工程實用案例x

工程案例案例一、伯努利方程的應(yīng)用航海奇案的審判事情發(fā)生在1912年的秋天，一艘當(dāng)時世界上最大的遠(yuǎn)洋巨輪“奧林匹克”號，航行在茫茫的大海上。距它100m左右的海面上，一艘比它小得多的“豪克”號與它幾乎是平行地疾駛著。突然“豪克”號像著了魔似的，扭轉(zhuǎn)船頭沖向“奧林匹克”號。兩船的水手趕緊打舵，但無論他們怎樣操縱都無濟于事，“豪克”號還是向“奧林匹克”號的船舷撞去，結(jié)果撞出了一個大洞。在法庭審理這樁奇案時，“豪克”號被判為有過失的一方。然而，這個判決是不正確的。我們可以根據(jù)流體流動原理來分析這次事故的原因。由伯努利方程可知，流體流動時，其動能與靜壓能可以相互轉(zhuǎn)換，速度大的一側(cè)壓力低，速度小的一側(cè)壓力高。根據(jù)這一原理，兩般并排行駛時，由于內(nèi)側(cè)船舷中間的流道較狹窄，水流比兩般的外側(cè)快，因此水對內(nèi)側(cè)的壓力比對外側(cè)壓力小。于是，船內(nèi)外側(cè)的壓力差像一雙無形的巨手，把兩船推向一起，造成碰撞事故。由于“豪克”號噸位小，所以被推得快，看起來是小船撞了大船。事實上大小船的并行加上快速行駛，造成了這起事故的發(fā)生。兩船應(yīng)負(fù)同等責(zé)任。兩船若能及時采取措施迅速減速，這場事故也許是可避免的。提示： 兩船相距很近而高速行駛是航海上的大忌。案例二、煙囪的工作原理化工生產(chǎn)中經(jīng)常會用到燃燒爐，燃燒爐煙囪的設(shè)計應(yīng)遵循流體流動原理。圖1為燃燒爐自然排煙系統(tǒng)示意圖。要使煙氣從爐內(nèi)排除，必須克服排煙系統(tǒng)的一系列阻力。煙氣之所以能克服這些阻力，是由于煙囪能在其底部（2-2'面）形成吸力。若爐膛尾部（1-1'面）的壓力為大氣壓，則在兩截面間壓力差的作用下，高溫?zé)煔饩涂山?jīng)排煙煙道流進煙囪底部，最后由煙囪排至大氣中。煙煙

煙煙若忽略煙囪直徑的變化，則u2=u3P3p 空gH而w Hu2f，23 d2)g J]H2)g J]H2Pa P2 ［（空煙:為煙氣的密度煙:為空氣的密度結(jié)論：當(dāng)煙氣的密度小于空氣的密度時，煙氣在煙囪內(nèi)產(chǎn)生向上的自然運動，從而在煙囪底部造成真空（低壓），形成煙囪的吸力，將爐膛內(nèi)的煙氣抽出，這就是煙囪能“拔煙”的原理。煙囪吸力的大小取決于其高度、空氣及煙氣的密度差和煙囪直徑。煙囪超高、直徑越粗、空氣與煙囪的密度差越大，則吸力越大，“拔煙”效果越好。案例三、離心泵的氣蝕問題某石化公司所屬的動力車間，為配合技改項目，新建了一座循環(huán)水塔，如圖2。設(shè)計總循環(huán)水量為6600m3/h,采用4臺離心泵并聯(lián)操作。投產(chǎn)運行后發(fā)現(xiàn)，4臺離心泵出口壓力表均存在不同程度的擺動，機組有較大的振動和噪聲，吸水池液面擾動嚴(yán)重，并浮有大量的氣泡。停泵進行檢修，發(fā)現(xiàn)葉輪表面銹跡斑斑。根據(jù)上述情況說明該泵在操作過程中發(fā)生了較嚴(yán)重的氣蝕。技術(shù)人員對該系統(tǒng)進行了深入的故障分析，提出引起泵氣蝕的可能原因：1） 操作流量過大：原設(shè)計時單臺泵的循環(huán)水量為2200m3/h，但實際操作時每臺泵的流量達(dá)到了2800m3/h。由于流量增大，泵吸收管路阻力增大，使泵入口處的壓力降低，有效氣蝕余量減小，同時，流量的增大使泵的必須氣蝕余量增大，兩方面因素均可導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。2） 吸水池結(jié)構(gòu)不合理：吸水池前的封閉流道，寬1.5m，管道底部距吸水池底2.3m，形成急劇落差，而且，流道進入水池采用了直角結(jié)構(gòu)，流道突然擴大，產(chǎn)生旋渦，增大了流動阻力。3） 循環(huán)水溫過高：進入吸水池前的循環(huán)冷卻水冷卻不夠充分，使吸水池中水溫達(dá)40°C-50°C。溫水進入吸水池時容易產(chǎn)生氣泡，這些氣泡隨之進入葉輪，在高壓液體作用下，氣泡會凝結(jié)或破裂，同時水溫高使飽和蒸汽壓較大，致使泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。提示:對本系統(tǒng)，由于改造吸水池的工程量較大，周期長，會影響提示:到生產(chǎn)，應(yīng)優(yōu)先采用其他的方法。案例四、小水釀大災(zāi)的原因2003年8月，陜西省渭河流域連續(xù)降雨，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，全省有1080萬畝農(nóng)作物受災(zāi)，225萬畝絕收，受災(zāi)人口515萬，直接經(jīng)濟損失達(dá)82.9億元，是渭河流域50多年來最為嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。然而當(dāng)年渭河洪峰量最高流量3700m3/s，只相當(dāng)于五年一遇的洪水，為何如此小水卻釀成大災(zāi)？水量不大卻出現(xiàn)了高水位，以至發(fā)生洪災(zāi)，其原因只能是河床升高了，說明渭河流道內(nèi)泥沙淤積很嚴(yán)重。但是渭河在歷史上并不是一條易淤積的河流。渭河水雖然帶有泥沙，但可通過水流經(jīng)潼關(guān)帶入黃河，即渭河對其河床高度應(yīng)有自衡能力。根據(jù)陜西省水利志記載：從春秋戰(zhàn)國到1960年的2500年間，河床淤積厚度僅為16m，平均每100年才淤積0?6m。但自從三門峽水庫1960年建成投運后，加快了上游地區(qū)河床升高的速度。原因：三門峽蓄水造成潼關(guān)高程長時間居高不下（ “潼關(guān)高程”為水利名詞，是指黃河在陜西潼關(guān)的水位高度）。據(jù)數(shù)據(jù)記載三門峽常年蓄水平均水位比三門峽河段自然水位高30多米，必然導(dǎo)致潼關(guān)高程的升高。而潼關(guān)高程長時間居高不下，破壞了自衡能力，導(dǎo)致渭河泥沙淤積速度加快，河床迅速升高。據(jù)水利部資料記載，1960年至1962年蓄水兩年后，水庫淤積了15億噸泥沙，到1964年總計淤積了50億噸。由流體流動原理可知，下游（潼關(guān)）水位升高導(dǎo)致上上游（渭河）水流減速，水在渭河內(nèi)的停留時間因此增加。由沉降槽工作原理知，流體停留時間越長，沉降的顆粒就越多。據(jù)此不難理解，渭河水流速度放慢是其河床升高的直接圖3渭河、潼關(guān)、三門峽地理位置圖原因，而導(dǎo)致這一結(jié)果的最初原因，則是三門峽庫區(qū)的長年高位蓄水。案例五、換熱器以小替大改善換熱效果在某化工產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置中，混合液在分解塔中進行反應(yīng)時，放出大量的熱量，若不及時移走，塔內(nèi)溫度將持續(xù)上升，導(dǎo)致過量焦油的產(chǎn)生，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，也易堵塞管道造成事故。國內(nèi)該類生產(chǎn)裝置大都采用蒸發(fā)冷卻的方法來移走反應(yīng)熱（即塔內(nèi)溫度靠液體自身的蒸發(fā)來維持）。但北方某廠采用外循環(huán)冷卻的方式，即將塔內(nèi)液體用泵抽出，經(jīng)塔外一雙管程列管換熱器用水冷卻后循環(huán)回流至分解塔。所用換熱器R1的主要參數(shù)為：殼徑1m，雙管程，換熱管638X2.5mm，管長2.5m，管數(shù)370根，總傳熱面積100m2?，F(xiàn)該廠欲將塔內(nèi)溫度由88笆降至60°C，這一改變要求冷卻器熱負(fù)荷增至4X105kJ/h。該廠技術(shù)人員采取了兩種技改方法。技改方案1：采用增大循環(huán)量（即提高傳熱系數(shù)的方法），更換大泵，將混合液循環(huán)量提高至原來的3倍。但換熱效果并未得到明顯改善。技改方案2：將一個傳熱面積比原來大的換熱器R2取代R1，R2的主要參數(shù)：殼徑1m，雙管程，換熱管625X2.5mm，管長3m，管數(shù)1200根，總傳熱面積215m2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用該換熱器的傳熱效果還不如原換熱器。兩種方案都失敗，于是廠方專門聘請有關(guān)專家尋求解決方案。專家通過現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)，并進行技術(shù)指標(biāo)的核算，終于找到了問題的癥結(jié)所在，并提出了如下的方案：改用換熱面積更小的換熱器。廠方抱著試試看的心態(tài)，從該項廠車庫內(nèi)找來殼徑為270mm，內(nèi)裝48根625X2.5mm換熱管，總傳熱面積僅為37.5m2的換熱器二臺。實際結(jié)果果然如專家預(yù)測，傳熱效果反而比 R1、R2都要好，生產(chǎn)能力相應(yīng)提高了75%，完全達(dá)到了改造的目標(biāo)。請分析換熱器以小代大而傳熱效果反而更好的原因？提示：影響換熱器傳熱速率的因素有哪些？傳熱面積過大對傳熱系數(shù)的影響如何？如何綜合評價一臺換熱器的傳熱效果？

案例六、采用側(cè)線出料降低精餾塔能耗日本山陽石化公司水島化工廠有一套制苯裝置，該裝置以乙烯裝置聯(lián)產(chǎn)的裂解汽油為原料，經(jīng)加氫脫烷基制苯。原料需要在前處理工序中經(jīng)蒸餾分離為輕質(zhì)餾分（從脫戊烷塔塔頂餾出的C5-餾分）和重質(zhì)餾分（從預(yù)分離塔塔底采出的C9+餾分）以及制苯原料（稱為苯料，從預(yù)分離塔塔項餾出的C6-C8芳烴餾分）。改造前的前處理工序工藝流程如圖4所示。脫戊烷塔脫戊烷塔脫戊烷塔脫戊烷塔圖4圖4改造前制苯裝置圖圖5改造后制苯裝置圖1）節(jié)能方案：以裝置節(jié)能為目標(biāo)，水島化工廠對上述前處理工藝進行了改造，從脫戊烷塔側(cè)線引出物料，經(jīng)兩臺過程換熱器降溫，送往預(yù)分餾塔回流液貯槽。改造方案如圖5所示。2）節(jié)能方案的依據(jù)：脫戊烷塔采用側(cè)線出料減小了預(yù)分餾塔的進料量，使該塔的熱負(fù)荷降低;雖然使用兩臺過程換熱器需要耗能，但這并沒有額外增加整個蒸餾系統(tǒng)的能耗，因為在改造前與該側(cè)線相當(dāng)?shù)奈锪鲜潜患尤朊撐焱樗?nèi)，這部分物料同樣需要消耗能量；該股側(cè)線是降溫后直接送往回流液貯槽，事實上是利用過程換熱器將冷量加在了塔頂，這種做法符合“有熱量從塔底加入，有冷量從塔頂加入這一精餾系統(tǒng)能量使用原則。3）側(cè)線出料的位置：由于接受側(cè)線出料的貯槽排出的即是制苯原料，故側(cè)線采出位置應(yīng)選在脫戊烷塔中C6-C8芳烴餾分含量最高處，且這樣的濃度應(yīng)基本滿足制苯原料的要求。經(jīng)廠家模擬計算和濃度實測，選定在脫戊烷塔3#板（從塔底算起的第三塊塔板）為側(cè)線出料板。4）改造結(jié)果：水島化工廠1980年4月完成脫戊烷塔側(cè)線出料的改造，與改造前相比，回收的熱量相當(dāng)于1.4t/h3.0MPa的蒸汽，為該裝置蒸汽使用量的5%。思考：側(cè)線出料量是否越大越節(jié)能？該出料量受到哪些方面的限制？提示：蒸餾是化工生產(chǎn)過程中的能耗大戶，蒸餾系統(tǒng)的節(jié)能在化學(xué)工業(yè)的節(jié)能中占有重要的地位。合理的節(jié)能措施不但需要堅實的理論基礎(chǔ)，還需要一定的技術(shù)保證，因為節(jié)能改造往往使過程變得復(fù)雜，實施時需要很高的操作水平和控制水平。案例七、吸收塔的設(shè)計目前全球每年排放 SO2約3億噸主要來源于化工、電力和冶煉等行業(yè)。SO2的排放嚴(yán)重污染了大氣，產(chǎn)生酸雨，危害生物、建筑物等。因此，我國對SO2排放總量進行嚴(yán)格控制，對排放必須進行SO2達(dá)標(biāo)治理。某冶煉廠鍋爐排放的含有SO21%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的混合氣體用清水在裝有陶瓷拉西環(huán)的填料塔內(nèi)進行逆流吸收，經(jīng)過一段時間分析吸收塔尾氣 SO2超標(biāo)（原來設(shè)計要求尾氣排放SO2不超過0.1%，操作時實際排放濃度為0.5%，原設(shè)計液氣比為10，操作條件下平衡關(guān)系為y=8.0x）。工廠組織技術(shù)人員分析SO2超標(biāo)的原因，從兩方面入手。一種可能是操作不當(dāng)，如因管路等原因引起氣量和液量變化，使實際操作的液氣比變小，傳質(zhì)推動力減小，吸收劑溫度高了，或是吸收壓力低了，均可使吸收效率下降；二是設(shè)備方面出了問題，使傳質(zhì)系數(shù)下降，傳質(zhì)阻力增大；三是可能是礦石組成變化使含硫量增加導(dǎo)致進塔組成提高。針對可能的原因進行檢測確定，對進氣量和清水量檢測發(fā)現(xiàn)波動很小，第一種可能排除。當(dāng)時正值冬季，清水溫度較低，吸收壓力為常壓，第二種可能被除數(shù)排除。分析礦石組成變化也不大，按設(shè)計時的富裕程度出口 SO2也不可能超標(biāo)。唯一可能是填料使用時間長，有破損，液體分布不均，填料性能下降，傳質(zhì)阻力增加。SO2超標(biāo)的原因已明確，試問可采取什么措施控制 SO2超標(biāo)？提示：增加吸收劑用量，可行性如何？增長填料層高度，可行性如何？串聯(lián)一段傳質(zhì)性能更好的填料塔，如何？案例八、浮閥塔板上開篩孔提高塔的生產(chǎn)能力由于浮閥塔有較高的塔板效率、較低的塔壓力降和較大的操作彈性，在 20世紀(jì)60-80年代的煉油生產(chǎn)裝置中得到廣泛的應(yīng)用。但為了不斷的挖掘和提高塔的生產(chǎn)能力，某煉油廠在浮閥塔板上增開篩孔，結(jié)果使該塔的生產(chǎn)能力提高了20%。此成功經(jīng)驗便在眾多煉油廠得到推廣。在2000前后，洛陽石化工程公司煉油廠將催化裂化裝置主分餾塔由固定舌形塔板改為浮閥塔板，并將其開孔率進一步提高，也取得了不錯的生產(chǎn)效果。但是，此類技術(shù)改造并非在所有塔上都取得成功。也有一些企業(yè)改造后生產(chǎn)能力并未提高的情況發(fā)生。同一項技術(shù)改造，為什么在不同的塔上取得了不同的結(jié)果？此案例生動說明，生產(chǎn)中對來自其他設(shè)備的經(jīng)驗不能盲目模仿，應(yīng)用理論知識結(jié)合實際生產(chǎn)，不同情況應(yīng)作具體分析，才能做出科學(xué)的決策。提示：要明確塔的生產(chǎn)能力的概念；一定尺寸的塔，其生產(chǎn)能力是否有限？影響塔操作的水力學(xué)性能如何分析？影響塔負(fù)荷性能的因素是什么？填料塔的設(shè)計應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟和操作三方面綜合考慮。聚氯乙烯（PVC）樹脂是一種熱敏性、粘度小且多孔性的粉末狀物料，其干燥過程包括非結(jié)合水分和結(jié)合水分的干燥，即經(jīng)歷表面汽化及內(nèi)部擴散的不同控制階段。為此，在干燥過程中采用兩級裝置。第一級主要用于表面水分的汽化，采用氣流干燥器，利用其快速干燥的特點，使物料在很短的停留時間內(nèi)，除去大部分表面水分；此時干燥強度取決于引入的熱量，通過加風(fēng)量和溫度，使較高的濕含量能迅速地降至臨界濕含量附近。第二級主要用于內(nèi)部水分?jǐn)U散，經(jīng)降低風(fēng)速和延長時間為宜，故采用流化床干燥器，使?jié)窈窟_(dá)到最終干燥的要求。在PVC的生產(chǎn)工藝中，PVC的干燥多采用氣流干燥與流化床干燥器聯(lián)合操作，其中第二級常采用臥式流化干燥器。某工廠經(jīng)技術(shù)改造，用旋風(fēng)流化干燥器替代臥式流化干燥器，獲得了較好的效果，其干燥系統(tǒng)工藝流程如圖 6所示。含水量約為15%的PVC樹脂濕料，經(jīng)螺旋加料器送至第一級氣流干燥器中干燥，離開氣流干燥器的物料含水量為3%，再進入下一級旋風(fēng)流化干燥器進一步干燥，離開時物料含水量降到0.3%以下，干燥后的物料顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器分離下來，經(jīng)振動篩過篩，進行成品包裝；少量細(xì)料再經(jīng)過下一級旋