《过程装备简介》PPT课件

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 Fluiddynamicalprocess 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 Heattransferprocess 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 Masstransferprocess 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 Momentumtransferprocess 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 Thermodynamicprocess 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 Chemicalprocess 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SO2 2100万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NOX 290万t a 占世界10 其中煤排占67 排放CO2 600万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 7 8 m 80 100mg m3 静电除尘 1 m 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2 3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8 10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2 3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 60 1000 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 3 0 5mm厚的碳化硅高辐射料 可提高炉效率2 5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4 5 m 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1 L 10mL min 微换热器1m3可换热18000MW水传热系数为传统的6 12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10 15Kw m2 K 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 10 103 装置 工厂 macroscale 介观尺度 10 2 10 设备 mesoscale 微观尺度 10 6 10 2 气泡 颗粒 液滴 涡 microscale 纳米尺度 10 10 10 7 分子过程 活性晶格 nanoscale 分子尺度 10 15 10 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