过程装备的最新技术进展

过程装备的最新技术进展装控111班张聪哲张康赵楠楠张志豪摘要：综述了我国热力流体过程装备、机械过程装备、传热过程装备、传质过程装备、化学过程装备及压力容器的最新技术进展,并展望了其发展方向。关键词:过程装备最新技术进展中图分类号：TQ02引言过程装备源于化学工业，在化学工业中，化工过程装备是整个生产链条中必不可少的一环与工艺自控并称现代化工生产的三大核心技术，可以说化工过程装备是一个国家化工行业是否发达的重要决定因素和评价标准。随着我国经济的发展，石油石化等化工产业技术突飞猛进!在化工技术方面取得了很大的成就，而且随着时代的发展，技术水平也不断提高目前在石油和化工行业投资不断增加的大好形势下，我国化工机械行业为适应石油和化工等行业需求的新变化正悄然进行由量的扩张向质的提升的新一轮战略转变。传统的化工机械主要包括以热力学定理与流体力学的相关理论为依据的热力流体过程装备；以加工固体或者粉末为主要设计目的的相关过程设备，如：粉碎设备，传授设备等；以燃烧以及热传递为主要功能的传热过程装备。热力流体和机械过程装备通常可以称为过程机器，是通用机械的一种。此外，传热以及化学过程装备在研发的过程中需要参考不同的设计工艺，可以称为压力容器。近年来，随着我国石油化工行业的飞速发展，化工过程装备的相关技术也随之获得了突飞猛进的发展，但是我们应该认识到，与国外的先进水平相比，国内的化工过程设备还有很多方面需要进一步跟上世界前沿技术，需要我们加紧这方面的研究工作。本文主要介绍过程装备最新技术的进展以及对未来的展望。[5]过程装备的发展将更密切地与化工工艺新技术的发展息息相关。过程装备的发展包括新材料的发展、过程装备制造工艺的发展以及计算机技术在生产中的最新应用。过程装备包括各类反应设备以及应用最广泛的换热设备、塔设备及工业炉等。1.过程装备新材料的应用过程装备的发展离不开高性能、高水准的金属材料、复合材料、纳米材料以及具有特殊功能的新材料,目前过程装备新金属材料的发展在于对传统材料的改进,其技术主是在金属中添加所需的合金元素使其成为达到满足使用要求的合金材料。[4]复合材料具有重量轻、比强度高、机械性能好等普通材料不具有的显著特点,其既保持了原组成材料的特性又具有复合后的新性能,并且有些性能往往大于组成材料的性能总和,是过程装备材料选择的主要趋势。当前复合材料的发展趋势为由宏观复合向微观复合发展,由双元复杂混合向多元混杂和超混杂方向发展,由结构材料为主向与功能复合材料并重的局面发展。纳米科技是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新技术,由于纳米材料有诸多优势,与纳米相关的技术也逐渐运用于过程装备中,纳米粉体的制备技术是粉体设备前沿技术。[6]目前中国首创的超重力反应沉淀法(简称超重力法)合成纳米粉体技术已经完成工业化试验。在以上材料的研发基础上更应该重视具有特殊功能的新型材料的研发，如新型气体膜分离器，采用的是新型的材料制成的一层薄膜，可以将氧气从空气中直接滤出，或者用于混合气体中某一气体的分离，从废气之中实现二氧化碳的回收，达到减少温室气体排放的目的，因而在海淡化领域中使用前景将十分的广阔，采用新型的反渗透膜并和多效闪蒸技术相结合，可以极大的降低海水淡化的成本，提高淡化的效率在污水处理行业，采用新型的生物膜材料可以实现对污水的过滤净化，经过处理的水可以达到再利用的标准。还有一种新型的高分子材料做成的复合膜，可以将乙烯从其混合气体中过滤出来，从而实现回收利用，回收率十分的理想，而且工艺流程相对传统工艺较简单，并且成本低廉，节能环保。[1]2计算机辅助技术在过程装备的应用计算机技术的发展与应用可以称之为“第三次世界工业革命”。它为现代化的加工与制造领域带来了新的技术革新。过程装备的制造与过程的控制需要计算机进行精密控制,设备自身在生产的过程中受到不同载荷的作用,为了确保生产的持续、稳定和妥全,设备零部件要能够满足不同情况的要求,结构设计好,使用寿命长。计算机辅助技术能够对过程装备中各零部件结构进行迅速、合理的分析、设计、动态仿真以及性能评定等,确保化工设备经济、实用、可靠。2.1CADCAD技术将设备产品的研发、设计、相关分析、制造以及技术管理有机结合于一体,大大提高了工作效率。随着CAD技术不断地向前发展,它将向规范化和标准化、智能化、三维化、可视化和网络化发展。作为一种应用软件,CAD早已被人们广泛的应用于化工设备的设计之中。[2]2.2CAE计算机辅助工程(CAE一ComputerAidedEngineering)是指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等,包括产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能和结构性能,它是一种近似数值分析方法。CAE系统的核心思想是结构的离散化,即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体,实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。近些年来，国内科学技术水平不断提高，计算机辅助工程也随之获得了较大的发展，而且受到了社会的广泛关注，尤其是利用计算机辅助工程技术促进我国科技水平的全面提升，已经成为了促进我国国家综合竞争力的主要因素。近些年来，NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、I—DEAS等有限元分析软件已经在我国得到了广泛的运用，而且已经具有一批专门从事相关研究工作的人员队伍，这促进了我国在计算机辅助工程领域研究工作的进展。当然，从整体的情况来看，我国在计算机辅助工程领域的发展却仅仅局限于某些地区，并未在全国范围内获得广泛开展，而且在相关的研究工作方面与发达国家也有着一定的距离。我国在化工机械领域中完全应用计算机辅助技术仍然存在着较大的把难度，这与相关技术人员的缺乏有着十分重要的关系，基于此，我国已经在各大高校和研究机构中加强了对计算机辅助工程技术的研究，并且对其在化工机械领域中的应用也开展了大量的研究工作，以期能够快速提高化工机械产品的设计水平，从而促进我国化工机械领域的全面发展。基于保护国内化工机械发展的角度出发，各国都存在着不同程度的技术壁垒，然而随着全球经济一体化趋势不断增强，化工机械市场的国际化也将进一步的增强，我国过程装备领域在面对机械的国际市场竞争时，必须要能够客观的分析自身所存在的弱势与不足，才能有针对性的采取有效的策略来加强我国过程装备的持续发展，以此来提升我国化工机械市场的综合竞争力。计算机辅助工程在我国化工机械中的运用，能够为化工机械的结构设计和优化提供更有力的技术支撑。[3]2.3CAM计算机辅助制造(CAM一ComputerAidedManufacturing)是指利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容,输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作,它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围,并根据一个总体的管理策略控制每项作业。一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络,它由两级或三级计算机组成,中央计算机控制全局,提供经过处理的信息,主计算机管理某一方面的工作,并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控。3.压力容器的最新进展3.1压力容器设计的最新技术进展现在的压力容器设计观念已摆脱传统的设计观念，体现满足真正工艺要求的设计理念，更加追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。3.1.1应力和应变的分析与评定对压力容器进行应力和应变进行分析和评定是其设计的新技术，其中的关键是能够运用相关的分析方法对压力容器的强度进行比较全面的校核。进行较为全面的强度校核有利于了解各部位实际应力以及应变的程度。相比于传统的设计方法，详细的应力分析不仅能够提高安全系数，使得产品的重量减轻，也能够节约材料，防止容器失效，但是需要大量的复杂计算，因此，一般只有对重要的容器进行设计时才使用这种方法。[8]3.1.2塑性失效设计塑性失效的设计准则是：可以允许局部薄膜的应力和弯曲应力的应力强度有较大的许用数值,也就是能够容忍局部的塑性变形，压力容器仍然不会失效。主要是因为在局部发生薄膜应力以及弯曲应力，即使最大应力达到了屈服的极限，也只能引起局部的屈服，但是对于整个压力容器来说，大部分区域仍然处于弹性状态而不会失效此时，如果采用弹性失效的方法来处理，则会使得很多的材料无法发挥应有的潜力。3.1.3.疲劳设计以往的压力容器设计中，很少有将疲劳作为一个重要因素进行单独考虑。压力容器的制造朝着大型化的趋势发展，高强度低合金钢也慢慢投入生产中，这些材料在制造过程中造成裂纹和未知缺陷的可能性很大，使得因为疲劳导致的破坏概率上升，相关统计表明在压力容器的所有破坏事故中，大约占40%的事故原因要归结为由于疲劳裂纹逐渐扩展而引起。因此，疲劳问题逐渐被人们所重视。3.1.4.概率设计概率设计方法发展于近代，以数理统计为基础，它在压力容器的设计中能够起到对容器进行全面评价的作用，包括安全程度的评估和经济合理性的判断。该方法可以计算出压力容器的失效可能性大小，另外，根据某一种特定产品的最低可靠性的概率要求，该方法还可以将可行性概率合理分配给各个零部件，以此来满足总体的设计要求，同时在经济性上也有很大优势。3.2压力容器用材料的新进展近年来压力容器在电子化工、机械化工、石油化工、核工业、煤化工中应用越来越广，因此对材料的要求也越来越高。对此，我国投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。目前压力容器用材的主要研究及新技术进展主要由以下几方面组成（1）材料的高纯净度:冶金工业整体技术和装备水平的提高，极大地提高了材料的纯净度，提高了压力容器用材料的力学性能指标，提高了压力容器的整体安全性。（2）材料的介质适用性：针对各种腐蚀性介质和操作工况，已研制出特种合金、双相钢、超级不锈钢等金属材料，使之能够为长期安全生产提供了保证。（3）材料的应用界限：针对低温脆断、回火脆化、高温蠕变所进行的研究，规定材料的气体含量、J系数、X系数，准确的给出材料的应用范围。深入研究材料的适用范围，如在确定材料低温界限的研究中，利用材料的冲击实验取得的数据和经验，与断裂力学的评价指标关联，最终得到相对合理的材料低温界限。[5]4过程设备的最新技术进展过程设备的发展将更密切地与化工工艺新技术的发展息息相关。最有代表性的是各类反应设备以及应用最广泛的换热设备、塔设备及工业炉等。4.1塔设备塔器是所有化工生产中最为量大面广的过程设备之一,现已开发成功一系列高性能塔盘,且技术水平已达国际先进行列。最具代表性的塔盘有高通量DJ塔盘、高效率高弹性的立体传质塔盘、微分浮阀塔盘、并流喷射式复合塔盘、Super-V型浮阀塔盘等。国内已形成了若干个高水平的塔器研发基地,具有雄厚的科技力量与研发条件,已发展了计算传质学及新的传质模型,形成了若干个颇具特色的将工艺要求与塔盘构型和性能相结合的全塔优化设计软件等,为石化生产的挖潜增效、节能提质等做出了重要贡献。现在开发千万吨级大型炼油厂用的直径达16米的特大型减压塔等已无困难。4.2工业炉以现代石油化工生产为例,目前许多关键装置的反应设备,如20万吨/年聚丙烯气液环管反应器、300万吨/年以上的大型炼油催化裂化气固流化床反应设备(500～700℃)、200万吨/年加氢气液固三相固定床反应器等的成套设计、制造与调控运行已完全可立足于国内，并且在世界上也跻身前列。13万吨/年丙烯腈气固流化床反应器(撤热型)成套设备已研制成功,正在向26万吨/年更大规模迈进。过去一直依赖进口的3万吨/年丙烯酸反应器(直径5.4米,1.8万根换热管)已研制成功。乙烯装置的核心设备———乙烯裂解炉已自主开发成功6万吨/年CBL炉型,目前正在和鲁姆斯公司合作开发10～20万吨/年的大型SL型炉。国内已可生产20万吨/年天然气转化炉成套设备,但30万吨/年以上更大型炉还没有。大型气流床煤气化炉成套设备(4.