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先进过程机械技术及其学科基础AdvancedProcessEquipmentTechnologyanditsFundamentals涂善东华东理工大学sttu@ecust.edu.cn化工机械’20087月18-22日，上海chemech.ecust.edu.cn提纲什么是过程机械学科1我们面对的挑战与机遇23先进过程机械的学科基础4什么是先进过程机械技术chemech.ecust.edu.cn什么是过程机械学科在这个世界上，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……chemech.ecust.edu.cn过程机械技术什么是过程机械学科过程机械（化工机械）即是一门研究和实现上述装置的重要学科。她致力将先进的过程工艺或构想通过设计放大（缩小）、制造而变成现实，并保障其高效、安全和集约运行chemech.ecust.edu.cn过程机械的分类单元过程设备（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）二者构成了过程机械（装备）。过程机械系统（通常称为成套过程装置）是流程性材料产品的工作母机，它是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（或间歇地）把以流体为主的各种材料、让其在系统中历经必要的物理、化学或生物过程，制造出人们需要的新的流程性产品。—参阅丁信伟教授,2001我们面对的chemech.ecust.edu.cn“十一五”规划纲要chemech.ecust.edu.cnchemech.ecust.edu.cn把提高装备设计、制造和集成能力作为提高企业创新能力的突破口，其中流程工业的绿色化、自动化及装备被列为优先发展主题安全也越来越成为全社会共同关注的发展主题，在中长期科技发展纲要中，重大产品和重大设施寿命预测技术成为国家亟需发展的27项前沿技术之一，复杂系统灾变形成及其预测控制列入面向国家重大战略需求的基础研究问题chemech.ecust.edu.cn美国机械工程师学会对2028年的预测9种驱动力和预测DevelopingSustainablyEngineeringLargeandSmallScaleSystemsCompetitiveEdgeofKnowledgeCollaborativeAdvantageTheNanoBioFutureRegulatingInnovationDiverseFaceofEngineeringDesigningatHomeEngineeringfortheOther90Percentchemech.ecust.edu.cn日本机械工程师学会对2028年的预测高温热流冷却技术热泵热水供应系统微纳生物力学Mainlyforapplicationsoftissueengineeringformedicaltreatment汽车的燃料效率工业机器人微纳加工技术发动机的热效率能源设备的效率与发电量设计工程动态现象分析技术chemech.ecust.edu.cn高温热流蒸发的极限热流密度核电站锅炉管（内螺纹管）过烧加热载人航天飞机低舱（原材料）高压低压X射线激光发射冷却固态半导体激光器冷却沸腾（半导体激光器冷却）热电站锅炉管核燃料棒簇冷却大型计算机（热电冷却）技术突破：-借助MEMS技术，改变材料增加换热表面积的可能性；-工艺改进MEMS冷却年份热流密度chemech.ecust.edu.cn热泵技术①高性能制冷剂技术的改进②气/液分离器技术的改进③换热器技术的改进（减小换热器的空气阻力、增强散热片和换热管的热传递）④膨胀阀技术的改进（提高效率、回收膨胀能）⑤电机技术的改进⑥变换器技术的改进⑦压缩机技术的改进（减小换热器的空气阻力、增强散热片和换热管的热传递）⑧风扇技术的改进（提高效率、降低噪声）⒀混合技术的改进⑨热水储存技术的改进⑩控制技术的改进（质量控制、出口温度控制、蓄热控制、热辐射控制|、除霜控制）⑿废热利用技术的改进⑾仿真设计技术的改进能源消耗效率chemech.ecust.edu.cn汽车的燃料效率2000~2005混合燃料（汽油和柴油）汽车投入实际应用2010~2015柴油颗粒过滤器(DPF)废气净化技术与尿素选择性催化还原技术(SCR)结合2020~2025NOx的直接分解技术投入实际应用2025~2030实现汽油均质充量压缩燃烧（HCCL）技术；燃料电池车(HFCV)投入实际应用所有燃烧汽油的汽车（包括轻型汽车）的燃烧效率平均值为10-15燃料效率年份chemech.ecust.edu.cn发动机的热效率发动机的热效率汽车用燃料电池船用大型柴油发动机车辆用大型柴油发动机乘用车用柴油发动机乘用车用汽油发动机技术突破产生和回收热和动能的机械技术电技术和化学技术普及高精度燃烧技术和尾气排放控制技术柴油发动机的尾气催化剂颗粒捕捉器清洁的NOx催化剂高压燃油喷射涡轮增压冷却EGR控制柴油发动机混合动力汽车换成钢类型涡轮增压中间冷却器TI直接喷射柴油发动机DI间接喷射柴油发动机IDI年份chemech.ecust.edu.cn能源设备的效率主蒸汽压力主蒸汽温度年份欧洲和美国工程开发新型耐热材料欧洲和美国工程奥氏体耐热钢风险基础维修压力大型耦合分析超洁净低压转子钛叶片风险控制设计破坏评估技术多尺度模拟先进监测技术开发高Cr耐热钢开发高Cr耐热钢调查超超临界压力下的破坏磨损和破坏机理开发全服役周期诊断技术转子断裂原因调查蠕变疲劳评估技术大容量：1000MW转子热应力降低技术超临界超超临界chemech.ecust.edu.cn联合循环发电厂燃气轮机燃汽温度年份连续涂层高效燃气轮机研究联盟迫切引入联合循环电厂热疲劳测试技术均匀晶粒IN738LC叶片阐明磨损与破坏机理可靠性评估技术研究陶瓷燃气轮机开发全服役周期诊断技术蒸汽冷却叶片连续涂层风险基础维修燃料多样化有效延长和再生技术单向超级合金大型耦合分析逆流空气冷却叶片先进检测技术单晶超级合金叶片过热镀层损伤估算设计氢气轮机耐热与环保设计复合材料ODS什么是先进过程机械技术Chemech.ecust.edu.cnchemech.ecust.edu.cn先进过程机械技术面对人类发展中的共同问题和国家重大需求，先进过程机械技术应该是高效、绿色、安全可靠的高效：应该比国家“十一五”规划纲要有更高的要求，能耗应比传统装置降低20%以上；绿色：除了设备本身符合环保要求，应该着眼于系统、根绝或显著降低污染物的排放；安全：应实现过程机械高可靠性、低风险和长寿命的设计，显著降低事故率。chemech.ecust.edu.cn高效（节能）、绿色过程机械及集成技术过程机械及系统的安全保障技术过程机械材料与先进制造工艺技术微化学机械系统过程机械与装置的先进控制技术chemech.ecust.edu.cn高效（节能）、绿色过程机械及集成技术致力把节能降耗和清洁生产思想融入过程装备技术的创新发展，紧密围绕国家与行业的重大需求，以先进的流体分析理论和先进制造工艺技术为基础，针对过程工艺放大涉及的装备瓶颈技术，致力于发展基于减物质化、非物质化、清洁化、高效化理念的先进过程工艺与装备的集成创新。同时瞄准学科前沿，把传统过程装备理念与纳米、信息、医疗器械、生物工程的技术原理嫁接和移植，以期实现学科领域在能源、环境、微电子、信息和材料诸方面的拓宽十一五关键领域：节能与清洁生产装备及系统（传热传质与反应强化理论与技术、CO2捕集与储运的新工艺、新装置等）能源化工装备技术（新一代煤气化、煤液化、生物质能和联合循环发电(ICGCC)装备技术）chemech.ecust.edu.cn过程机械及系统的安全保障技术针对过程工业及装置面临的高参数（高温、高压）、大型化、复杂化和长周期运行新态势，研究复杂环境、复杂载荷下过程装备安全保障的关键科学与技术问题，实现机械产品的质量提升和过程装备长周期安全可靠运行。在与时间相关的强度与断裂理论、声光电磁一体化的缺陷检测与监测技术、非传统结构性能测试技术、失效分析与控制等领域取得重要的理论研究成果，在大型炼油、石油化工、煤化工、新一代核电装备、超超临界火电等重大装备研发中获得工程应用十一五关键领域：复杂环境下的结构强度与断裂理论过程装备安全检测监测及测试的新方法、新技术过程装备的失效分析与预防控制chemech.ecust.edu.cn过程机械材料与先进制造工艺技术材料科学的进展与过程机械的结合将有力地支撑许多高技术过程的实现，如高温裂解、超临界流体、先进发电工艺、生物质能、垃圾处理等都和新的结构材料的开发密切相关,“一代材料、一代装备”日益成为共识。同时如何面对装置大型化和高温高压的要求，发展先进制造工艺技术，实现重大过程装备国产化制造是迫切需要解决的问题。十一五关键领域：过程机械新材料技术（ODS，HR-160，Ni-Co-Cr，Ti，Zr，Be，复合材料等）先进制造工艺技术（石化运输船、大型铸锻件、巨型机器）先进再制造工艺技术（涂层技术，再生化学处理，冷、热处理技术）chemech.ecust.edu.cn微化学机械系统微化学机械系统可以分为两类：一者以强化化学化工过程为目的，通过过程效率的提高，使得设备体积大大减小，在未来或有可能实现台式计算机一样大小的高效生产的工厂；另者则指以微化学机械产品组成的微仪器，通过微加工技术，实现芯片上的实验室(LabonChip)十一五关键领域：关键理论与技术：针对微化学机械系统设计制造的关键问题，应重点研究微尺度下的传递与反应工程的基础理论，高性能传热、传质和反应表面的表征与制造，微小型化学机械系统的封焊及封焊结构的可靠性，实现微混合、微换热、微反应等器件的设计制造。目标导向：针对量子点合成、危险化学品的制造、生物柴油微反应合成、甲醇制氢等场合实现应用示范。拓展到更加广泛的生物、医药工程领域。chemech.ecust.edu.cn过程机械与装置的先进控制技术大型过程机械系统，多具有高度的非线性、分布参数特征，系统规模庞大，各装置之间的耦合非常强，同时由于生产流程长，纯滞后时间大。生产装置工艺流程基本上由大型化工容器、换热器、化学反应器、大型塔器、大型压缩机、大型鼓风机、余热锅炉等设备组成，在生产中，往往具有不确定性（环境结构和参数的未知性、时变性、随机性和突发性等）、非线性、耦合以及信息的不完全性和大纯滞后等特点，是典型的复杂控制系统。十一五关键领域：过程建模与流程模拟控制与优化先进过程机械的学科基础Chemech.ecust.edu.cnchemech.ecust.edu.cn01020304050607080195719781986199619992005年份百分比化工类机械类控制类学科结构的时代演变学科结构的时代演变学科面偏窄学科壁垒坚固学生长于分析，却不擅综合缺乏拔尖人才chemech.ecust.edu.cn材料科学材料工程化学化学工程生物化工生物医药生物物理数学计算机科学电气工程微电子MEMS机械工程能源动力环境工程流体工程环境科学力学先进过程机械学科定位chemech.ecust.edu.cn关键是Scaling(upordown)Asearchof“Multiscale”inIncreasingawarenessof“Multiscale”chemech.ecust.edu.cn作为多尺度工程的过程机械MultiscaleEngineeringMu