中国石油大学(北京)过程装备与控制工程概论期末结课论文..pdf

中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -1 开 物 成 务 1.装备制造业和过程制造业的异同 相同点：装备工业与过程工业研究的同为生产资料的加工、生产等问题。均为制造业中不可分割的两个部分，在工业发展中占到重要位置，为工业的发展、国民生产总值的提高作出了巨大的贡献，均是提高我国国际竞争力的重要的、不可缺少的基础，均是实现经济、社会发展与自然相协调从而实现可持续发展的重要基础和手段。不同点：装备工业是以物体的加工和组装为核心的产业，根据机械电子原理加工零件并装配成产品，但不改变物体的内在结构，仅改变大小形状，产品计件不计量，多为非连续性操作。而过程工业定义为加工制造流程性材料产品的现代制造业，它是以物质转化过程为核心的产业，从事物质的化学、物理和生物转化，生成新的物质产品或转化物质的结构形态，产品计量不计件，连续操作，其生产环节具有一定的不可分性，可统称为过程工业，如涉及化石资源和矿产资源利用的产业等等。2.试以某过程领域为例，简述未来高技术对典型过程装备技术的需求和挑战。答：以能源领域的高新技术工艺过程对过程装备技术的需求和挑战为例；a)洁净煤技术；煤炭是我国主要的能源资源，在一次能源中所占比例达到 67%，而在我国消费的煤炭中，约有 70%以上是以燃烧方式消耗的，其中火力发电厂是主力军，由此造成我国酸雨和二氧化硫污染十分严重。因此洁净煤技术已成为我国优先发展的高技术领域，过程装备技术在煤炭加工、煤炭高效洁净燃烧、煤炭转化、污染排放控制与中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -2 开 物 成 务 废弃物处理均可发挥重要作用。其中水煤浆技术设备、先进的燃烧器、循环流化床技术、整体煤气化联合循环发电技术与设备、煤炭液化设备、燃烧电池、烟气净化设备、煤层气的开发利用、煤矸石、粉煤尘和煤泥的综合利用装备以及先进的工业锅炉和窑炉等均需研究和开发。b)超超临界发电技术；提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是发电设备的蒸汽参数。随着科技的进步，煤电的蒸汽参数已由低压、中压、高压、超高压、亚临界、高温超临界，发展到了超超临界和高温超超临界。为此，发电设备行业以高参数为目标大力发展超超临界发电机组。超超临界机组在高参数下运行，其主蒸汽压力为25-40MPa 甚至更高，主蒸汽和再热蒸汽温度在 5800C 以上甚至 7000C。为此发展超超临界的锅炉、管线和汽轮机组及其安全可靠性技术极具挑战性。c)生物质能源技术；先进的生物质发电包括流化床燃烧、生物质综合气化和生物质外燃气透平系统，流化床锅炉技术独有的流态化燃烧方式，使它具有一些传统锅炉所不具有的特点，可以燃用常规燃烧方式难以利用的能源。生物质高温气化技术的关键是高温空气的廉价生成，新型高温低氧空气完全燃烧技术的出现以及陶瓷材料领域的科技进步促进了热回收技术的发展，。生物质外燃式透平系统所用高温换热器也是一项关键技术，尤其产生干净空气，减少了后续透平系统的腐蚀，但出口空气温度决定了系统效率。d)核电技术；核能作为一种先进的能源而受到世界各国的重视，已经成为了世界能源结构的重要组成部分。与此同时，我国积极发展核电，各种先进的堆型实际上均需要过程装备技术的支撑，如高温气冷堆，除了用于发电，其产生的高品质热能还可用于先进的冶金技术，亦可直接用于煤气化和甲烷转化技术，但其装置的抗蠕变和疲劳，抗中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -3 开 物 成 务 腐蚀的设计十分重要，除了反应堆，氦气换热器、氦气透平、蒸汽发生器等产品的设计制造均具有很大的难度。另外，在过程工业生产中换热器使用的相当广泛，高新技术的发展对换热器也有更高的要求和挑战；在这过程中诞生了许多新型换热器，使得换热器相关技术也得到了不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、制造等技术不断发展，促进了各种新型高效换热器的不断被推出。经过查阅相关资料，发现换热器相关技术的发展主要表现在以下几个方面：防腐技术 阳极保护技术的开发和新型防腐蚀材料的应用等都为这类换热器的发展带来了无限生机。换热器在以海水为介质的应用中相当广泛，海水中金属材料的腐蚀比普通的淡水和大气要严重得多，在这种环境下工作的换热器必须经过严格选择，采用耐腐蚀的材料。在这种情况下，美国开发出了含有 Cu、Ni、P 的低合金钢及多种耐海水用不锈钢，并同时解决了由于氯离子的存在而产生的孔蚀和晶间腐蚀等问题。目前世界上耐海水换热器主要所用材料是钢、钛及不锈钢等。另外，非金属材料的应用也大大提高了换热器的防腐性能，比如氟塑料换热器、陶瓷换热器、玻璃钢换热器、石墨换热器等，非金属材料换热器主要用于强氧化性介质环境中，其中氟塑料换热器是由氟塑料制作而成，氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性能可以解决很多强腐蚀性介质的腐蚀问题。同时氟塑料具有热导率低，有很强憎水性、不粘性，表面摩擦系数小，热膨胀量大，挠性好等突出优点，因此氟塑料换中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -4 开 物 成 务 热器在使用过程中不结垢，换热器的换热系数能保持稳定，大大有利于防腐换热器在该方面的研究。钛螺旋槽换热器也是该项换热器的一种，它是将钛管表面加工成螺旋槽，从而增大器传热面积。流体在管内做旋转式不规则运动，增强其抗结垢能力，从而增强传热效果。用钛做换热器的原料主要是因为其表面可生成稳定的氧化膜而具有十分优异的耐腐蚀性能。除此以外它还具有表面光滑、非磁性、易加工等优点、因此，钛在石油化工、制药、原子能、航空等方面均具有广泛应用。而钛换热器由于具有体积小、重量轻、耐腐蚀、维护简单、运转寿命长等特点，目前在防腐换热器的研究取得了广泛的应用。大型化与小型化并重 随着成套装备的大型化，换热器向大型化发展，同时在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学等场合的特殊要求而向小型化方向发展。大型化换热器直径超过 5m，传热面积达到万平方米级。小型换热器与普通换热器相比，其特点在于单位体积内的传热系数高达几十到几百 MW/(m3.K)，比普通换热器要高 1-2 个数量级。抗振技术 由于工业生产规模日益扩大换热器的尺寸也越来远大，随之折流板间距也越来越大，为提高生产生产效率，增大传热系数，壳程流体的速度又必须加快，因此由于流体诱导震动所造成的破坏事故显著增多，震动使换热管发生疲劳、磨损、泄露等中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -5 开 物 成 务 事故给企业和国家造成巨大损失。在这种情况下纵流壳程换热器应运而生，这种换热器以折流杆换热器为典型代表，通过改变板式支撑为杆栅支撑，使壳程流体由横向流动变为纵向流动,大大减少了流体对壳体的冲刷作用，从而有效的提高了换热器的抗震性能，也可以用加载阻尼器等获得一定的减震效果。除此之外还有防结垢技术，制造技术、研究手段、强化技术等发展方向。3.过程工业领域都涉及哪些基本过程？试以其中之一为例，介绍过程的原理，典型装备的功能、结构和基本特点。答：过程工业领域包含范围极广，但其涉及的基本过程可以分为七大类，主要有：1)流体动力过程 2)热量传递过程 3)质量传递过程 4)动量传递过程 5)热力过程 6)化学反应过程 7)生物过程 以热量传递过程为例；热量传递过程是指遵循传热学规律的过程，它包括热量交换过程及设备，即换热器或热交换器；中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -6 开 物 成 务 原理：它依靠传热的三种基本方式分别是热传导、热对流和热辐射。以此来达到热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给低温物体的目的。以满足过程工艺条件的需要.典型装备：换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。现以间壁式换热器为例重点介绍：间壁式换热器又分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器、板式换热器、管壳式换热器、双管板换热器等。夹套式换热器（如图）这种换热器是在容器外壁安装夹套（如图 1 中 2）制成，结构简单；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管（蛇管是一种可以定型的金属类软管和不可定型的金属类软管的一种通俗的名称）.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -7 开 物 成 务 喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多.另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用.因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。沉浸式蛇管换热器（如图）这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小.为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。套管式换热器套管式换热器以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借 U 形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上（图中 a）。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A 流体）由上部引入,而冷流体（B 流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与 U 形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取 47 米。这种换热器传热面积最高达 18 米 2,故适中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -8 开 物 成 务 用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置 U 形膨胀节（图中 b）或内外管间采用填料函滑动密封（图中 c）,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。它的主要优点是：结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时,传热系数为 8701750W/（m 2）。这一点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热。特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为 3000 大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的 5 倍；管接头多，易泄漏；流阻大。结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -9 开 物 成 务 成泄漏。为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。板式换热器（如图）板式换热器目前已广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、轻纺、造纸、船舶和集中供热等工业部门。它是目前各类换热器中换热效率最高的一种，它具有占用空间小、安装拆卸方便、换热效率高，物料流阻损失小，结构紧凑，温度控制灵敏、操作弹性大，使用寿命长等特点。换热器的结构分解如图 1，外形如图 2，主要部件是由换热板片、密封胶垫、夹紧板、导杆、夹紧螺栓组成。板式换热器是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -10 开 物 成 务 刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。管壳式换热器 管壳式换热器又称为列管式换热器，按材质分为碳钢列管、不锈钢列管和碳钢与不锈钢混合列管式三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U 型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程。管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列 则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器，简称为 1-1 型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -11 开 物 成 务 与多壳程可配合应用。4.试以某典型工业过程为例，分析其中关键过程装置的原理和结构，并简述相关的历史和发展趋势。（典型工业过程指：炼油，乙烯，合成氨，煤气化，火力发电，原子能发电和生物发电）答：以“煤气化”工业过程为例；煤炭气化是指把经过适当处理的煤送入反应器如煤气化炉内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）以一定的流动方式(移动床、硫化床或携带床)转化成气体发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有 CO、H2、CH4 等可燃气体和 CO2、N2 等非可燃气体得到粗制水煤汽，通过后续脱硫脱碳等工艺可以得到精制一氧化碳气的过程。气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即非均相气固反应和均相的气相反应。煤气化技术是清洁利用煤炭资源的重要途径和手段。煤的气化类型可归纳为五种基本类型：自热式的水蒸气气化、外热式水蒸气气化、煤的加氢气化、煤的水蒸气气化和加氢气化结合制造代用天然气、煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气。煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。煤气化的历史：1857 年，德国的 Siemens 兄弟最早开发出用块煤生产煤气的炉子称为德士古气化炉。这项工艺引进中国后在二十世纪九十年代由山东省鲁南化肥厂经过广大工程技术人员的努力，发明了自主知识产权的对置式四喷嘴气化炉，目前已经在国内得到广泛推广应用，特别是兖矿集团煤化工项目在多处使用次技术，取得了显著的经济效益。还中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -12 开 物 成 务 有经过其他许多开发商的开发，到 1883 年应用于生产氨气。20 世纪 70 年代初，国际上出现了能源危机。出于对石油天然气供应前景预测，很多国家纷纷把发展煤气化技术作为替代能源重新提上议事日程，并加快了煤气化工艺的研究开发步伐。以壳牌（Shell）技术为例，煤气化的具体流程如下图所示：每个步骤的煤气化主装置如下表所示：1100 单元 磨煤及干燥系统 1200 单元 煤粉加压及输送系统 1300 单元 气化、急冷及合成气冷却系统 1400 单元 渣脱除系统(除渣)1500 单元 干灰脱除系统(干洗)1600 单元 湿灰脱除系统(湿洗)1700 单元 初步水处理系统 合成气到后续工序干法除尘湿法洗涤除渣系统初步水处 理尾气、废水到后续工序飞灰渣渣泥水酸泥水渣池急冷气氧气+蒸汽滤饼煤输气管急冷管气化炉膛合成气冷却器强制水MP 饱和汽MP 饱和汽MP 饱和汽MP 过热汽图 1 壳牌煤气化工艺流程示意图磨煤干燥粉煤加压加压载气中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -13 开 物 成 务 1100 单元 磨煤及干燥系统 1100 磨煤及干燥系统，包括三条生产线，正常操作情况下均处于运行状态。该系统是将来自煤储运系统的原煤送入磨煤机，磨制成符合要求的煤粉并同时对煤粉进行干燥的一个工艺单元。该系统四大关键设备是：磨煤机、煤粉袋式过滤器、循环风机和热风炉。原料煤在微负压和热惰气条件下,在磨煤机中磨粉和干燥；热惰气由热风炉提供;循环气和粉煤在煤粉袋式过滤器中分离;循环风机则提供整个循环回路的动力。粉煤通过输送系统输送到 U-1200单元。1200 单元 煤粉加压及输送系统 该系统的作用是将煤粉加压并输送到气化炉煤烧嘴，包括两条生产线，正常操作情况下均处于运行状态。系统中四大关键设备是：煤粉储仓、煤粉锁斗、煤粉给料仓和煤粉仓装料袋滤器。来自 U-1100 单元的煤粉首先进入煤粉储仓,然后进入煤粉锁斗，经加压后送入煤粉给料仓，煤粉锁斗和煤粉给料仓的排放气进入煤粉仓装料袋滤器，其收集下来的煤粉再排入煤粉储仓。两台煤粉给料仓把煤粉分别送入六个对称布置的气化炉煤烧嘴。1300 单元 气化、急冷及合成气冷却系统 该系统的作用是将送入气化炉中的煤粉气化，把渣排出气化炉并把气化产生的合成气降温后送入后续工段。系统中四大关键设备是：气化炉、激冷管、输气管和合成气冷却器。来自 U-1200 单元的煤粉与氧气和蒸汽混合后，进入气化炉六个对称布置的煤烧嘴,在炉内燃烧气化，形成的熔融态的渣沿水冷壁向下流动进入底部渣池，激冷成固体状出气化炉；中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -14 开 物 成 务 气化产生的大量合成气携带大量的灰分，向上出气化炉，在激冷管段被来自循环气压缩机的激冷气降温后，进入输气管并被导入合成气冷却器；首先进入合成气冷却器的气体返回室，气流反向向下依次经过中压蒸汽过热器、中压蒸汽蒸发器 2、中压蒸汽蒸发器 1.2 和 1.1,合成气降温后进入下游工段。该系统包括以下几个子系统：1.气化炉外壳 2.气化炉内件 3.开工及点火烧嘴系统（包括氧气供应系统）4.气化炉烧嘴系统和氧气供给系统（包括液体燃料系统）5.合成气系统（包括净化系统）6.水汽系统 7.敲击器系统 1400 单元 渣脱除系统 气化炉炉渣处理系统负责熔渣的冷却、粉碎和排放。主要设备包括：渣池、破渣机、渣收集器、水力旋流分离器、渣池冷却器、渣锁斗、捞渣机、渣输送皮带等。从气化炉底部渣池随水流下的固态渣首先通过破渣机进入渣收集器，再向下进入渣锁斗，由锁斗将渣排入捞渣机，捞渣机将渣捞出后，送上运输皮带，由皮带把渣送往渣场。1500 单元 干灰脱除系统 中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -15 开 物 成 务 此系统负责脱除合成气中夹带的飞灰，主要设备有：飞灰过滤器、飞灰锁斗、飞灰气提/冷却罐、中间飞灰贮罐、排放仓泵、灰库等。来自合成气冷却器的合成气首先进入飞灰过滤器，绝大部分的干灰在此分离下来，定时向下排入飞灰排放罐，出排放罐的飞灰分两路进入飞灰气提/冷却罐，经气提冷却后进入中间飞灰贮罐，随后定期排入排放仓泵，经间断发送到灰库。1600 单元 湿灰脱除系统 该系统的功能是进一步脱除粗合成气中的飞灰。主要设备是洗涤塔、文丘里洗涤器和循环水泵等。来自干灰脱除系统的粗合成气，先进入文丘里洗涤器中被激冷饱和，充分混合后进入洗涤塔底部，出洗涤塔的合成气送出煤气化界区。煤气化工艺装置 SCGP 气化部分的关键设备是气化炉(气化炉、气体急冷、急冷管和渣池)；气体输送管道；合成气冷却器(气体返回室、膜式水冷壁和过热器/蒸发器管束)。气化炉本体是一台膜式水冷壁反应器，安装在一个压力容器内部。膜式水冷壁反应器内表面安装有一种导热的陶瓷耐火衬里材料。在气化炉运行期间，在陶瓷耐火衬里材料表面形成一定厚度的灰渣层。该灰渣层能够覆盖炉壁的内表面，并且由于陶瓷耐火衬里和水冷壁之间良好的导热性能而固化。固化的灰渣层能够保护气化炉，防止炉壁受到煤气化时形成的熔渣侵蚀，而熔渣则沿着炉壁朝下运动，通过底部的排渣口掉落到渣池中。这种膜式水冷壁上保持一种强制的冷却水循环，吸收的热量则用来生成中压蒸汽。由于高温和熔渣气化，该工艺碳转化率高达99%。而且，高温气化确保了在粗合成气中不含重烃。气化炉本体内气化成的合成气从气化炉顶部流出，利用来自干洗和湿洗经过过滤的“冷态”混合合成气进中国石油大学（北京）厚 积 薄 发 -16 开 物 成 务 行急冷，将合成气温度降低到 900左右，再经急冷管、气体输送管道、气体返回室 GRC到气化炉合成气冷却器 SGC 段(废热锅炉)进一步冷却到 340。合成气冷却器 SGC 属于水管型冷却器，含有一个过热器和两个中压蒸汽发生段(3 个蒸发器管束)。煤气化技术的进一步发展有赖于煤气化技术的大型化、高效化及其长周期运行的安全可靠性。大型化是煤气化炉发展的首要问题，其次实现能量的高效转化与合理回收是煤气化过程需要迫切解决的问题，特别是对于发电系统降低成本、提高效率尤为重要。此外由于相关设备躲在高温高压复杂的环境下运行，必须深入研究以提高装置长周期运行的安全可靠性。