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导论大作业

过程装备与控制工程导论大作业

—过程工业之我见

何谓过程工业，过程工业是指如石化、电力、冶金、造纸、医药、食品等工业。

它们的特点是连续性。

一般来说特征可分为造型特征和面向过程的特征造型特征（又称为形状特征）是指那些实际构造出零件的特征而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造。

过程工业实例：

化学工业生产由于原料数量大、种类多、大部分有毒，因而生产出的成品和排出的“三废”同样具有数量大、成分复杂、含有毒物质多的特点。

我国多数化工企业工艺技术落后，设备陈旧，跑、冒、滴、漏严重。

所以化工“三废”实质上是生产过程中流失的原材料、中间产物和副产物。

因此只有加强资源的回收和综合利用，变废为宝，实现“三废”资源化，才能既节约资源，又保护环境。

塑料作为一种新型材料，在各个领域起着越来越重要的作用，随着我国国民经济的日益发展，废弃的塑料制品量呈直线上升，特别是一次性包装材料，包括各种薄膜、食品袋和容器等废弃物，给环境带来严重污染。

当今解决废塑料污染的途径大致有三种一是回收再利用，二是填埋处理，三是可降解塑料的研制与开发。

这三种途径各有利弊

熔融再生

该法是将废旧塑料加藏熔融后重新塑化。

根据原料性质，可分为简单再生和复合再生两种。

简单再生主要回收树脂生产厂和塑料制品厂生产过程中产生的边角废料，也可以包括那些易于清洗、挑选的一次性使用废弃品，如聚

酯软饮料瓶、食品包装袋等。

这部分废旧料的特点是比较干净、成分比较单一。

采用比较简单的工艺和装备即可回收剜性质良好的再生塑料，其性能与新料相差不多，在很大程度上可以作为新料使用。

复合再生所用的废料刚是从不同渠道收集到的废弃塑料，其杂质较多，具有多样化、混杂性、污脏的特点。

因此，回收再生加工程序比较繁杂。

首先是分离技术和筛选工作，国际上已采用的先进的分离设备可以系统地分选出不同的材料，但设备一次性投资较高，而我国仍以最原始的人工挑选方式为主。

一般来说，复合再生塑料的性质不稳定，易变脆，故常被用来制备较低档次的产品，如建筑填料、垃圾袋，搬孔凉鞋、雨衣及器械的包装材料等。

热解技术

热解技术园终产品的不同又可以分为两种，一种是为了得到化工原料（如乙烯、丙烯、焦油等），另一种是为了得到燃料（汽油、煤

油、柴油等），虽然都是将塑料转化为低分子物质，但两者的工艺路线不同。

制取化工原料时是在反应塔中加热废弃塑料，在沸腾层中达到分解温度（,600-900c），再将分解物用气流带走，通过旋风分离器除去烟灰，冷却至30—50。

C，最后在油吸收装置或其他装置中得到各种产品（如乙烯，丙烯，焦油等），一般不会产生“二次污染”，但技术要求高，成本亦较高，故目前仅在特殊需要时使用，但随着技术的发展，将会进一步扩大使用，我国目前该项技术只处于试验开发过程中，尚未真正工业化。

废塑料制取燃料（油、气）技术是目前国内科研开发的热点，通常有高温裂解和催化裂解两种方式。

高温裂解代表性的工艺流程见图

1。

此工艺流程中应用了两台加热炉，使得高温裂解工艺泷程质油的收率有很大提高，同时也降低了能耗，增加了经济效益”’催化裂解法是将原料塑料用粉碎机破碎，加热，熔融送人原料混合糟。

熔化的塑料，原料混合槽中混入循环的液状热分解物，再送人热分解槽（400-600。

c）。

在热分解槽中裂解成气态链状烷烃和烯烃，然后进入催化分解槽（200-350℃），通过催化剂（分子筛催化剂）催化分解与改质后，通过冷凝器冷却回收成品油和气体。

原料：

渣油裂解炉燃料

用废塑料催化裂解生产的汽、柴油与用原油生产的汽、柴油相比，共物理性质、化学性质、产品质量基本相同，而且不含铅、氨等有

害物。

（1）塑料的导热性差，达到热分解温度的时间较长；

（2）碳残碴粘附于反应器壁上，不利于连续排出}

（3）塑料受热产生高粘度熔化物，难以输送}

（4）催化剂的使用寿命和活性较低等。

中国科学院山西煤炭化学研究所的废塑料循环催化裂解装置较好地解决了以上的问题，该所开发的装置具有以下特点。

（1）反应分离一体化

（2）采用循环热解技术，反应器不易结焦

（3）催化反应器结构简单，操作容易，

（4）过程连续，并能根据市场需求在一定范围内调节汽、柴油产品的比例。

废塑料燃烧热的回收利用

塑料燃烧可释放大量的热量，聚乙烯和聚苯乙烯的热值高达46000kJ／kg，超过燃料油平均44000kl／kg的热值}聚氯乙烯的热值也达18800kl／kg，与纤维制品的热值相当。

但有些废塑料在燃烧时会产生有毒、有害物质，一般都要在专门设计的燃烧炉中进行。

燃烧取热法目前在西欧和日本采用的比较多，共优点是处理废弃塑料数量大、成本低、效率高，但其缺点是会产生大量有害气体，后续流程长。

我国目前该技术尚处于探索开发阶段，中国科学院山西煤炭化学研究所已研究成功流化床废塑料气化技术从许多发达国家的经验可知，废塑料燃烧取热是解决废塑料污染的一个重要途径，建议今后我国在发展过程中最好是几个城市联营台建大型焚化工厂，这样有利于应用较先进的焚烧装置和焚烧技术，便于管理，又有条件解决二次污染问题。

填埋处理

填埋是对废塑料处理最简单易行的方法。

但在填埋时，塑料留在土壤内长期不分解，使土壤处于不稳定状态，并有可能使塑料中的有害物如增塑剂或色料等溶出，造成二次污染，而且随着固体废物排出量的增加，可供掩埋的土地不断减少。

但对于那些无法进行焚烧热分解或难以再生利用的废塑料，看来还得继续采用掩埋的方法处理。

可降解塑料的研制开发

可降解塑料能较快地自然分解，减少或避免污染。

可降解性塑料大歌可分为光分解塑料和生物分解塑料两大类。

光分解是指塑料在受

到紫外线照射后开始分解的过程，为了促进光分解，要往塑料中加入紫外线照射下能切断塑料长链的添加物（光敏剂）或将光分解性化学基混入塑料的化学构成中，常用的光敏荆有ca，Fe、Nj，V、Mo、Co、Ce和Nd等过渡金属，常用的光分解性化学基有羰基等。

促进塑料的生物分解有二种方法：

一种是在没有生物分解性的塑料中加入生物分解性物质，例如在聚乙烯结构中添加生物分解性高分子物质（如淀粉等），后者被微生物分解的同时会使前者“粉碎”}另一种方法是由微生物能分解的物质制成塑料，如用纤维素、术质素、淀粉，动物的壳质、壳多糖等作材料。

我国研究开发的可生物降解塑料多数为填充淀粉的混合型，其中尤以淀粉／聚乙烯居多，主要用于生产地膜其它还有淀粉，聚乙烯醇、淀粉／聚氯乙烯，淀粉／聚丙烯、淀粉／丙烯酸丁酯等。

采用的淀粉多数为玉米淀粉等。

另外，对于微生物合成的可生物降解塑料在中科院成都生物研究所和长春应用化学所等单位也开展了研究。

可降解塑料的研究与开发目前正形成一个小小的高潮，目前国内研究最多的是光降解塑料和填充淀粉的混合型生物降解塑料，据国外经验，这两种方法均不能完垒降解塑料，而且在功能方面和价格方面是否能够取代原有材料，需作进一步的研究

3.1　反应设备

以现代石油化工生产为例,目前许多关键装置的反应设备,如300万吨/年以上的大型炼油催化裂化气固流化床反应设备（500~700℃）、20万吨/年聚丙烯气液环管反应器、200万吨/年加氢气液固三相固定床反应器等的成套设计、制造与调控运行已完全可立足于国内。

13万吨/年丙烯腈气固流化床反应器（撤热型）成套设备已研制成功,正在向26万吨/年更大规模迈进。

去一直依赖进口的3万吨/年丙烯酸反应器（直径5·4米,1·8万根换热管）已研制成功。

但30万吨/年以上的氨合成塔、大型氧氯化流化床反应器、环氧乙烷反应器、连续重整移动床反应器等的成套设计技术还未完全掌握。

乙烯装置的核心设备———乙烯裂解炉已自主开发成功6万吨/年CBL炉型,目前正在和鲁姆斯公司合作开发10~20万吨/年的大型SL型炉。

国内已可生产20万吨/年天然气转化炉成套设备,但30万吨/年以上更大型炉还没有。

大型气流床煤气化炉成套设备（4·5~6·5MPa,1500℃,炉径3·2米,日处理煤2000吨）,目前仍依赖于引进德士古或壳牌技术,是个很大的薄弱环节

反应设备的发展很大程度上依赖于化工工艺的发展,催化剂与化工工艺改变,反应器必然随之而变;再加上反应器内部是多相流动、传递与反应诸过程的耦合,是很复杂的非线性问题,所以其开发往往大大滞后于工艺,要经过“冷模→热模→放大验证→工业试用考核”等众多环节,漫长而耗资,往往成为影响新工艺技术开发的“瓶颈”,成为我国掌握自主核心技术上的“拦路虎”。

解决这个难题的突破口是掌握反应器放大技术,达到从模型研究一步直接放大到工程设计的要求。

其方法可能是:

依靠现代计算机技术与现代微观实验技术,将化学反应的分子模拟、本征和宏观反应动力学、多相湍流的多尺度分析与关联、相界面传递与反应过程的微观分析等结合起来,以求建立“设备结构与尺寸-过程耦合机理-反应器综合性能”之间相互影响的定量关联

3.2　塔设备

塔器是所有化工生产中最为量大面广的过程设备之一,现已完全立足于国内,已开发成功一系列高性能塔盘,且技术水平已达国际先进程度。

最具代表性的塔盘有高通量DJ塔盘、高效率高弹性的立体传质塔盘、微分浮阀塔盘、并流喷射式复合塔盘、Su-per-V型浮阀塔盘等。

现已开发形成适用于不同物系的多品种高性能填料塔（规整及散堆型）成套技术（包括新型填料及高性能气液分布技术等）,已成功应用于直径达8·4~10米的大型减压塔,处于国际先进水平。

国内已形成了若干个高水平的塔器研发基地,具有雄厚的科技力量与研发条件,已发展了计算传质学及新的传质模型,形成了若干个颇具特色的将工艺要求与塔盘构型和性能相结合的全塔优化设计软件等,为石化生产的挖潜增效、节能提质等做出了重要贡献。

现在开发千万吨级大型炼油厂用的直径达16米的特大型减压塔等已无困难。

3.3　换热设备

另一类量大面广的设备是各类换热设备。

除少数特殊高性能品种外,从传热、流动性能计算到结构设计与加工制造基本上都可立足于国内。

在强化传热方面更有不断的创新发展[2,3],如应用最广的管壳式换热器开发了许多传热性能优异的传热管元件,有螺旋槽管（传热系数提高60%）,横纹管（传热系数提高85%）,非圆形管（螺旋扁管可提高传热系数40%）,多孔表面管（提高沸腾给热系数4~10倍）,管外用纵槽结合管内用多孔表面（提高冷凝给热系

3.4　工业炉

以炼油、石化工业中最常用的管式炉为例,关键问题是不断提高炉管表面平均热强度和合理提高全炉热效率。

除特殊的乙烯裂解炉和制氢转化炉等复杂高性能品种外,国内都已掌握了其设计与制造成套技术,而且还开发了全炉管内外的流动、反应与燃烧、传热的耦合数值模拟技术,推动了全炉优化设计与运行的进展。

一般已普遍采用了国内自主开发的热管换热器及防露点腐蚀的ND钢来降低排烟温度,有效提高了全炉热效率。

但在低NOx的高性能燃烧器上却没有什么进展,主要还是靠引进国外技术,因此仍是个薄弱环节。

4　用高新技术提升过程装备技术的展望

将各种高新技术引入过程装备的研发中已是过程装备技术发展的主导方向。

主要包括以下3个方面。

4.1　计算机和信息技术的应用

计算机和信息技术除了在前述“过程机器故障诊断技术”及“压力容器失效分析与安全评定技术”等中的应用之外,还广泛用于过程设备内复杂过程的多尺度数值模拟与分析,以实现直接一步放大与结构优化设计;发展装备的三维动态模拟（应力应变场、温度场、流场等）以达到装备的虚拟设计与制造;将射线断层扫描实时成象与人工智能相结合,以实时显示装备内多相流时空变化的动态过程,进行装备缺陷检测识别与寿命预估等;发展多种装备优化集成与优化调控的数字化技术以达到全系统效益最大化、污染最小化等多指标综合优化的目的。

4.2　新材料的应用

除前述在压力容器中发展高强高韧钢及高耐蚀性材料和在过程机器的自愈技术中采用新型材料之外,还应着重发展各类高功能性材料。

如先进膜材料制成气体膜分离器,可从空气中富集氧,从混合气体中提纯氢,从烟气中捕集回收CO2以减排温室气体等,有着重大的应用前景。

又如开发新型反渗透膜与多效闪蒸技术组合应用,可使海水淡化,成本已降到5元/吨淡水;开发生物膜过滤以净化污水,可达到回用标准,节水价值重大。

某种高分子复合膜可从混合气中分离回收乙烯,回收率可高达90%以上。

材料的表面改性也十分重要,如乙烯裂解炉管的表面改性可以有效防止结焦,大大提高乙烯装置的生产能力。

4.3　过程强化

化工过程装备内部都是流体流动、传热、传质及反应过程或它们的耦合,因此过程强化始终是过程装备技术重点发展的一个主导方向。

过程强化的含义是多样化的,有提高效率,有强化负荷,有节能降耗等等。

其方法也是多种的,主要包括:

①过程复合,即在一个新设备内同时完成几个传统单元设备的功能。

已开发成功的有反应与蒸馏的复合,采用带有催化剂包的新型塔盘等。

又如膜反应器,可使反应与产物分离同时进行,打破了原来反应器内热力学平衡的限制等。

②外场效应的强化。

如采用旋转式填料器,依靠超重力强化传质反应过程,可获得超细粉体等。

如采用外加电场（数千瓦）,可使喷雾的雾滴最小粒径达到4~5微米,甚至纳米级。

如磁

场与超声波组合,可高效脱除水中的BOD、COD等。

③微型化技术[4,5]。

采用微蚀刻技术,可制造出通道特征尺寸小于几百微米的微型模块,单通道液体流量为1微升~10毫升/分钟,它的面积体积比高达1~10万平方米/立方米,采用几十万个并行通道组成一台微换热器,在1立方米/小时体积流量下,可达200kW高功率和25kW/（m2·K）的高传热系数,相当于水的传热系数为传统换热器的6~12倍,气相传热系数为传统的20倍。

一台溴化锂微型制冷器的制冷强度高达10~15kW/（m2·K）,其体积只有传统制冷器的1/60。

一个汽车用压缩蒸汽微

型重整反应器,体积只有4升,但可使异辛烷转化率达90%,供50千瓦燃料电池用。