潘家祯-过程装备技术

1、1 华东理工大学化工机械研究所 2005年10月8日 潘家祯 2 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 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。 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。 4 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

2、，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。 5 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。 6 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。 7 8 l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。 l教育部从1998年开始，合并为500个专业。2000 年合并为250个专业。 l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

3、相热处理、焊接等专业均 归入机械专业。 8 9 l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。 l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 9 10 l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”。 l“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。 10 11 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

4、展为“过程装备” 11 12 “化工过程机械”，扩展为 “过程装备”，它包括： 流体动力过程流体动力过程 (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。 12 13 “化工过程机械”，或称“过程装备”，它包括： 热量传递过程热量传递过程 (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。 13 14 “化工过程机械”，或称“过程装备”，它包括： 质量传递过程质量传递过程 (Mass transfer process) 遵循传质诸规律的过程。它涉及有关干燥

5、, 蒸馏, 浓缩, 萃取等传质过程及装备。 14 15 “化工过程机械”，或称“过程装备”，它包括： 动量传递过程动量传递过程 (Momentum transfer process) 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。 15 16 “化工过程机械”，或称“过程装备”，它包括： 热力学过程热力学过程 (Thermodynamic process) 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。 16 17 “化工过程机械”，或称“过程装备”，它包括： 化学过程化学过程 (Chemical process) 遵循化学

6、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。 17 18 1.1 过程装备的概念 物质产品 化学与物理变化 众多化学工艺过程工业 覆盖面宽 资源、能源耗量大, 污染严重 产值比例高 发展前景好 18 19 1.1 过程装备的概念 过程工业 石油 煤化工 冶金 建材 制药 化肥 轻工 燃烧 制氢 合成 环境 生态 化工 食品 产汽 能源 材料 保护 循环 新材料生产的基础 能源开发转化的核心 现代农业生产的后盾 生物技术产业化的依托信息 技术发展的支撑 环境治理的手段 现代重要作用 19 20 系统集成与优化调 控经济与管理 工艺 (Technology) 过程 (Proce

7、ss) 装置 (Unit) 装备 (Equipment) 化学三传一反 材料与机械 制造与控制 研究与开发 放大与设计施工与生产 工艺包施工图(CAE) 20 21 化学工程 (三传一反) 过程原理 化工过程装备 化学工艺 依托 机械工程 装备基础 过程放大设计 材料与机械 制造与控制 工程技术 系统集成与优化 (三力一机) 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 22 3.1 最根本的推动力国民经济和社会发展的需要 流程(过程)工业 装备与装置终端产品 轻纺制造业 机电制造业 12类 占3

8、0.24% 7类 占35.48% 9类 占33.01% (以石油、化工、金属冶炼为主) 资源加工业 我国制造业 22 23 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GDP 35.75% 制造业比重 23 24 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

9、 25 3.2 当前国家的急需 全面协调 科学发展 观 方针 以科技发展和创新为主导 产业结构的战略调整 改变经济增长方式 走新兴工业化道路 资源节约、环境友好 (循环经济，绿色GDP) 以高新技术为主导， 制造业为支柱 优先ITIT技术，发展高技术产业 用高新技术改造传统产业 加快现代服务业（知识型） 资源 投资 粗放 科技 支撑 集约 25 26 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 27 3.4 过程工艺发展不断要求新装备 l 钢铁冶炼

10、过程的进步导致了装备大更新 平炉 转炉 l 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 28 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。 l 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

11、难度大，材质高强韧化 28 29 l 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 1438 1200 480 300 6 5 世界最大 我国最大 总重（t）壁厚（mm）内径（m） 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 30 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

12、，低温钢。 30 31 3.5 生态环境保护呼唤先进装备 . . . . . . . 我国大气的污染程度 l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。 l排放NOX290万t/a，占世界10%，其中煤排占67%。 l排放CO2600万t/a，占世界9.6%，其中煤排71%。 l排放粉尘1400万t/a，其中煤排占70%。 31 32 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 l干法除尘旋风分离(78m ，80100mg/m3)， 静电除尘(1m，30mg/m3)，

13、 过滤(布袋、滤管、移动床) l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 33 3.5 生态环境保护呼唤先进装备 . . . . . l 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） l 低NOX燃烧器 33 34 3.5 生态环境保护呼唤先进装备 . . . . 放空尾气的资源化 l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 l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

14、l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 35 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 CO2，H2O透平作功冷凝器 CO2气 水 放空含少量氧 的氮气 天然气 可燃气 空气 流化燃烧 流化氧化 透平 NO N 又会出现许 多新设备。 35 36 3.5 生态环境保护呼唤先进装备 . . 工业污水的处理回用 l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 l石

15、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 37 3.5 生态环境保护呼唤先进装备. . 工业污水的处理回用 l 水处理技术 汽提脱硫塔脱非乳化油脱乳化油脱有机物 新工艺： 多管旋流器辅料精滤生物膜过滤 (5m,10mg/L)聚结膜过滤 微泡环流气曝塔 (0.1m, 5mg/L) (占地1/10) 传统工艺： 隔油池 溶气气浮曝气池生化处理 (100m) (25-100m) 充分显示：先进 装备的功效！ 37 38 3.5 生态环境保护呼唤先进装备 . l 废轮胎低温粉碎作再生橡胶制品

16、 l 城市垃圾油生物柴油 l 垃圾焚烧无害化处理产汽发电(7亿吨/年) l 农业秸杆水解沼气，乙醇，生物柴油 (6.3亿吨/年) 38 39 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 40 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 l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

17、气体净化设备) l高温位热能回收催化700烟气透平发电，余热锅炉 产汽 l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) l化学能回收CO锅炉 l压力能回收高压液体的液力透平 l优化换热网络、蒸汽网络等。 40 41 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 l 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) l 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

18、外纵槽，管内多孔表面(提高冷凝系数5倍) 41 42 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 l 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） l 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 43 3.6 节能降耗推动开发高效装备 . 管式加

19、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。 l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。 l热棒型陶纤燃烧器(强化火焰的均匀辐射，噪声低， NOX小于20ppm) l炉管表面吹灰技术(次声波吹灰，激波吹灰等)。 l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 44 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 l转轴的干气密封螺旋槽技术(代替浮环式密封) l零泄漏密封磁力传动泵(6000m3/h，

20、25MPa，1400KW) l磁力悬浮轴承用于离心压缩机(无润滑油系统，无磨擦面) 44 45 3.7 长周期安全生产需求装备新技术 . . . . 防腐耐磨隔热 l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 l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 46 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) l高温高合金钢管的在役监测与剩余寿命判断(HK40管等) l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

21、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 47 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) l 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 48 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

22、自愈技术 机械学+动态传感+计算机分析 l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。 l基于模糊神经网络的机泵故障检测系统。 l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。 l故障自愈技术。 48 49 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

23、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 50 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 l 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。 l 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。 l 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 51 3.8 高新技术促进过程装备的新发展 . .

24、 外场效应技术的应用开发新装备 l 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) l 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 l 离子束烟气脱硫 l 磁场与超声波结合，高效脱除水中BOD，COD等 l 微波催化天然气转化制乙烯等 51 52 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 l 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

25、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 53 4.1 领域拓展学科交叉与相互渗透 . l 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 l 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 54

26、 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 55 4.3 方法提升高新技术的应用 . . . . 微观机理建立多尺度模型 光电核技术 现代数学 实验

27、理论 计算 数值模拟 信息技术 优化放大设计与控制 方法关联 55 56 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 57 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

28、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 58 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 59 4.4 过程强化设备的高性能化 . l 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) l 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 60 (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