超重力机结构设计研究

.摘 要超重力机作为一种新型、高效的强化传质设备，已被广泛用于化工分离与纳米材料制备领域。超重力湿法高精度脱除低浓度煤气中的硫化氢的成功运行，有望替代传统干法脱除的工艺。可以广泛应用于煤气天然气、等工业气体中的脱硫。超重力技术能高效率脱除高浓度体系中的高浓度，这样的技术指标和运行成本是传统脱硫塔技术远远达不到的；高精度脱除天然气中的硫化氢技术，基本达到干法精脱硫的效果，但其经济技术指标明显优于干法技术。因此，有理由相信，超重力机将会广泛应用到天然气、石油气以及水煤气等气体的硫化氢去除作业，创造出巨大的经济收益以及社会进步。本文是在收集超重力机（旋转填充床）的设计、计算、分析、使用等资料的基础上，参照现在超重力机有关的设计理论以及方法，来完成对超重力机的结构设计。 关键词：超重力机；脱硫率；体积传质系数；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 录第一章 绪 论41.1 超重力技术研究背景41.1.1超重力技术41.1.2 超重力旋转填充床的研究和意义51.2超重力机的结构特点和操作原理51.2.1超重力机的工作原理和类型51.2.2超重力机的转子结构61.2.3超重力机的基本特点81.3超重力机的国类外研究进展91.3.1国内外现状101.3.2超重力机的工业化应用现状101.4本论文研究的目的、意义和内容111.4.1本论文研究的目的和意义111.4.2本文的研究内容12第二章 方案及反应参数拟定122.1方案内容132.2方案确定依据及选型132.3本章小结13第三章 超重力机的设计及计算133.1 超重力机的整体结构133.2主要部件尺寸的确定143.2.1气体和液体的入口以及出口管直径143.2.2选择喷淋管以及尺寸的确定153.2.3填充床层的尺寸163.2.4 填料的选择183.3转子的结构设计和强度计算183.3.1转子的结构设计183.3.2转子强度的计算193.4功率计算193.5转动轴的设计213.6机械密封系统的选定223.7超重力机外壳尺寸的确定223.8本章小结22结 论23致 谢23参 考 文 献24第一章 绪 论 1.1 超重力技术研究背景 所有在地球上的物体都会受到地球引力的作用，而作为两类极端的受力作用环境微重力条件以及超重力条件，为物理学、化学、材料学以及生物学等打开了全新的研究领域，添加了极大的生命活力。在微重力科学不断发展，为大众广泛接受的同时，超重力科学也逐步开始引起大众的注意力。新世纪以来，全球的专家学者都十分关注超重力科学研究，指的是采用旋转设备形成一类特殊的工作环境，也就是超重力条件，其加速度比重力加速度大许多。在超重力作用下，不同类型分子之间相互作用以及传导过程都比一般重力作用下速率大很多，不仅仅导致整个反应体系的速率提高，令单位设施体积的工作效率大大提升，大约提升12个数量级，进而充分精简化设计体积，令过去数十米高的大型设备缩小为高度低于两米的超重力机。所以，超重力技术被认为是提高传导以及多体系作用过程的一项创新性技术手段，被称之为跨世纪的领先技术，同时，超重力机也美称之为“化学工业中的晶体管”。 1.1.1超重力技术 超重力技术是使用某种方法让物体在地球的万有引力场之下可以获得比地球加速度大得多的力。一般情况下我们实现超重力环境是通过让物体旋转来获得离心力。它使重力加速度转化成为离心加速度，打破一般重力场里加速度的条件限制。在超重力作用下，参加反应或者准备分离的液体分子在比重力加速度大上百倍甚至千倍的超重力作用下，通过多孔介质完成流动传递，不同类型的分子之间进行扩散，其扩散速率要比在地球重力场作用下的大很多，超强的剪切力把液体瞬间打碎成为纳米级别的颗粒，同时形成巨大的、不断交替的相界面，传导速率要比在普通塔器里的大很多，大约13个级别。由超重力技术现世以来，因其相对于传统的传质设备具有体积小、重量轻、容易操作、可以用于不同环境等特点，得到了很多相关研究者的热切关注。特别是在化工方面有广阔的应用前景。 1.1.2 超重力旋转填充床的研究和意义超重力填充床设备，长期以来都是全球研究传质学科重点关注的一门前沿性创新项目课题。即使这项技术的应用时间比较短，但是截至目前看来，它的发展前景非常广阔，体现出了强大的竞争力，特别是在在纳米材料的生产方面，超重力技术具有天然的优势令他获得了众多专家学者们的关注。不仅在纳米材料学科领域里获得广泛的应用，超重力技术还在原油冶炼、环境治理、物理化学等各大领域里具有重大应用价值。最近几年以来，超重力型填充材料床设备的研究发现已经有了突破性的进步发展，但是这门全新的可续技术，它还有很多尚待发掘的性能特点，需要专家学者的深入研究。从工业实践方面分析，超重力填充床还没有得到广泛的应用，这项技术的推广使用还有待提高。 1.2超重力机的结构特点和操作原理 1.2.1超重力机的工作原理和类型超重力机作为一类全新的强化传导设施在化工领域迅速发展进步，截至目前，超重力机的构造，通常有立式以及卧式两类。根据流体在填料层中的流动方式通常又可以划分为逆流型以及错流型两种，例如下图1-1所示。旋转填充材料床是由转轴、格箱、喷淋管以及液体传送管等各类零部件构成，转轴是旋转填充材料床中十分关键的组成，通常用作加固以及连动填充材料进行旋转。 图1-1 旋转填充床分类错流型填充床的基本特征有：在液相中，采用中间静止的喷淋管完成喷洒作业，喷洒到正在高速旋转的填充材料中。流入转子的液体在强大离心力的作用下，旋转速率大幅提高，穿过填充材料层之后，在填充床的内部完成集聚，从排液口流出。气相采用轴向运动穿过转子填充材料层，在填充材料层里完成两者的相互接触，在填充材料的表面实现气液两相之前的相互转化过程。旋转填充材料床逆流的基本原理是：当气体流入旋转填充材料床的边缘位置之后，从外到里在巨大压力作用下完成逆向流动，最后在填充材料的外部渗透出。液体从进液管中流入。使用喷淋管喷射，喷洒在填充材料的内部。流入转子的液体随着转子中填充材料的转动，旋转速率提高，在离心力作用下，径向流出。在两相传递过程里，填充材料将液相分开、破裂进而生成许多实时更新的液滴，同时填充材料通道又令液相的表面不断更新，在旋转床中构成了良好的传递和作用环境，令气相、液相之间的接触效率充分提升。 1.2.2超重力机的转子结构超重力机结构中十分关键的组件就是转子，转子的主要作用在于：一是固定填充材料，二是带动填充材料进行旋转，使气液相接以及微观转化获得良好的运行效果，截至目前，超重力机的转子构型有填料式、碟片式、折流式以及螺旋式。整体来说，填料式是应用范围最广的转子类型。 1.填料式转子填料式转子结构示意图如下图1-2所示，主要是在转子内部添加填充材料，填充材料的填充方式通常选用高空隙率以及大比表面积的散装方式或者整装模式，填充材料通常都是选用颗粒状、金属丝网状或者波纹状等类型。和重力场作用下的传递对比，旋转床中转子的工作效率基本上是采用减小液膜的厚度，提高接触面积等方式改善的。除此之外，传质还能够在填充材料之间的缝隙或者设备间隙里的液体表面完成。 图1-2 填料式转子示意图 2.碟片式转子碟片式转子的填充材料选用平面碟片型填充材料，中心福射状填充材料以及同心圆波纹型填充材料。它作为一类可以良好较地提升气液传递页面的填充材料，其主要优势在于两相之间的传递面积远远大于填充材料的表面积。气液传递的效率有了充分的改善，同时也大大减小了填料的损耗，因而设备结构简单、排布合理紧凑，其基本组成如下图1-3所示。 图1-3 碟片式转子示意图 3.螺旋式转子 如下图1-4所示，螺旋式转子中间是一个空腔，在转盘中设置有螺旋型旋转叶片。但是因为气液两相传递的时间变长，而相接表面和其他填充材料转子的相接面积一致，都是采用降低液膜厚度以及提高液体在转子里的传递时间来增强液体传递效果的，其主要优势在于构造简单，加工容易，不会产生堵塞问题等。 图1-4 螺旋式转子示意图 4.折流式转子 折流式转子指的是最新研发的转子。如下图1-5所示。这类转子是由转动盘以及不动盘构成。转动盘和不动盘中都安装了挡圈，不动盘中的挡圈保持静止，和其他类型的转子对比，这类转子动静相互结合，气液相接转化更加快速；气液在转子里进行“S”型逆流传递，将两相之间的传递时间大大延长；液相在转子里的分布更加均匀、合理，因此这类转子的基本特点有：工作效率很高，结构清晰，维修方便等，但是电能消耗比较大。 图1-5 折流式转子示意图 1.2.3超重力机的基本特点 优点： 1.超重力的主要优点是它的小尺寸和低重量。福勒（1989 B）发现相比于去除CO的等效柱，超重力的单位将为36.FT比在高度和重达60000磅的少。超重力的小尺寸使得它有利于为高压力的服务，为壳的材料节省显著，在服务建设昂贵的合金是必需的（福勒1989a）。超重力的结果为基础，支持储蓄较低的重量，这是在支持的应用和改造的重要价值。超重力装置可以安装在滑动（1989）。 2.小尺寸和低重量的超重力装置可以让他们被从一个加工厂到另一个（福勒1989；凯莱赫1993）。这使得超重力装置适合现场处理。该单位也可以被安置在建筑物的内部他们在温带和寒冷气候条件下全年可操作。 3.超重力的单位是不敏感的运动（福勒1989）。随着他们的小尺寸和重量轻，这使得超重力单位在船上应用。 4.在超重力液体停留时间短，使得它非常适合处理热敏感材料（福勒1989）。平均液停留时间为12级秒（keyvani 1989）。5。超重力单位可能达到稳定状态更迅速，相比传统的造成不合格产品可能性小（福勒1989）。 缺点： 1.超重力机是一个旋转装置，需要额外的电源（福勒1989 B；凯莱赫1993）。超重力机操作成本会高于可比常规高。超重力旋转的填料使容易密封失效。 2.传统的超重力转子机械装置不提供一些中间的径向距离内的外周或眼的填料。因此，连续蒸馏，两超重力单位被要求整改,分别为一个精馏部分和一个剥离部分（Wang et al。2008）。 3.填料的结果是更大的降低超重力旋转转子（福勒1989b）。 4.液体在外周的分布，或眼，极大地影响了超重力机的性能（Trent 1999）。对于大的液体负荷，防止转子从它的旋转平面上偏移均匀的液体分布是必不可少的。 5.液体流中的固体的存在可能会阻塞旋转填料。6.缺乏关于扩大，机械设计，控制理念，成本，和可靠性限制超重力机的使用。 总之，超重力似乎很适合小型、热敏性流体的场内加工.小的尺寸和重量允许安装在可移动的安装滑道上. 1.3超重力机的国类外研究进展 1.3.1国内外现状 因为超重力技术具有很多优点，全球很多大型化工企业都纷纷开始针对这门技术进行研究创新，并展开了一系列的调试以及工业试运行，但是具体的商业性运用还没有大幅的报道。与此同时，西方很多大学、研究所也在大型化工企业的赞助下开始投入到超重力方面的研究当中。 针对超重力方面的研究，截至目前，已逐渐发展成为处理过程高效、可靠、稳定、低污染，促进社会进步以及经济快速发展的新型可续技术。在西方很多发达国家都已经把这门技术定义为二十一世纪化工领域中最为重要的发展方向之一。 可以说，在二十一世纪中，超重力的技术手段将发展成为提升国民经济等多个领域里最为广泛运用的新型科学技术。 截至目前，全球各国都掀起了研究超重力传导技术的热潮。从最先开始研究这个领域的国家英国，快速扩增到中国、日本、加拿大等多个国家。 1.3.2超重力机的工业化应用现状 1.超重力机在分离工业方面的应用 在分离工业领域中，超重力机通常应用在原油脱氧、精炼分离以及硫化氢去除等多个方面 超重力机在油田注水脱氧方面：截至目前，在原油脱氧技术中广泛采用的是脱氧塔去氧方式，但是通过脱氧塔去氧之后，液体中只有极少量的溶解氧。很多时候为了令液体中的含氧量满足相关规范要求，还必须添加其他脱氧剂。与此同时，为了进一步提升气液的接触面方便脱氧处理，普通的塔器一般都建立在高处，钢材损耗量很大，成本费用也随之提升。旋转填充床主要应用在原油脱氧技术中，能够保障出口处的溶解氧含量达标。这项技术不单单脱氧效果好，工艺流程简单，同时还能够大大减少除氧剂的投加量。 超重力机在精馏分离领域的推广使用：截至目前，随着高科技产业规模的逐步提升，精馏技术由于受到传统技术方式里装置体型过大，投资成本过高，能耗较大等多种不利因素的限制，发展比较缓慢。旋转填充床技术应用到精馏分离领域中，能够将气液传递基本单元碎裂成为微米级别甚至是纳米级别的液滴，这样以来，气液传递就是在大于重力数十倍的超重力作用下完成，气液两相的接触面积大大提升，传递效率也大幅增高。 超重力机在脱硫领域的使用：截至目前，国内外脱硫手段还是选用传统的脱硫技术。因为受到地球重力场的作用，一般的脱硫技术存在处理速率较慢，运行效果差，装置体型过高、投资成本大、设备容易堵塞，维修困难等问题。旋转填料床里的脱硫技术结合普通的脱硫技术，采用超重力作用大大提升脱硫的作用效果，减少反应时间，同时处理后的浓度满足国家标准要求。 2.超重力机的纳米材料制备方面的应用 纳米材料作为新世纪的主要材料之一，截至目前，人们已经能够生产出粒度非常小的金属型、复合型、碳化物型材料等等，但是却很难生产出纳米盐材料。这是由于纳米盐的加工流程非常复杂，关系到两相之间转化、反应、结合等，它不单单改变反应速率，而且可以严重影响最终产品的性质。因此，需要充分强化两相之间的传递意思微观混合作用，在分子级别上合理地调控化学反应以及结晶作用，进而生产出粒度较小、分布均匀的纳米材料。 3.超重力机的快速反应过程中的应用 因为超重力机的操作非常灵活，可以快速、有效、可靠的完成微观混合作用，稳定所需时间很短，所以在多种工业领域得到广泛的应用。例如北京化工大学退出了二苯甲焼二异氰酸酯，具有很好的经济效益，生产过程中的能耗也大大降低，产品的质量水平也满足全球领先技术要求。 1.4本论文研究的目的、意义和内容 1.4.1本论文研究的目的和意义 作为一类全新的气液传递装置，和普通的塔器装置对比，超重力机具备传递系数大、体型小、重量小、应用面广泛等优势，逐渐吸引到更多的专家学者的关注。自从旋转填充床在国内应用以来，针对旋转床的设计还一直处于摸索时期，针对旋转填充床的设计原理的文献非常缺乏。截至目前，根据最新的资料分析来说，基本上还是在基础性的运用研究，工业产业化的报道很少。这是由于反应设备还不够完善，很多应用方面需要不断改进。在综合工程使用过程里，也具有一系列的问题，因此，顺利完成的工程项目实例很少，从而严重限制了旋转填充床的推广使用。采用数值模拟展开分析研究，合理化旋转床的各项参数，为深入研究以及实践操作供应理论依据以及技术手段。为之后研发推广具备优良稳定性的旋转填充床供应有效地测试数据以及理论基础。1.4.2本文的研究内容 在本文中，主要采用了气体里的CO2吸收作用。采用弱酸（CO2）弱碱（有机胺）无机盐完成吸收作用。设计出在上述反应条件下的反应器，并采用数值模拟方式展开研究。具体内容如下所述： （1）针对超重力机完成对全球应用情况以及研究程度的调查研究。了解全球超重力填充床反应设备的研发状况，掌握旋转床的运行原理，为之后旋转床的实际设计工作做好准备； （2）按照已有的超重力机在设计工作中所需要处理的问题展开研究分析，制定反应设备的结构方式； （3）针对混合气里的CO2挑选出合理的反应指数，同时确定在本次设计里需要运用的各种指数，满足增大传递效率的要求。 （4）在上述研究分析的基础之上，完成针对填充床的设计作业，明确实际的运行指数； （5）按照国家相关标准规范，完成填充床的设计工作，其中主要有材料的挑选、填充材料、喷淋管、转轴以及气液接口等各种零部件的设计； （6）按照国家相关标准规范，对填充床的结构设计展开了检测校核，其中主要有临界转速、转轴角速度、气压大小等，保障设计满足相关规定要求； （7）针对转子体系完成动平衡的检测校核，充分确保填充床运行的安全性； 在本次设计中，运用到了流体力学、机械工程以及动力学等多门学科的理论知识，针对填充床的工作效率展开了深入的研究分析。通过本次论文的深入研究分析，能够为后续相关方面的研究工作供应多种理论依据，同时还可以为其他多种类别的气液传递技术供应参考建议。 第二章 方案及反应参数拟定 2.1方案内容 工艺条件：本研究是天然气中H2S的吸收来达到脱硫目的，当然使用的设备是超重力旋转填料床。工作原理则是通过碱液（Na2CO3）铁离子（Fe3+）氧化得到硫，最后硫以泡沫的形式离开反应系统。通过超重力机吸收天然气中H2S的主要反应方程式如下：(a)碱液把天然气中的H2S吸收使之成为液相：(b) S2离子被铁离子氧化从而生成单质硫： 工艺条件:工作温度最大值是50，额定工作温度是20，在大气压强条件下，液体流量是100L/h，气体流量是0.5m3/h，电动设备的转速可以调节。 2.2方案确定依据及选型 立式填充床和卧式填充床相比，其占地面积更小，工作性能更加稳定，此外，立式填充床只需要一个垂直的支承，因而设计工作更加简单，很好的预防了两边支承受力不平衡而造成的晃动，转轴碎裂等意外事故。立式填充床里的液体可以有效地保障左右对称，传递效果良好，所以针对气体的吸附效果更加令人满意，在本次设计中，笔者选用立式填充床。 2.3本章小结 在本章中，笔者结合全球各国的研究现状，包括具体应用范围，从可以有效运用的出发点展开分析讨论，初步设计一类旋转立式填充床模型，基本思路如下：（1） 设计基本原则：具有良好的实用性、有效性以及安全性； （2）设计基本思路：选择出一类相对可行的操作方案，研究分析旋转型填充床的基本原理以及操作方式，展开系统结构规划，之后再按照实际运用环境以及运行状况针对转子完成模拟仿真处理；（3）设计初步方案：采用针对卧式、立式两类填充床的设计方案对比分析，明确填充床的设计形式。第3章 超重力机的设计及计算 3.1 超重力机的整体结构超重力机与传统反应塔相比是使用高速旋转的生产装置来替代固定的生产装置，此设备的出现使得投资费用降低很多，而且设备体积也是大幅度减小，因而占地也会减小，生产效率会比以前高上很多。在设计过程中必须要设计出一套完善的密封系统，因为超重力机需要具备良好的密封性才能实现快速地混合与分离。根据上述分析，我对超重力机进行了整体设计，如下图所示： 图3-1超重力机整体结构的示意图 针对一台能够满足工艺设计要求同时能够正常工作的超重力机，我们在设计时要考虑下面的几个方面： （1）计算功率并选择合适的电动机 （2）确定重要附件的尺寸大小 （3）设计转动轴计算临界转速并校核其强度 （4）设计转子结构并计算强度 （5）确定合适的密封系统，这是也是最主要考虑的因素 3.2主要部件尺寸的确定要完成超重力旋转填充材料床的设计工作，就必须充分考虑各个关键部件的尺寸大小，这些部件主要是：填料层尺寸大小气体进出口管直径选择喷淋管类型及其尺寸液体进出管口直径 3.2.1气体和液体的入口以及出口管直径已知液体流量L=100L/h，气体流量G=0.5m3/h。那么根据查得公式可以得出其中 Vg气体的实际流速，进行设计的时候，通常选用Vg=10m/s; L液体的实际流量，单位m3/h； Dl液体入口处的管径，单位m； G气体的实际流量，单位m3/h； Dg气体进口管内径，单位m； Vl液体流速，设计时一般取Vl=3m/s。 由(3-1)跟(3-2)两式求出Dl =3.4mm；Dg= 4.2mm由实际生产的钢钢规格，最终选用的液体管口尺寸为10mm；气体管口尺寸为14mm。3.2.2选择喷淋管以及尺寸的确定 喷淋管是超重力机上的重要附件之一，它的结构会影响到设备的运行效率。在本次设计中，笔者采用直管传递液体，这样以来，能够令液体表现出非常合理的工作状态。 喷淋管具有开孔型以及开缝型两类，笔者选择的是开孔结构的喷淋管。这是因为开孔型喷淋管可以让液体在喷淋管轴向的垂直方向喷出，喷出的方向比较集中，有益于液体在填料层中均匀分布，从而大大地增加传质效率。 (a)开孔型喷淋管 (b)开缝型喷淋管 图3-2喷淋管结构示意图通过液体的实际流量以及液体流通管径，能够推算出液体的实际流速，进而推算出喷淋管的总量：在上式里 d喷淋管的内径大小，单位m； V0液体在喷淋管内流速，m/s 液体的流量已知是100L/h，喷淋管内径取为10mm，液体在喷淋管内的流速取为3m/s，则计算得出np=0.54，选用2根单侧开孔的喷淋管。喷淋管孔径设定为1mm，开孔数为3个，孔为圆孔，那么喷淋面积为其中 Vp 喷口速度，m/s；通常情况下Vp=1.5V0因此计算可得出Ap=2.510-6m2，喷淋管取2根，单侧开孔，孔间距4mm, 每侧3孔，填料高度来决定圆孔的垂直距离，喷嘴的面积跟喷淋管喷淋面积。表3-1喷淋管的开孔项目单位数值单个喷嘴面积m26单个喷管所需喷嘴总数量个4.16710-6所需喷嘴的总面积m22.510-6 3.2.3填充床层的尺寸 如下图3-3所示：下图是超重力机转子填料层的组成图。其中，内径是R1，填料层的高度是b，外径是R2。 （1）内半径R1的确定在本次设计中，我们选用的是立体式的结构组成，气体与液体的连通模式是旋转逆流传导，其中，主要反映就是气-液两项接触反应，因此在填料层中间位置的下端需要进行封闭处理，这就要求填充层的内径必须大于气体进口处的半径，从而能够包含喷淋管管径，取内径R1=40mm（2）填充床层高度b的确定在本次设计里，填料层高度的选择需要根据转子的系统构成，转子由上下端口以及填充材料构成，下端采用限位销、键面以及转轴进行固定处理，因此仅有转轴以及和转子连接非常牢固的转子，在工作的时候才能够保持平衡。上下端口都是整体系统构造设计，液体能够完全浸润填充材料，所以在材料层的高度的设计作业里，必须考虑填充材料的系统构造，选取b=50mm（3） 填充床层外半径R2的确定 在超重力机里，气液传导的作用基本上都是通过填料表层的液膜以及液滴中完成，这样以来，填充材料的表层润湿性就可以用来判断液体能否在填料表面构成液态膜，假如填充材料没有彻底润湿，填充材料的表面就不能被有效充分使用。超重力机和普通的塔器装置不同，液体是由填充层的内部向填充床的外部进行流动，同时在流动过程中，液体的流量截面积在不断增大，液体的喷射密度在不断减小，假如必须保障填充材料彻底润湿，那么填充材料内部的液体喷淋量必须大于最下值。选用填充材料的外径进行运算校对；旋转填料床的外径为 （3-6） 在上式里 填充材料的比表面积，； 最小喷淋密度，； 最小湿润速率，取最小的湿润速率 由以上计算得出，对于一定旋转填充床： （3-7） 计算的。去填料外半径为100mm3.2.4 填料的选择填充材料作为超重力机中十分重要的内部组件，它主要用来增大气液反应时的接触面积。填料常用的有金属、塑料、陶瓷等等。其中金属调料的通量很高，工作效率良好，但是不锈钢的成本比较高，一般的钢材抗腐蚀性太差；塑料填充材料的空隙率很大，而且高温条件下会熔化；陶瓷材料耐腐蚀，但易碎，空隙率小。考虑到超重力机所选用的填充材料比塔设备少很多，初步选用不锈钢型填充材料。填充材料的主要特征如下表3-2所示。 3.3转子的结构设计和强度计算 填料式转子目前应用十分宽广，在本次设计中，笔者选用填充材料型转子完成设计作业。 3.3.1转子的结构设计转子的结构设计有两个设计重点，其一是强度要求，转子需要足够的强度支撑填充床层；其二是转子表面的开孔率要高，从而使流通的面积变大。然而这两个设计重点是互相掣肘的，如果提高开孔率会使转子的金属部分变少从而减小转子的强度。所以需要在两者之前找到平衡。常见的转子结构有鼠笼型和圆筒型开孔转子两者，后者通常是由钢板卷焊成，如果增加开孔率则会大大增加转子壁的厚度，使设备的投入增加，而选用鼠笼型则可以避免后者的缺点。故本次设计选取鼠笼型结构（鼠笼型结构如下图3-4）。该结构由上下端盖、衬套、螺母、螺栓组成，上下端盖和衬套的材料为Q235，螺母和螺栓的材料为40Cr。 图3-4 鼠笼型转子示意图3.3.2转子强度的计算转子在高速旋转的工作环境下，产生应力作用主要来自转子本身的重力作用以及填充材料层在转子内壁形成的作用力。转鼓外部螺栓的工作强度必须满足如下计算式： （3-8）在上式里 最大旋转弯矩，；能够在螺栓的受力图里获得： 螺栓的工作强度，Pa； 螺钉的工作强度，采用不锈钢材料，选用 W截面的实际模量大小，针对螺钉，； d螺栓的直径大小，m。因此，螺钉的直径大小必须符合 （3-9）由上面的式子可以算出转子系统的主要参数：转鼓直径d=206mm；上下端盖的厚度为H=8mm；螺栓采用M10，螺栓孔的直径是；衬套的内径、外径大小依次是，；衬套的实际长度。根据材料的独特性质能够推算出转子的工作质量是4.47kg。3.4功率计算超重力机的功率消耗主要包括下面几点：（1） 液体增大到工作转速所消耗的功率 = （3-10）在上式里 液体的实际密度， ； 旋转床旋转角速度，rad/s; L液体流量，； 填料外半径，m。由上式计算可得=0.00475KW（2）气体通过旋转填料层时压力变化提供的功率 （3-11） （3-12） 式中 气体相对密度，； H总压头，m； 、 分别指的是气体进口、出口处的实际压强； Q进气总量； 、分别指的是气体进口、出口处的实际速度。根据上式运算可得明显比小很多。(3) 液体运动损失的功率 （3-13）在上式里 K 有效阻力常熟，其数值大小和Re数值大小有关； 液体的实际密度，； 填充材料的外半径以及内半径，m； 旋转角速度，; H填充材料层的实际高度，m； a填充材料层的比表面积，。按照液体的物理、化学性质，选取，那么。4. 轴承式密封材料进行摩擦运动所损耗的功率 （3-14）在上式里 F轴承作用力，N： f摩擦指数。综上可得转子消耗的总功率为 (3-15)由上式可求得N=0.00497kW，故该超重力机的总消耗功率为0.00497kW 电机负载功率计算 （3-16） 在上式里 转子材料的组成密度，； 旋转角速度， 填充材料的半径； R转子的外径： V填充材料的体积， .由上式可以求得P=659.3W 3.5转动轴的设计 超重力机中的轴是低速转轴，所以我们设计的轴应该有较好的低温冲击韧性和比较低的缺口敏感性，故选用力学性能好的40Cr作为轴的材料。对轴进行扭转强度计算： MPa （3-17）式中 截面系数，； T扭矩，； 轴的剪切应力，MPa； n轴转速，r/min; P轴所传递的功率，kW； d轴直径，mm； 轴材料的许用扭剪应力，MPa估算轴的直径有如下公式： mm （3-18）式中 C由轴的材料和承载能力确定的常数。查40Cr的力学性能表，取C的范围在107到98之间，大致可以算得传动轴的直径d大于14mm传动轴的强度计算 MPa （3-19）式中 轴应力，MPa； M轴所受的扭矩，； T轴所受的扭矩， ； W轴的抗弯截面系数，； 轴的弯曲应力。 由上式（3-19）可得=26.1MPa，由于选定的材料为40Cr， 查表可知=70Mpa，所以是安全的。 3.6机械密封系统的选定机械密封（又称端面密封）是动力机械和流体机械中不可或缺的零部件。在化工装置的使用中，所处理的气体、液体大多数易燃易爆或有腐蚀性，如果密封失效导致介质泄漏，后果不堪设想。所以在超重力机的结构设计中，密封系统的选定十分重要。在本次超重力机结构设计中，我准备采用集装式机械密封。这种密封装置的静环、动环、轴套和压盖与辅助密封在安装之前用一轴套都集装在一起，便于拆装检查和维修零部件。集装式密封操作比较容易，使用者普遍可以接受。它所采用的弹簧压缩、密封截面面积、平衡性以及O形圈的过剩量等都是长时间实践经验的累积以及使用者反馈所收集到的信息。今后机械密封的发展方向主要有：选取集装式密封最合适的系数，自动机械安装误差减小，没有弹簧堵塞问题，没有O形圈损耗等。 在本次超重力机构造设计作业中，采用的集装式密封的优势在于：（1） 轴可以随时调整；（2） 安装时装配比较方便；（3） 机械设备热膨胀之后可以重调；（4） 利用配合可以自定中心；（5） 安装时不需要测量密封工作长度。3.7超重力机外壳尺寸的确定超重力机外壳主要用来接收在机体内反应时甩出来的液体，外壳的尺寸大小决定了整个超重力机的稳定与否。外壳的大小要适中，过大浪费材料，过小会导致气体在壳体内的旋转加剧，影响转子的工作。本次设计的外壳壳体各个部位的尺寸如下表壳体内径/mm壳体厚度/mm壳体与转子之间的距离/mm壳体的高度/mm3004501503.8本章小结本章的主要内容是针对超重力机的基本构件完成设计作业，同时重点对如下多个部件的组成展开了研究分析。（1）对超重力机的主要结构件完成了设计；（2）超重力机转子的转子结构设计以及其强度的计算；（3）对超重力机的消耗功率进行了计算；（4）对超重力机的转动轴进行了结构设计并进行了对其强度的计算；（5）根据超重力机设计的需求选取了一种机械密封的结构对超重力机进行密封方面的结构设计；（6）确定了超重力机外壳的尺寸，并对整体的设计绘制一整套的图纸；（7）本次设计的超重力机结构简单，平稳运行，是较为使用的化工设备。 结 论本文已超重力机作为研究对象，针对超重力机的在全世界的应用情况以及现如今的发展状况开展了深入分析研究，并且按照相关专业理论知识完成了具体的结构设计，完成了基本的设计流程。运用了AUTOCAD软件建立了超重力机的模型，在本次设计结