — —?dú)庀唷? — —H2O 糠醛 乙酸 ∑ 不凝氣武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)20 流化床物料衡算流化床利用細(xì)砂作為循環(huán)，砂石循環(huán)量為 ，參照 節(jié)中反應(yīng)器的計(jì)算得到。本工藝主要圍繞著清潔的生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化利用，依據(jù)催化熱解技術(shù)生產(chǎn)高附加值化學(xué)品糠醛，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)完成 5 萬(wàn)噸秸稈制備 1 萬(wàn)噸武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)16糠醛的工藝設(shè)計(jì)。這樣致使我國(guó)的糠醛生產(chǎn)規(guī)模普遍過(guò)小，最大的也只有 3000 噸的生產(chǎn)能力。秸稈焚燒現(xiàn)象在我國(guó)許多地區(qū)已成為社會(huì)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)秸稈高效高附加值利用的新途徑。秸稈來(lái)源最主要的三大農(nóng)作物分別是玉米、小麥和稻谷。設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括反應(yīng)器、流化床、旋風(fēng)分離器、換熱器、噴淋塔、精餾塔的熱量計(jì)算、物料衡算、設(shè)備計(jì)算；設(shè)備裝配圖、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。水解的方法是一種反應(yīng)效率比較低，并且產(chǎn)品精細(xì)化比較困難的一種生產(chǎn)方法。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)13 產(chǎn)品指標(biāo)及執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)本工藝要求產(chǎn)品的主要指標(biāo)依據(jù)工業(yè)糠醛的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/。反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物分為氣、固兩相。若溫度未達(dá)到，則通過(guò)二次風(fēng)再次燃燒加熱。木質(zhì)素的一次熱解一般發(fā)生在熱軟化溫度 200℃，由其氫鍵斷裂和芳香基失穩(wěn)所引起。反應(yīng)式如下： ()21211 COcbHam????? ?? 糠 醛纖 維 素 高 溫酸 性 催 化 劑半纖維素在秸稈中的含量雖然比較少，但它在三種組分中的反應(yīng)活性卻是最強(qiáng)的。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)11 催化熱解生產(chǎn)糠醛工藝原理及流程 反應(yīng)機(jī)理秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素這三類(lèi)物質(zhì)組成其有機(jī)部分。盡管催化熱解工藝尚未工業(yè)化，但是與其他生產(chǎn)工藝對(duì)比下，存在以下優(yōu)勢(shì)：(1) 催化熱解工藝轉(zhuǎn)化率比一步法及二步法都要高。熱解 冷凝 干燥 氣柜 燃燒供能催化劑 秸稈熱砂回收粗產(chǎn)品 渣漿提純 糠醛 產(chǎn)品包裝 渣漿 催化熱解工藝流程催化熱解生產(chǎn)糠醛的反應(yīng)原理是：生物質(zhì)熱解時(shí)，纖維素和半纖維素單體間糖苷鍵容易斷裂。這個(gè)階段要放出大量的熱。預(yù)熱解階段（溫度為 150～275℃） ，物料的熱反應(yīng)比較明顯，化學(xué)組成開(kāi)始變化，生物質(zhì)中的不穩(wěn)定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質(zhì)。 催化熱解生物質(zhì)熱解是指生物質(zhì)在沒(méi)有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾 500℃，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)大分子物質(zhì)武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)8（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質(zhì)（固態(tài)炭、可燃?xì)?、生物油）的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)方法?？傮w上來(lái)說(shuō)，一步法中四種方法優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單、投資少、易操作，而其缺點(diǎn)是包括糠醛收率低、蒸汽消耗量大、原料利用不夠充分、產(chǎn)生大量廢渣和廢水。④重過(guò)磷酸鈣法重過(guò)磷酸鈣法是在水解過(guò)程中加入重過(guò)磷酸鈣做催化劑，水解后的殘?jiān)旧砭褪且环N優(yōu)良的復(fù)合肥。副產(chǎn)品回收率低，能耗高，成本高。圖 水解法生產(chǎn)糠醛工藝流程一步法根據(jù)所用催化劑的不同又可分為：硫酸法、鹽酸法、醋酸法和重過(guò)磷酸鈣法。其中一步法是目前國(guó)內(nèi)外糠醛生產(chǎn)使用較多的方法，催化熱解工藝作為本項(xiàng)目使用的糠醛制備工藝，具有許多優(yōu)勢(shì)。純的乙酸在低于熔點(diǎn)時(shí)會(huì)凍結(jié)成冰狀晶體，所以無(wú)水乙酸又稱(chēng)為冰醋酸。s（25℃）乙酸在常溫下是一種有強(qiáng)烈刺激性酸味的無(wú)色液體。cm?3 (l) g當(dāng)加熱至約 250℃，糠醛會(huì)分解為呋喃和一氧化碳，有時(shí)會(huì)爆發(fā)性的分解，若與酸一起加熱，糠醛會(huì)變成堅(jiān)硬的熱固性樹(shù)脂。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)4 糠醛及其副產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 糠醛圖 糠醛的化學(xué)結(jié)構(gòu)其它物理性質(zhì)如下：化學(xué)式 C5H4O2 摩爾質(zhì)量 g2021 年上半年糠醛出口形勢(shì)良好，導(dǎo)致擴(kuò)產(chǎn)、擴(kuò)能現(xiàn)象比比皆是。1997—2021年糠醛出口價(jià)格變化020040060080010001200140016001997 1998 1999 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 年美元圖 糠醛出口價(jià)格變化1997—2021 年糠醛出口量變化01234561997 1998 1999 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 年萬(wàn)噸圖 糠醛出口量變化2021 年 1 月到 6 月，糠醛累計(jì)貿(mào)易總數(shù)量約 萬(wàn)噸，累計(jì)貿(mào)易總額 2,465萬(wàn)美元，折合均價(jià) 美元/噸；同比貿(mào)易數(shù)量增長(zhǎng) %，貿(mào)易額增長(zhǎng)%；環(huán)比貿(mào)易數(shù)量降低 %，貿(mào)易額增長(zhǎng) %。表 列出了 1997~2021 年我國(guó)糠醛的生產(chǎn)和銷(xiāo)售情況。1996~2021 年，由于國(guó)際市場(chǎng)上糠醛資源量減少導(dǎo)致需求增加，價(jià)格上漲，企業(yè)效益增加，進(jìn)而刺激各地紛紛建廠，擴(kuò)大產(chǎn)量。歐盟曾是中國(guó)糠醛主要市場(chǎng)(1992 年歐盟進(jìn)口中國(guó)糠醛 萬(wàn)噸)，受制裁的影響，歐盟減少了從中國(guó)進(jìn)口糠醛的數(shù)量。2021 年我國(guó)共遭遇86 起貿(mào)易摩擦案件，我國(guó)遭遇反傾銷(xiāo)的產(chǎn)品多屬于勞動(dòng)密集型、資源能源消耗密集型、環(huán)境污染型、技術(shù)附加值不高的產(chǎn)品?？啡┛纱婕兹┡c苯酚縮合，制造酚醛樹(shù)脂。它是既是一種重要的有機(jī)化工原料，同時(shí)也是一種化工生產(chǎn)中常用的溶劑物質(zhì)，在石油煉制、石油化工、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥、食品、合成橡膠、合成樹(shù)脂、農(nóng)藥等行業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 Catalytic pyrolysis。相比水解而言，催化裂解具有反應(yīng)時(shí)間短、出醛率高等優(yōu)點(diǎn)，受到糠醛工業(yè)界的關(guān)注。 糠醛的生產(chǎn)方法有兩種：生物質(zhì)水解和催化裂解。關(guān)鍵詞：秸稈；催化熱解；糠醛制備；工藝設(shè)計(jì)；平衡計(jì)算武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)IIAbstractFurfural is an important chemical widely used in chemical engineering, pharmaceutical medical, and food industry, such as acting as an extraction solvent in the process of petroleum refining, and as an intermediate chemical for furan and its derivatives production, drug synthesis, and other chemicals and materials preparation.There are two main methods to produce furfural: one is hydrolysis of straws, and the other