過程裝備的最新技術(shù)進(jìn)展

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上過程裝備的最新技術(shù)進(jìn)展 裝控111班 張聰哲 張康 趙楠楠 張志豪摘要：綜述了我國熱力流體過程裝備、機(jī)械過程裝備、傳熱過程裝備、傳質(zhì)過程裝備、化學(xué)過程裝備及壓力容器的最新技術(shù)進(jìn)展,并展望了其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞: 過程裝備最新技術(shù)進(jìn)展中圖分類號：TQ 02 引言 過程裝備源于化學(xué)工業(yè)，在化學(xué)工業(yè)中，化工過程裝備是整個生產(chǎn)鏈條中必不可少的一環(huán)與工藝自控并稱現(xiàn)代化工生產(chǎn)的三大核心技術(shù)，可以說化工過程裝備是一個國家化工行業(yè)是否發(fā)達(dá)的重要決定因素和評價標(biāo)準(zhǔn)。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油石化等化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)突飛猛進(jìn)!在化工技術(shù)方面取得了很大的成就，而且隨著時代的發(fā)展，技術(shù)水平也不斷提高

2、目前在石油和化工行業(yè)投資不斷增加的大好形勢下，我國化工機(jī)械行業(yè)為適應(yīng)石油和化工等行業(yè)需求的新變化正悄然進(jìn)行由量的擴(kuò)張向質(zhì)的提升的新一輪戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的化工機(jī)械主要包括以熱力學(xué)定理與流體力學(xué)的相關(guān)理論為依據(jù)的熱力流體過程裝備；以加工固體或者粉末為主要設(shè)計目的的相關(guān)過程設(shè)備，如：粉碎設(shè)備，傳授設(shè)備等；以燃燒以及熱傳遞為主要功能的傳熱過程裝備。熱力流體和機(jī)械過程裝備通常可以稱為過程機(jī)器，是通用機(jī)械的一種。此外，傳熱以及化學(xué)過程裝備在研發(fā)的過程中需要參考不同的設(shè)計工藝，可以稱為壓力容器。近年來，隨著我國石油化工行業(yè)的飛速發(fā)展，化工過程裝備的相關(guān)技術(shù)也隨之獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是我們應(yīng)該認(rèn)識到，與國外

3、的先進(jìn)水平相比，國內(nèi)的化工過程設(shè)備還有很多方面需要進(jìn)一步跟上世界前沿技術(shù)，需要我們加緊這方面的研究工作。本文主要介紹過程裝備最新技術(shù)的進(jìn)展以及對未來的展望。5過程裝備的發(fā)展將更密切地與化工工藝新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。過程裝備的發(fā)展包括新材料的發(fā)展、過程裝備制造工藝的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)中的最新應(yīng)用。過程裝備包括各類反應(yīng)設(shè)備以及應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備、塔設(shè)備及工業(yè)爐等。1.過程裝備新材料的應(yīng)用 過程裝備的發(fā)展離不開高性能、高水準(zhǔn)的金屬材料、復(fù)合材料、納米材料以及具有特殊功能的新材料,目前過程裝備新金屬材料的發(fā)展在于對傳統(tǒng)材料的改進(jìn),其技術(shù)主是在金屬中添加所需的合金元素使其成為達(dá)到滿足使用要求的合

4、金材料。4復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、機(jī)械性能好等普通材料不具有的顯著特點(diǎn),其既保持了原組成材料的特性又具有復(fù)合后的新性能,并且有些性能往往大于組成材料的性能總和,是過程裝備材料選擇的主要趨勢。當(dāng)前復(fù)合材料的發(fā)展趨勢為由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展,由雙元復(fù)雜混合向多元混雜和超混雜方向發(fā)展,由結(jié)構(gòu)材料為主向與功能復(fù)合材料并重的局面發(fā)展。納米科技是20世紀(jì)80年代末剛剛誕生并正在崛起的新技術(shù),由于納米材料有諸多優(yōu)勢,與納米相關(guān)的技術(shù)也逐漸運(yùn)用于過程裝備中,納米粉體的制備技術(shù)是粉體設(shè)備前沿技術(shù)。6目前中國首創(chuàng)的超重力反應(yīng)沉淀法(簡稱超重力法)合成納米粉體技術(shù)已經(jīng)完成工業(yè)化試驗。在以上材料的研發(fā)基礎(chǔ)上更

5、應(yīng)該重視具有特殊功能的新型材料的研發(fā)，如新型氣體膜分離器，采用的是新型的材料制成的一層薄膜，可以將氧氣從空氣中直接濾出，或者用于混合氣體中某一氣體的分離，從廢氣之中實現(xiàn)二氧化碳的回收，達(dá)到減少溫室氣體排放的目的，因而在海淡化領(lǐng)域中使用前景將十分的廣闊，采用新型的反滲透膜并和多效閃蒸技術(shù)相結(jié)合，可以極大的降低海水淡化的成本，提高淡化的效率在污水處理行業(yè)，采用新型的生物膜材料可以實現(xiàn)對污水的過濾凈化，經(jīng)過處理的水可以達(dá)到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。還有一種新型的高分子材料做成的復(fù)合膜，可以將乙烯從其混合氣體中過濾出來，從而實現(xiàn)回收利用，回收率十分的理想，而且工藝流程相對傳統(tǒng)工藝較簡單，并且成本低廉，節(jié)能環(huán)保。1

6、2 計算機(jī)輔助技術(shù)在過程裝備的應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用可以稱之為“第三次世界工業(yè)革命”。它為現(xiàn)代化的加工與制造領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)革新。過程裝備的制造與過程的控制需要計算機(jī)進(jìn)行精密控制,設(shè)備自身在生產(chǎn)的過程中受到不同載荷的作用,為了確保生產(chǎn)的持續(xù)、穩(wěn)定和妥全,設(shè)備零部件要能夠滿足不同情況的要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計好,使用壽命長。計算機(jī)輔助技術(shù)能夠?qū)^程裝備中各零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行迅速、合理的分析、設(shè)計、動態(tài)仿真以及性能評定等,確?；ぴO(shè)備經(jīng)濟(jì)、實用、可靠。2.1 CAD CAD技術(shù)將設(shè)備產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、相關(guān)分析、制造以及技術(shù)管理有機(jī)結(jié)合于一體,大大提高了工作效率。隨著CAD技術(shù)不斷地向前發(fā)展,它將向規(guī)范化和

7、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、三維化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。作為一種應(yīng)用軟件,CAD早已被人們廣泛的應(yīng)用于化工設(shè)備的設(shè)計之中。22.2 CAE計算機(jī)輔助工程(CAE一Computer Aided Engineering)是指用計算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等,包括產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能,它是一種近似數(shù)值分析方法。CAE系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化,即將實際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體,實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析,得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析,這樣可以解決很多實際工程

8、需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。近些年來，國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，計算機(jī)輔助工程也隨之獲得了較大的發(fā)展，而且受到了社會的廣泛關(guān)注，尤其是利用計算機(jī)輔助工程技術(shù)促進(jìn)我國科技水平的全面提升，已經(jīng)成為了促進(jìn)我國國家綜合競爭力的主要因素。近些年來，NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、IDEAS等有限元分析軟件已經(jīng)在我國得到了廣泛的運(yùn)用，而且已經(jīng)具有一批專門從事相關(guān)研究工作的人員隊伍，這促進(jìn)了我國在計算機(jī)輔助工程領(lǐng)域研究工作的進(jìn)展。當(dāng)然，從整體的情況來看，我國在計算機(jī)輔助工程領(lǐng)域的發(fā)展卻僅僅局限于某些地區(qū)，并未在全國范圍內(nèi)獲得廣泛開展，而且在相關(guān)的研究工作方面與發(fā)達(dá)國家也有著一定的距離。

9、我國在化工機(jī)械領(lǐng)域中完全應(yīng)用計算機(jī)輔助技術(shù)仍然存在著較大的把難度，這與相關(guān)技術(shù)人員的缺乏有著十分重要的關(guān)系，基于此，我國已經(jīng)在各大高校和研究機(jī)構(gòu)中加強(qiáng)了對計算機(jī)輔助工程技術(shù)的研究，并且對其在化工機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用也開展了大量的研究工作，以期能夠快速提高化工機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計水平，從而促進(jìn)我國化工機(jī)械領(lǐng)域的全面發(fā)展?；诒Ｗo(hù)國內(nèi)化工機(jī)械發(fā)展的角度出發(fā)，各國都存在著不同程度的技術(shù)壁壘，然而隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢不斷增強(qiáng)，化工機(jī)械市場的國際化也將進(jìn)一步的增強(qiáng)，我國過程裝備領(lǐng)域在面對機(jī)械的國際市場競爭時，必須要能夠客觀的分析自身所存在的弱勢與不足，才能有針對性的采取有效的策略來加強(qiáng)我國過程裝備的持續(xù)發(fā)展，以

10、此來提升我國化工機(jī)械市場的綜合競爭力。計算機(jī)輔助工程在我國化工機(jī)械中的運(yùn)用，能夠為化工機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供更有力的技術(shù)支撐。32.3 CAM計算機(jī)輔助制造(CAM一Computer Aided Manufacturing)是指利用計算機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容,輸出信息是刀具加工時的運(yùn)動軌跡(刀位文件)和數(shù)控程序。計算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是通過計算機(jī)分級結(jié)構(gòu)控制和管理制造過程的多方面工作,它的目標(biāo)是開發(fā)一個集成的信息網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測一個廣闊的相互關(guān)聯(lián)的制造作業(yè)范圍,并根據(jù)一個總體的管理策略控制每項作業(yè)。一個大規(guī)模的計算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是一個計算機(jī)分級結(jié)構(gòu)的

11、網(wǎng)絡(luò),它由兩級或三級計算機(jī)組成,中央計算機(jī)控制全局,提供經(jīng)過處理的信息,主計算機(jī)管理某一方面的工作,并對下屬的計算機(jī)工作站或微型計算機(jī)發(fā)布指令和進(jìn)行監(jiān)控。3.壓力容器的最新進(jìn)展3.1 壓力容器設(shè)計的最新技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)在的壓力容器設(shè)計觀念已擺脫傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，體現(xiàn)滿足真正工藝要求的設(shè)計理念，更加追求實效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的和諧統(tǒng)一。3.1.1 應(yīng)力和應(yīng)變的分析與評定對壓力容器進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析和評定是其設(shè)計的新技術(shù)，其中的關(guān)鍵是能夠運(yùn)用相關(guān)的分析方法對壓力容器的強(qiáng)度進(jìn)行比較全面的校核。進(jìn)行較為全面的強(qiáng)度校核有利于了解各部位實際應(yīng)力以及應(yīng)變的程度。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，詳細(xì)的應(yīng)力分析不僅能夠提高安

12、全系數(shù)，使得產(chǎn)品的重量減輕，也能夠節(jié)約材料，防止容器失效，但是需要大量的復(fù)雜計算，因此，一般只有對重要的容器進(jìn)行設(shè)計時才使用這種方法。83.1.2塑性失效設(shè)計塑性失效的設(shè)計準(zhǔn)則是：可以允許局部薄膜的應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度有較大的許用數(shù)值 , 也就是能夠容忍局部的塑性變形，壓力容器仍然不會失效。主要是因為在局部發(fā)生薄膜應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力，即使最大應(yīng)力達(dá)到了屈服的極限，也只能引起局部的屈服，但是對于整個壓力容器來說，大部分區(qū)域仍然處于彈性狀態(tài)而不會失效此時，如果采用彈性失效的方法來處理，則會使得很多的材料無法發(fā)揮應(yīng)有的潛力。3.1.3. 疲勞設(shè)計以往的壓力容器設(shè)計中，很少有將疲勞作為一個重要因素進(jìn)

13、行單獨(dú)考慮。壓力容器的制造朝著大型化的趨勢發(fā)展，高強(qiáng)度低合金鋼也慢慢投入生產(chǎn)中，這些材料在制造過程中造成裂紋和未知缺陷的可能性很大，使得因為疲勞導(dǎo)致的破壞概率上升，相關(guān)統(tǒng)計表明在壓力容器的所有破壞事故中，大約占 40% 的事故原因要?dú)w結(jié)為由于疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展而引起。因此，疲勞問題逐漸被人們所重視。3.1.4. 概率設(shè)計概率設(shè)計方法發(fā)展于近代，以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，它在壓力容器的設(shè)計中能夠起到對容器進(jìn)行全面評價的作用，包括安全程度的評估和經(jīng)濟(jì)合理性的判斷。該方法可以計算出壓力容器的失效可能性大小，另外，根據(jù)某一種特定產(chǎn)品的最低可靠性的概率要求，該方法還可以將可行性概率合理分配給各個零部件，以此來滿足

14、總體的設(shè)計要求，同時在經(jīng)濟(jì)性上也有很大優(yōu)勢。3.2壓力容器用材料的新進(jìn)展近年來壓力容器在電子化工、機(jī)械化工、石油化工、核工業(yè)、煤化工中應(yīng)用越來越廣，因此對材料的要求也越來越高。對此，我國投入了大量的人力物力從事相關(guān)的研究工作。目前壓力容器用材的主要研究及新技術(shù)進(jìn)展主要由以下幾方面組成（1）材料的高純凈度:冶金工業(yè)整體技術(shù)和裝備水平的提高，極大地提高了材料的純凈度，提高了壓力容器用材料的力學(xué)性能指標(biāo)，提高了壓力容器的整體安全性。（2）材料的介質(zhì)適用性：針對各種腐蝕性介質(zhì)和操作工況，已研制出特種合金、雙相鋼、超級不銹鋼等金屬材料，使之能夠為長期安全生產(chǎn)提供了保證。（3）材料的應(yīng)用界限：針對低溫脆斷

15、、回火脆化、高溫蠕變所進(jìn)行的研究，規(guī)定材料的氣體含量、J系數(shù)、X系數(shù)，準(zhǔn)確的給出材料的應(yīng)用范圍。深入研究材料的適用范圍，如在確定材料低溫界限的研究中，利用材料的沖擊實驗取得的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，與斷裂力學(xué)的評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)，最終得到相對合理的材料低溫界限。54 過程設(shè)備的最新技術(shù)進(jìn)展過程設(shè)備的發(fā)展將更密切地與化工工藝新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。最有代表性的是各類反應(yīng)設(shè)備以及應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備、塔設(shè)備及工業(yè)爐等。4.1 塔設(shè)備塔器是所有化工生產(chǎn)中最為量大面廣的過程設(shè)備之一,現(xiàn)已開發(fā)成功一系列高性能塔盤,且技術(shù)水平已達(dá)國際先進(jìn)行列。最具代表性的塔盤有高通量DJ塔盤、高效率高彈性的立體傳質(zhì)塔盤、微分浮閥塔盤、并流噴

16、射式復(fù)合塔盤、Super-V型浮閥塔盤等。國內(nèi)已形成了若干個高水平的塔器研發(fā)基地,具有雄厚的科技力量與研發(fā)條件,已發(fā)展了計算傳質(zhì)學(xué)及新的傳質(zhì)模型,形成了若干個頗具特色的將工藝要求與塔盤構(gòu)型和性能相結(jié)合的全塔優(yōu)化設(shè)計軟件等,為石化生產(chǎn)的挖潛增效、節(jié)能提質(zhì)等做出了重要貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在開發(fā)千萬噸級大型煉油廠用的直徑達(dá)16米的特大型減壓塔等已無困難。4.2 工業(yè)爐以現(xiàn)代石油化工生產(chǎn)為例,目前許多關(guān)鍵裝置的反應(yīng)設(shè)備,如20萬噸/年聚丙烯氣液環(huán)管反應(yīng)器、300萬噸/年以上的大型煉油催化裂化氣固流化床反應(yīng)設(shè)備(500700)、200萬噸/年加氫氣液固三相固定床反應(yīng)器等的成套設(shè)計、制造與調(diào)控運(yùn)行已完全可立足于國內(nèi)，

17、并且在世界上也躋身前列。13萬噸/年丙烯腈氣固流化床反應(yīng)器(撤熱型)成套設(shè)備已研制成功,正在向26萬噸/年更大規(guī)模邁進(jìn)。過去一直依賴進(jìn)口的3萬噸/年丙烯酸反應(yīng)器(直徑5.4米,1.8萬根換熱管)已研制成功。乙烯裝置的核心設(shè)備乙烯裂解爐已自主開發(fā)成功6萬噸/年CBL爐型,目前正在和魯姆斯公司合作開發(fā)1020萬噸/年的大型SL型爐。國內(nèi)已可生產(chǎn)20萬噸/年天然氣轉(zhuǎn)化爐成套設(shè)備,但30萬噸/年以上更大型爐還沒有。大型氣流床煤氣化爐成套設(shè)備(4.56.5Mpa,1 500,爐徑3.2米,日處理煤2 000噸),目前仍依賴于引進(jìn)德士古或殼牌技術(shù),是個很大的薄弱環(huán)節(jié)。75 總結(jié)近年來,雖然我國的過程裝備技術(shù)已取得了長足的進(jìn)步,但與國外先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距,仍需要過程裝備技術(shù)人員的進(jìn)一步努力。展望未來,過程裝備必將在新技術(shù)以及其他學(xué)科帶動下取得更大的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)1 邵珠群.綜述國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)法發(fā)展與展望J.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011.(20):2262 盛遵榮.計算機(jī)輔助技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用J.科技致富向?qū)?2013,26: