现代过程装备与控制工程 概论 魏新利

ModernProcessEquipmentandControlEngineering现代过程装备与控制工程现代过程装备与控制工程过程装备制造业与社会进步〔2小时〕根本过程原理〔4学时〕动量传递过程传热过程传质过程化学反响过程……过程装备是物质制造的根底〔3小时〕过程装备与化学工业过程装备与石化工业过程装备与冶金工业过程装备与制药工业现代过程装备与控制工程过程装备是能源生产的核心〔3小时〕过程装备与化学能源过程装备与化石能源过程装备与核能过程装备与可再生能源过程装备与高新技术〔2小时〕航空、航天深海探索生命科技电子电器环境保护过程装备与控制工程的教育〔2小时〕本科教育〔课程介绍〕研究生教育〔包括相关专业〕就业持久的领先力现代过程装备与控制工程授课教师魏新利教授什么是过程装备与控制？

WhatisProcessEquipmentandControlEngineering过程装备与控制的工业背景过程装备与控制工程技术的开展简史人类不可缺失的…..

IndispensabletoHumanBeing

在这个世界上，我们可以失去很多东西，但失去其中一些东西，将大大改变我们生存的方式和含义。我们不妨设想一下：如果没有合成氨和尿素装置….我们的粮食会大面积减产，世界上有大量的人群将因饥饿而死亡；如果没有炼油装置……我们的汽车将无法出行，飞机将无法起飞；如果没有现代锅炉和发电装置……我们的空调、冰箱将无法使用，城市将处于昏暗之中；如果没有药物合成装置……人类的平均寿命会大为缩短；如果没有电子材料的制造装置……先进计算机技术无法实现，人们不得不靠传话通讯如果没有先进的制氢装置……

过程装备与控制工程是一门研究和实现上述装置的重要学科。“过程装备与控制工程〞技术支撑现在和未来社会的开展，是人类不可缺失的技术！现代过程装备与控制工程过程工业加工制造流程性材料产品

Processindustrymanufacturesproductsofprocessedmaterials社会经济过程中的全部产品通常又可分为四类，即硬件产品、软件产品、流程性材料产品和效劳型产品〔国际标准化组织，ISO/DIS9000：2000〕。所谓“流程性材料〞是指以流体〔气、液、粉体等〕形态存在的材料。过程工业是加工制造流程性材料产品的现代制造业。产业划分

IndustrialDefinition

人类的全部经济活动可划分为第一次产业、第二次产业和第三次产业。在我国第一产业指农业、林业、牧业、渔业等；第二产业指工业〔含矿业、制造业、自来水、电力、建筑业等〕；第三产业那么指商业、效劳业、邮电通讯业、金融保险业及科研、文教、卫生等行业。过程工业与矿业、制造业、自来水、电力等国民经济行业直接相关制造业的划分

Manufacturedefinition按照“技术特征〞可将制造业分为两类：一类是以物质的化学、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，多为流程性材料产品，产品计量不计件，连续操作，生产环节具有一定的不可分性，可统称为过程工业〔过程制造业〕，如涉及化学资源和矿产资源利用的产业〔石油化工、冶金〕等；另一类是以物件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，但不改变物质的内在结构，仅改变大小和形状，产品计件不计量，多为非连续操作，这类工业可统称为为装备制造业。过程制造业为装备制造业提供原材料，同时装备制造业为过程制造业提供制造装备我国过程工业包含的范围

ScopeofChineseprocessindustry按大行业分的过程工业包含在其他大行业中的过程工业食品加工业金属表面处理及热处理业食品制造业铸件制造业造纸及纸制品业粉末冶金制品业印刷业绝缘制品业石油加工及炼焦业集成电路制造业(部分生产环节)化学原料及化学制品业电子元件制造业(部分生产环节)医药制造业烟叶复烤业化学纤维制造业纤维原料初步加工业橡胶制品业棉纺印染业塑料制品业毛染整业非金属矿物制造业丝印染业黑色金属冶炼及压延加工业火力发电业有色金属冶金及压延加工业煤气生产业自来水生产业过程工业是是国家的重要支柱产业，国家财税收入的主要来源，其开展状况直接影响国家的经济根底。在整个制造业中，过程工业的产值比重接近50%，利税奉献更为显著，增值税达52%〔2001年〕。现代过程装备与控制工程过程装置是流程性材料产品的工作母机

Processunitisthemachinetoolforproductsofprocessedmaterials成套过程装置是流程性材料产品的工作母机，它通常由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的连续系统，再配以控制仪表和电子电气设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种材料，让其在装置中历经必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性产品。单元过程设备〔如换热器、反响器、塔、储罐等〕与单元过程机器〔如压缩机、泵、离心机等〕二者统称为过程装备。过程装备与控制工程是……ProcessEquipmentandControlEngineeringis……Combiningmath,physics,chemistryandengineeringofmultidisciplinetosolveawiderangeofindustrialproblemsinasafeandeconomicalfashion.结合数、理、化和多领域的工程知识，以平安和经济的方式解决诸多的工业问题的学科relatedtobothprocessmanufactureindustryandequipmentmanufactureindustry与过程制造业和装备制造业同时相关过程装备与控制工程的发展简史BriefhistoryofProcessEquipmentandControlEngineering战国时期的炼丹术据?史记?记载，战国时就有方士炼丹?丹房须知?描写了炼丹的场所和设备?丹房须知?描写了炼丹的场所--龙虎丹台，它既不同于现在的厂矿，也不是化学实验室，而是把炼丹的器具放在小土台上，再在上面放置金属或土做的炉子，炉子里有鼎或匮，炼丹的原料就在里面发生化学反响，同时书中还描写了古老的蒸馏器和研磨器.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、复原等化学反响方面的知识。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。瓦特和蒸汽机(1769)

JamesWattandSteamEngine

公元1629年意大利工程师布兰卡(Branca)创造用蒸汽推动风轮。1679年法国人帕蓬(DenisPapin)建造了第一台蒸汽锅炉，在英国大量推广。1689年英国人萨委瑞(ThomasSavery)用蒸汽机驱动水轮抽水。1700-1712年英国工程师纽柯门(ThomasNew-comen)创造了活塞式蒸汽机，投入批量生产供给市场。产业革命的标志—瓦特蒸汽机的创造。1765年瓦特创造蒸汽冷凝器，使蒸汽出口温度降低，从而提高了热机效率，1769年获专利。十八世纪末和十九世纪初的工业革命加快了资本主义物质技术根底的建立。随着大机器生产的开展和复杂劳开工具与手段的产生，劳动外工越来越细，这就需要有各方面的专家从事生产的准备工作和组织工作，负责机械设计和研究产品的生产工艺。1736－1819

1736－1819

1736－1789卡诺及其循环(1824)Sadi

Carnot

andCarnot

Cycle法国人卡诺〔SadiCarnot〕，1824年，二十八岁发表了?关于火的动力及产生这种动力的机器?，阐述了他的理想热机理论。36岁去世。奠定了热力学的根底，为开展新的热机提供了理论依据。能量转换过程中，提高热效率卡诺循环(CarnotCycle)1796-1832合成氨的创造者，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开展了哈柏的方法，使它能用于工业生产，开创了化学工业。高压合成氨装置(1913)

HighpressureammoniaconverterFritzHaberCarlBoschIn1909FritzHaber,ayoungphysicalchemistinKarlsruhe,Germany,struckthejackpot.Hefoundawaytotapintotheatmosphere'svastreservoirofnitrogengasandcombineitwithhydrogentoformammoniausingenormouspressures,extremelyhightemperaturesandacatalyst.BASFpromptlyboughtHaber'spatentsandturnhissmall-scalelaboratoryfeatintoamajorindustrialoperation.CarlBosch,atalentedmetallurgicalengineerandBASF'sfuturechairman,wasgiventhetask.Hedesignedandbuiltanindustrial-sizeinstallationthatcouldcontainthegreatpressuresandhightemperaturesrequiredinHaber'sprocess.Beforelongthescientificcommunitywasreferringtothe‘Haber-Boschprocess'.化工制造实现了大规模工业生产化肥〔1909—1919〕、杀虫剂〔1938—1942〕、除草剂〔1944〕；机械工程师们为农业设计制造了千百种机动农牧业机械，拖拉机〔1907〕、联合收割机〔1915〕、打谷机〔1943〕、打捆机〔1940〕、转动浇水机〔1948〕、机械摘棉机〔1949〕、挤奶机〔1940〕和各种畜牧机械、加工设备，成十倍地提高了农牧业劳动生产率。世界人口从16亿增长到60亿，农业保障了世界食品供给，制造业功不可没。现代过程装备与控制工程超高速离心机(1926)

Ultracentrifuge

TheodorSvedberg(1884-1971)，出生于瑞典。他在1905年得到文学学位，1907年得到硕士学位，1908年得到哲学的博士学位。Svedberg创造了超高速离心机并用于研究高分散胶体物质等重大奉献，因此于1926年获诺贝尔化学奖殊荣。超高速离心机被应用在非常多有关生物学的领域:例如利用分子颗粒大小的不同可以将大小分子别离出来，较大的分子运用到较小的转速便可以别离出来，此后再运用不同的转速便可以将不同大小的分子别离出来。除此之外尚可利用不同的转速来别离大小不同的细胞，以方便对每一个细胞作更深一层的了解。计算机当第一台电子管计算机建造出来以后，当时估计全世界需求量不过是几台，低估了它的能力和应用范围。1944年，全机电式计算机“马克〞问世。它标志着现代计算机时代的开始。个人计算机〔1975〕芯片制造(1971)

ChipmanufactureElementalSiliconwaspreparedforthefirsttimebyaSwedishscientist,JonsJakobBerzelius(1779-1848),in1823提纯二氧化硅在技术上有一定的难度，这同样会使芯片的制造本钱增加，如何开发出一种低本钱的提纯技术，是摆在IBM面前的一道难题。最新的开展LatestDevelopment药物合成装置

SynthesisofChemicals保健技术与医药卫生的重大突破主要发生在20世纪。抗生素〔1928〕、磺胺〔1932〕、胰岛素〔1921〕、维生素〔1928〕、脊髓灰质炎疫苗〔1952—1957〕、青蒿素〔1970〕等新药的发现和批量生产拯救了千百万人的生命，70年代消灭了天花，这都是医药化学家和过程装备与控制工程师的功德。人均期望寿命已从20世纪初的30－40岁提高到70岁以上。石油化工装置PetrochemicalPlant石化产品充满了社会生活的每一个角落。现代运输业、能源、化工、人造纤维、农业肥料都以石油化工为根底。石油化工的兴起是20世纪化工流程制造业的杰出奉献。由于物理学和有机化学的进步，工程师们制造出了人造丝〔1903〕、人造棉〔1912〕，掌握了蒸馏和裂解石油技术〔1913—1936〕，制造塑料〔1909—1918〕、化学纤维〔1912〕、尼龙〔1940〕和人造橡胶〔1930〕。现在塑料和人造纤维成为人类衣、食、住、行须臾不能离开的材料。现代过程装备与控制工程核与发电装置NuclearandPowergeneration原子弹〔1945〕，氢弹〔1952〕，核反响堆〔1942〕，核动力潜艇〔1954〕，原子能发电〔1951-1957〕核能技术的社会影响虽然有争论，如核威慑，但核技术用于发电、医学诊断和治疗是无可争议的。核聚变是地球上未来取之不尽的清洁能源。发电工艺－火电站类型

Types

po（MPa）

to（℃）*

h（％）

中压

IntermediateParameter

3.43

435

23～27

高压

HighParameter

8.83

535

30～33

超高压

Superhighparameter

12.75

535/535

（

or550/550）

34～36

亚临界

SubcriticalParameter

16.2～16.6

535/535

(or550/550）

36～38

超临界

SupercriticalParameter

24～26

538/538

（or566/566）

40～42

超

/超临界

Ultra/Supercritical

27～37.5

566/566/566～700

44～55

燃气轮机发电：透平前温已达1400℃，联合循环的单机功率为390MW，净效率达56％～58％发电工艺－核电站中国过程装备技术开展简表

BriefHistoryofChineseProcessEquipment过程装备与控制工程教育EducationofProcessEquipmentandControlEngineering过程装备与控制工程教育

EducationofProcessEquipmentandControlEngineering我国“过程装备与控制工程〞专业的前身为化工机械专业〔包括化工、冶金、制药、食品、真空机械等〕，成立于二十世纪五十年代初期。我国化工、机械、材料及控制等领域的教育工作者们经五十余年艰苦奋斗，根据国情在学习前苏联学科设置的同时，溶入美国提出的单元操作，并进一步强化了材料学科、控制工程的内容，创立了富于中国特色“过程装备与控制工程〞的学科框架。“过程装备与控制工程〞教育已有较广的覆盖面，人才培养规格包括学士、硕士和博士，以及中专、大专、成人继续教育等，目前全国有近100所高校设置了“过程装备与控制工程〞本科专业。学科建设历史

AHistoryofPECE五十年代初，全国大搞工业建设，化工专业是其中一个重大局部。按照当时化工部的分析，一个化工厂里工艺师与机械师的合理配备比例。1951年大连工学院首先成立“化学生产机器与设备〞专业。1952年全国大学院系大调整，华东化工学院、天津大学、浙江大学、华南工学院、成都工学院等，成立“化学生产机器与设备〞专业，简称为化机专业。另外,还有浙江化专和河北轻工两个专科学校。按照英美国家的化工系一般分成两个专门化方向：一局部搞工艺，一局部搞设备。当时按照苏联的模式，化工与机械并重。学科建设历史

AHistoryofPECE1954年秋到1956年春，按中苏交流设计方案，苏联专家杜马什涅夫来华讲学，常驻大连工学院。全国各校选派了12位教师和10位研究生去进修，重新修订教学方案。他们考察了大连、吉林等地的苏联援建工程。由大连工学院出面，召集了天津大学、浙江大学、华东化工学院等校教师与杜马一起制定我国第一份化工机械的教学方案，我校方维藩、刘庆等参加进修班。1958年成立河南化工学院,1959迁到郑州，成立郑州工学院，化机专业招生招生。

培养的化工机械毕业生要做什么工作？当时的思路是化工厂需要大量能够从事化工设备运转的工程技术人员，包括设备的采购、安装、维护、及零配件管理等方面的工作。主要是应该有一定的设计能力。从教学角度大学不宜教运转、维修，应该教设计，教原理和原那么。设备与机器的关系是以设备为主，以机器为辅。因为设备是非定型的，需要设计，而机器是定型的只要会选用就行。化机专业的第一轮教学方案，从1954年到1955年酝酿，到1956年形成，矛盾很多，化工的味道很重。1956年教育部与各部委联合成立了教材编审委员会，要编自己的教材。同时，教育部在北京石油学院等院校又增加了一批化机专业。这样全国的化机专业已增加到十几所院校。当时大多数人认为，教学以设计为主，但是培养目标是为企业培养运行和维修工程师。1960-1980年代化工机械专业在开展过程中走了不少弯路，文革时期全盘否认了理论的作用，文革后又把加强理论作为最重要的拨乱反正的目标。文化大革命以后，化工部联合各校组织了化机专业定期的交流会。后来，国家教委又委托化工部正式成立组织了化工机械专业教学指导委员会，这时，设置化工机械专业的院校已到达52个，使全国各类专业中设置学校最多的专业之一。此时，强调化机专业加强机械，教育内容要现代化。专业课内容大膨胀。压力容器、化工设备、化工机器及化机制造，这四门课独立设课。又增加了断裂力学、有限元分析等课，进一步削弱了化工、加强了机械，内容现代化。1990年代九十年代末期，我国经历了建国以来最大规模的专业调整。在这次规模巨大的专业调整中，化工部化工类及相关专业教学指导委员会在广泛调查研讨的根底上，分析了国内外化工类和机械类高等教育的现状、存在问题和未来的开展，向教育部提出了把原“化工设备与机械〞本科专业改造建设为“过程装备与控制工程〞本科专业的总体设想和专业开展规划建议书，于1998年3月获得教育部的正式批准。在新的专业目录中，更名为“过程装备与控制工程〞专业，归入机械学科教学指导委员会。此后，一批院校利用原有相近专业〔如真空技术及设备、粮食机械、轻工机械、食品机械、造纸机械、制药机械等等〕的办学条件，也纷纷成立了“过程装备与控制工程〞专业，使全国具有该专业的院校由1998年的43所开展至现在的近100所，大大加强了该专业的培养规模，扩大了该专业的专业内涵、覆盖领域和影响力。按99年正式实行的新目录，“这程装备与控制工程〞在业务教学培养方案、主干学科、课程结构体系上有大幅度的调整，主要表达：(1)主干学科有了根本的改变。新主干学科为：化学工程与技术、动力工程及工程热物理。而原学科为：工程力学、机械工程、化学工程。(2)业务培养目标和要求有较大改变。学科理论增加了控制工程、加强了化学工程。从事工作领域扩展为：在化工、石油、能源、轻工、环保、医药、食品、机械及劳动平安等部门从事工程设计、技术开发、生产技术、经营管理以及工程科学研究等方面工作。过程化学能源生物化学高分子环境化学物理化学单元操作集成化工制药材料材料设计学材料失效力学金属材料学冶金、焊接工艺学复合材料有机高分子材料：塑料、橡胶、助剂无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥、人工晶体、半导体设计学机械机械电子自动控制传动学摩擦学加工工艺学微机械振动学力学：热、固体、流体动力机械+iWheredotheywork?Everywhereandanywhere!AdvancedMaterials

Biotechnology

Fuels

MicroreactorforHydrogenProductionElectronics

Design&Construction

ManufactureFood&Beverages

ChemicalProcessIndustries

EnvironmentalSafety&Health

“过程装备与控制工程〞专业人才培养规格技术型人才：对以教学为主的院校，熟悉过程装备及其控制的原理、操作、维修、管理，成为企业设备动力部门的管理人才。应用研究型：对以教学科研为主的院校、具有硕士、博士学位授予权的院校，其培养的本科、硕士、博士的多数均为应用研究型人才。可承担新型过程装备的开发、研制、升级换代、现代化管理，成为研制、制造、运行部门的高级管理人才。根底研究型：对有博士授权的院校中的少数博士生，可成为过程装备中的根底研究人才，深入进行过程装备运行的根底理论研究，为开发新型过程装备提供理论根底。从知识结构上本专业学生的培养按照“一体两翼〞设计，“过程装备〞为主体，过程工艺、过程控制为两翼。本专业的培养规模：全国按照100所院校设有该专业，每所学校每年招收3个班级(每班30人)计算，每年培养9000名学生。远远低于社会的需求量。但是限于办学条件，各校也无力再扩大招收人数。属于专业面广、受益面大的专业。近两年建设或拟建的化工工程共有68项，其中有报价的51项的投资为777.6亿元人民币，10.65亿美元，3.1亿欧元，300亿日元。折合成人民币约为922亿元。如果按照每亿元投资500名员工，那么可安排46.1万人就业。其中机械工程师与工艺工程师的比例为1:4。一般企业中，20％为工程技术人员。上述重大工程需要工程技术人员92000人。其中需要懂得过程装备的技术人员为74000人。近两年中国家上马的化工行业重大工程所需的过程装备的人才已经超过了全国过程装备专业所能培养的人才的总数(100所3个班(班30人)，年9000名学生。)。过程装备与控制工程的专业内涵

“过程装备与控制工程〞专业效劳于过程工业。过程工业所涉及的对象是流程性物料，从原料到产品需经过复杂的工艺过程，因而整个过程需要由为数众多的单元构成，而每一个单元均需要有能实现这一功能的设备来完成，将这些单元设备连在一起便构成过程装备。而要保证每个设备直至整个装备能正常运行，必需对其流程性参数进行严格的控制，如压力、温度、流量、液位、浓度等。本专业培养目标专培养目标和规格

本专业旨在培养德智体美全面开展，适应经济、社会及科技开展需要，具有该专业扎实的理论根底与专业知识，较宽的专业口径与国际视野，较强的实践能力与创新意识，较高的人文素质与科技素养，具备在科技界、工业界、行业机构及政府中承担重要工作的能力，能在化工、石油化工、能源、环保、生物、环境、材料、轻工、医药、食品、冶金等过程工业领域从事从事过程装备工程的研究、设计、技术开发以及管理的高级专门工程技术人才。本专业根本要求二、根本要求通过本专业的学习，毕业生应在素质、知识和能力等方面到达如下根本要求。1.根本素质要求：热爱祖国，具有为国家富强与兴盛而奋斗的坚决意志，有强烈的事业心和奉献精神，有高度的社会责任感和职业道德；应具有良好的身体素质及体育锻炼和学习习惯，到达国家规定的大学生体育标准；有良好的心理素质和应变能力，以适应不断变化的社会、经济与技术环境。2.知识结构要求：掌握一定的社会学、文化学、方法论、社会工程学等人文社会科学知识；掌握根本的数、理、化、生等自然科学知识；掌握一定的技术经济、管理和工具性知识；掌握该专业的根底知识、工程技术知识和专业实践知识；本专业根本要求3.综合能力要求：具有获取信息与资源的能力，能够跟踪了解本专业的科学技术前沿与开展动态；具有扎实的专业知识和工程实践能力，能够分析和解决工程实际问题；有较强的学习和适应能力，不断扩展知识面及终身获取新知识，能够面对知识迅速更新与膨胀、世界范围的经济竞争和技术革命的挑战；具有一定的实际工作和科学研究能力，不断开拓创新；具有一定的协调、组织能力，胜任组织指挥、协调联络、技术洽谈和国际交往等工作；具有较强的表达能力和人际交往能力，能够构建良好的团队气氛。四、主要课程高等数学、大学物理、大学英语、过程原理、工程固体力学〔含理力与材力〕、工程流体力学、工程热力学、电工电子学、过程设备设计、过程机械等。五、学制、修业年限及授予学位本专业学制4年，弹性修业年限3～6年，符合郑州大学授予学士学位规定,授予工学学士学位。六、毕业学分要求本专业须修满培养方案中规定课程175学分〔其中平台104学分，模块57学分，课程群14学分〕，方准毕业。七、主要实践性教学环节实践性教学环节主要包括:试验，实习，设计与论文，课外实践环节。学分、学时汇总表课程类别学分学时

平台模块课程群合计公共基础平台学科基础平台专业共享课实践教学合计学分5747213625（14）175学时992728336632（456）2242920占总学分比例33%27%12%20%8%100%占总学时比例34%25%12%21%8%100%2.知识结构：〔1〕社会学知识。关于人类社会的一些最根本规律和方法的知识。包括文化学〔政治学、文学