超重力機結構設計研究

摘 要超重力機作為一種新型、高效的強化傳質設備，已被廣泛用于化工分離與納米材料制備領域。超重力濕法高精度脫除低濃度煤氣中的硫化氫的成功運行，有望替代傳統(tǒng)干法脫除的工藝?？梢詮V泛應用于煤氣天然氣、等工業(yè)氣體中的脫硫。超重力技術能高效率脫除高濃度體系中的高濃度，這樣的技術指標和運行成本是傳統(tǒng)脫硫塔技術遠遠達不到的；高精度脫除天然氣中的硫化氫技術，基本達到干法精脫硫的效果，但其經濟技術指標明顯優(yōu)于干法技術。因此，有理由相信，超重力機將會廣泛應用到天然氣、石油氣以及水煤氣等氣體的硫化氫去除作業(yè)，創(chuàng)造出巨大的經濟收益以及社會進步。本文是在收集超重力機（旋轉填充床）的設計、計算、分析、使用等資料的基礎上，參照現在超重力機有關的設計理論以及方法，來完成對超重力機的結構設計。 關鍵詞：超重力機；脫硫率；體積傳質系數；Abstract As a kind of new and highly efficient mass transfer equipment, the super gravity machine has been widely used in the field of chemical separation and preparation of nano materials. High precision removal of hydrogen sulfide from low concentration gas by high gravity wet process is expected to replace the traditional dry process. Can be widely used in gas, gas, and other industrial gases in the desulfurization. High gravity technology energy efficient removal of high concentration system in high concentration, such technical indicators and the running cost is the traditional technology of desulfurization tower fell far short of the; high precision removal from natural gas hydrogen sulfide technology, basically reached the dry desulfurization effect, but its economy and technology refers to indicate significantly better than dry technology. Therefore, there is reason to believe that high gravity apparatus can be widely used in natural gas, refinery gas, synthesis gas, gas and other gas hydrogen sulfide removal, will bring obvious economic benefit and social benefit.This article is in collecting hyper gravity machine in a rotating packed bed (RPB) design, calculation, analysis and use of data base, with reference to the now high gravity machine the design theory and method, to complete the structural design of high gravity machine.Keyword: Super gravity machine; desulfurization efficiency; volumetric mass transfer coefficient目 錄第一章 緒 論41.1 超重力技術研究背景41.1.1超重力技術41.1.2 超重力旋轉填充床的研究和意義51.2超重力機的結構特點和操作原理51.2.1超重力機的工作原理和類型51.2.2超重力機的轉子結構61.2.3超重力機的基本特點81.3超重力機的國類外研究進展91.3.1國內外現狀101.3.2超重力機的工業(yè)化應用現狀101.4本論文研究的目的、意義和內容111.4.1本論文研究的目的和意義111.4.2本文的研究內容12第二章 方案及反應參數擬定122.1方案內容132.2方案確定依據及選型132.3本章小結13第三章 超重力機的設計及計算133.1 超重力機的整體結構133.2主要部件尺寸的確定143.2.1氣體和液體的入口以及出口管直徑143.2.2選擇噴淋管以及尺寸的確定153.2.3填充床層的尺寸163.2.4 填料的選擇183.3轉子的結構設計和強度計算183.3.1轉子的結構設計183.3.2轉子強度的計算193.4功率計算193.5轉動軸的設計213.6機械密封系統(tǒng)的選定223.7超重力機外殼尺寸的確定223.8本章小結22結 論23致 謝23參 考 文 獻24第一章 緒 論 1.1 超重力技術研究背景 所有在地球上的物體都會受到地球引力的作用，而作為兩類極端的受力作用環(huán)境微重力條件以及超重力條件，為物理學、化學、材料學以及生物學等打開了全新的研究領域，添加了極大的生命活力。在微重力科學不斷發(fā)展，為大眾廣泛接受的同時，超重力科學也逐步開始引起大眾的注意力。新世紀以來，全球的專家學者都十分關注超重力科學研究，指的是采用旋轉設備形成一類特殊的工作環(huán)境，也就是超重力條件，其加速度比重力加速度大許多。在超重力作用下，不同類型分子之間相互作用以及傳導過程都比一般重力作用下速率大很多，不僅僅導致整個反應體系的速率提高，令單位設施體積的工作效率大大提升，大約提升12個數量級，進而充分精簡化設計體積，令過去數十米高的大型設備縮小為高度低于兩米的超重力機。所以，超重力技術被認為是提高傳導以及多體系作用過程的一項創(chuàng)新性技術手段，被稱之為跨世紀的領先技術，同時，超重力機也美稱之為“化學工業(yè)中的晶體管”。 1.1.1超重力技術 超重力技術是使用某種方法讓物體在地球的萬有引力場之下可以獲得比地球加速度大得多的力。一般情況下我們實現超重力環(huán)境是通過讓物體旋轉來獲得離心力。它使重力加速度轉化成為離心加速度，打破一般重力場里加速度的條件限制。在超重力作用下，參加反應或者準備分離的液體分子在比重力加速度大上百倍甚至千倍的超重力作用下，通過多孔介質完成流動傳遞，不同類型的分子之間進行擴散，其擴散速率要比在地球重力場作用下的大很多，超強的剪切力把液體瞬間打碎成為納米級別的顆粒，同時形成巨大的、不斷交替的相界面，傳導速率要比在普通塔器里的大很多，大約13個級別。由超重力技術現世以來，因其相對于傳統(tǒng)的傳質設備具有體積小、重量輕、容易操作、可以用于不同環(huán)境等特點，得到了很多相關研究者的熱切關注。特別是在化工方面有廣闊的應用前景。 1.1.2 超重力旋轉填充床的研究和意義超重力填充床設備，長期以來都是全球研究傳質學科重點關注的一門前沿性創(chuàng)新項目課題。即使這項技術的應用時間比較短，但是截至目前看來，它的發(fā)展前景非常廣闊，體現出了強大的競爭力，特別是在在納米材料的生產方面，超重力技術具有天然的優(yōu)勢令他獲得了眾多專家學者們的關注。不僅在納米材料學科領域里獲得廣泛的應用，超重力技術還在原油冶煉、環(huán)境治理、物理化學等各大領域里具有重大應用價值。最近幾年以來，超重力型填充材料床設備的研究發(fā)現已經有了突破性的進步發(fā)展，但是這門全新的可續(xù)技術，它還有很多尚待發(fā)掘的性能特點，需要專家學者的深入研究。從工業(yè)實踐方面分析，超重力填充床還沒有得到廣泛的應用，這項技術的推廣使用還有待提高。 1.2超重力機的結構特點和操作原理 1.2.1超重力機的工作原理和類型超重力機作為一類全新的強化傳導設施在化工領域迅速發(fā)展進步，截至目前，超重力機的構造，通常有立式以及臥式兩類。根據流體在填料層中的流動方式通常又可以劃分為逆流型以及錯流型兩種，例如下圖1-1所示。旋轉填充材料床是由轉軸、格箱、噴淋管以及液體傳送管等各類零部件構成，轉軸是旋轉填充材料床中十分關鍵的組成，通常用作加固以及連動填充材料進行旋轉。 圖1-1 旋轉填充床分類錯流型填充床的基本特征有：在液相中，采用中間靜止的噴淋管完成噴灑作業(yè)，噴灑到正在高速旋轉的填充材料中。流入轉子的液體在強大離心力的作用下，旋轉速率大幅提高，穿過填充材料層之后，在填充床的內部完成集聚，從排液口流出。氣相采用軸向運動穿過轉子填充材料層，在填充材料層里完成兩者的相互接觸，在填充材料的表面實現氣液兩相之前的相互轉化過程。旋轉填充材料床逆流的基本原理是：當氣體流入旋轉填充材料床的邊緣位置之后，從外到里在巨大壓力作用下完成逆向流動，最后在填充材料的外部滲透出。液體從進液管中流入。使用噴淋管噴射，噴灑在填充材料的內部。流入轉子的液體隨著轉子中填充材料的轉動，旋轉速率提高，在離心力作用下，徑向流出。在兩相傳遞過程里，填充材料將液相分開、破裂進而生成許多實時更新的液滴，同時填充材料通道又令液相的表面不斷更新，在旋轉床中構成了良好的傳遞和作用環(huán)境，令氣相、液相之間的接觸效率充分提升。 1.2.2超重力機的轉子結構超重力機結構中十分關鍵的組件就是轉子，轉子的主要作用在于：一是固定填充材料，二是帶動填充材料進行旋轉，使氣液相接以及微觀轉化獲得良好的運行效果，截至目前，超重力機的轉子構型有填料式、碟片式、折流式以及螺旋式。整體來說，填料式是應用范圍最廣的轉子類型。 1.填料式轉子填料式轉子結構示意圖如下圖1-2所示，主要是在轉子內部添加填充材料，填充材料的填充方式通常選用高空隙率以及大比表面積的散裝方式或者整裝模式，填充材料通常都是選用顆粒狀、金屬絲網狀或者波紋狀等類型。和重力場作用下的傳遞對比，旋轉床中轉子的工作效率基本上是采用減小液膜的厚度，提高接觸面積等方式改善的。除此之外，傳質還能夠在填充材料之間的縫隙或者設備間隙里的液體表面完成。 圖1-2 填料式轉子示意圖 2.碟片式轉子碟片式轉子的填充材料選用平面碟片型填充材料，中心福射狀填充材料以及同心圓波紋型填充材料。它作為一類可以良好較地提升氣液傳遞頁面的填充材料，其主要優(yōu)勢在于兩相之間的傳遞面積遠遠大于填充材料的表面積。氣液傳遞的效率有了充分的改善，同時也大大減小了填料的損耗，因而設備結構簡單、排布合理緊湊，其基本組成如下圖1-3所示。 圖1-3 碟片式轉子示意圖 3.螺旋式轉子 如下圖1-4所示，螺旋式轉子中間是一個空腔，在轉盤中設置有螺旋型旋轉葉片。但是因為氣液兩相傳遞的時間變長，而相接表面和其他填充材料轉子的相接面積一致，都是采用降低液膜厚度以及提高液體在轉子里的傳遞時間來增強液體傳遞效果的，其主要優(yōu)勢在于構造簡單，加工容易，不會產生堵塞問題等。 圖1-4 螺旋式轉子示意圖 4.折流式轉子 折流式轉子指的是最新研發(fā)的轉子。如下圖1-5所示。這類轉子是由轉動盤以及不動盤構成。轉動盤和不動盤中都安裝了擋圈，不動盤中的擋圈保持靜止，和其他類型的轉子對比，這類轉子動靜相互結合，氣液相接轉化更加快速；氣液在轉子里進行“S”型逆流傳遞，將兩相之間的傳遞時間大大延長；液相在轉子里的分布更加均勻、合理，因此這類轉子的基本特點有：工作效率很高，結構清晰，維修方便等，但是電能消耗比較大。 圖1-5 折流式轉子示意圖 1.2.3超重力機的基本特點 優(yōu)點： 1.超重力的主要優(yōu)點是它的小尺寸和低重量。福勒（1989 B）發(fā)現相比于去除CO的等效柱，超重力的單位將為36.FT比在高度和重達60000磅的少。超重力的小尺寸使得它有利于為高壓力的服務，為殼的材料節(jié)省顯著，在服務建設昂貴的合金是必需的（福勒1989a）。超重力的結果為基礎，支持儲蓄較低的重量，這是在支持的應用和改造的重要價值。超重力裝置可以安裝在滑動（1989）。 2.小尺寸和低重量的超重力裝置可以讓他們被從一個加工廠到另一個（福勒1989；凱萊赫1993）。這使得超重力裝置適合現場處理。該單位也可以被安置在建筑物的內部他們在溫帶和寒冷氣候條件下全年可操作。 3.超重力的單位是不敏感的運動（福勒1989）。隨著他們的小尺寸和重量輕，這使得超重力單位在船上應用。 4.在超重力液體停留時間短，使得它非常適合處理熱敏感材料（福勒1989）。平均液停留時間為12級秒（keyvani 1989）。5。超重力單位可能達到穩(wěn)定狀態(tài)更迅速，相比傳統(tǒng)的造成不合格產品可能性小（福勒1989）。 缺點： 1.超重力機是一個旋轉裝置，需要額外的電源（福勒1989 B；凱萊赫1993）。超重力機操作成本會高于可比常規(guī)高。超重力旋轉的填料使容易密封失效。 2.傳統(tǒng)的超重力轉子機械裝置不提供一些中間的徑向距離內的外周或眼的填料。因此，連續(xù)蒸餾，兩超重力單位被要求整改,分別為一個精餾部分和一個剝離部分（Wang et al。2008）。 3.填料的結果是更大的降低超重力旋轉轉子（福勒1989b）。 4.液體在外周的分布，或眼，極大地影響了超重力機的性能（Trent 1999）。對于大的液體負荷，防止轉子從它的旋轉平面上偏移均勻的液體分布是必不可少的。 5.液體流中的固體的存在可能會阻塞旋轉填料。6.缺乏關于擴大，機械設計，控制理念，成本，和可靠性限制超重力機的使用。 總之，超重力似乎很適合小型、熱敏性流體的場內加工.小的尺寸和重量允許安裝在可移動的安裝滑道上. 1.3超重力機的國類外研究進展 1.3.1國內外現狀 因為超重力技術具有很多優(yōu)點，全球很多大型化工企業(yè)都紛紛開始針對這門技術進行研究創(chuàng)新，并展開了一系列的調試以及工業(yè)試運行，但是具體的商業(yè)性運用還沒有大幅的報道。與此同時，西方很多大學、研究所也在大型化工企業(yè)的贊助下開始投入到超重力方面的研究當中。 針對超重力方面的研究，截至目前，已逐漸發(fā)展成為處理過程高效、可靠、穩(wěn)定、低污染，促進社會進步以及經濟快速發(fā)展的新型可續(xù)技術。在西方很多發(fā)達國家都已經把這門技術定義為二十一世紀化工領域中最為重要的發(fā)展方向之一。 可以說，在二十一世紀中，超重力的技術手段將發(fā)展成為提升國民經濟等多個領域里最為廣泛運用的新型科學技術。 截至目前，全球各國都掀起了研究超重力傳導技術的熱潮。從最先開始研究這個領域的國家英國，快速擴增到中國、日本、加拿大等多個國家。 1.3.2超重力機的工業(yè)化應用現狀 1.超重力機在分離工業(yè)方面的應用 在分離工業(yè)領域中，超重力機通常應用在原油脫氧、精煉分離以及硫化氫去除等多個方面 超重力機在油田注水脫氧方面：截至目前，在原油脫氧技術中廣泛采用的是脫氧塔去氧方式，但是通過脫氧塔去氧之后，液體中只有極少量的溶解氧。很多時候為了令液體中的含氧量滿足相關規(guī)范要求，還必須添加其他脫氧劑。與此同時，為了進一步提升氣液的接觸面方便脫氧處理，普通的塔器一般都建立在高處，鋼材損耗量很大，成本費用也隨之提升。旋轉填充床主要應用在原油脫氧技術中，能夠保障出口處的溶解氧含量達標。這項技術不單單脫氧效果好，工藝流程簡單，同時還能夠大大減少除氧劑的投加量。 超重力機在精餾分離領域的推廣使用：截至目前，隨著高科技產業(yè)規(guī)模的逐步提升，精餾技術由于受到傳統(tǒng)技術方式里裝置體型過大，投資成本過高，能耗較大等多種不利因素的限制，發(fā)展比較緩慢。旋轉填充床技術應用到精餾分離領域中，能夠將氣液傳遞基本單元碎裂成為微米級別甚至是納米級別的液滴，這樣以來，氣液傳遞就是在大于重力數十倍的超重力作用下完成，氣液兩相的接觸面積大大提升，傳遞效率也大幅增高。 超重力機在脫硫領域的使用：截至目前，國內外脫硫手段還是選用傳統(tǒng)的脫硫技術。因為受到地球重力場的作用，一般的脫硫技術存在處理速率較慢，運行效果差，裝置體型過高、投資成本大、設備容易堵塞，維修困難等問題。旋轉填料床里的脫硫技術結合普通的脫硫技術，采用超重力作用大大提升脫硫的作用效果，減少反應時間，同時處理后的濃度滿足國家標準要求。 2.超重力機的納米材料制備方面的應用 納米材料作為新世紀的主要材料之一，截至目前，人們已經能夠生產出粒度非常小的金屬型、復合型、碳化物型材料等等，但是卻很難生產出納米鹽材料。這是由于納米鹽的加工流程非常復雜，關系到兩相之間轉化、反應、結合等，它不單單改變反應速率，而且可以嚴重影響最終產品的性質。因此，需要充分強化兩相之間的傳遞意思微觀混合作用，在分子級別上合理地調控化學反應以及結晶作用，進而生產出粒度較小、分布均勻的納米材料。 3.超重力機的快速反應過程中的應用 因為超重力機的操作非常靈活，可以快速、有效、可靠的完成微觀混合作用，穩(wěn)定所需時間很短，所以在多種工業(yè)領域得到廣泛的應用。例如北京化工大學退出了二苯甲焼二異氰酸酯，具有很好的經濟效益，生產過程中的能耗也大大降低，產品的質量水平也滿足全球領先技術要求。 1.4本論文研究的目的、意義和內容 1.4.1本論文研究的目的和意義 作為一類全新的氣液傳遞裝置，和普通的塔器裝置對比，超重力機具備傳遞系數大、體型小、重量小、應用面廣泛等優(yōu)勢，逐漸吸引到更多的專家學者的關注。自從旋轉填充床在國內應用以來，針對旋轉床的設計還一直處于摸索時期，針對旋轉填充床的設計原理的文獻非常缺乏。截至目前，根據最新的資料分析來說，基本上還是在基礎性的運用研究，工業(yè)產業(yè)化的報道很少。這是由于反應設備還不夠完善，很多應用方面需要不斷改進。在綜合工程使用過程里，也具有一系列的問題，因此，順利完成的工程項目實例很少，從而嚴重限制了旋轉填充床的推廣使用。采用數值模擬展開分析研究，合理化旋轉床的各項參數，為深入研究以及實踐操作供應理論依據以及技術手段。為之后研發(fā)推廣具備優(yōu)良穩(wěn)定性的旋轉填充床供應有效地測試數據以及理論基礎。1.4.2本文的研究內容 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（有機胺）無機鹽完成吸收作用。設計出在上述反應條件下的反應器，并采用數值模擬方式展開研究。具體內容如下所述： （1）針對超重力機完成對全球應用情況以及研究程度的調查研究。了解全球超重力填充床反應設備的研發(fā)狀況，掌握旋轉床的運行原理，為之后旋轉床的實際設計工作做好準備； （2）按照已有的超重力機在設計工作中所需要處理的問題展開研究分析，制定反應設備的結構方式； （3）針對混合氣里的CO2挑選出合理的反應指數，同時確定在本次設計里需要運用的各種指數，滿足增大傳遞效率的要求。 （4）在上述研究分析的基礎之上，完成針對填充床的設計作業(yè)，明確實際的運行指數； （5）按照國家相關標準規(guī)范，完成填充床的設計工作，其中主要有材料的挑選、填充材料、噴淋管、轉軸以及氣液接口等各種零部件的設計； （6）按照國家相關標準規(guī)范，對填充床的結構設計展開了檢測校核，其中主要有臨界轉速、轉軸角速度、氣壓大小等，保障設計滿足相關規(guī)定要求； （7）針對轉子體系完成動平衡的檢測校核，充分確保填充床運行的安全性； 在本次設計中，運用到了流體力學、機械工程以及動力學等多門學科的理論知識，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，能夠為后續(xù)相關方面的研究工作供應多種理論依據，同時還可以為其他多種類別的氣液傳遞技術供應參考建議。 第二章 方案及反應參數擬定 2.1方案內容 工藝條件：本研究是天然氣中H2S的吸收來達到脫硫目的，當然使用的設備是超重力旋轉填料床。工作原理則是通過堿液（Na2CO3）鐵離子（Fe3+）氧化得到硫，最后硫以泡沫的形式離開反應系統(tǒng)。通過超重力機吸收天然氣中H2S的主要反應方程式如下：(a)堿液把天然氣中的H2S吸收使之成為液相：(b) S2離子被鐵離子氧化從而生成單質硫： 工藝條件:工作溫度最大值是50，額定工作溫度是20，在大氣壓強條件下，液體流量是100L/h，氣體流量是0.5m3/h，電動設備的轉速可以調節(jié)。 2.2方案確定依據及選型 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垂直的支承，因而設計工作更加簡單，很好的預防了兩邊支承受力不平衡而造成的晃動，轉軸碎裂等意外事故。立式填充床里的液體可以有效地保障左右對稱，傳遞效果良好，所以針對氣體的吸附效果更加令人滿意，在本次設計中，筆者選用立式填充床。 2.3本章小結 在本章中，筆者結合全球各國的研究現狀，包括具體應用范圍，從可以有效運用的出發(fā)點展開分析討論，初步設計一類旋轉立式填充床模型，基本思路如下：（1） 設計基本原則：具有良好的實用性、有效性以及安全性； （2）設計基本思路：選擇出一類相對可行的操作方案，研究分析旋轉型填充床的基本原理以及操作方式，展開系統(tǒng)結構規(guī)劃，之后再按照實際運用環(huán)境以及運行狀況針對轉子完成模擬仿真處理；（3）設計初步方案：采用針對臥式、立式兩類填充床的設計方案對比分析，明確填充床的設計形式。第3章 超重力機的設計及計算 3.1 超重力機的整體結構超重力機與傳統(tǒng)反應塔相比是使用高速旋轉的生產裝置來替代固定的生產裝置，此設備的出現使得投資費用降低很多，而且設備體積也是大幅度減小，因而占地也會減小，生產效率會比以前高上很多。在設計過程中必須要設計出一套完善的密封系統(tǒng)，因為超重力機需要具備良好的密封性才能實現快速地混合與分離。根據上述分析，我對超重力機進行了整體設計，如下圖所示： 圖3-1超重力機整體結構的示意圖 針對一臺能夠滿足工藝設計要求同時能夠正常工作的超重力機，我們在設計時要考慮下面的幾個方面： （1）計算功率并選擇合適的電動機 （2）確定重要附件的尺寸大小 （3）設計轉動軸計算臨界轉速并校核其強度 （4）設計轉子結構并計算強度 （5）確定合適的密封系統(tǒng)，這是也是最主要考慮的因素 3.2主要部件尺寸的確定要完成超重力旋轉填充材料床的設計工作，就必須充分考慮各個關鍵部件的尺寸大小，這些部件主要是：填料層尺寸大小氣體進出口管直徑選擇噴淋管類型及其尺寸液體進出管口直徑 3.2.1氣體和液體的入口以及出口管直徑已知液體流量L=100L/h，氣體流量G=0.5m3/h。那么根據查得公式可以得出其中 Vg氣體的實際流速，進行設計的時候，通常選用Vg=10m/s; L液體的實際流量，單位m3/h； Dl液體入口處的管徑，單位m； G氣體的實際流量，單位m3/h； Dg氣體進口管內徑，單位m； Vl液體流速，設計時一般取Vl=3m/s。 由(3-1)跟(3-2)兩式求出Dl =3.4mm；Dg= 4.2mm由實際生產的鋼鋼規(guī)格，最終選用的液體管口尺寸為10mm；氣體管口尺寸為14mm。3.2.2選擇噴淋管以及尺寸的確定 噴淋管是超重力機上的重要附件之一，它的結構會影響到設備的運行效率。在本次設計中，筆者采用直管傳遞液體，這樣以來，能夠令液體表現出非常合理的工作狀態(tài)。 噴淋管具有開孔型以及開縫型兩類，筆者選擇的是開孔結構的噴淋管。這是因為開孔型噴淋管可以讓液體在噴淋管軸向的垂直方向噴出，噴出的方向比較集中，有益于液體在填料層中均勻分布，從而大大地增加傳質效率。 (a)開孔型噴淋管 (b)開縫型噴淋管 圖3-2噴淋管結構示意圖通過液體的實際流量以及液體流通管徑，能夠推算出液體的實際流速，進而推算出噴淋管的總量：在上式里 d噴淋管的內徑大小，單位m； V0液體在噴淋管內流速，m/s 液體的流量已知是100L/h，噴淋管內徑取為10mm，液體在噴淋管內的流速取為3m/s，則計算得出np=0.54，選用2根單側開孔的噴淋管。噴淋管孔徑設定為1mm，開孔數為3個，孔為圓孔，那么噴淋面積為其中 Vp 噴口速度，m/s；通常情況下Vp=1.5V0因此計算可得出Ap=2.510-6m2，噴淋管取2根，單側開孔，孔間距4mm, 每側3孔，填料高度來決定圓孔的垂直距離，噴嘴的面積跟噴淋管噴淋面積。表3-1噴淋管的開孔項目單位數值單個噴嘴面積m26單個噴管所需噴嘴總數量個4.16710-6所需噴嘴的總面積m22.510-6 3.2.3填充床層的尺寸 如下圖3-3所示：下圖是超重力機轉子填料層的組成圖。其中，內徑是R1，填料層的高度是b，外徑是R2。 （1）內半徑R1的確定在本次設計中，我們選用的是立體式的結構組成，氣體與液體的連通模式是旋轉逆流傳導，其中，主要反映就是氣-液兩項接觸反應，因此在填料層中間位置的下端需要進行封閉處理，這就要求填充層的內徑必須大于氣體進口處的半徑，從而能夠包含噴淋管管徑，取內徑R1=40mm（2）填充床層高度b的確定在本次設計里，填料層高度的選擇需要根據轉子的系統(tǒng)構成，轉子由上下端口以及填充材料構成，下端采用限位銷、鍵面以及轉軸進行固定處理，因此僅有轉軸以及和轉子連接非常牢固的轉子，在工作的時候才能夠保持平衡。上下端口都是整體系統(tǒng)構造設計，液體能夠完全浸潤填充材料，所以在材料層的高度的設計作業(yè)里，必須考慮填充材料的系統(tǒng)構造，選取b=50mm（3） 填充床層外半徑R2的確定 在超重力機里，氣液傳導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。超重力機和普通的塔器裝置不同，液體是由填充層的內部向填充床的外部進行流動，同時在流動過程中，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，那么填充材料內部的液體噴淋量必須大于最下值。選用填充材料的外徑進行運算校對；旋轉填料床的外徑為 （3-6） 在上式里 填充材料的比表面積，； 最小噴淋密度，； 最小濕潤速率，取最小的濕潤速率 由以上計算得出，對于一定旋轉填充床： （3-7） 計算的。去填料外半徑為100mm3.2.4 填料的選擇填充材料作為超重力機中十分重要的內部組件，它主要用來增大氣液反應時的接觸面積。填料常用的有金屬、塑料、陶瓷等等。其中金屬調料的通量很高，工作效率良好，但是不銹鋼的成本比較高，一般的鋼材抗腐蝕性太差；塑料填充材料的空隙率很大，而且高溫條件下會熔化；陶瓷材料耐腐蝕，但易碎，空隙率小?？紤]到超重力機所選用的填充材料比塔設備少很多，初步選用不銹鋼型填充材料。填充材料的主要特征如下表3-2所示。 3.3轉子的結構設計和強度計算 填料式轉子目前應用十分寬廣，在本次設計中，筆者選用填充材料型轉子完成設計作業(yè)。 3.3.1轉子的結構設計轉子的結構設計有兩個設計重點，其一是強度要求，轉子需要足夠的強度支撐填充床層；其二是轉子表面的開孔率要高，從而使流通的面積變大。然而這兩個設計重點是互相掣肘的，如果提高開孔率會使轉子的金屬部分變少從而減小轉子的強度。所以需要在兩者之前找到平衡。常見的轉子結構有鼠籠型和圓筒型開孔轉子兩者，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子壁的厚度，使設備的投入增加，而選用鼠籠型則可以避免后者的缺點。故本次設計選取鼠籠型結構（鼠籠型結構如下圖3-4）。該結構由上下端蓋、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 鼠籠型轉子示意圖3.3.2轉子強度的計算轉子在高速旋轉的工作環(huán)境下，產生應力作用主要來自轉子本身的重力作用以及填充材料層在轉子內壁形成的作用力。轉鼓外部螺栓的工作強度必須滿足如下計算式： （3-8）在上式里 最大旋轉彎矩，；能夠在螺栓的受力圖里獲得： 螺栓的工作強度，Pa； 螺釘的工作強度，采用不銹鋼材料，選用 W截面的實際模量大小，針對螺釘，； d螺栓的直徑大小，m。因此，螺釘的直徑大小必須符合 （3-9）由上面的式子可以算出轉子系統(tǒng)的主要參數：轉鼓直徑d=206mm；上下端蓋的厚度為H=8mm；螺栓采用M10，螺栓孔的直徑是；襯套的內徑、外徑大小依次是，；襯套的實際長度。根據材料的獨特性質能夠推算出轉子的工作質量是4.47kg。3.4功率計算超重力機的功率消耗主要包括下面幾點：（1） 液體增大到工作轉速所消耗的功率 = （3-10）在上式里 液體的實際密度， ； 旋轉床旋轉角速度，rad/s; L液體流量，； 填料外半徑，m。由上式計算可得=0.00475KW（2）氣體通過旋轉填料層時壓力變化提供的功率 （3-11） （3-12） 式中 氣體相對密度，； H總壓頭，m； 、 分別指的是氣體進口、出口處的實際壓強； Q進氣總量； 、分別指的是氣體進口、出口處的實際速度。根據上式運算可得明顯比小很多。(3) 液體運動損失的功率 （3-13）在上式里 K 有效阻力常熟，其數值大小和Re數值大小有關； 液體的實際密度，； 填充材料的外半徑以及內半徑，m； 旋轉角速度，; H填充材料層的實際高度，m； a填充材料層的比表面積，。按照液體的物理、化學性質，選取，那么。4. 軸承式密封材料進行摩擦運動所損耗的功率 （3-14）在上式里 F軸承作用力，N： f摩擦指數。綜上可得轉子消耗的總功率為 (3-15)由上式可求得N=0.00497kW，故該超重力機的總消耗功率為0.00497kW 電機負載功率計算 （3-16） 在上式里 轉子材料的組成密度，； 旋轉角速度， 填充材料的半徑； R轉子的外徑： V填充材料的體積， .由上式可以求得P=659.3W 3.5轉動軸的設計 超重力機中的軸是低速轉軸，所以我們設計的軸應該有較好的低溫沖擊韌性和比較低的缺口敏感性，故選用力學性能好的40Cr作為軸的材料。對軸進行扭轉強度計算： MPa （3-17）式中 截面系數，； T扭矩，； 軸的剪切應力，MPa； n軸轉速，r/min; P軸所傳遞的功率，kW； d軸直徑，mm； 軸材料的許用扭剪應力，MPa估算軸的直徑有如下公式： mm （3-18）式中 C由軸的材料和承載能力確定的常數。查40Cr的力學性能表，取C的范圍在107到98之間，大致可以算得傳動軸的直徑d大于14mm傳動軸的強度計算 MPa （3-19）式中 軸應力，MPa； M軸所受的扭矩，； T軸所受的扭矩， ； W軸的抗彎截面系數，； 軸的彎曲應力。 由上式（3-19）可得=26.1MPa，由于選定的材料為40Cr， 查表可知=70Mpa，所以是安全的。 3.6機械密封系統(tǒng)的選定機械密封（又稱端面密封）是動力機械和流體機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、液體大多數易燃易爆或有腐蝕性，如果密封失效導致介質泄漏，后果不堪設想。所以在超重力機的結構設計中，密封系統(tǒng)的選定十分重要。在本次超重力機結構設計中，我準備采用集裝式機械密封。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間實踐經驗的累積以及使用者反饋所收集到的信息。今后機械密封的發(fā)展方向主要有：選取集裝式密封最合適的系數，自動機械安裝誤差減小，沒有彈簧堵塞問題，沒有O形圈損耗等。 在本次超重力機構造設計作業(yè)中，采用的集裝式密封的優(yōu)勢在于：（1） 軸可以隨時調整；（2） 安裝時裝配比較方便；（3） 機械設備熱膨脹之后可以重調；（4） 利用配合可以自定中心；（5） 安裝時不需要測量密封工作長度。3.7超重力機外殼尺寸的確定超重力機外殼主要用來接收在機體內反應時甩出來的液體，外殼的尺寸大小決定了整個超重力機的穩(wěn)定與否。外殼的大小要適中，過大浪費材料，過小會導致氣體在殼體內的旋轉加劇，影響轉子的工作。本次設計的外殼殼體各個部位的尺寸如下表殼體內徑/mm殼體厚度/mm殼體與轉子之間的距離/mm殼體的高度/mm3004501503.8本章小結本章的主要內容是針對超重力機的基本構件完成設計作業(yè)，同時重點對如下多個部件的組成展開了研究分析。（1）對超重力機的主要結構件完成了設計；（2）超重力機轉子的轉子結構設計以及其強度的計算；（3）對超重力機的消耗功率進行了計算；（4）對超重力機的轉動軸進行了結構設計并進行了對其強度的計算；（5）根據超重力機設計的需求選取了一種機械密封的結構對超重力機進行密封方面的結構設計；（6）確定了超重力機外殼的尺寸，并對整體的設計繪制一整套的圖紙；（7）本次設計的超重力機結構簡單，平穩(wěn)運行，是較為使用的化工設備。 結 論本文已超重力機作為研究對象，針對超重力機的在全世界的應用情況以及現如今的發(fā)展狀況開展了深入分析研究，并且按照相關專業(yè)理論知識完成了具體的結構設計，完成了基本的設計流程。運用了AUTOCAD軟件建立了超重力機的模型，在本次