開題報(bào)告-超重力水氧分離裝置的設(shè)計(jì)

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：超重力水氧分離裝置的設(shè)計(jì) 學(xué) 生：　 指 導(dǎo) 教 師： 專 業(yè) 班 級： 20 年 月 日 1. 課題名稱： 超重力水氧分離裝置的設(shè)計(jì) 2. 課題研究背景： 所謂超重力是指比在地球重力加速度（9.8m/s

2、2）大的多的環(huán)境下，物質(zhì)所受到的力（包括引力和排斥力）。研究超重力環(huán)境下的物理和化學(xué)變化過程的科學(xué)稱之為超重力科學(xué)。由超重力科學(xué)原理而誕生的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)。超重力技術(shù)作為一種高新技術(shù)，在工業(yè)上有著重大的應(yīng)用前景。 在超重力環(huán)境下，不同大小分子之間的分子擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過程比常規(guī)重力場下要快的多，氣－液、液－液、液－固兩相間在比地球重力場大數(shù)百倍至千倍的超重力環(huán)境下的多孔介質(zhì)和孔道中產(chǎn)生流動接觸，巨大的剪切力將液體撕裂成微米甚至納米級的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生巨大的和快速更新的相界面，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔設(shè)備提高1～3個(gè)數(shù)量級，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大強(qiáng)化。同時(shí)，在超重力條件下，不僅是

3、整個(gè)反應(yīng)過程的加快，氣體的線速度也得到大幅度提高，這使單位設(shè)備體積的生產(chǎn)效率得到1～2個(gè)數(shù)量級的提高[1][2]。 在地球上，旋轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的最簡便方法。這種特殊設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備統(tǒng)稱為超重力設(shè)備，簡稱超重機(jī)（HIGEE），在化工設(shè)備中又被稱之為旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）。利用超重力環(huán)境下的高強(qiáng)度傳質(zhì)過程和微觀混合特性，我們可以將高達(dá)幾十米的巨大反應(yīng)塔等化工設(shè)備用高不及兩米的超重機(jī)進(jìn)行代替[3]。因此，超重力工程技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化傳遞和多相反應(yīng)過程的一項(xiàng)突破性技術(shù)，被譽(yù)為跨世紀(jì)的技術(shù)，超重機(jī)也被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”。 總體而言，超重機(jī)具有如下特點(diǎn)：極大的縮小了設(shè)備尺寸減輕了重量；極大的強(qiáng)化了

4、物質(zhì)相間的傳遞過程；物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間極短（100ms～1s）；易于操作，易于開停車，維護(hù)和檢修方便；可垂直、水平或任意方向安裝，不怕顛簸，可安裝于運(yùn)動物體；快速而均勻的微觀混合等等。而超重力技術(shù)在上述超重機(jī)的特點(diǎn)上可廣泛應(yīng)用于以下特殊過程：由于停留時(shí)間短可用于熱敏性物料的處理；由于機(jī)內(nèi)殘留量少可應(yīng)用于昂貴物料或有毒物料的處理；其快速而均勻的微觀混合特性又可以用來生產(chǎn)高質(zhì)量的納米材料；另外還可以進(jìn)行選擇性吸收分離及聚合物脫除單體等等生產(chǎn)中。超重機(jī)是具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景的設(shè)備。超重力工程技術(shù)的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨(dú)特流動行為，強(qiáng)化相與之間的相對速度和相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)高效

5、的傳質(zhì)傳熱過程和化學(xué)反應(yīng)過程。獲取超重力的方式主要是通過轉(zhuǎn)動設(shè)備整體或部件形成離心力場，涉及的多相流體系主要包括氣-固體系和氣-液體系。 3. 課題研究意義 眾所周知，傳統(tǒng)重力場條件下，實(shí)現(xiàn)氣-固體系加工過程的典型設(shè)備是各種重力流化床 。然而，由于重力場的限制，傳統(tǒng)流化床同時(shí)也表現(xiàn)出許多固有缺陷，如:大顆粒的騰涌、小顆粒的夾帶、粘結(jié)、大氣泡的存在造成氣體短路從而導(dǎo)致氣固分布不均大大降低了系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)傳熱和化學(xué)反應(yīng)速率等。為此，前蘇聯(lián)學(xué)者首先提出了超重力(離心)流化床概念相對于傳統(tǒng)重力場,超重力氣-固接觸技術(shù)的突出特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面: a. 在超重力流化床中，由于重力場強(qiáng)

6、度和流化速度均可調(diào)節(jié),因此可將流化速度控制在鼓泡速度之下操作，從而獲得良好的流化質(zhì)量。 b. 在超重力條件下,由于顆粒有效重力增加，因而流化時(shí)氣固之間的相互作用(相對速度)大大增強(qiáng)，從而使其傳質(zhì)傳熱速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)流化床。 c. 近年來，隨著超細(xì)粉體技術(shù)的發(fā)展， Gel-dart C類顆粒或超細(xì)顆粒的流態(tài)化加工過程成為科技界和工業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)[ 2 ] ,但這類顆粒由于粘附性強(qiáng),流化時(shí)易形成穩(wěn)定溝流,因而難以流態(tài)化。但在超重力條件下,氣固之間的剪切力大為增強(qiáng)，有可能克服顆粒之間的團(tuán)聚力,從而促進(jìn)聚式流態(tài)化向散式化的轉(zhuǎn)變,從而改善超細(xì)顆粒的流化質(zhì)量。 此外,超重力流化床還有操作氣速范圍寬、不

7、怕振動、空間布置靈活并能夠在重力場外(太空) 操作等優(yōu)點(diǎn)。 3.1 超重力技術(shù)在海水淡化當(dāng)中的應(yīng)用 海水淡化方法按分離過程可分為蒸餾法、膜法、結(jié)晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。其中蒸餾法又有多級閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（ME）和壓汽蒸餾（VC）之分，膜法海水淡化技術(shù)則包含了反滲透法（RO）和電滲析法（ED），結(jié)晶法則由冷凍法和水合物法構(gòu)成。雖然淡化方法有許多種，但多年的實(shí)踐表明，真正實(shí)用的海水淡化只有MSF、ME、VC、ED 和RO 等方法]。 我國海水淡化采用臺數(shù)最多的是電滲析技術(shù)，其次是反滲透技術(shù)。我國電滲析海水淡化技術(shù)已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，能夠國產(chǎn)化；反滲透技術(shù)還不過關(guān)，性

8、能優(yōu)異的關(guān)鍵部件還需要外購。我國在多級閃蒸和低溫多效海水淡化方面還處于開發(fā)研究階段，不具備獨(dú)立的技術(shù)和設(shè)備制造能力。 含鹽水進(jìn)入第一級蒸發(fā)器后被來自熱源的蒸汽（一級蒸汽）加熱汽化，汽化產(chǎn)生的二次蒸汽被引入第二級蒸發(fā)器，加熱來自第一級蒸發(fā)器的濃縮鹽水，同時(shí)又被冷凝成蒸餾水。第二級與第三級蒸發(fā)器之間的汽、水流程與上段情況相似，如此類推。蒸餾法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單易于實(shí)現(xiàn)，并不受水中含鹽量的限制，適用于余廢熱可利用的項(xiàng)目，設(shè)備容量大，所產(chǎn)淡水水質(zhì)純度較高，產(chǎn)品水含鹽量為2～10mg/L，裝置進(jìn)水可不經(jīng)預(yù)處理直接由海水提供。故該裝置多用于沿海的火力發(fā)電廠、核電站。其缺點(diǎn)是能耗多、設(shè)備費(fèi)用高，存在設(shè)備、管

9、路結(jié)垢與腐蝕問題。 關(guān)于超重力在海水淡化中的應(yīng)用還沒有相關(guān)報(bào)道。因?yàn)槔贸亓l件下多相流體系的獨(dú)特流動行為，強(qiáng)化相與之間的相對速度和相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)傳熱過程和化學(xué)反應(yīng)過程。其在單元操作的應(yīng)用只有精餾塔，考慮到海水淡化當(dāng)中的問題能耗多、設(shè)備費(fèi)用高，存在設(shè)備、管路結(jié)垢與腐蝕問題，如果我們可以將超重力設(shè)備運(yùn)用到多級閃蒸過程中勢必能夠增大氣液兩相流體相對滑動速度，巨大的剪切應(yīng)力克服了液體表面張力，使液體伸展出巨大的相際接觸界面，液膜變薄，增大海水的蒸發(fā)量，節(jié)約設(shè)備，克服海水對設(shè)備的強(qiáng)烈腐蝕性。 3.2 超重力技術(shù)在干燥過程當(dāng)中的應(yīng)用 在超重力流化床內(nèi),流化過程中氣固之間的相互作用遠(yuǎn)

10、高于傳統(tǒng)重力流化床,因此表現(xiàn)出很高的傳質(zhì)傳熱速率。目前超重力氣-固流化床技術(shù)研究較多集中于不同物料干燥過程的應(yīng)用,包括不同物料初始流化行為和干燥過程中傳質(zhì)傳熱速率的研究。如Farkas Lazar等[6, 7]還對片狀和塊狀土豆、胡蘿卜和蘋果等在超重力(離心)流化床中的干燥進(jìn)行了研究,取得了良好的流化和加工效果; Roberts等[8]應(yīng)用超重力(離心)流化床對制作方便快餐米飯進(jìn)行了研究;德國學(xué)者Alstet-ter[14]用超重力(離心)流化床干燥密度小、濕含量高的小顆粒物料。 在初始流化行為研究中,重點(diǎn)是不同物性和形狀物料的臨界流化速度及其床層壓降的測試,以獲得相應(yīng)的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)式;在傳熱傳

11、質(zhì)研究中,重點(diǎn)是通過測定床溫和進(jìn)出口氣流的溫度與濕度, 獲得傳熱N u 數(shù)和傳質(zhì)Sh 數(shù)的關(guān)聯(lián)式[9～13] 。所有這些應(yīng)用研究表明了超重力氣-固流化床中具有高強(qiáng)度的傳熱傳質(zhì)過程,而且涉及的物料廣泛,包括在化工、制藥、食品、環(huán)保和材料制備等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。但在超重力工業(yè)干燥裝置開發(fā)方面,目前國內(nèi)還處于空白。在國外離心流化床干燥器的定型產(chǎn)品已問世,如德國Krauss-Maffei公司曾報(bào)道[14] ,其研制的超重力流化床干燥器成功用于塑料、洗滌劑、藥品和食品的細(xì)粒結(jié)晶等產(chǎn)品干燥,干燥時(shí)間一般為15～20 s,生產(chǎn)能力高達(dá)20 t/ ( h.m2 ) ,干燥強(qiáng)度比傳統(tǒng)流化床干燥器高30～40倍

12、,表明超重力流化床干燥器裝備開發(fā)有很好的市場前景。 3.3 超重力技術(shù)在科學(xué)研究當(dāng)中的應(yīng)用 為了獲得對重力敏感的一些膠體合成當(dāng)中機(jī)理，超重力技術(shù)作為研究工具得到了應(yīng)用。在普通重力場區(qū)域我們不會觀測到沉淀因?yàn)閷α鞯淖饔?。相反在超重力的作用下溶膠的形成是由于熱產(chǎn)生的。在聚合體的合成中超重力技術(shù)可以使我們建立多相區(qū)域產(chǎn)生的過程同時(shí)明確各個(gè)重力敏感的機(jī)制在熱力學(xué)的聚合過程中。Korolev Str]工作者研究了通過超重力技術(shù)研究了聚丙烯酰胺的合成工程，結(jié)果證實(shí)了他們的假設(shè)聚合物小球的沉淀和聚合網(wǎng)絡(luò)的變形是重力因素在聚合物合成中的主要機(jī)理在超重力條件下。他們的重要發(fā)現(xiàn)還有在離心力場下正面溶膠的形成。

13、 3.4 超重力技術(shù)微型化-抽油煙機(jī) 超重力技術(shù)的應(yīng)用可大大縮小傳統(tǒng)工廠的規(guī)模，使其向微型化、室內(nèi)化的方向發(fā)展，并會帶來更多工業(yè)領(lǐng)域的革命性變化。超重力場中填料對液體的切應(yīng)力使液體被分割成極薄的液膜和細(xì)小的液滴，油煙氣體的通道因填料旋轉(zhuǎn)而不斷改變方向，油煙通過旋轉(zhuǎn)填料層經(jīng)過彎曲狹窄的孔道時(shí)，吸收液對油煙氣體中固體、油滴組分進(jìn)行浸潤、包裹、聚積、捕獲作用、填料對油煙氣體產(chǎn)生過濾作用，為油煙中的氣-液-固分離提供了良好場所。超重力場中油煙凈化過程集慣性碰撞、過濾分離、離心分離、洗滌吸收等機(jī)理于一體，實(shí)現(xiàn)高效率凈化油煙的目的。超重力設(shè)備凈化油煙，油煙氣體在壓差作用下，由設(shè)備底部沿軸向進(jìn)入填料層，

14、循環(huán)槽中的液體由離心泵送入設(shè)備后，通過液體分布器均勻地沿徑向噴灑在填料層內(nèi)緣上，在離心力的作用下液體甩向設(shè)備內(nèi)壁，在設(shè)備的填料中氣液實(shí)現(xiàn)錯(cuò)流接觸并吸收，氣體被凈化后從設(shè)備的頂部氣體出口排出，液體和脫出下來的污染物在重力作用下由液體出口排出，流入循環(huán)槽。 4. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢： 4.1超重力技術(shù)發(fā)展概況 超重力技術(shù)開發(fā)研究始于20世紀(jì)70年代末1976年，美國太空署（NASA）征求微重力場實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，英國ICI公司（帝國化學(xué)公司）Ramshow教授等做了化工分離單元操作—蒸餾、吸收等過程中微重力場和超重力場影響效應(yīng)的研究。在他們的研究中，發(fā)現(xiàn)微重力場使控制多相流體動力學(xué)行為的浮力因子Δ

15、ρg接近于零，使相間的相對運(yùn)動降低，非但對傳質(zhì)沒有任何好處，反而極大地削弱了傳質(zhì)過程。在微重力或重力接近于零時(shí)，液體的表面張力將起主導(dǎo)作用，液體聚集在一起，組分基本上得不到分離。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)超重力使液體表面張力的作用相對變得微不足道，液體在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生出巨大的相間接觸面積，因此極大地提高了傳遞速率系數(shù)，而且還使氣液逆流操作的泛點(diǎn)速率提高，大大增加了設(shè)備生產(chǎn)能力，這些都對分離過程有利。這一研究成果促成了超重力分離技術(shù)的誕生。隨后引起了美、英、中、俄等國大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)研究和開發(fā)熱潮。 沿著這一思路，ICI 著手進(jìn)行這方面的研究，設(shè)計(jì)出可產(chǎn)生200～

16、1000g超重力場的旋轉(zhuǎn)填充床。大約兩年后，第一套示范裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)。1979年6月27日，公開了超重機(jī)方面的第一個(gè)專利。后來幾年里，又陸續(xù)公開了一些專利，從而形成了現(xiàn)代超重機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和操作方式。1985年第一套超重機(jī)售出，該機(jī)用于脫除被污染的地下水中的有機(jī)揮發(fā)物。 國外從事超重力技術(shù)研究的公司和科研機(jī)構(gòu)包括DuPont公司、DOW化學(xué)公司、Glitsch公司、Norton公司、Flour公司、ICI公司、Newcat stle大學(xué)、Case Western Reserve 大學(xué)、Washington大學(xué)、Taxas Austin 州立大學(xué)等；重點(diǎn)研究的技術(shù)有超重力精餾分離技術(shù)(甲醇/乙醇的

17、分離等)、超重力吸收分離技術(shù)( 天然氣脫硫、分離CO2等)、超重力解吸分離技術(shù)(水脫氧、聚合物脫單體、地下污水脫苯/甲苯等)等。近幾年在幾個(gè)化工、能源過程中實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化運(yùn)行，如1999年美國DOW 化學(xué)公司成功地將超重力技術(shù)應(yīng)用于次氯酸的工業(yè)生產(chǎn)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和重大的經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)，1988 年，北京化工大學(xué)與美國 Case Western Reserve 大學(xué)合作，由Glitsch公司提供超重機(jī)主機(jī)，在北京化工大學(xué)建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置，開始進(jìn)行超重力技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及用于油田注水脫氧、酵母發(fā)酵等應(yīng)用技術(shù)研究。自1989年起，國內(nèi)超重力技術(shù)的研究，連續(xù)得到國家有關(guān)部委的重點(diǎn)支持，被列

18、為國家“八五”、“九五”、“十五”計(jì)劃的重點(diǎn)科技研究項(xiàng)目。1990年在北京化工大學(xué)建立我國第一個(gè)超重力工程技術(shù)研究中心，2001年升級為教育部超重力工程研究中心，開展了一系列的創(chuàng)新性研究工作。1998年，國際上首先將超重力水脫氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，將海水處理能力為250t/h的超重機(jī)安裝于山東勝利埕島二號平臺上，投入了工業(yè)化生產(chǎn)[6]；1999年，和美國 DOW 公司合作，成功的將超重力技術(shù)應(yīng)用于氯堿工業(yè)中的氣液分離過程；2000年和2001年，先后在廣東和山西建立了世界上首條年產(chǎn)3000t和萬噸級超重力納米碳酸鈣工業(yè)生產(chǎn)線。至此，我國對于超重力技術(shù)的開發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段，在某些

19、領(lǐng)域走到了世界的前列。 4.2國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢： 由于超重力技術(shù)具有了以上這些無可比擬的優(yōu)勢,世界上許多大的化學(xué)公司和研究部門都在競相對超重力技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究并進(jìn)行了一系列中試或工業(yè)性運(yùn)行，以求替代傳統(tǒng)的精餾分離操作。其中最早的超重力精餾嘗試是英國帝國化學(xué)公司(ICI)于1983年報(bào)道的工業(yè)規(guī)模的超重力機(jī)進(jìn)行乙醇與異丙醇和苯與環(huán)己烷分離的實(shí)例,這套裝置成功運(yùn)轉(zhuǎn)了數(shù)千小時(shí),從而肯定了這一新技術(shù)的工程與工藝可行性。其傳質(zhì)單元高度僅為1～3cm，較傳統(tǒng)填料塔的1～2m下降了兩個(gè)數(shù)量級，這也是超重力機(jī)問世的同時(shí)進(jìn)行的首次實(shí)驗(yàn)；接下來該超重力技術(shù)又被應(yīng)用于脫除被污染的地下水中的有機(jī)物，成功將水中的

20、苯、甲苯、二甲苯的含量由500～3000μg/kg脫除到1μg/kg左右；在美國得克薩斯州的奧斯汀大學(xué)也建立了一套半工業(yè)化裝置來考察超重力機(jī)的精餾特性，并成功分離了環(huán)己烷－庚烷體系，該裝置的外徑只有60cm，傳質(zhì)單元高度在3～5cm左右；Trevour Kelleher等[6]對環(huán)己烷正庚烷體系進(jìn)行了精餾試驗(yàn),并應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)。在致力于超重力應(yīng)用于工業(yè)的同時(shí)，其理論研究工作也在進(jìn)行，美國Tennessee州立大學(xué)的Singh,s.p.于1989年的博士論文中描述了對超重力機(jī)的傳質(zhì)、液泛、功耗進(jìn)行了研究；與此同時(shí)，美國的一些大公司如Du Pont、Dorton等也都在自行進(jìn)行這方面的研究。由于

21、超重力技術(shù)可能帶來的巨大經(jīng)濟(jì)利益，在國外無論是ICI公司還是其他公司都很少對這一技術(shù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的技術(shù)報(bào)道，只是發(fā)表一些應(yīng)用性的研究成果與商業(yè)性報(bào)道。 4.3國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 在國內(nèi)，超重力技術(shù)同樣受到了學(xué)術(shù)界的高度重視。汪家鼎院士曾于1984年作過關(guān)于超重力技術(shù)及其應(yīng)用前景的報(bào)告；浙江大學(xué)陳文炳等曾經(jīng)發(fā)表過常規(guī)填料超重力機(jī)內(nèi)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；天津大學(xué)的朱慧銘于1991年發(fā)表關(guān)于超重力分離過程研究的碩士論文；其中北京化工大學(xué)的陳建峰教授及其所在的超重力工程研究中心對超重力技術(shù)在我國的發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn)，尤其是在納米級超細(xì)粉體制備方面取得了顯著的成果；關(guān)于超重力在精餾方面應(yīng)用的文獻(xiàn)并不多，主

22、要集中在中北大學(xué)。理論研究方面，北京化工大學(xué)的許明等進(jìn)行了超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液兩相流動與傳質(zhì)過程的數(shù)值模擬研究，提出并證明了超重力旋轉(zhuǎn)床中氣－液兩相流動和傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型；中北大學(xué)與山西超重力化工工程技術(shù)研究中心的栗秀萍、劉有智等以乙醇-水溶液為體系進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)填料床精餾性能的研究，實(shí)驗(yàn)表明隨著氣相動能因子(F)和超重力因子(β)的增大，理論塔板數(shù)存在一個(gè)峰值，即當(dāng)F為0.46 kg0.5·m－0.5·s－1、β介于42.95～67.11時(shí)理論塔板數(shù)最大為5.5，此時(shí)傳質(zhì)效果最好。并且得出該旋轉(zhuǎn)填料床的傳質(zhì)單元高度在1.09～1.76cm之間，與傳統(tǒng)填料塔相比，傳質(zhì)單元高度降低到1/100左右。

23、以上數(shù)據(jù)均證實(shí)了旋轉(zhuǎn)填料床用于精餾單元操作的可行性，此外作者還建立了傳質(zhì)模型，即N=100.06987β0.1056(F/△P0.5)0.3330，將回歸結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，所有的點(diǎn)平均誤差為9%，回歸結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。這次研究提供了旋轉(zhuǎn)填料床用于精餾單元操作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù),為旋轉(zhuǎn)填料床精餾操作的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)；后來栗秀萍等又以甲醇-水溶液為體系進(jìn)一步研究了精餾過程中轉(zhuǎn)子對旋轉(zhuǎn)填料床傳質(zhì)性能的影響，也證明在超重力場中精餾過程存在最佳操作條件，即回流量為10.4L/h、轉(zhuǎn)速1600r/min時(shí)理論塔板數(shù)出現(xiàn)最大值，而且其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對精餾裝置的精餾性能有較大影響，并將超重力精餾裝置

24、與傳統(tǒng)填料塔進(jìn)行了比較，傳質(zhì)效率高1～2個(gè)數(shù)量級,氣相壓降低1/3～1/2，傳質(zhì)單元高度最小為9.5mm，設(shè)備體積小，能耗小，特別是不易液泛；在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上栗秀萍等[11]又對超重力場中甲醇-水溶液的精餾過程進(jìn)行了研究，除得出了與先前實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果外，還建立了超重力裝置精餾過程的另一傳質(zhì)模型與流體力模型，即超重機(jī)精餾全回流操作的氣相△P=39.25β0.3215F0.4535L0.2961，其中L為回流量。此模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,平均偏差為5.64%，說明該關(guān)聯(lián)式能很好地吻合試驗(yàn)數(shù)據(jù)；在以上對旋轉(zhuǎn)填料床精餾特性研究的基礎(chǔ)上,中北大學(xué)的喻華兵等以塑料多孔板為填料、乙醇-水為體系,進(jìn)一步研究了

25、氣相動能因子(F)、超重力因子(β)和回流量(L)對旋轉(zhuǎn)填料床流體力學(xué)特性的影響，研究表明氣相壓降隨著F、β和L得增加而增加，證明了旋轉(zhuǎn)填料床的壓降較小，其基本范圍為50~400Pa，能耗較低；康榮燦等。研究了填料結(jié)構(gòu)對錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳質(zhì)性能的影響，得出在錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床中體積傳質(zhì)系數(shù)隨超重力因子、氣液流量的增加而增大的結(jié)論，并針對四種不同填料分別建立、證明了傳質(zhì)系數(shù)模型，其擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，最大相對誤差14.6%,平均相對誤差3.6%,模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合很好；鮑鐵虎等[14]對轉(zhuǎn)子直徑為500mm的折流式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了精餾試驗(yàn),在液體流量25L/h、轉(zhuǎn)速1200r/min的操作條件下,獲得

26、9.8塊理論塔板的效果,傳質(zhì)單元高度為5cm。以上這些基礎(chǔ)研究雖然還未達(dá)到工業(yè)化的程度，卻為超重力技術(shù)應(yīng)用于精餾過程提供了大量可貴的數(shù)據(jù)。 在實(shí)際應(yīng)用方面，浙江大學(xué)曾進(jìn)行過超重力環(huán)境下精餾分離乙醇－水體系，得到的傳質(zhì)單元高度為4cm左右，此結(jié)果與美國奧斯汀大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不謀而合；近年來，浙江工業(yè)大學(xué)分離工程研究所與杭州科力化工設(shè)備有限公司聯(lián)合開發(fā)出的超重力精餾設(shè)備——折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，已成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)精餾過程，此設(shè)備直徑為830ｍｍ、高度僅為0.8ｍ，其分離效果與10多米高的填料塔相當(dāng)，可達(dá)15～20塊理論板，而設(shè)備的占地面積不足2ｍ２，開創(chuàng)了在單臺超重力旋轉(zhuǎn)床設(shè)備中實(shí)現(xiàn)工業(yè)

27、生產(chǎn)中連續(xù)精餾過程的先河。 由此可見，不同的研究者利用不同的體系得出了近乎相同的結(jié)論，這給了一個(gè)重要的啟示，利用超重力技術(shù)進(jìn)行精餾操作，只要填料選擇得當(dāng)，定會取得理想的分離效果。 5. 設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容 超重力水氧分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容 （1）設(shè)計(jì)思路概述 在本文中，主要采用了氣體里的CO2吸收作用。采用弱酸（CO2）—弱堿（有機(jī)胺）—無機(jī)鹽完成吸收作用。設(shè)計(jì)出在上述反應(yīng)條件下的反應(yīng)器，并采用數(shù)值模擬方式展開研究。具體內(nèi)容如下所述： （1）針對超重力機(jī)完成對全球應(yīng)用情況以及研究程度的調(diào)查研究。了解全球超重力填充床反應(yīng)設(shè)備的研發(fā)狀況，掌握旋轉(zhuǎn)床的運(yùn)行原理，為

28、之后旋轉(zhuǎn)床的實(shí)際設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備； （2）按照已有的超重力機(jī)在設(shè)計(jì)工作中所需要處理的問題展開研究分析，制定反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式； （3）針對混合氣里的CO2挑選出合理的反應(yīng)指數(shù)，同時(shí)確定在本次設(shè)計(jì)里需要運(yùn)用的各種指數(shù)，滿足增大傳遞效率的要求。 （4）在上述研究分析的基礎(chǔ)之上，完成針對填充床的設(shè)計(jì)作業(yè)，明確實(shí)際的運(yùn)行指數(shù)； （5）按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完成填充床的設(shè)計(jì)工作，其中主要有材料的挑選、填充材料、噴淋管、轉(zhuǎn)軸以及氣液接口等各種零部件的設(shè)計(jì)； （6）按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對填充床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開了檢測校核，其中主要有臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)軸角速度、氣壓大小等，保障

29、設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)定要求； （7）針對轉(zhuǎn)子體系完成動平衡的檢測校核，充分確保填充床運(yùn)行的安全性； 在本次設(shè)計(jì)中，運(yùn)用到了流體力學(xué)、機(jī)械工程以及動力學(xué)等多門學(xué)科的理論知識，針對填充床的工作效率展開了深入的研究分析。通過本次論文的深入研究分析，能夠?yàn)楹罄m(xù)相關(guān)方面的研究工作供應(yīng)多種理論依據(jù)，同時(shí)還可以為其他多種類別的氣液傳遞技術(shù)供應(yīng)參考建議。 （2）方案確定依據(jù)及選型 立式填充床和臥式填充床相比，其占地面積更小，工作性能更加穩(wěn)定，此外，立式填充床只需要一個(gè)垂直的支承，因而設(shè)計(jì)工作更加簡單，很好的預(yù)防了兩邊支承受力不平衡而造成的晃動，轉(zhuǎn)軸碎裂等意外事故。立式填充床里的液體可以有效地保

30、障左右對稱，傳遞效果良好，所以針對氣體的吸附效果更加令人滿意，在本次設(shè)計(jì)中，我選用立式填充床。 填充床層的設(shè)計(jì) 如下圖3-3所示：下圖是超重力機(jī)轉(zhuǎn)子填料層的組成圖。其中，內(nèi)徑是R1，填料層的高度是b，外徑是R2。 （1）內(nèi)半徑R1的確定 在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的是立體式的結(jié)構(gòu)組成，氣體與液體的連通模式是旋轉(zhuǎn)逆流傳導(dǎo)，其中，主要反映就是氣-液兩項(xiàng)接觸反應(yīng)，因此在填料層中間位置的下端需要進(jìn)行封閉處理，這就要求填充層的內(nèi)徑必須大于氣體進(jìn)口處的半徑，從而能夠包含噴淋管管徑，取內(nèi)徑R1=40mm （2）填充床層高度b的確定 在本次設(shè)計(jì)里，填料層高度的選擇需要根據(jù)轉(zhuǎn)子

31、的系統(tǒng)構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由上下端口以及填充材料構(gòu)成，下端采用限位銷、鍵面以及轉(zhuǎn)軸進(jìn)行固定處理，因此僅有轉(zhuǎn)軸以及和轉(zhuǎn)子連接非常牢固的轉(zhuǎn)子，在工作的時(shí)候才能夠保持平衡。上下端口都是整體系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)，液體能夠完全浸潤填充材料，所以在材料層的高度的設(shè)計(jì)作業(yè)里，必須考慮填充材料的系統(tǒng)構(gòu)造，選取b=50mm 填充床層外半徑R2的確定 在超重力機(jī)里，氣液傳導(dǎo)的作用基本上都是通過填料表層的液膜以及液滴中完成，這樣以來，填充材料的表層潤濕性就可以用來判斷液體能否在填料表面構(gòu)成液態(tài)膜，假如填充材料沒有徹底潤濕，填充材料的表面就不能被有效充分使用。 超重力機(jī)和普通的塔器裝置不同，液體是由填充層的內(nèi)部

32、向填充床的外部進(jìn)行流動，同時(shí)在流動過程中，液體的流量截面積在不斷增大，液體的噴射密度在不斷減小，假如必須保障填充材料徹底潤濕，那么填充材料內(nèi)部的液體噴淋量必須大于最下選用填充材料的外徑進(jìn)行運(yùn)算校對。 （4）轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)，其一是強(qiáng)度要求，轉(zhuǎn)子需要足夠的強(qiáng)度支撐填充床層；其二是轉(zhuǎn)子表面的開孔率要高，從而使流通的面積變大。然而這兩個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是互相掣肘的，如果提高開孔率會使轉(zhuǎn)子的金屬部分變少從而減小轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。所以需要在兩者之前找到平衡。 常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有鼠籠型和圓筒型開孔轉(zhuǎn)子兩者，后者通常是由鋼板卷焊成，如果增加開孔率則會大大增加轉(zhuǎn)子壁的厚度，使設(shè)備的投入增加，

33、而選用鼠籠型則可以避免后者的缺點(diǎn)。故本次設(shè)計(jì)選取鼠籠型結(jié)構(gòu)（鼠籠型結(jié)構(gòu)如下圖3-4）。該結(jié)構(gòu)由上下端蓋、襯套、螺母、螺栓組成，上下端蓋和襯套的材料為Q235，螺母和螺栓的材料為40Cr。 圖3-4 鼠籠型轉(zhuǎn)子示意圖 （5)機(jī)械密封系統(tǒng)的選定 機(jī)械密封（又稱端面密封）是動力機(jī)械和流體機(jī)械中不可或缺的零部件。在化工裝置的使用中，所處理的氣體、液體大多數(shù)易燃易爆或有腐蝕性，如果密封失效導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，后果不堪設(shè)想。所以在超重力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，密封系統(tǒng)的選定十分重要。

34、 在本次超重力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我準(zhǔn)備采用集裝式機(jī)械密封。這種密封裝置的靜環(huán)、動環(huán)、軸套和壓蓋與輔助密封在安裝之前用一軸套都集裝在一起，便于拆裝檢查和維修零部件。?集裝式密封操作比較容易，使用者普遍可以接受。它所采用的彈簧壓縮、密封截面面積、平衡性以及O?形圈的過剩量等都是長時(shí)間實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積以及使用者反饋所收集到的信息。今后機(jī)械密封的發(fā)展方向主要有：選取集裝式密封最合適的系數(shù)，自動機(jī)械安裝誤差減小，沒有彈簧堵塞問題，沒有O形圈損耗等。 在本次超重力機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)作業(yè)中，采用的集裝式密封的優(yōu)勢在于： 1. 安裝時(shí)裝配比較方便； 2. 機(jī)械設(shè)備熱膨脹之后可以重調(diào)； 3. 利用配合可以自定

35、中心； 4. 安裝時(shí)不需要測量密封工作長度。 （6）密封防腐設(shè)計(jì) 超重力水氧分離裝置中，密封是必不可少的，本設(shè)計(jì)中的密封，主要是轉(zhuǎn)子主軸與箱體連接部分，正常工作時(shí)，主軸受到的軸向力不僅較大，而且較為復(fù)雜，這樣對主軸軸承要求嚴(yán)苛，因此考慮了主軸軸向力的平衡問題，設(shè)計(jì)了如下密封結(jié)構(gòu)，如圖4。 圖4 密封結(jié)構(gòu) 6. 文獻(xiàn)查閱概況 [1]王玉紅，郭鍇，陳建峰，等．超重力技術(shù)及其應(yīng)用[J]．金屬礦山，1999 [2]王玉紅．旋轉(zhuǎn)床超重力場裝置的液泛與傳質(zhì)特性研究[D]．北京：北京化共大學(xué)，1992 [3]王信義，計(jì)志孝，等。機(jī)械制造工藝學(xué)[M]。北京：北京理工大學(xué)出版社，

36、1990 [4]傅水根，機(jī)械制造基礎(chǔ)[M]。北京清華大學(xué)出版社， 1998 [5]王桂輪.旋轉(zhuǎn)床超重力場中傳質(zhì)機(jī)理的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，1994 [6]張潤福，等。機(jī)械制造設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]。武漢：華中理工大學(xué)出版社， 1999 [7]寧方堯.超重力傳遞機(jī)理初探[J].環(huán)境污染治理技術(shù)設(shè)備,2005年第五期 [8]金問楷，機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)[M]。北京，清華大學(xué)出版社， 1990 [9]孫學(xué)強(qiáng)，等。機(jī)械加工技術(shù)[M]。北京，機(jī)械工業(yè)出版社， 1999 [10]蔡穎，等。CAD/CAM原理與應(yīng)用[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003 [11]王

37、紹俊，機(jī)械制造工藝學(xué)設(shè)計(jì)手冊[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1987 [12]劉功爾，等。機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊：基礎(chǔ)互換性卷[M]。北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2001 [13]李建峰，超重力技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [14]王玉紅，賈志謙，陳建峰，鄭沖，超重力技術(shù)及其應(yīng)用，金屬礦山，1999，4，pp25～pp29 [15] A．Chandra，P．S．Goswami，and D．P．Rao． Characteristics of Flow ina Rotating Packed Bed (HIGEE) with Split Packing．[J]Ind．Eng．Chem

38、．Res．2005，44．4 O51—4 060 [16].Nicholls-Lee, R.F., S.R. Turnock and S.W. Boyd, Application of bend-twist coupled blades for horizontal axis tidal turbines. Renewable Energy, 2013. 50: p. 541-550. [17].Lee, J.H., et al., Computational methods for performance analysis of horizontal axis tidal stream

39、turbines. Applied Energy, 2012. 98: p. 512-523. [18].Jo, C., et al., Performance analysis of a HAT tidal current turbine and wake flow characteristics. Renewable Energy, 2014. 65: p. 175-182. [19].田應(yīng)元, 張?jiān)坪Ｅc任翀,超重力發(fā)展方向及技術(shù)路線思考. 能源工程, 2010(01): 第9-14頁. [20].劉湘晨, 蔡曉君與白山, 超重力開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)研究方向探討. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)

40、, 2014(03): 第22-25頁. 7.設(shè)計(jì)（論文）提交形式 畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙 畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 外文翻譯資料 8.進(jìn)度安排 第四周： 相關(guān)資料的搜集，英語文獻(xiàn)的翻譯及編寫開題報(bào)告。 第五周： 相關(guān)資料的搜集，英語文獻(xiàn)的翻譯及編寫開題報(bào)告。 第六周： 轉(zhuǎn)子的選型與參數(shù)計(jì)算，方案內(nèi)容的確定。 第七周：氣體和液體入口及出口的設(shè)計(jì)計(jì)算。 第八周： 噴淋管的選型與計(jì)算 第九周： 填料床層的設(shè)計(jì)計(jì)算。 第十周： 轉(zhuǎn)動軸的設(shè)計(jì)計(jì)算。 第十一周：總體布局。 第十二周：超重力水氧分離裝置總體優(yōu)化及繪圖。 第十三周：超重力水氧分離裝置總體優(yōu)化及繪圖。 第十四周：超重力水氧分離裝置總體優(yōu)化及繪圖。 第十五周：超重力水氧分離裝置總體優(yōu)化及繪圖。 第十六周：超重力水氧分離裝置控制部分設(shè)計(jì)及電氣原理圖繪制。 第十七周：編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，形成畢業(yè)設(shè)計(jì)全部文件，準(zhǔn)備答辯。 第十八周：畢業(yè)答辯。 9. 指導(dǎo)教師意見 簽名： 年 月 日