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

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；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。

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4～7米。

这种换热器传热面积最高达18米2,故适用于小容量换热。

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：①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。

②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 870～1750W/（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。

③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。

多管程与多壳程可配合应用。

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。