【正文】 ；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。純物理過程只產(chǎn)生狀態(tài)變化熱；而對于化學(xué)反應(yīng)過程，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱變化的同時，往往還伴有狀態(tài)變化熱。℃)； T－物料的溫度，℃。熱解蒸汽所含糠醛、乙酸、水液化進(jìn)入粗糠醛儲槽。為將細(xì)砂從循環(huán)進(jìn)入流化床的 450℃（見主反應(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)砂在升溫過程中的平均比熱容，kg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。其核心在于反應(yīng)區(qū)時由多層旋轉(zhuǎn)篩板和靜態(tài)攪拌槳組成。反應(yīng)器高徑比為 3:1。由于氣相物質(zhì)在噴淋塔中，當(dāng)溫度下降時液化。根據(jù)傳熱面求管根數(shù) NT。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)對阿基米德準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系圖進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)今主要的兩種精餾塔的性能比較如表 所示。因而必需采用真空蒸餾的方法進(jìn)行操作。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 。表 換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果序號 項(xiàng)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 W2，kg/s 4 換熱面積 A，m 2 5 管數(shù) 1046 管長 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)。K)。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(jì)38c. 砂在以停留時間 30s 為基準(zhǔn)的計(jì)算中，砂質(zhì)量 ??由堆密度可計(jì)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(shí)際體積 ().??.?可取反應(yīng)器高度和直徑： mh7?實(shí)實(shí)際反應(yīng)器的體積為： 322 ??實(shí)實(shí) 噴淋塔的設(shè)計(jì)①設(shè)計(jì)依據(jù)武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)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。②設(shè)計(jì)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(jì)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(jì) － 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(jì)算基準(zhǔn)。ir因而計(jì)算得 J/???rqQm水武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)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。t?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(jì)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。/?Qd. 過程熱效應(yīng) Q3 ????e. 冷凝液的計(jì)算 Q2 ??③冷凝液的計(jì)算 ????武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)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。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)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。 熱解反應(yīng)器的熱量衡算①設(shè)計(jì)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(jì)算 計(jì)算過程中，以 1h 為計(jì)算基準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)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(jī)卷和有機(jī)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。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(jì)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。表 流化床物料平衡質(zhì)量流量 kg/s位置砂石 碳 氣體 總計(jì)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。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。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。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(jì)。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(jī)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） 。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] 。在以往的研究中，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。該生產(chǎn)方法具有方法簡單、產(chǎn)品較為單一、出醛率高、原料利用率高，催武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)9化劑可以循環(huán)利用。固體分解階段（溫度為 275～475℃） ，熱解的主要階段，物料發(fā)生了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的分解產(chǎn)物。相比于一步法而言，二步法的優(yōu)點(diǎn)在于： (1) 糠醛收率較一步法高；(2) 第二步脫水反應(yīng)可以選擇固體催化劑，催化劑可以重復(fù)使用。如能解決設(shè)備腐蝕問題，將是一種良好的生產(chǎn)方法。 一步法糖醛是由戊聚糖在酸作用下水解生成戊糖,再由戊糖脫水環(huán)化而成，一步法中戊聚糖水解和戊糖脫水生成糠醛兩步反應(yīng)在同一個水解鍋內(nèi)一次完成。沸點(diǎn) ℃（ K） 。圖 乙酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)其物理性質(zhì)如下：化學(xué)式 CH3COOH 摩爾質(zhì)量 g到 2021 年，隨著中國應(yīng)對金融危機(jī)舉措的生效及主要出口地區(qū)美國、日本、歐洲等經(jīng)濟(jì)的逐漸好轉(zhuǎn)，糠醛出口也開始回暖，糠醛價格也是一路飆升。(2) 糠醛出口價格和出口量波動大，一方面說明我國糠醛對國外市場依賴性武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)2強(qiáng)，歐盟及美國對我國糠醛出口進(jìn)行反傾銷，對我國的糠醛產(chǎn)業(yè)打擊很大。中國的糠醛行業(yè)是依托國際市場生存和發(fā)展的，連續(xù) 5 年(1991~1995)糠醛出口大幅度下滑，武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)1給中國的糠醛業(yè)帶來巨大的損失，許多企業(yè)處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)，開工不足，產(chǎn)品積壓。由糠醛制得的 6己二胺〔H 2N（CH 2） 6NH2〕 ，為制取尼龍 66 的原料 [1]。 Process design。武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)I摘 要糠醛是一種重要的化工原料，可作為石油精煉過程中溶劑，用來生產(chǎn)呋喃及呋喃及呋喃衍生物、合成藥物和其他化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥和食品工業(yè)。 Furfural production?？啡┦侵苽涠喾N藥物和工業(yè)產(chǎn)品的原料。1995 年中國糠醛的出口量從1990 年的 萬噸跌落到 萬噸，出口年均增長率為23%。表 國內(nèi)糠醛的生產(chǎn)銷售情況年份 總產(chǎn)量 萬噸 國內(nèi)消費(fèi) 萬噸 年增長率 % 出口量 萬噸 出口占總 量之比 出口價格 美元/噸1997 － 1998 11 1999 7 2021 7 2021 12 2021 12 2021 12 2021 － － － － 2021 － － － － 2021 － － － － 2021 － － － － 2021 － － － － 可以看出：(1) 糠醛出口價格波動大，總的趨勢是向上增長的，糠醛出口價格在 2021年達(dá)到了最高值，出口量在經(jīng)歷低潮后也有所上升，說明了糠醛在國外市場上總體來說需求是巨大的。但是隨著國際金融危機(jī)的爆發(fā)，中國糠醛出口量逐漸出現(xiàn)下滑，行業(yè)內(nèi)關(guān)停并轉(zhuǎn)的企業(yè)增多。 副產(chǎn)物本設(shè)計(jì)中糠醛生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物主要是乙酸。乙酸的熔點(diǎn)為 ℃（ K） 。以下將介紹一步法、二步法、生物質(zhì)快速熱解以及催化熱解工藝。②鹽酸法該法用鹽酸做催化劑，在常壓下水解，糠醛回收率較高，原料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，關(guān)鍵問題是設(shè)備的腐蝕特別嚴(yán)重，生產(chǎn)投資較大。 二步法二步法工藝是利用戊聚糖于 100℃水解生成戊糖，戊糖再在再脫水環(huán)化生成目前尚不成熟，未見實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。上述兩個階段均為吸熱反應(yīng)階段。存在酸性催化劑的作用下，纖維素類物質(zhì)熱解物質(zhì)會按照路易斯酸反應(yīng)機(jī)理定向轉(zhuǎn)化為脫水糖，進(jìn)而形成糠醛。纖維素在秸稈中的含量占所有有機(jī)物的主要部分。隨著溫度的升高，木質(zhì)素降解愛其結(jié)構(gòu)的影響，首先形成高分子物質(zhì)，這是由木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中含烷基的分子鏈中雙鍵的形成引起的，然后小分子物質(zhì)開始形成，主要是輕芳香族物質(zhì)如鄰甲氧基苯酚，小分子物質(zhì)的形成過程中木質(zhì)素的熱解達(dá)到頂峰之后便結(jié)束。