现代过程装备与控制工程概论第一章课件.ppt

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1、Modern Process Equipment and Control Engineering,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）基本过程原理（4 学时）动量传递过程传热过程传质过程化学反应过程过程装备是物质制造的基础（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

2、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Tel:13592485516,什么是过程装备与控制？What is Process Equipment and Control Engineering,过程装备与控制的工业背景过程装备与控制工程技术的发展简史,人类不可缺失的.Indispensable to Human Being,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

3、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发展，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

4、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。,产业划分Industrial Definition,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）；第三产业则指商业、服务业、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Manufacture defini

5、tion,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Scope of Chinese pro

6、cess industry,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%（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

7、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

8、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的发展简史,Brief history of Process Equipment and Control Engineering,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

9、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应，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、还原等化学反应方面的知识。,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)James Watt and Steam Engine,公元1629年意大利工程师布兰卡(Branca)

10、发明用蒸汽推动风轮。1679年法国人帕蓬(Denis Papin)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(Thomas Savery)用蒸汽机驱动水轮抽水。1700-1712年英国工程师纽柯门(Thomas New-comen)发明了活塞式蒸汽机，投入批量生产供应市场。产业革命的标志瓦特蒸汽机的发明。1765年瓦特发明蒸汽冷凝器，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基础的建立。随着大机器生产的发展和复杂劳动工具与手段的产生，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

11、机械设计和研究产品的生产工艺。,17361819,17361819,17361789,卡诺及其循环(1824)Sadi Carnot and Carnot Cycle,法国人卡诺（Sadi Carnot），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。奠定了热力学的基础，为发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(Carnot Cycle),1796-1832,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

12、能用于工业生产，开创了化学工业。,高压合成氨装置(1913)High pressure ammonia converter,Fritz Haber,Carl Bosch,In 1909 Fritz Haber,a young physical chemist in Karlsruhe,Germany,struck the jackpot.He found a way to tap into the atmospheres vast reservoir of nitrogen gas and combine it with hydrogen to form ammonia using enorm

13、ous pressures,extremely high temperatures and a catalyst.BASF promptly bought Habers patents and turn his small-scale laboratory feat into a major industrial operation.Carl Bosch,a talented metallurgical engineer and BASFs future chairman,was given the task.He designed and built an industrial-size i

14、nstallation that could contain the great pressures and high temperatures required in Habers process.Before long the scientific community was referring to the Haber-Bosch process.,化工制造实现了大规模工业生产化肥（19091919）、杀虫剂（19381942）、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

15、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,Theodor Svedberg(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发明了超高速离心机并用于研究高分散胶体物质等重大贡献，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

16、将大小分子分离出来，较大的分子运用到较小的转速便可以分离出来，此后再运用不同的转速便可以将不同大小的分子分离出来。除此之外尚可利用不同的转速来分离大小不同的细胞，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)Chip manufacture,Elemental Silicon was prepared for the first time by a Swedish scientist,Jon

17、s Jakob Berzelius(1779-1848),in 1823,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成本增加，如何开发出一种低成本的提纯技术，是摆在IBM面前的一道难题。,最新的发展 Latest Development,药物合成装置Synthesis of Chemicals,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（19521957）、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。,

18、人均期望寿命已从20世纪初的 3040岁提高到70岁以上。,石油化工装置 Petrochemical Plant,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基础。石油化工的兴起是20世纪化工流程制造业的杰出贡献。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（19131936），制造塑料（19091918）、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 Nuclear

19、and Power generation,原子弹（1945），氢弹（1952），核反应堆（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,发电工艺核电站,中国过程装备技术发展简表Brief History of Chinese Process Equipment,过程装备与控制工程教育,Education of Process Equipment and Control Engineering,过程装备与控制工程教育Education

20、 of Process Equipment and Control Engineering,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，创建了富于中国特色“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

21、业。,学科建设历史A History of PECE,五十年代初，全国大搞工业建设，化工专业是其中一个重大部分。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：一部分搞工艺，一部分搞设备。当时按照苏联的模式，化工与机械并重。,学科建设历史A History of PECE,1954年秋到1956年春，按

22、中苏交流设计计划，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，重新修订教学计划。他们考察了大连、吉林等地的苏联援建项目。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计划，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。,1.2文革前化机专业的培养目标,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

23、学角度大学不宜教运转、维修，应该教设计，教原理和原则。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计划，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,化工机械专业在发展过程中走了不少弯路，文革时期全盘否定了理论的作用，文革后又把加强

24、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达到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基础上，分析了

25、国内外化工类和机械类高等教育的现状、存在问题和未来的发展，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发展规划建议书，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所发展至现在的近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

26、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，主要体现：(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、机械及劳动安全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。,Where do they work?,Everywhere and anywhere!,Advanced Materials,Biotec

27、hnology,Fuels,Microreactor for Hydrogen Production,Electronics,Design&Construction,Manufacture,Food&Beverages,Chemical Process Industries,Environmental Safety&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。

28、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。基础研究型：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基础研究人才，深入进行过程装备运行的基础理论研究，为开发新型过程装备提供理论基础。,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项目共有68项，其中有报

29、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，则可安排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。上述重大项目需要工程技术人员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项目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”专业服务于过程工业。过程工业所涉及的对象是流程性物料，从原料

30、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。,4.2.本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发展，适应经济、社会及科技发展需要，具有该专业扎实的理论基础与专业知识，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、

31、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。,本专业基本要求,二、基本要求通过本专业的学习，毕业生应在素质、知识和能力等方面达到如下基本要求。1.基本素质要求：热爱祖国，具有为国家富强与昌盛而奋斗的坚定意志，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，达到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；掌握基本的数、理、化、生等自然科学知识；掌握一定的技术经济、管

32、理和工具性知识；掌握该专业的基础知识、工程技术知识和专业实践知识；,本专业基本要求,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发展动态；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氛围。,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

33、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36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,2.知识结构：（1）社会学知识。关于人类社会的一些最基本规律和方法的知识。包括文化学（政治学、文学、法学、美学、伦理学、外语、计算机等），方法论（哲学、逻辑学、自然辩证法等），社会

34、工程学（如政治经济学、组织管理学、信息工程学、环境工程学、能源工程学、工程心理学、法律法规等）。（2）自然科学知识。关于自然界的一些最基本规律和方法的知识。包括数学，物理，化学，生物等。,过程装备与控制工程专业知识结构,（3）专业知识。包括支撑本学科专业的基础知识、构成本学科专业特色的技术知识以及处于专业顶端的具体化专门技术与实践知识。专业基础知识如工程流体力学、工程固体力学、工程热力学、工程传热学、电工电子学等；专业技术知识如过程工艺学、过程装备、过程控制等；专业实践知识是一个发展变化快、更新快的动态知识层次，是结合科学技术发展不断更新的。,过程装备与控制工程专业知识结构,实践教学内容及体系

35、,本专业的实践教学与课程教学采取交叉进行的方式，有利于学生巩固所学知识，培养工程设计能力。实践教学包括独立设置的实验课程、课程设计、教学实习、社会实践、科技训练、毕业设计等多种形式。毕业环节应不少于16周，且应以毕业设计为主。鼓励真题真做，鼓励创新设计。本专业的学生应完成一定的社会实践和科技训练。,由于本专业是一门服务于过程工业的专业，学生在学习机械知识的同时还掌握工业过程和控制技术方面的知识，因此其服务面相对较宽。毕业的学生既可在各流程性工厂进行设备的管理和维护和到过程设备制造厂从事设备的设计和制造，还可到相关的设计和研究部门从事研发工作，更有学生毕业后直接从事IT产业，因为他们具有一定的控

36、制知识，因此本专业的就业面十分广泛。本专业的就业情况在所有学校中均名列前茅。,过程装备专业的就业形势,本学科包含了六个二级学科。热能工程；动力机械及工程；制冷及低温工程；流体机械及工程；化工过程机械；工程热物理。六个二级学科相互渗透、相互交叉、相互依存、相互促进和推动，使本学科成为内容丰富、应用广泛、持续发展、不断更新的应用体系。,动力工程及工程热物理学科,该学科于1964年开始招收本科生；1986年取得硕士学位授权点；1995年开始与华东理工大学、南京工业大学联合培养博士研究生；2002年列为国家“211工程”重点建设学科；2005年获得化工过程机械二级学科博士点，动力工程及工程热物理一级学科硕士点。2009年获得博士后流动站,郑大动力工程及工程热物理学科概况,结束语,过程工业是一个快速发展的工业领域，“过程装备与控制工程”专业是流程工业（过程工业）的基础。本专业的培养规模，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。“过程装备与控制工程”的基本原理可以适用于所有的过程工业，它作为高效益、高新科技的重要工具，必将在新世纪焕发新的青春。,谢谢！,