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过程装备与控制工程导论,周国发教授、博士生导师,授课教师,周国发教授,南昌大学固体力学专业和环境工程专业博士研究生导师，现为江西省高校中青年学术带头人、江西省重点学科（化工机械学科）领衔教授、南昌大学教学名师、南昌大学化工机械设计研究所所长、国家重点新产品计划评审评估专家、全国注册安全工程师执业资格考试命题专家小组成员手机：在高分子材料成型理论与技术方面有较深入的研究，同时致力发展先进过程设备与控制技术,高效传热技术,计算流体动力学和微（小）型化学机械系统。,承担的课题国家自然科学基金资助项目“气辅共成型机理研究”南昌大学国家十五“211”工程主要标志性研究成果项目：“废旧塑料资源化技术和环境友好成型技术研究”；国家自然科学基金项目：“气辅挤出口模的完全滑移非粘着挤出成型机理研究”江西省重点科技攻关项目:“气辅挤出成型技术和成型装置的研究”江西省重点科技攻关项目:“持续腹腔温热灌注化疗仪研制”国家质量监督检验检疫总局科技攻关项目：地下管线智能自动检测系统与智能监控安全管理系统研究获奖：多次获江西省自然科学奖、江西省科技进步奖,一 过程装备与控制定义与内涵,（一）、过程装备与控制工程专业定义,过程装备与控制工程专业是横跨机械工程、控制工程、过程工程、动力工程、工程热物理、计算机技术和智能信息技术等学科,以过程装备研究和设计为主体，过程工艺与控制技术应用为两翼的多学科有机结合的交叉学科。主要以计算机辅助设计与制造为平台，以先进高效过程装备、传感技术、智能信息技术、智能控制技术等为核心内容，综合利用本学科的交叉优势，致力于研究和开发过程工业中先进的自动化、智能化成套装备。,本专业是机械达学科的一个分支，它自己是属于机械领域，同时又服务于过程工业，自身的发展有需要机电控制。过程工业所设计的对象是流程性物料，从原材料到产品须经过复杂的工艺过程，因而整个过程需要有诸多的单元构成，而每一个单元均需要有实现这一功能的设备来完成，将这些单元设备连接在一起便构成过程装备。而保证每个设备直至整个设备能正常工作，必须对其流程性参数进行严格控制，如压力、温度、流量、液位、浓度等，所有这些就必须要将过程装备与传感技术、智能信息技术、智能控制技术、计算机技术交叉，所以过程装备与控制工程属过-机-电一体化专业。,过程装备与控制工程的主要研究内容,过程装备与控制工程的主要研究内容包括：过程装备设计与制造，高效节能装备的开发，成套装置的开发与设计，成套工程，设备结构及强度理论，过程安全理论、技术与装备，流程参数控制理论与技术，制冷技术与装备，粉体理论与技术等。,物质制造的3个基本方法,过程工业？,过程工业加工制造流程性材料产品Process industry manufactures products of processed materials,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、流程性材料产品和服务型产品（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。,制造业的划分Manufacture definition,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,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，其发展状况直接影响国家的经济基础。在整个制造业中，过程工业的产值比重接近50%，利税贡献更为显著，增值税达52%。,学科范畴、地位与关系,（二）、,大化工学科：,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,过程工业是以流程性物料为主要处理对象，具有连续性生产过程特点的各种工业之总称，又称为流程工业。,过程工业,过程工业属于流程工业流程工业是一个非常巨大的产业，日益成为国民经济发展的支柱产业，据统计，我国各种流程工业的总产值占GDP的60%以上。因此，过程工业的发展水平体现了国家的综合国力，在某种程度上是国家工业发展水平的标志。流程工业是指以处理连续物料流、能量流为主的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采选矿、环保、电力等工业行业，其特点是产品多以大批量连续流动的形式生产。流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、物理分离和混合、形态更新等等。,流程型工业特征：生产流程化、装备成套化、过程自动化。随着流程型工业特征的日益显现，支撑流程型工业的技术发展趋势从：,工艺型,工程型,流程型工业装备发展趋势以：,工艺流程特点,成套装备,过装控一体,典型是中国科学院化工冶金研究所，改为过程工程研究所。,过程工业特点,具备流程工业的特点：连续生产线工艺确定 设备、装备成套装备特点 自动化程度高控制特点 大宗产品现代化生产组织和管理（30万吨乙烯/年、3000万吨煤炭/年）,现代化过程工业企业的雄姿,水煤浆气化炉,秦山二核一号机组，中国最神秘最高贵的核电圣地,发电工艺核电站,压水堆核电站(PWR),我国自主设计制造的核电设备,合成塔、反应器、吸收塔等化工设备 Synthesis Converter,Reactor,Absorber etc.Chemical Vessel 储油罐、储气罐、球罐等大型容器 Oil Tank,Gas Tank,Spherical Tank化工设备中各类换气器及管道 All Kinds of Tubes,重560t的加氢裂化反应器 560T Hydrocracking Reactor,过程装备？,过程装置是流程性材料产品的工作母机Process unit is the machine tool for products of processed materials,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、反应器、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。,过程装备定义,服务于过程工业的装备就叫过程装备,流程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济支柱产业之一，要求高度机械化、自动化和智能化的过程装备与控制装置。,过程装备与控制工程的产生是工程科学发展的必然,过程工业,19,过程装备（process equipment）的概念,过程工业设备的特点,过程装备,单元过程设备,单元过程机器,塔、罐、换热器、反应器,泵、压缩机、分离机,过程装备分类,过程机器：指主要作用部件为运动的机械，如各种过滤机，破碎机，离心分离机、旋转窑、搅拌机、旋转干燥机以及流体输送机械（如泵、风机和压缩机等）等。过程设备：指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械，如各种容器（槽、罐、釜等）、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器，反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及离子交换设备等。,流体动力过程设备,离心式压缩机,活塞式压缩机,泵,罗茨鼓风机,热量传递过程:(Heat transfer process),高效螺旋板换热器,管壳式换热器,板式换热器,传质过程装备,反应过程设备,设备与过程的关系,为生产某种特定的产品，需要用到多种机器、设备。但只有机器和设备还不能完成工业生产的任务，需要用由各种组成件构成的管道将它们联系起来，形成一个连续、完整的系统，即将所需的机器、设备按工艺流程要求组装成一套完整的装置，并配以必要的控制手段才能达到预期的目的。,过程装备成套技术,完成所有这些工作所涉及的各项技术就构成了“过程装备成套技术”。它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式连接成一个独立的密闭连续系统，在各种仪表和设备的控制下，把以流动体为主的各种流程性物质，在其装置内部经历物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性物质产品。,为何过程装备要与控制工程结合？,国家发展战略需求,中国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要装备制造业振兴的重点：“推进百万吨级大型乙烯成套设备和对二甲苯、对苯二甲酸成套设备国产化。”（自动化技术非常重要）,国家中长期科学和技术发展规划纲要将“流程工业的绿色化、自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。”,国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见指出，在“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要”实现重点突破。,用自动化技术提高流程工业自主创新能力,先进控制和优化应用的效益,Aspen公司 数据表明：实施APC取得的效益中，降低能耗占10，产品质量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15，提高回收率占15，提高加工能力占30。Chemshare公司数据表明：用DCS改造常规仪表获得10的效益，在DCS上实现APC获得40的效益，在APC上实现RTO获得40的效益。应用过程控制与优化技术实现节能减排,APC/RTO 实现过程,现代过程工业的DCS控制系统,现代操作室,DCS系统操作台,过程装备与控制工程是,Process Equipment and Control Engineering is Combining math,physics,chemistry and engineering of multidiscipline to solve a wide range of industrial problems in a safe and economical fashion.结合数、理、化和多领域的工程知识，以安全和经济的方式解决诸多的工业问题的学科related to both process manufacture industry and equipment manufacture industry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是机械、化学、电、能源、信息、材料工程等学科的交叉学科，是密切结合过程工业生产实践的工程科学的一个分支。,因此，过程装备与控制工程学科是集成创新的新学科具有强大的生命力和广阔的发展前景。,“过程装备与控制工程”技术支撑现在和未来社会的发展，是人类不可缺失的技术！,链结关系：,具有多学科交叉的特色面宽，方向多，更偏于工程应用,过程和工程实施两个环节是由工艺向产业化过渡的瓶颈，也是国民经济发展瓶颈，而过程装备与控制工程的学科交叉是打通这一瓶颈的关键。,过程工程,过程装备与控制工程,(三)、过程装备与控制工程学科研究的主要特点,主要特点：,（1）过程装备：与工艺过程密切结合的 可原始创新的独特装备,（2）控制工程：机电一体，监控一体。优化运行，故障预防与自愈调控,（3）过程装备与控制工程：集成创新的复杂大系统,过程装备与控制工程除了少数几个研究领域如混合工程、反应工程、分离工程及设备和密封技术为本学科的独特之处以外，几乎其它研究方向都是其它相关学科的主攻研究方向。,过程装备与控制工程是加工制造流程性材料的由过程单元设备和机泵群通过管路、阀等连成的机电仪监控一体化的连续性复杂系统。,过程装备与控制工程研究主要特点，一是要以机电工程为主干与工艺过程密切结合，创新单元工艺装备，二是要善于博采众长、综合集成，把有关多学科、专业最新研究成果之他山之石为我所用。,当前国家的急需,创造GDP却只占世界10%,2010年,每万美元GDP的综合能耗比,=1.8 2.5 4.9 8.7 倍,2004年我国能源消费增速高于GDP增速,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）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。,（2）、过程工艺发展不断要求新装备,纯氧顶吹转炉连铸连轧,（A）、过程装备的大型化,过程装备的大型化与微型化,过程工业的大型化、油气资源储备的战略化趋势 建设1座炼能为1000万吨的炼油厂，与建设2座500万吨的炼油厂相比，投资可节省20左右，装置能耗约减少19；与建设3套350万吨的装置相比，投资减少55以上，能耗减少29以上。过程装备的大型化15200km3原油储罐;直径9.410.6m的焦炭塔;直径1415m的催化再生器;直径1216m的减压分馏塔;直径4.8m，质量约2000t的煤液化加氢反应器。过程装备大型化的制造要求对材料的要求对设计技术的要求对制造技术的要求(先进、高效的焊接技术 锻件空心浇注技术 现场组装技术 无损检测技术),微化学工程包括微型构造的传质、传热、混合、分离、反应设备等微型单元操作设备，微型传感技术以及利用微型构造设备进行化学化工研究和生产的微化学工艺体系。,（B）、过程装备的微型化,传统化工生产属于资源、能源消耗型，与环境、生态和持续发展不相容性的根源在于这种生产实践本身。提高自动化程度后的新型石油化工厂有很大改变，但仍未根本改观。21世纪的高新技术，如分子生物学，材料科学的分子设计、分子剪裁，绿色过程工程科学要求的“零排放”、原子经济性等，都要求在分子水平的基础上操作。尤其是纳米材料和纳米技术，这类21世纪的战略材料与新技术的最终目标是实现微型化，与之配套的化工技术也必须走微型化道路。,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。,20世纪90年代以来，化学工程学己逐步进入分子水平时代，分子热力学、微流体力学、传递过程与反应动力学的分子模拟等，本质上都是分子的特征，决定于分子的结构、分子间的相互作用、分子聚集体的相态及相态间传递。,美国杜邦公司的科技人员采用多尺度输入过程设计，建立起微观装置概念及微型技术，成功地从表面科学的测试数据设计出商业化反应器。用表面科学方法测试数据，模拟石油组成，建立炼制流程。目前正用同样方法进行聚合反应工程模拟。采用微技术剪裁分子筛合成、多孔分离特性材料合成、纳米材料制造。也提出了采用微观尺度逐步进料、局部供热、细微局部调控过程参数，采用微型装置结合微波、超声等特种形式能，获得在线信息。总之，现在的生产过程通过设备微型化、流程密集化、参数极限化、过程绿色化将逐步达到彻底改观。,2、过程装备的微型化,B、过程装备的微型化,过程装备的大型化与微型化,强化化工过程的微小型机械以微型化学化工机械产品为主组成的微仪器微型化工机械技术还没有形成,中国化工机械制造业对微仪器的制造亦还缺乏意识和知识,相信今后在化学家和化工机械科学工作者的合作下,能逐渐形成新的产业。,微反应器的开发研制,V=400ml(整体）气体：11M3/hr；P0.02MPa；14018.5液体：300g/min 1635,微反应器,微换热器,微混合器,降膜微反应器,微化学工程与技术是化工学科前沿，以微反应器、微混合器、微分离器、微换热器等设备为典型代表，着重研究微时空尺度下“三传一反”特征与规律；采用精细化、集成化的设计思路，力求实现过程高效、低耗、安全、可控的现代化工技术，成为国内外学术界和工业界的研究热点。,微化工系统是指通过精密加工制造的带有微结构（通道、筛孔及沟槽等）的反应、混合、换热、分离装置，在微结构的作用下，可形成微米尺度分散的单相或多相体系的强化反应和分离过程。与常规尺度系统相比，具有热质传递速率快、内在安全性高、过程能耗低、集成度高、放大效应小、可控性强等优点，可实现快速强放/吸热反应的等温操作、两相间快速混合、易燃易爆化合物合成、剧毒化合物的现场生产等，具有广阔的应用前景。,中科院大连化物所开发了集混合、反应、换热于一体的年处理能力达8 万吨的微化工系统已用于磷酸二氢铵工业生产，具有体积小（微单元设备体积均小于6 L）、响应快、移热速度快、过程易控、无振动、无噪声、零排放、产品质量稳定等优点，迄今稳定运行一年多，有效地解决了生产过程的安全、环保与产品质量稳定性等问题。,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%。,（3）、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 8m，80 100mg/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）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,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。,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。,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%,充分显示：先进装备的功效！,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）,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,（四）、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（纯逆流的 螺旋板式最理想）减小热阻（表面高度湍动，防结垢）管壳式换热器螺旋槽管（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）管外用纵槽，管内用多孔表面（提高冷凝给热系数4 5倍）,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,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,积极开发节能产品,集中供热和热电联产用中、大容量工业锅炉,高效燃煤锅炉和清洁燃烧锅炉,循环流化床锅炉和水煤浆锅炉,使用各种燃料的特种用途锅炉,超临界和超超临界火电机组,新型、高效电热材料,余热余压利用设备,新型、高效保温材料和隔热材料,超高效率三相异步电动机,节能型风机、泵和压缩机,电控、增压车用汽油机,节能环保型内燃机,大力推广节能技术,整体煤气化联合循环技术,炉窑自动控制技术和智能监测技术,电机交流变频调速技术,近净成形、净成形技术,快速制造（RM）技术,热加工工艺模拟及优化技术,内燃机电控高压燃油喷射技术及系统,等等,（5）、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）,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。,带保温层的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,（六）高污染和高能耗促进过程装备的过程强化,传统化工企业的形象是高耸塔群连绵不断、刺耳噪音昼夜延展、难闻气味迎面扑鼻、粉尘液滴四处乱溅。提高自动化程度后的新型石油化工企业有很大改变，但仍未根本改观。从化工建设投资来看，用于大型设备、土建工程和管网设施的资金，一般占总投资的80%左右，如果设备微型化，流程密集化，生产过程精细化，就能重组化工生产。,我们的生活与化学工业息息相关，医药、塑料、橡胶、汽油等都是化学工业制造的，这些工业是高利润的产业，是国民经济的支柱，但在这些产品的化工生产过程中所存在的高能耗、高污染等问题一直以来都是实现可持续发展首要解决的问题。强化化工过程使之达到高效、节能和无污染，是解决过程工业带来的“发展-污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段。,化工过程强化就是通过技术创新，改进工艺流程，在实现既定生产目标的前提下，通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。广义上说，过程强化包括新装置和新工艺方法的发展：一是生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；二是生产过程的强化，如反应和分离的耦合（如反应精馏、膜反应、反应萃取等）、组合分离过程（如膜吸收、膜精馏、膜萃取、吸收精馏等）、外场作用（离心场、超声、太阳能等）以及其他新技术（如超临界流体、动态反应操作系统等）的应用等。所以过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，也是化学科学和工程研究的主要成果之一。,化工过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，近年来更加引起了人们的重视。在美国等许多发达国家，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的三大领域之一。英国将重点放在基础研究上，法国则重视理论模型的建立，德过侧重实验技术和工程研究等，日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量，加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点等。我国化学工程研究和应用也取得了重大的进展。例如石油工业的崛起大大推动了催化剂、反应工程和精馏技术的发展，核燃料后处理和湿法冶金的发展推动了溶剂萃取技术水平的提高等。目前，化工过程强化技术已被列为“十一五”首批启动的国家“863”计划的中的项目之一，以实现节能减排。,随着现代过程工业的发展，产品不断更新，环保要求日益提高，建设生态经济和实现可持续发展的要求更为迫切。因此，人们力图灵活应用化学工程的原理和方法，致力于过程强化，即通过技术创新，改进工艺流程，提高设备效率，使工厂布局更紧凑，单位能耗更低，三废更少。应该说，过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，也是化学科学和工程研究的主要成果之一，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一。可以说，当前人们对化工过程强化认识达到了前所未有的高度。从最初对化工过程的认识到现在多种多样的化工过程强化技术的产生，化工过程强化经历了许多转变和发展。,1995年召开的第一次化工过程强化国际会议上,C.Ramshaw首先提出化工过程强化是指在生产能力不变的情况下，能够显著减小化工厂体积的措施。和则认为，给定设备的体积减小2倍以上、每吨产品能耗降低、废物或副产物大量减少都可以看作是过程强化。,化工过程强化是指在生产和加工过程中运用新技术和新设备，极大地减小设备体积或者极大地增大设备生产能力，显著地提高能量效率，大量地减少废物排放。一句话，高效、节能、清洁、可持续发展的新技术都是过程强化。,过程强化的历史最早可追溯到上世纪70年代末。当时，英国化学工业公司首先将此概念用于生产过程，以减少投资。上世纪90年代中期，国际上出现的以节能、降耗、环保、集约化为目标的化工过程强化技术，是当前化学工程优先发展的三大领域之一。2005年7月，在英国召开的第七届世界化学工程学术会议上，过程强化是最热门的研究方向之一。自此，人们对化工过程强化的认识达到前所未有的高度，期望通过过程强化使化学工业的面貌在21世纪发生巨大变化。,化工过程强化的主要特点是设备小型化和过程集成化，这正是绿色化学的要求。,（1）过程强化设备构件催化反应器超重力反应器 串式化学反应器 提升管-下行床耦合反应器 光催化反应器 膜反应器 色谱反应器 热交换器式反应器 喷雾流化床造粒器,（2）过程强化技术,以硬件为主的化工过程强化,早年的化工过程强化往往以硬件为主。以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，近二十年来，高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷，塔内件优化匹配的概念引起了人们的重视。在利用新型塔内件改造原油常减压、乙烯和合成氨等生产装置方面，国内外都已取得了明显的进展，提高了效率，降低了能耗，经济效益显著。然而，化工塔内件性能的改进幅度并不很大。,强调硬件和软件结合的化工过程强化,近年来，化工过程的强化更加强调硬件和软件的结合，更加强调科技创新，以追求更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不能只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备体积、产业化周期、能耗、物耗和环保等方面使工厂的效率取得突破性的进展。人们期望通过化工过程强化使化学工业的面貌在21世纪取得巨大的变化。这是极大的挑战，也推动了过程强化取得了一些重大进展，如超重力分离器、高速转盘反应器、整体催化剂、撞击流反应器的成功研发。,耦合技术迅速发展,近年来化工过程强化的另一发展趋势是化学科学和工程研究大大促进了诸如催化精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、络合吸附、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展，并成功地应用于生产。这些新型耦合技术综合了多种技术的优点，具有独特的优势。耦合分离技术还可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务，因而在生物工程、制药和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。由于耦合技术往往比较复杂,设计放大比较困难,因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。,脉动燃烧干燥技术 撞击流技术强化传热技术以强化传质为目标的耦合分离技术以提高选择性为目标的生物分离技术,（2）过程强化主要技术,脉动燃烧干燥技术 脉动燃烧干燥技术是利用脉动燃烧产生的具有强振荡特性的高温尾气流对物料进行干燥。在强振荡流场(振荡频率在50-300Hz之间)的作用下，物料表面与干燥介质间的速度、温度及湿分浓度边界层的厚度均大大降低，从而强化了物料与气流之间的热量和质量传递过程，特别是液体物料在该强振荡流场的作用下被冲击、破碎成极小的液滴，大大提高了其表面积，再辅以高温(气流温度一般在700-1200之间)在极短的时间内即可完成物料的干燥过程。,脉动燃烧干燥技术 实验表明，对咖啡、工业废液等物料的干燥，在0.01s之内即可将其干燥为粉状产品。由于干燥时间极短，物料的温度一般不超过50。良好的传热、传质特性带来了极高的蒸发效率，与理想蒸发能力2.674kJ/kgH2O比较，脉动燃烧干燥过程的蒸发能力最多达2900kJ/kgH2O(一般干燥器该值在500010 000kJ/kgH2O之间)。,脉动燃烧干燥技术 与传统的干燥系统比较，脉动燃烧干燥具有下述优点：干燥速率可提高23倍；热量及质量传递速率可提高25倍；热效率提高可达40%；污染排放水平可降低10%，特别是NOx的排放可降至1%；除去单位水分的空气耗量可降至3040%；物料在干燥器内停留时间短，温度低，有利于产品质量的保护；较低的投资及操作成本；干燥器的体积小。,撞击流技术 撞击流(Impinging Streams,IS)的概念由Elperin首先提出，但其应用可追溯到20世纪50年代初开发的Koppers-Totzek粉煤气化炉。以气-固两相体系为例，撞击流的基本原理如图6-8所示。两股两相流相向高速(20m/s)流动撞击，在两加速管之间造成一个高度湍动的撞击区。,撞击流技术,图6-8 撞击流原理图,图6-9 喷头结构示意图,（7）、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,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,三、过程装备技术发展趋势,面向先进制造技术的过程装备应用计算机辅助设计技术，提高产品设计与创型的效率；应用计算机模拟技术，实现过程设备的虚拟工程放大以及设计方案的优化；（物性的模拟，传递现象的模拟，结构与材料特性的模拟）；利用制造自动化的各种新技术，加快产品的试制和定型,使其快速形成生产力。（柔性制造系统(FMS)、分布式数控(DNC)、快速原型技术(RP)。面向新材料技术的过程装备高温及高温耐腐蚀合金超低碳型镍钼铬系镍基耐蚀材料无机非金属材料陶瓷材料新型高分子材料高性能复合材料,2、过程装备技术发展趋势,面向再设计再制造工程的过程装备基于全寿命周期管理理念的退役设备再利用技术基于寿命评估技术的在役设备延寿及改造技术基于纳米表面工程的创新维修技术面向高技术过程的过程装备服务先进的能源与环保技术服务纳米材料制备技术服务超临界流体技术,尺度延伸研究对象的多尺度分析,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 快速床输送床 微换热器 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,四、过程装备制造业的主战场,1、面向大型石油化工行业,所称大型石化设备是指：年产量不小于80104t的乙烯成套设备，包括乙烯裂解气压缩机组及其配套用工业汽轮机、乙烯制冷压缩机组及其配套用工业汽轮机、丙烯制冷压缩机组及其配套用工业汽轮机、离心式急冷油泵、离心式急冷水泵、乙烯冷箱、加氢反应器、加氢装置空冷器；年产量不小于40104t的聚乙烯循环气压缩机和聚乙烯配套用往复式压缩机(迷宫密封式)；年产量不小于20104t的混炼挤压造粒机组；年产量不小于80104t的对苯二甲酸(PTA)成套设备，包括PTA氧化反应器、加氢精制装置加氢反应器、蒸汽回转干燥机、PTA工艺空气压缩机组。,2010年，我国原油加工能力将突破4108t/a，到2015年将增至约5108t/a。2010年全国乙烯当量需求为2630104t，乙烯产能为1752104t；2015年全国乙烯当量需求将增至3370104t，产能将增长到2180104t。,我国每年炼化项目的投资额达700亿元左右，据粗略估算，每年装备采购额可达约300亿元。,四、过程装备制造业的主战场,1、面向大型石油化工行业,我国重大石化装备国产化的发展重点主要方面：百万吨级乙烯工程配套的压缩机组和冷箱。大型聚合反应器。大型挤压造粒机组。大型干燥机、过滤机及离心机的专业化和系列化。大型聚酯装置成套设备。石化专用泵及特种泵大型DCS等自动控制系统。,四、过程装备制造业的主战场,1、面向大型石油化工行业,四、过程装备制造业的主战场,2、面向大型煤化工与替代能源行业,煤化工和替代能源项目是继石油化工项目之后成为新的发展热点，主要包括：煤制油、煤制天然气、醇醚、醇制烯烃等等，”十二五”期间煤化工和替代能源项目投资超过数万亿元人民币，其中仅上报待批的甲醇项目投资就多达数千亿元人民币.,国家对煤化工设备的研究开发重点：大型煤化工成套设备主要攻关项目包括:特大型加氢反应器、煤液化用离心泵和容积泵、煤液化用特种阀门、油煤浆加热炉、大型煤浆均化搅拌器、大推力往复压缩机和大型离心式压缩机、特种废热锅炉、大型备煤设备、油渣气化核心设备、大型天然气制氢核心设备等。,截至2008年年底，我国核电机组容量仅占电力总装机容量的1.3%，远远低于世界平均水平17%，同时，我国核电发电量仅为910万千瓦，核发电量占比仅为2%，在30多个核国家中排名倒数第一。,预计整个电力装机达到14亿15亿千瓦，核电占整个发电的比例将从现在的2%提高到7%8%，这意味着核电装机占比比2007年旧版规划翻了两番。,按照6500万千瓦的核电装机容量保守估计，到2020年，核电建设总投资能达到8000亿元。而在核电投资中，设备投资约占50%，按此计算设备投资约为4000亿元左右，则每年设备需求量约为330亿元。,核电的主要设备包括核岛设备、常规岛设备、电站辅助设备等。一般来说，核岛设备约占设备投资的45%，常规岛设备占比为30%，另外辅助设备占比约为25%。因此，根据20092020年设备投资约为4000亿元计算，预计在此期间，核岛设备市场容量约为1800亿元，常规岛设备市场容量约为1200亿元，而其他辅助设备市场容量约为1000亿元。,四、过程装备制造业的主战场,3、面向核电行业,五、过程装备制造业的主战场,3、面向核电行业,国内已基本具备设计和制造核电站大部分设备的能力。按一般估计，依投资比例，针对30万千瓦核电机组，中国核设备的国产化能力可达70%或更高;针对60万和90万千瓦核电机组应不低于60%。对于采用第三代核电技术的百万千瓦以上核电机组而言，国内现有的制造能力估计第一个双堆机组应能达到30%40%，然后逐步提高。,秦山二期反应堆压力容器安全端和田湾核