《过程装备简介》PPT课件.ppt

1,过程装备 21世纪高新技术的重要工具,华东理工大学化工机械研究所,2005年10月8日,潘家祯,2,过程装备 21世纪高新技术的重要工具,1.概述2.过程装备的学科范围、地位、与关系 3.过程装备发展的推动力 4.过程装备发展的方向5.过程装备的趋势和前沿6.结束语,3,1.概述 1.1 过程装备的由来,古代的炼丹术士们通过炼金炼丹的研磨、蒸馏、升华、结晶、测定等技术操作，积累了金属的置换、物质的化合、分解、氧化、还原等化学反应方面的知识。,4,1.概述 1.1 过程装备的由来,但是化学，走出化学家的实验室，与工程结合，还是这一百多年以来的事。,5,1.概述 1.1 过程装备的由来,英国人帕金，于1856年发现了苯胺染料，并实现了工业化的生产。法国化学家拜特洛对有机化合物的合成进行过系统研究，于1856年合成了甲烷，1858年合成了甲醇，1859年合成了乙炔，1866年从乙炔合成了苯，进入了合成化学的年代。,6,1.概述 1.1 过程装备的由来,合成氨的发明者，德国化学家哈柏，从1906年开始研究用高温高压法合成氨，1909年从实验室得到了一百克的合成氨后，德国化学家博希和伯杰亚斯共同发展了哈柏的方法，使它能用于工业生产，开创了化学工业。,7,1.概述 1.1 过程装备的由来,在化学工业诞生和发展的同时，也诞生和发展了一个与之相伴，密不可分的专业和技术化工机械。,8,1.概述 1.1 过程装备的由来,我校于1952年建校时设立的三个系为：有机工业系、无机工业系、化工机械系。,我于1962年就读本校时的五个系为：第一有机系、第二有机系、第一无机系、第二无机系、化工机械系。,化工机械系设三个专业：化工机械专业、化学工程专业、自动化专业。,9,高等院校的专业设置，五十年代学习苏联，设置了一千多个专业。教育部从1998年开始，合并为500个专业。2000年合并为250个专业。戴帽的机械专业一律取消：如：轻工机械、纺织机械、食品机械等。金相热处理、焊接等专业均归入机械专业。,1.概述 1.2 化工机械专业的变革,8,10,唯一例外：化工机械由于其重要性，更名为“过程装备与控制工程”，归入机械学科。机械学科下设置五个教学指导委员会：机械设计制造及其自动化专业教学指导分委员 材料成型及控制工程专业教学指导分委员会 工业设计专业教学指导分委员会 过程装备及控制工程教学指导分委员会 机械基础课程教学指导分委员会,1.概述 1.2 化工机械专业的变革,9,11,研究生教育归入“动力工程与工程热物理”学科，下设“化工过程机械”。“化工机械”拓宽为“过程装备”，体现了时代的要求，形势的要求，社会的要求。,1.概述 1.2 化工机械专业的变革,10,12,1.概述 1.2 化工机械专业的变革,化工过程机械,什么叫过程装备？,它包含哪些内容？,对人才的要求是什么？,扩展为“过程装备”,11,“化工过程机械”，扩展为“过程装备”，它包括：,13,12,1.概述 1.3 基本工业过程,1.流体动力过程:(Fluid dynamical process),遵循流体力学规律的过程。它涉及泵、压缩机、风机、管道和阀门等。,14,12,1.概述 1.3 基本工业过程,2.热量传递过程:(Heat transfer process),遵循传热学规律的过程。它涉及热量交换过程及设备，即：换热器，热交换器等。,15,12,1.概述 1.3 基本工业过程,3.质量传递过程:(Mass transfer process),遵循传质诸规律的过程。它涉及有关干燥,蒸馏,浓缩,萃取等传质过程及装备。,16,12,1.概述 1.3 基本工业过程,遵循动量传递及固体力学诸规律的过程。它涉及固体物料的输送、粉碎、造粒等过程及设备。,4.动量传递过程:(Momentum transfer process),17,12,1.概述 1.3 基本工业过程,遵循热力学诸规律的过程。它涉及燃烧、冷冻,深度冷冻,空气分离等过程及设备。,5.热力学过程:(Thermodynamic process),18,12,1.概述 1.3 基本工业过程,遵循化学反应诸规律的过程。它涉及化学反应，如：合成、分解等过程及设备。,6.化学过程:(Chemical process),19,2.过程装备的学科范围、地位、与关系.,1.1 过程装备的概念,18,20,2.过程装备的学科范围、地位、与关系.,1.1 过程装备的概念,19,21,2.过程装备的学科范围、地位、与关系.,1.2 过程与装备的关系,22,2.过程装备的学科范围、地位、与关系.,1.3 过程装备的内涵与特色,具有多学科交叉的特点,面宽、方向多，更偏重工程应用,热量传递、质量传递、动量传递、反应工程,固体力学、流体力学、热力学、机械原理,21,23,3.过程装备发展的推动力,3.1 最根本的推动力国民经济和社会发展的需要,22,24,3.过程装备发展的推动力,3.1 最根本的推动力国民经济和社会发展的需要.,工业增加值美国1/4，日本1/2，与德国接近，世界第四。,占外贸出口91.2%,占工业从业人员90.7%,占工业税金90%,占全部工业79.69%,占GDP35.75%,制造业比重,23,25,3.过程装备发展的推动力,3.2 当前国家的急需.,资源消费占世界比重钢35%，煤30%，水泥55%能耗单位GDP 水耗 固体废弃物,瓶颈,资源与环境不堪重负,创造GDP只占世界4,日本的11.5倍，美4.3倍,先进国家的4倍,高10倍,24,26,3.过程装备发展的推动力,3.2 当前国家的急需.,25,27,3.过程装备发展的推动力,3.3 在国家发展方针指引下的具体推动力,26,推动力之五现代高新技术的促进,推动力之四长周期安全运行的需要,推动力之三节能降耗的需要,推动力之二生态环保的需要,推动力之一过程工艺发展的需要,28,3.过程装备发展的推动力,3.4 过程工艺发展不断要求新装备,钢铁冶炼过程的进步导致了装备大更新平炉转炉,石油加工过程的发展突出了新装备的不断涌现 最简单的原油蒸馏塔，炉，换热器，泵，罐。催化反应过程占据主导地位气固流化床反应器(催化裂化工艺)高温、抗磨液气固三相反应器(加氢工艺)高压、氢腐蚀冷壁(内保温)热壁(内堆焊),纯氧顶吹转炉,连铸连轧,27,29,3.过程装备发展的推动力,3.4 过程工艺发展不断要求新装备,聚烯烃品种越来越多，相应需要许多技术难度大的新设备乙烯裂解炉，板翅式冷箱，350MPa超高压反应器，聚丙烯环管反应器，带搅拌浆的各类聚合反应器，重型螺旋卸料离心机等。,流程工业装置大型化带来了装备技术的新要求 千万吨级大炼油厂 大型加氢反应器锻焊技术难度大，材质高强韧化,28,30,3.过程装备发展的推动力,流程工业装置大型化带来了装备技术的新要求 千万吨级大炼油厂 大型加氢反应器锻焊技术难度大，材质高强韧化,塔器大型化国外最大常压塔9m，减压塔16m。塔板上气液分配均匀技术大型板式换热器国外最大15000m2，国内只有4000m2，大波形板成型技术与板间密封技术。,29,31,3.过程装备发展的推动力,3.4 过程工艺发展不断要求新装备,百万吨级大乙烯大型离心压气机单机45,000KW，要求高可靠性，高寿命。大型低温球罐(-30，1.72MPa)国外最大3700m3双层结构，低温钢。,30,32,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,我国大气的污染程度排放SO22100万t/a，世界第一，其中87%由煤排放。酸雨危害全国40%以上面积，农业损失高达37亿元/年。排放NOX290万t/a，占世界10%，其中煤排占67%。排放CO2600万t/a，占世界9.6%，其中煤排71%。排放粉尘1400万t/a，其中煤排占70%。,31,33,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,放空气体的净化烟气除尘脱硫，酸性气除酸等干法除尘旋风分离(78m，80100mg/m3)，静电除尘(1m，30mg/m3)，过滤(布袋、滤管、移动床)干法脱硫移动床（反应吸附介质不再生，需资源化）循环流化床（反应吸附介质可再生）,32,34,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,湿法除尘脱硫一体化 文氏管洗涤器（压降高，耗水少）喷雾吸收塔（压降小，耗水多）泡沫吸收器（压降与耗水适中）环流反应吸收器（效率高，压降高，耗水少）低NOX燃烧器,33,35,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,放空尾气的资源化炼厂干气的水蒸汽重整制氢高温转化炉，变压吸附器，中空纤维膜分离器水合物生成法分离气体逐级分离出H2，CH4，C2H4等。高效高负荷化的水合物生成反应器从烟气中分出CO2 吸收塔，吸附器，膜分离器等。注CO2采油，聚碳酸酯等。,34,36,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,温室气体CO2的减排无熖化学燃烧非常容易单独分出CO2加以利用,又会出现许多新设备。,35,37,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,工业污水的处理回用工业污水全球4260亿m3/年，我国365.2亿m3/年(8.6%)人均占有水量我国只有世界平均值的1/4工业用水有效率我国只有10%，耗水率为世界平均值的5倍石油化工厂内：吨油耗水世界平均0.5，我国2.4吨油排污水世界平均0.15，我国1.84工业污水回用率美80%，日83%，我国只有10-20%,36,38,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,工业污水的处理回用 水处理技术,充分显示：先进装备的功效！,37,39,3.过程装备发展的推动力,3.5 生态环境保护呼唤先进装备.,固体废弃物的再资源化,废轮胎低温粉碎作再生橡胶制品 城市垃圾油生物柴油 垃圾焚烧无害化处理产汽发电(7亿吨/年)农业秸杆水解沼气，乙醇，生物柴油(6.3亿吨/年),38,40,3.过程装备发展的推动力,3.6 节能降耗推动开发高效装备.,紧迫性,我国人口占世界总人口的22%，而石油储量只占世界的2%，煤炭只占世界的11%，人均能源占有量只有世界平均的23%。单位GNP能源却为美国的23倍，日本的10倍。对国外石油资源的依存度将达60%，国家安全。,节能降耗是国民经济发展的永恒主题,39,41,3.过程装备发展的推动力,3.6 节能降耗推动开发高效装备.,装置的系统节能潜力很大,大型企业的汽电联产能源梯级利用(燃气轮机发电产汽装备，高温气体净化设备)高温位热能回收催化700烟气透平发电，余热锅炉产汽低温位热能回收300以下热源的利用(热泵，低温差高效换热器)、(余热发电用高效膨胀透平)化学能回收CO锅炉压力能回收高压液体的液力透平优化换热网络、蒸汽网络等。,40,42,3.过程装备发展的推动力,3.6 节能降耗推动开发高效装备.,换热设备的高效强化量大面广,强化传热的两条途径 冷、热流温差沿程最大(纯逆流螺旋板式最理想)减小热阻(表面高度湍动，防结垢)管壳换热器螺旋槽管(传热系数提高60%)横纹管(传热系数提高85%)非圆形管(椭圆，蛋形，鼓状，菱形管等)多孔表面管(提高沸腾给热系数4-10倍)管外纵槽，管内多孔表面(提高冷凝系数5倍),41,43,3.过程装备发展的推动力,3.6 节能降耗推动开发高效装备.,换热设备的高效强化量大面广,管壳式换热器管内插入扰动促进物（英国CatGavin公司的Hitran丝网扰动物可提高液体传热系数2.5倍，气体提高5倍，防垢能力提高810倍）壳程用折流杆栅（压降低50%，传热系数高20%，防流体诱振）壳程用螺旋形折流板（防结垢，提高传热能力）板壳式换热器(Hybrid，Packinox)传热系数一般为管壳式的23倍，压降小，结垢倾向小 已推广用于催化重整、常减压蒸馏、加氢脱硫，合成氨等装置,42,44,3.过程装备发展的推动力,3.6 节能降耗推动开发高效装备.,管式加热反应炉耗能大户,节能方向降排烟温度，高效环保燃烧器，炉管防积垢。空气预热器热管换热器(超导热管的导热系数是水热管的10倍，是金属光管的一万倍，温度可在-601000)防露点腐蚀的ND钢。热棒型陶纤燃烧器(强化火焰的均匀辐射，噪声低，NOX小于20ppm)炉管表面吹灰技术(次声波吹灰，激波吹灰等)。炉膛传热面上涂0.30.5mm厚的碳化硅高辐射料，可提高炉效率25个百分点。,43,45,3.过程装备发展的推动力,3.7 长周期安全生产需求装备新技术.,密封防漏,转轴机械密封上游泵送机械密封转轴的干气密封螺旋槽技术(代替浮环式密封)零泄漏密封磁力传动泵(6000m3/h，25MPa，1400KW)磁力悬浮轴承用于离心压缩机(无润滑油系统，无磨擦面),44,46,3.过程装备发展的推动力,3.7 长周期安全生产需求装备新技术.,防腐耐磨隔热,金属表面改性与涂层功能梯度涂层(耐蚀，耐热，耐磨)自蔓延防腐涂层管道的阻垢与防结焦隔热技术整体浇铸的隔热耐磨一体化衬里低温装备的隔热技术(结构，材料),45,47,3.过程装备发展的推动力,3.7 长周期安全生产需求装备新技术.,压力容器与管道的安全评定与延寿技术,光声电传感+材料分析+计算机模拟(分形、模糊、概率)高温高合金钢管的在役监测与剩余寿命判断(HK40管等)焊接结构的实时监测 多路光导，声发射，应变与振动传感器 光学无损金相复型现场检验技术 磁声发射(组织蠕变)，高温超导量子干扰(表面缺陷)等新传感器。,46,48,3.过程装备发展的推动力,3.7 长周期安全生产需求装备新技术.,压力容器与管道的安全评定与延寿技术,带保温层压力容器在役检测脉冲或低频涡流检测(有无腐蚀)铁磁材料伸缩声发射检测低频(50-500KHz)超声检测(腐蚀，裂纹)先进的安全评定技术 综合应用定量金相技术、概率断裂力学评定技术、模糊综合评判等寿命予测与延寿技术缺陷自动识别与计算机模拟技术(不需试件而在设备上直接评定)裂纹分形效应、失效整体概率分析等综合评定技术,47,49,3.过程装备发展的推动力,3.7 长周期安全生产需求装备新技术.,石化机泵故障诊断与自愈技术,机械学+动态传感+计算机分析 大型机泵的振动监测与频谱分析，判定故障性质与等级全息谱方法综合测定每阶频率分量上的振动形态。基于模糊神经网络的机泵故障检测系统。故障诊断专家系统复合振动、声发射、油液分析等多种诊断的综合，等效均衡损伤的寿命预测准则，时域相位互斥诊断法，共同频率分析法等。故障自愈技术。,48,50,3.过程装备发展的推动力,3.8 高新技术促进过程装备的新发展.,计算机和信息技术对装备技术的提升,化工过程多尺度数值模拟与分析，实现一步放大与结构优化设计。三维动态模拟(应力应变场、温度场、流场等)虚拟设计与制造射线断层扫描实时成象和人工智能系统的结合装备内多相动态过程，装备缺陷检测识别与寿命预估等先进制造技术数字化，信息化，智能化的制造过程极端制造(极大，微纳，高精，苛刻),49,51,3.过程装备发展的推动力,3.8 高新技术促进过程装备的新发展.,新材料对装备性能的提高,防腐蚀材料加氢反应器从冷壁到热壁，陶瓷与钢的复合，塑料与钢的复合，自蔓延防腐技术，焊接热影响区的防止应力腐蚀等。功能材料记忆合金的密封与监控，磁性材料用于无泄漏密封,磁力搅拌，磁分离被重金属污染的催化剂，红外延 性陶瓷无焰燃烧火嘴等。膜材料气体膜分离（氢，富氧，CO2减排）海水淡化膜分离生物膜过滤净化污水,50,52,3.过程装备发展的推动力,3.8 高新技术促进过程装备的新发展.,外场效应技术的应用开发新装备,超重力场（Higee）油田注水的脱氧（一台1m超重力分离器替 代原来30m 高的真空脱气塔)电场喷雾在电场（数千瓦）作用下可使雾化粒径小到45m,甚至纳米级 蛋白质分离的电泳技术 离子束烟气脱硫 磁场与超声波结合，高效脱除水中BOD，COD等 微波催化天然气转化制乙烯等,51,53,3.过程装备发展的推动力,3.8 高新技术促进过程装备的新发展.,微化工技术推出微装备技术,特征尺度小于几百m的设备，极高的面体比104 105m2/m3，模块结构，并行通道几万个、几十万个，单通道液体流量1L10mL/min。微换热器1m3可换热18000MW水传热系数为传统的612倍，气传热系数为传统的30倍。溴化锂微制冷系统的制冷强度高达1015Kw/m2K，体积只有传统的1/60。微反应器可做到等温分布、快速反应。微检测（传感器）、微分析、微制造的配套发展。,52,54,4.过程装备发展的方向,4.1 领域拓展学科交叉与相互渗透.,重视与过程工艺的结合不同选择优势、特色领域重视环境保护，开发高效节能设备关注洁净能源(煤、天然气、生物质、氢能等)，开发配套新设备了解生物、医药化工的特点，开发特种设备 与新材料工程结合，开发能批量生产的新设备 材料学机械力学检测控制学 的综合：可预测性，高可靠性。(从宏观预测到微观预测的不同尺度品质预测与控制),53,55,4.过程装备发展的方向,4.2 尺度延伸研究对象的多尺度分析.,宇观尺度(103)(环境，大气，海洋，土壤)(megascale)宏观尺度(10103)(装置，工厂)(macroscale)介观尺度(10-210)(设备)(mesoscale)微观尺度(10-610-2)(气泡，颗粒，液滴，涡)(microscale)纳米尺度(10-1010-7)(分子过程，活性晶格)(nanoscale)分子尺度(10-1510-11)(分子运动)(Molecularscale),系统集成放大设计机理模型,54,56,4.过程装备发展的方向,4.3 方法提升高新技术的应用.,55,57,4.过程装备发展的方向,4.3 方法提升高新技术的应用.,建立各尺度的数学模型及其关联,微观尺度机理分析分形结构，多相结构，界面现象，相间传递 介观、宏观尺度CFD流动形态，传递行为，与反应的耦合 非稳态，极端条件 放大设计宏观、宇观尺度动态模拟系统集成，优化调控，环境协调,56,58,4.过程装备发展的方向,4.3 方法提升高新技术的应用.,微观信息的获得非介入测量新技术,核磁共振（NMR）颗粒团聚，气泡变形，结晶过程层析技术（光、声、阻抗、射线）多相流动特性，过程在线检测颗粒示踪技术（荧光，射线，正电子淹没）颗粒运动分析 原子力显微镜表面结构三维激光扫描显微成象技术局部的动量，热量，质量传递,57,59,4.过程装备发展的方向,4.3 方法提升高新技术的应用.,新计算方法与工具,神经网络，遗传算法，模糊分析，随机分析，混沌分析等系统集成优化夹点技术，集成分析 千亿次级并行计算万亿次级超级计算机,58,60,4.过程装备发展的方向,4.4 过程强化设备的高性能化.,过程复合反应与蒸馏，反应与吸附，反应与结晶 在一个新设备内同时完成几个传统设备的功能。(装置紧凑化，节能降本)过程强化设备高负荷化、紧凑化 气固流化床依靠催化剂活性提高，鼓泡床湍动床快速床 微换热器 输送床 消除设备“瓶颈”，提高整机负荷大通量塔盘，炉管受 热强度均匀化安全长寿装备的高可靠性,59,61,(1)全生命周期的设计/制造正成为研究的重要发展趋势。由过去单纯考虑正常使用的设计，前后延伸到考虑建造、生产、使用、维修、废弃、回收再利用在内的全生命周期的综合决策。过程装备的监测与诊断工程，绿色再制造工程和装备的全寿命周期费用分析、安全和风险评估以及可靠性为中心的维修(RCM:Reliability Centered maintenance)和预测维修(PdM:Predictive Maintenance)等正在流程工业开始得到应用。,5.过程装备的趋势和前沿,60,62,(2)工程科学的研究尺度向两极延伸。过程装备的大型化是多年发展方向，近年来又有向小型化集成的发展趋势。(3)广泛的学科交叉、融合，推动了工程科学不断深入、不断精细化，同时也提出了更高的前沿科学问题，尤其是计算机科学和信息技术的发展冲击着每个工程科学领域，影响着学科的基础格局。学科交叉导致传统的生产观念和生产模式发生了根本转变，随着需求个性化，制造信息化的进程，传统的生产观念由物质制造向信息制造转变。,5.过程装备的趋势和前沿,61,63,(4)产品的个性化、多样化和标准化已经成为工程领域竞争力的标志，要求产品更精细、灵巧并满足特殊的功能要求，产品创新和功能扩展/强化是工程科学研究的首要目标，柔性制造和快速重组技术在大流程工业中也得到了重视。(5)先进工艺技术得到前所未有的广泛重视，如精密、高效、短流程、虚拟制造等先进制造技术对化工机械制造工业产生了重要影响。,5.过程装备的趋势和前沿,62,64,(6)可持续发展的战略思想渗透到工程科学的多个方面，表现了人类社会与自然相协调的发展趋势。制造工业和大型工程建设都面临着有限资源和破坏环境等迫切需要解决的难题，从源头控制污染的绿色设计和制造系统是今后发展的主要趋势之一。,5.过程装备的趋势和前沿,63,65,过程装备的基本原理可以适用于任何领域。新的机遇，新的挑战，为过程装备提出了不少新的课题，展现了光辉的前景。边缘学科，新的产业，给过程装备所依赖的各种单元操作的基础化工原理赋予新的生命。各个学科的渗透和交叉又为过程装备带来了勃勃生机，过程装备-它是高效益高新技术的重要工具。从事过程装备的同学们，用你们无穷的智慧，用你们蓬勃的创造力，去开拓、去发明、去应用、广阔的市场在呼唤着你们。,6.结束语,64,66,完,Thank you for listening,65,67,谢 谢！,