專業(yè)前沿知識講座

1、先進過程機械技術概論徐書根中國石油大學（華東）過程裝備與控制工程專業(yè)前沿知識講座之1.過程機械技術的定義如果沒有煉油裝置我們的汽車將無法跑動，飛機將無法飛行；如果沒有電子材料的制造裝置先進的計算機技術將無法實現(xiàn)，人們或許不得不靠傳話來通信；如果沒有現(xiàn)代鍋爐和發(fā)電裝置我們的空調(diào)、暖氣將無法使用，夜間的城市將處于昏暗之中。1.過程機械技術的定義如果沒有合成氨和尿素裝置我們的糧食將會大面積減產(chǎn)。世界上有大量的人群將因此忍受饑餓；如果沒有藥物合成裝置人類的平均壽命將會大為縮短；如果沒有先進的制氫裝置未來的氫能時代將無從談起。1.過程機械技術的定義很顯然失去了上述的這些裝置，將大大改變我們生存的方式和生

2、活的意義。過程機械(化工機械)即是一門研究和實現(xiàn)上述裝置的重要學科。她致力將先進的過程工藝或構(gòu)想通過設計放大(縮小)、制造而變成現(xiàn)實，并保障其高效、安全和集約運行。1.過程機械技術的定義2.過程機械技術的發(fā)展歷程1951年大連工學院首先成立“化學生產(chǎn)機器與設備”專業(yè)。1952年全國大學院系大調(diào)整，天津大學、浙江大學、華東化工學院、華南工學院、成都工學院、杭州化工學校(中專班)等，成立“化學生產(chǎn)機器與設備”專業(yè)，簡稱為化機專業(yè)。1956年教育部與各部委聯(lián)合成立了教材編審委員會，要編自己的教材。同時，教育部在北京石油學院等院校又增加了一批化機專業(yè)。2.過程機械技術的發(fā)展歷程由此一個將“過程”、“機

3、械”和“控制”融于一體，將“化工”、“機械”和“信息”學科緊密結(jié)合而形成的“化-機-電”一體化的多科型、交叉型學科過程機械學科漸成體系。本專業(yè)不是一個獨立的學科，它發(fā)展自相關學科，實際上是將機械工業(yè)和控制工程中的成果經(jīng)發(fā)展和改造使之能服務于過程工業(yè)，它的發(fā)展與相關行業(yè)的發(fā)展密切相關。2.過程機械技術的發(fā)展歷程與其相關的行業(yè)包括：工藝過程（化工、石油化工、食品和制藥等）；機械設計及制造（機械設計、機械制造和工程材料等）；裝備的控制（重點在流程性參量，不同于機械行業(yè)的位置、位移和速度的控制）。2.過程機械技術的發(fā)展歷程2.過程機械技術的發(fā)展歷程2.過程機械技術的發(fā)展歷程2.過程機械技術的發(fā)展歷程3

4、. 先進過程機械技術人類進入21世紀，面臨著一系列重大問題需要解決，諸如：能源短缺、利用效率低下，資源(水、土、礦產(chǎn)等)短缺，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，自然災害頻繁等等，繼續(xù)給過程機械技術提出新的問題，有賴于發(fā)展新的過程機械技術去解決。為了提高國家的競爭力，在許多重要高技術領域同樣需要過程機械技術的新貢獻。3.先進過程機械技術在“國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要”中，明確將“提高裝備設計、制造和集成能力”作為提高企業(yè)創(chuàng)新能力的突破口，其中“流程工業(yè)的綠色化、自動化及裝備”被列為優(yōu)先發(fā)展主題，而高效、綠色化的過程機械起著關鍵的支撐作用。3.先進過程機械技術隨著工業(yè)文明的推進，安全也越來越成為全社會共同關

5、注的發(fā)展主題，在中長期科技發(fā)展綱要中，“重大產(chǎn)品和重大設施壽命預測技術”成為國家亟待發(fā)展的27項前沿技術之一。復雜系統(tǒng)的災變形成及其預測控制列入面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎研究問題，過程裝備與系統(tǒng)的安全技術是其中十分重要的內(nèi)容。3.先進過程機械技術面對人類發(fā)展中的共同問題和國家重大需求，先進過程機械技術應該是高效、綠色、安全可靠的：所謂高效，應該比國家“十一五”規(guī)劃綱要有更高的要求。能耗應比傳統(tǒng)的裝備降低20以上；所謂綠色，除了設備本身符合環(huán)保要求外，應該著眼于系統(tǒng)、杜絕或顯著降低污染物的排放；所謂安全，應實現(xiàn)過程機械高可靠性、低風險和長壽命的設計，顯著降低事故率。3.先進過程機械技術按照這種定

6、義，在今后20年乃至更長的時間內(nèi)，過程機械應著眼于下述關鍵技術的突破：3.1 高效、節(jié)能和綠色過程機械及集成技術3.2 過程機械及系統(tǒng)的安全保障技術3.3 過程機械材料與先進制造工藝技術3.4 微化學機械系統(tǒng)3.5 過程機械與裝置的先進控制技術3.1 高效、節(jié)能、綠色過程機械及集成技術致力把節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)思想融入過程裝備技術的創(chuàng)新發(fā)展。緊密圍繞國家與行業(yè)的重大需求，以先進的流體分析理論和先進制造工藝技術為基礎，針對過程工藝放大涉及的裝備瓶頸技術，致力于發(fā)展基于清潔化、高效化理念的先進過程工藝與裝備的集成創(chuàng)新。3.1 高效、節(jié)能、綠色過程機械及集成技術瞄準學科前沿，把傳統(tǒng)過程裝備理念與納米、

7、信息、醫(yī)療器械、生物工程的技術原理嫁接和移植，以期實現(xiàn)學科領域在能源、環(huán)境、微電子、信息和材料諸方面的拓寬。建議重點開展以下幾個方面的研究：3.1.1 節(jié)能與清潔工藝裝備及系統(tǒng)多相流多尺度傳熱傳質(zhì)高精度控制基礎問題，傳熱傳質(zhì)與反應強化理論與技術；基于場分離科學與技術的工業(yè)物料、廢水多相流旋流分離裝備及系統(tǒng)，突破污染物分離與原位利用技術，多相流中旋流結(jié)構(gòu)與調(diào)控方法和設備；CO2捕集與儲運的新工藝、新裝置，廢棄生物質(zhì)的延遲焦化處理工藝及裝備；表面多孔管、強化管、強化板式高效換熱設備的制造與工業(yè)應用關鍵技術；節(jié)能節(jié)水余熱發(fā)電裝備關鍵技術等。3.1.2 能源化工裝備技術面向新一代煤氣化、生物質(zhì)能和聯(lián)合

8、循環(huán)發(fā)電技術的需求，發(fā)展復雜流體的先進流體力學分析、模擬和測試手段；突破新一代氣化爐、容器、熱交換器、閥門、循環(huán)泵等相關的關鍵技術與裝備；高溫、高壓、強腐蝕環(huán)境下的密封技術；新一代高溫閥門核主泵密封專用試驗裝置和平臺等。3.2 過程機械及系統(tǒng)的安全保障技術針對過程工業(yè)及裝置面臨的高參數(shù)(高溫、高壓)、大型化、復雜化和長周期運行的新態(tài)勢，研究復雜環(huán)境、復雜載荷下過程裝備安全保障的關鍵科學與技術問題，實現(xiàn)機械產(chǎn)品的質(zhì)量提升和過程裝備長周期安全可靠運行，從裝備安全角度為節(jié)能降耗提供支撐。3.2 過程機械及系統(tǒng)的安全保障技術在此基礎上發(fā)展過程機械和裝置的安全評價理論和壽命預測技術，為復雜過程機械設計與

9、優(yōu)化提供理論基礎。在與時間相關的強度與斷裂理論、聲光電磁一體化的缺陷檢測與監(jiān)測技術、非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能測試技術、失效分析與控制等領域取得重要的理論研究成果，在大型煉油、石油化工、煤化工、新一代核電裝備、超超臨界火電等重大裝備研發(fā)中獲得工程應用，取得一批有國際先進水平和自主知識產(chǎn)權的關鍵技術。3.2.1復雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強度與斷裂理研究復雜應力和復雜載荷史下超高溫結(jié)構(gòu)與材料的失效行為與破壞準則，建立高溫裝備的可靠性設計方法；研究宏觀-細觀-微觀多尺度下的量子化斷裂模型和壽命分析方法，形成重要裝備的全壽命預測手段；研究化學介質(zhì)、輻射和機械載荷交互作用下的結(jié)構(gòu)破壞過程與規(guī)律，建立化學-力學多損傷機制下的結(jié)

10、構(gòu)破壞理論；研究蠕變、疲勞多損傷機制下的統(tǒng)一本構(gòu)方程，建立基于損傷的失效評定圖。3.2.2過程裝備安全檢測監(jiān)測及測試的新方法、新技術對過程裝備高溫、高壓、強腐蝕和輻射的工作環(huán)境和特殊要求，研究缺陷檢測的聲、光、電、磁及其耦合的相關理論和方法；針對微反應器擴散焊、釬焊、粘接等封裝手段，發(fā)展基于時差衍射的高精度缺陷檢測技術；基于振動、應變、溫度和壓力等參量演化規(guī)律，研究復雜裝備系統(tǒng)的安全與壽命在線監(jiān)測的傳感器和評價系統(tǒng)；研究基于風險工程的過程裝備缺陷檢測和安全評價的一體化方法；發(fā)展過程裝備損傷與斷裂的非傳統(tǒng)試樣測試新方法，形成材料斷裂性能非傳統(tǒng)試樣評價體系。3.2.3 過程裝備的失效分析與預防控制

11、研究典型裝備和生產(chǎn)系統(tǒng)的事件-損傷-壽命關系規(guī)則，建立重大過程裝備失效分析專家系統(tǒng)；研究基于映射規(guī)則、灰色理論的裝備失效知識庫、數(shù)據(jù)庫重構(gòu)方法；針對過程裝備經(jīng)受的地震、火災、局部飛溫等非正常事件，研究建立現(xiàn)場檢測和分析的快速辨別技術;在過程裝備的失效預防控制方面，重點研究安全閥、防爆片等典型安全附件的壓力釋放原理和模型，超臨界電站裝備和新一代核電裝備中的新型安全附件設計理論和方法，研究典型安全附件的檢驗裝備及系統(tǒng)。3.3 過程機械材料與先進制造工藝技術材料高技術既是一個獨立的技術領域，又對其他技術領域起著引導、支撐的關鍵性作用。材料科學的進展與過程機械的結(jié)合將有力地支撐許多高技術過程的實現(xiàn)，如

12、高溫裂解、超臨界流體、先進發(fā)電工藝、生物質(zhì)能等都和新的結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)密切相關?！耙淮牧稀⒁淮b備”日益成為共識。同時如何面對裝置大型化和高溫高壓的要求，發(fā)展先進制造工藝技術，實現(xiàn)重大過程裝備國產(chǎn)化制造是迫切需要解決的問題。3.3.1 過程機械新材料技術針對高溫設備的應用，應致力發(fā)展機械合金化彌散強化高溫合金，實現(xiàn)其在透平機和高溫換熱設備的應用，攻克焊接技術難點。抗環(huán)境腐蝕的高溫材料的應用，可望有效延長設備的使用壽命，先進的石油化工過程、煤的液化和氣化均需進一步發(fā)展新的材料和涂層保護技術。稀有色金屬材料的應用也是今后過程裝備開發(fā)的一個重點，如鈦合金、鋯合金、鈹合金等的應用技術亟待加強。3.3.

13、2 先進制造工藝技術為了滿足我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，許多重大過程裝備與設施亟待實現(xiàn)國產(chǎn)化制造，例如：大型煤化工成套設備的研制和開發(fā)；百萬噸級大型乙烯成套設備國產(chǎn)化；大型海洋石油工程設備開發(fā)，海上浮動生產(chǎn)、儲存油輪，LNG運輸船的制造等。同時一大批過程裝備與設施需要最大限度延長使用壽命，以滿足循環(huán)經(jīng)濟的要求，因此發(fā)展先進的再制造工藝技術具有同樣的重要性。3.4 微化學機械系統(tǒng)微機械在航空航天、精密儀器、材料、生物醫(yī)療等領域有著廣泛的應用潛力，受到世界各國的高度重視，被譽為20世紀十大關鍵技術之首。微化學機械由于以化學化工過程為基礎，因此比一般意義上的微機械更加復雜。3.4 微化學機械系統(tǒng)微化學機

14、械系統(tǒng)可以分為兩類：一是指以強化化學化工過程為目的，通過過程效率的提高，使得設備體積大大減小，在未來或有可能實現(xiàn)臺式計算機一樣大小的高效生產(chǎn)的工廠；二是指以微化學機械產(chǎn)品組成的微儀器，通過微加工技術，實現(xiàn)芯片上的實驗室(Lab on Chip)。3.5 過程機械與裝置的先進控制技術大型過程機械系統(tǒng)，大多是在苛刻條件下連續(xù)化運行，從生產(chǎn)裝置運行過程看，多具有高度的非線性、分布參數(shù)特征，系統(tǒng)規(guī)模龐大，各裝置之間的耦合非常強，同時由于生產(chǎn)流程長，滯后時問大。生產(chǎn)裝置工藝流程基本上由大型化工容器、換熱器、化學反應器、大型塔器、大型壓縮機、大型鼓風機、余熱鍋爐等設備組成，在生產(chǎn)中，往往具有不確定性(環(huán)境結(jié)構(gòu)和參數(shù)的未知性、時變性、隨機性和突發(fā)性等)、非線性、耦合以及信息的不完全性和大純滯后等特點，是典型的復雜控制系統(tǒng)，許多問題亟待解決。3.5 過程機械與裝置的先進控制技術過程建模與流程模擬：應發(fā)展生產(chǎn)過程本征與宏觀智能反應動力學建模方法、智能傳熱與傳質(zhì)建模方法、智能工藝機理建模方法、工業(yè)裝置流程模擬、工業(yè)裝置性能指標(如：產(chǎn)能、質(zhì)量、環(huán)保、能耗、物耗等)的軟測量建模等方法和技術；控制與優(yōu)化：復雜流程工業(yè)過程信息自動獲取與融合、非線性模型辨識、多變量魯棒預測控制、基于混合模型的復雜過程控