專業(yè)前沿知識講座

1、先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)概論徐書根中國石油大學(xué)（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(jī)械技術(shù)的定義如果沒有煉油裝置我們的汽車將無法跑動，飛機(jī)將無法飛行；如果沒有電子材料的制造裝置先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)將無法實(shí)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(jī)械技術(shù)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(jìn)的制氫裝置未來的氫能時(shí)代將無從談起。1.過程機(jī)械技術(shù)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(jī)械(化工機(jī)械)即是一門研究和實(shí)現(xiàn)上述裝置的重要學(xué)科。她致力將先進(jìn)的過程工藝或構(gòu)想通過設(shè)計(jì)放大(縮小)、制造而變成現(xiàn)實(shí)，并保障其高效、安全和集約運(yùn)行。1.過程機(jī)械技術(shù)的定義2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程1951年大連工學(xué)院首先成立“化學(xué)生產(chǎn)機(jī)器與設(shè)備”專業(yè)。1952年全國大學(xué)院系大調(diào)整，天津大學(xué)、浙江大學(xué)、華東化工學(xué)院、華南工學(xué)院、成都工學(xué)院、杭州化工學(xué)校(中專班)等，成立“化學(xué)生產(chǎn)機(jī)器與設(shè)備”專業(yè)，簡稱為化機(jī)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(shí)，教育部在北京石油學(xué)院等院校又增加了一批化機(jī)專業(yè)。2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程由此一個(gè)將“過程”、“機(jī)

3、械”和“控制”融于一體，將“化工”、“機(jī)械”和“信息”學(xué)科緊密結(jié)合而形成的“化-機(jī)-電”一體化的多科型、交叉型學(xué)科過程機(jī)械學(xué)科漸成體系。本專業(yè)不是一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，它發(fā)展自相關(guān)學(xué)科，實(shí)際上是將機(jī)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(wù)于過程工業(yè)，它的發(fā)展與相關(guān)行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程與其相關(guān)的行業(yè)包括：工藝過程（化工、石油化工、食品和制藥等）；機(jī)械設(shè)計(jì)及制造（機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和工程材料等）；裝備的控制（重點(diǎn)在流程性參量，不同于機(jī)械行業(yè)的位置、位移和速度的控制）。2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程2.過程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程3

4、. 先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)人類進(jìn)入21世紀(jì)，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(yán)重，自然災(zāi)害頻繁等等，繼續(xù)給過程機(jī)械技術(shù)提出新的問題，有賴于發(fā)展新的過程機(jī)械技術(shù)去解決。為了提高國家的競爭力，在許多重要高技術(shù)領(lǐng)域同樣需要過程機(jī)械技術(shù)的新貢獻(xiàn)。3.先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)在“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”中，明確將“提高裝備設(shè)計(jì)、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(jī)械起著關(guān)鍵的支撐作用。3.先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)隨著工業(yè)文明的推進(jìn)，安全也越來越成為全社會共同關(guān)

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(shè)施壽命預(yù)測技術(shù)”成為國家亟待發(fā)展的27項(xiàng)前沿技術(shù)之一。復(fù)雜系統(tǒng)的災(zāi)變形成及其預(yù)測控制列入面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究問題，過程裝備與系統(tǒng)的安全技術(shù)是其中十分重要的內(nèi)容。3.先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)面對人類發(fā)展中的共同問題和國家重大需求，先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)應(yīng)該是高效、綠色、安全可靠的：所謂高效，應(yīng)該比國家“十一五”規(guī)劃綱要有更高的要求。能耗應(yīng)比傳統(tǒng)的裝備降低20以上；所謂綠色，除了設(shè)備本身符合環(huán)保要求外，應(yīng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)過程機(jī)械高可靠性、低風(fēng)險(xiǎn)和長壽命的設(shè)計(jì)，顯著降低事故率。3.先進(jìn)過程機(jī)械技術(shù)按照這種定

6、義，在今后20年乃至更長的時(shí)間內(nèi)，過程機(jī)械應(yīng)著眼于下述關(guān)鍵技術(shù)的突破：3.1 高效、節(jié)能和綠色過程機(jī)械及集成技術(shù)3.2 過程機(jī)械及系統(tǒng)的安全保障技術(shù)3.3 過程機(jī)械材料與先進(jìn)制造工藝技術(shù)3.4 微化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)3.5 過程機(jī)械與裝置的先進(jìn)控制技術(shù)3.1 高效、節(jié)能、綠色過程機(jī)械及集成技術(shù)致力把節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)思想融入過程裝備技術(shù)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(jìn)的流體分析理論和先進(jìn)制造工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，針對過程工藝放大涉及的裝備瓶頸技術(shù)，致力于發(fā)展基于清潔化、高效化理念的先進(jìn)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(jī)械及集成技術(shù)瞄準(zhǔn)學(xué)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(shù)原理嫁接和移植，以期實(shí)現(xiàn)學(xué)科領(lǐng)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(diǎn)開展以下幾個(gè)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(chǔ)問題，傳熱傳質(zhì)與反應(yīng)強(qiáng)化理論與技術(shù)；基于場分離科學(xué)與技術(shù)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(shù)，多相流中旋流結(jié)構(gòu)與調(diào)控方法和設(shè)備；CO2捕集與儲運(yùn)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(qiáng)化管、強(qiáng)化板式高效換熱設(shè)備的制造與工業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；節(jié)能節(jié)水余熱發(fā)電裝備關(guān)鍵技術(shù)等。3.1.2 能源化工裝備技術(shù)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(shù)的需求，發(fā)展復(fù)雜流體的先進(jìn)流體力學(xué)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(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與裝備；高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的密封技術(shù)；新一代高溫閥門核主泵密封專用試驗(yàn)裝置和平臺等。3.2 過程機(jī)械及系統(tǒng)的安全保障技術(shù)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(fù)雜化和長周期運(yùn)行的新態(tài)勢，研究復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜載荷下過程裝備安全保障的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提升和過程裝備長周期安全可靠運(yùn)行，從裝備安全角度為節(jié)能降耗提供支撐。3.2 過程機(jī)械及系統(tǒng)的安全保障技術(shù)在此基礎(chǔ)上發(fā)展過程機(jī)械和裝置的安全評價(jià)理論和壽命預(yù)測技術(shù)，為復(fù)雜過程機(jī)械設(shè)計(jì)與

9、優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。在與時(shí)間相關(guān)的強(qiáng)度與斷裂理論、聲光電磁一體化的缺陷檢測與監(jiān)測技術(shù)、非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能測試技術(shù)、失效分析與控制等領(lǐng)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(yīng)用，取得一批有國際先進(jìn)水平和自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。3.2.1復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與斷裂理研究復(fù)雜應(yīng)力和復(fù)雜載荷史下超高溫結(jié)構(gòu)與材料的失效行為與破壞準(zhǔn)則，建立高溫裝備的可靠性設(shè)計(jì)方法；研究宏觀-細(xì)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(yù)測手段；研究化學(xué)介質(zhì)、輻射和機(jī)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(xué)-力學(xué)多損傷機(jī)制下的結(jié)

10、構(gòu)破壞理論；研究蠕變、疲勞多損傷機(jī)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(shù)對過程裝備高溫、高壓、強(qiáng)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(guān)理論和方法；針對微反應(yīng)器擴(kuò)散焊、釬焊、粘接等封裝手段，發(fā)展基于時(shí)差衍射的高精度缺陷檢測技術(shù)；基于振動、應(yīng)變、溫度和壓力等參量演化規(guī)律，研究復(fù)雜裝備系統(tǒng)的安全與壽命在線監(jiān)測的傳感器和評價(jià)系統(tǒng)；研究基于風(fēng)險(xiǎn)工程的過程裝備缺陷檢測和安全評價(jià)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(jià)體系。3.2.3 過程裝備的失效分析與預(yù)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(guān)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(zāi)、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(shù);在過程裝備的失效預(yù)防控制方面，重點(diǎn)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(shè)計(jì)理論和方法，研究典型安全附件的檢驗(yàn)裝備及系統(tǒng)。3.3 過程機(jī)械材料與先進(jìn)制造工藝技術(shù)材料高技術(shù)既是一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域，又對其他技術(shù)領(lǐng)域起著引導(dǎo)、支撐的關(guān)鍵性作用。材料科學(xué)的進(jìn)展與過程機(jī)械的結(jié)合將有力地支撐許多高技術(shù)過程的實(shí)現(xiàn)，如

12、高溫裂解、超臨界流體、先進(jìn)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(guān)。“一代材料、一代裝備”日益成為共識。同時(shí)如何面對裝置大型化和高溫高壓的要求，發(fā)展先進(jìn)制造工藝技術(shù)，實(shí)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(jī)械新材料技術(shù)針對高溫設(shè)備的應(yīng)用，應(yīng)致力發(fā)展機(jī)械合金化彌散強(qiáng)化高溫合金，實(shí)現(xiàn)其在透平機(jī)和高溫?fù)Q熱設(shè)備的應(yīng)用，攻克焊接技術(shù)難點(diǎn)?？弓h(huán)境腐蝕的高溫材料的應(yīng)用，可望有效延長設(shè)備的使用壽命，先進(jìn)的石油化工過程、煤的液化和氣化均需進(jìn)一步發(fā)展新的材料和涂層保護(hù)技術(shù)。稀有色金屬材料的應(yīng)用也是今后過程裝備開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，如鈦合金、鋯合金、鈹合金等的應(yīng)用技術(shù)亟待加強(qiáng)。3.3.

13、2 先進(jìn)制造工藝技術(shù)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(shè)施亟待實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化制造，例如：大型煤化工成套設(shè)備的研制和開發(fā)；百萬噸級大型乙烯成套設(shè)備國產(chǎn)化；大型海洋石油工程設(shè)備開發(fā)，海上浮動生產(chǎn)、儲存油輪，LNG運(yùn)輸船的制造等。同時(shí)一大批過程裝備與設(shè)施需要最大限度延長使用壽命，以滿足循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，因此發(fā)展先進(jìn)的再制造工藝技術(shù)具有同樣的重要性。3.4 微化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)微機(jī)械在航空航天、精密儀器、材料、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力，受到世界各國的高度重視，被譽(yù)為20世紀(jì)十大關(guān)鍵技術(shù)之首。微化學(xué)機(jī)械由于以化學(xué)化工過程為基礎(chǔ)，因此比一般意義上的微機(jī)械更加復(fù)雜。3.4 微化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)微化學(xué)機(jī)

14、械系統(tǒng)可以分為兩類：一是指以強(qiáng)化化學(xué)化工過程為目的，通過過程效率的提高，使得設(shè)備體積大大減小，在未來或有可能實(shí)現(xiàn)臺式計(jì)算機(jī)一樣大小的高效生產(chǎn)的工廠；二是指以微化學(xué)機(jī)械產(chǎn)品組成的微儀器，通過微加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)芯片上的實(shí)驗(yàn)室(Lab on Chip)。3.5 過程機(jī)械與裝置的先進(jìn)控制技術(shù)大型過程機(jī)械系統(tǒng)，大多是在苛刻條件下連續(xù)化運(yùn)行，從生產(chǎn)裝置運(yùn)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(qiáng)，同時(shí)由于生產(chǎn)流程長，滯后時(shí)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(xué)反應(yīng)器、大型塔器、大型壓縮機(jī)、大型鼓風(fēng)機(jī)、余熱鍋爐等設(shè)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(shí)變性、隨機(jī)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(diǎn)，是典型的復(fù)雜控制系統(tǒng)，許多問題亟待解決。3.5 過程機(jī)械與裝置的先進(jìn)控制技術(shù)過程建模與流程模擬：應(yīng)發(fā)展生產(chǎn)過程本征與宏觀智能反應(yīng)動力學(xué)建模方法、智能傳熱與傳質(zhì)建模方法、智能工藝機(jī)理建模方法、工業(yè)裝置流程模擬、工業(yè)裝置性能指標(biāo)(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(shù)；控制與優(yōu)化：復(fù)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(yù)測控制、基于混合模型的復(fù)雜過程控