专业前沿知识讲座

1、先进过程机械技术概论徐书根中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业前沿知识讲座之1.过程机械技术的定义如果没有炼油装置我们的汽车将无法跑动，飞机将无法飞行；如果没有电子材料的制造装置先进的计算机技术将无法实现，人们或许不得不靠传话来通信；如果没有现代锅炉和发电装置我们的空调、暖气将无法使用，夜间的城市将处于昏暗之中。1.过程机械技术的定义如果没有合成氨和尿素装置我们的粮食将会大面积减产。世界上有大量的人群将因此忍受饥饿；如果没有药物合成装置人类的平均寿命将会大为缩短；如果没有先进的制氢装置未来的氢能时代将无从谈起。1.过程机械技术的定义很显然失去了上述的这些装置，将大大改变我们生存的方式和生

2、活的意义。过程机械(化工机械)即是一门研究和实现上述装置的重要学科。她致力将先进的过程工艺或构想通过设计放大(缩小)、制造而变成现实，并保障其高效、安全和集约运行。1.过程机械技术的定义2.过程机械技术的发展历程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，天津大学、浙江大学、华东化工学院、华南工学院、成都工学院、杭州化工学校(中专班)等，成立“化学生产机器与设备”专业，简称为化机专业。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。2.过程机械技术的发展历程由此一个将“过程”、“机

3、械”和“控制”融于一体，将“化工”、“机械”和“信息”学科紧密结合而形成的“化-机-电”一体化的多科型、交叉型学科过程机械学科渐成体系。本专业不是一个独立的学科，它发展自相关学科，实际上是将机械工业和控制工程中的成果经发展和改造使之能服务于过程工业，它的发展与相关行业的发展密切相关。2.过程机械技术的发展历程与其相关的行业包括：工艺过程（化工、石油化工、食品和制药等）；机械设计及制造（机械设计、机械制造和工程材料等）；装备的控制（重点在流程性参量，不同于机械行业的位置、位移和速度的控制）。2.过程机械技术的发展历程2.过程机械技术的发展历程2.过程机械技术的发展历程2.过程机械技术的发展历程3

4、. 先进过程机械技术人类进入21世纪，面临着一系列重大问题需要解决，诸如：能源短缺、利用效率低下，资源(水、土、矿产等)短缺，生态环境破坏严重，自然灾害频繁等等，继续给过程机械技术提出新的问题，有赖于发展新的过程机械技术去解决。为了提高国家的竞争力，在许多重要高技术领域同样需要过程机械技术的新贡献。3.先进过程机械技术在“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中，明确将“提高装备设计、制造和集成能力”作为提高企业创新能力的突破口，其中“流程工业的绿色化、自动化及装备”被列为优先发展主题，而高效、绿色化的过程机械起着关键的支撑作用。3.先进过程机械技术随着工业文明的推进，安全也越来越成为全社会共同关

5、注的发展主题，在中长期科技发展纲要中，“重大产品和重大设施寿命预测技术”成为国家亟待发展的27项前沿技术之一。复杂系统的灾变形成及其预测控制列入面向国家重大战略需求的基础研究问题，过程装备与系统的安全技术是其中十分重要的内容。3.先进过程机械技术面对人类发展中的共同问题和国家重大需求，先进过程机械技术应该是高效、绿色、安全可靠的：所谓高效，应该比国家“十一五”规划纲要有更高的要求。能耗应比传统的装备降低20以上；所谓绿色，除了设备本身符合环保要求外，应该着眼于系统、杜绝或显著降低污染物的排放；所谓安全，应实现过程机械高可靠性、低风险和长寿命的设计，显著降低事故率。3.先进过程机械技术按照这种定

6、义，在今后20年乃至更长的时间内，过程机械应着眼于下述关键技术的突破：3.1 高效、节能和绿色过程机械及集成技术3.2 过程机械及系统的安全保障技术3.3 过程机械材料与先进制造工艺技术3.4 微化学机械系统3.5 过程机械与装置的先进控制技术3.1 高效、节能、绿色过程机械及集成技术致力把节能降耗和清洁生产思想融入过程装备技术的创新发展。紧密围绕国家与行业的重大需求，以先进的流体分析理论和先进制造工艺技术为基础，针对过程工艺放大涉及的装备瓶颈技术，致力于发展基于清洁化、高效化理念的先进过程工艺与装备的集成创新。3.1 高效、节能、绿色过程机械及集成技术瞄准学科前沿，把传统过程装备理念与纳米、

7、信息、医疗器械、生物工程的技术原理嫁接和移植，以期实现学科领域在能源、环境、微电子、信息和材料诸方面的拓宽。建议重点开展以下几个方面的研究：3.1.1 节能与清洁工艺装备及系统多相流多尺度传热传质高精度控制基础问题，传热传质与反应强化理论与技术；基于场分离科学与技术的工业物料、废水多相流旋流分离装备及系统，突破污染物分离与原位利用技术，多相流中旋流结构与调控方法和设备；CO2捕集与储运的新工艺、新装置，废弃生物质的延迟焦化处理工艺及装备；表面多孔管、强化管、强化板式高效换热设备的制造与工业应用关键技术；节能节水余热发电装备关键技术等。3.1.2 能源化工装备技术面向新一代煤气化、生物质能和联合

8、循环发电技术的需求，发展复杂流体的先进流体力学分析、模拟和测试手段；突破新一代气化炉、容器、热交换器、阀门、循环泵等相关的关键技术与装备；高温、高压、强腐蚀环境下的密封技术；新一代高温阀门核主泵密封专用试验装置和平台等。3.2 过程机械及系统的安全保障技术针对过程工业及装置面临的高参数(高温、高压)、大型化、复杂化和长周期运行的新态势，研究复杂环境、复杂载荷下过程装备安全保障的关键科学与技术问题，实现机械产品的质量提升和过程装备长周期安全可靠运行，从装备安全角度为节能降耗提供支撑。3.2 过程机械及系统的安全保障技术在此基础上发展过程机械和装置的安全评价理论和寿命预测技术，为复杂过程机械设计与

9、优化提供理论基础。在与时间相关的强度与断裂理论、声光电磁一体化的缺陷检测与监测技术、非传统结构性能测试技术、失效分析与控制等领域取得重要的理论研究成果，在大型炼油、石油化工、煤化工、新一代核电装备、超超临界火电等重大装备研发中获得工程应用，取得一批有国际先进水平和自主知识产权的关键技术。3.2.1复杂环境下的结构强度与断裂理研究复杂应力和复杂载荷史下超高温结构与材料的失效行为与破坏准则，建立高温装备的可靠性设计方法；研究宏观-细观-微观多尺度下的量子化断裂模型和寿命分析方法，形成重要装备的全寿命预测手段；研究化学介质、辐射和机械载荷交互作用下的结构破坏过程与规律，建立化学-力学多损伤机制下的结

10、构破坏理论；研究蠕变、疲劳多损伤机制下的统一本构方程，建立基于损伤的失效评定图。3.2.2过程装备安全检测监测及测试的新方法、新技术对过程装备高温、高压、强腐蚀和辐射的工作环境和特殊要求，研究缺陷检测的声、光、电、磁及其耦合的相关理论和方法；针对微反应器扩散焊、钎焊、粘接等封装手段，发展基于时差衍射的高精度缺陷检测技术；基于振动、应变、温度和压力等参量演化规律，研究复杂装备系统的安全与寿命在线监测的传感器和评价系统；研究基于风险工程的过程装备缺陷检测和安全评价的一体化方法；发展过程装备损伤与断裂的非传统试样测试新方法，形成材料断裂性能非传统试样评价体系。3.2.3 过程装备的失效分析与预防控制

11、研究典型装备和生产系统的事件-损伤-寿命关系规则，建立重大过程装备失效分析专家系统；研究基于映射规则、灰色理论的装备失效知识库、数据库重构方法；针对过程装备经受的地震、火灾、局部飞温等非正常事件，研究建立现场检测和分析的快速辨别技术;在过程装备的失效预防控制方面，重点研究安全阀、防爆片等典型安全附件的压力释放原理和模型，超临界电站装备和新一代核电装备中的新型安全附件设计理论和方法，研究典型安全附件的检验装备及系统。3.3 过程机械材料与先进制造工艺技术材料高技术既是一个独立的技术领域，又对其他技术领域起着引导、支撑的关键性作用。材料科学的进展与过程机械的结合将有力地支撑许多高技术过程的实现，如

12、高温裂解、超临界流体、先进发电工艺、生物质能等都和新的结构材料的开发密切相关。“一代材料、一代装备”日益成为共识。同时如何面对装置大型化和高温高压的要求，发展先进制造工艺技术，实现重大过程装备国产化制造是迫切需要解决的问题。3.3.1 过程机械新材料技术针对高温设备的应用，应致力发展机械合金化弥散强化高温合金，实现其在透平机和高温换热设备的应用，攻克焊接技术难点。抗环境腐蚀的高温材料的应用，可望有效延长设备的使用寿命，先进的石油化工过程、煤的液化和气化均需进一步发展新的材料和涂层保护技术。稀有色金属材料的应用也是今后过程装备开发的一个重点，如钛合金、锆合金、铍合金等的应用技术亟待加强。3.3.

13、2 先进制造工艺技术为了满足我国能源结构调整的需要，许多重大过程装备与设施亟待实现国产化制造，例如：大型煤化工成套设备的研制和开发；百万吨级大型乙烯成套设备国产化；大型海洋石油工程设备开发，海上浮动生产、储存油轮，LNG运输船的制造等。同时一大批过程装备与设施需要最大限度延长使用寿命，以满足循环经济的要求，因此发展先进的再制造工艺技术具有同样的重要性。3.4 微化学机械系统微机械在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用潜力，受到世界各国的高度重视，被誉为20世纪十大关键技术之首。微化学机械由于以化学化工过程为基础，因此比一般意义上的微机械更加复杂。3.4 微化学机械系统微化学机

14、械系统可以分为两类：一是指以强化化学化工过程为目的，通过过程效率的提高，使得设备体积大大减小，在未来或有可能实现台式计算机一样大小的高效生产的工厂；二是指以微化学机械产品组成的微仪器，通过微加工技术，实现芯片上的实验室(Lab on Chip)。3.5 过程机械与装置的先进控制技术大型过程机械系统，大多是在苛刻条件下连续化运行，从生产装置运行过程看，多具有高度的非线性、分布参数特征，系统规模庞大，各装置之间的耦合非常强，同时由于生产流程长，滞后时问大。生产装置工艺流程基本上由大型化工容器、换热器、化学反应器、大型塔器、大型压缩机、大型鼓风机、余热锅炉等设备组成，在生产中，往往具有不确定性(环境结构和参数的未知性、时变性、随机性和突发性等)、非线性、耦合以及信息的不完全性和大纯滞后等特点，是典型的复杂控制系统，许多问题亟待解决。3.5 过程机械与装置的先进控制技术过程建模与流程模拟：应发展生产过程本征与宏观智能反应动力学建模方法、智能传热与传质建模方法、智能工艺机理建模方法、工业装置流程模拟、工业装置性能指标(如：产能、质量、环保、能耗、物耗等)的软测量建模等方法和技术；控制与优化：复杂流程工业过程信息自动获取与融合、非线性模型辨识、多变量鲁棒预测控制、基于混合模型的复杂过程控