1、过程装备技术的发展摘要:用一种全球思维、一种国际眼光看待国外过程装备设计的发展。本文着着重介绍过程装备的发展前景,过程设备设计的基本过程及原则,阐述国际装备产业的发展趋势。关键词:过程装备技术、过程设备设计、发展趋势目前,过程设备正朝着多功能、大型化、高参数、智能化的方向发展。新的装备是新工艺的摇篮,而装备技术的发展必须适应工艺和工程的发展趋势。1 过程装备技术的发展1.1 过程装备的发展1.1.1 塔器技术的发展在石油化工、精细化工、食品、医药等许多行业,塔器均属于量大面广的重要单元设备。无论在投资或能耗方面,塔器都处于举足轻重的地位,如何使塔器节能、高效、优质,一直是国内外学者普遍关注的重
2、要课题(1)近年来,塔器技术有了很大的提高,新型塔板试验引进工作开展的十分活跃。国外开发了许多不同类型的塔板如新型气相分流塔板、带旋转接触元件的旋流塔板、新型高速旋转塔等。其中新型垂直筛板塔(NewVST)乃是世界上第三代(最新一代)板式塔设计技术之一,具有传质效率高、处理能力大、阻力小、操作弹性好等优异性能。(2)在填料塔的使用过程中,为降低填料层的阻力和持液量,以达到节能的效果,规整填料就应运而生。目前,可根据需要制成金属波纹填料、金属丝网填料、塑料及陶瓷波纹填料等。而国外研制开发的新型规整填料主要有:瑞士的 AX、RX、GY 等系列;美国的 Gempak、Flexipac、Intalox
3、2T、Intalox3T 等;德国的 A3、B1、Bs 、C1 等。(3)随着大批化工模拟软件的商品化和不断改进,CAD 和 CAI 在化工塔器中的应用越来越普遍。许多生产化工塔器的公司都改变了过去单纯出售填料、塔板等硬件的状态,发展成为研究、设计和生产相结合的新型工程公司,力图通过实验研究和计算机模拟的结合来实现高效化工塔器的可靠放大。目前发达国家的压力容器的生产已经是专业化生产。(4)近年来,国内外压力容器设计技术有了很快的发展,出现了一些新的设计规范和设计方法1.1.2 换热器技术的发展为了节能降耗,提高工业生产经济效益,要求开发适用于不同工业生产过程要求的高效能换热设备。最近,随着工艺
4、装置的大型化和高效率化,换热器也趋于大型化,并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展,同时对其要求成本适宜、高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以 CFD(computational Fluid Dyamics) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。(1)在强化传热技术方面,最近兴起了一种 EHD 技术,即电场强化冷凝传热技术,进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热,适用于强化冷凝传热和低传热性介质的冷凝。近年来,国外研究开发了新的强化传热元件如异型管(包括蛋形管、豆状管和菱形管等) ,与光圆管相比具有显著的强化传热效果。同时通过在传热面附近放置增进器、管内插人物(如
5、扭带、螺纹片、螺旋线圈和静态混合器等)来增强湍流,达到传热的目的。如英国开发了一种称之为HitranMatrixEIementss 的花环式物,是一种金属丝网翅片管子的播人件,能增强湍流,改善传热性能,该产品获得了专利权。(2)在壳程设计方面,为了强化传热,克服单方形挡板的缺点,曾先后开发了双挡板、三挡板、折流杆、窗口不排管和波网等新壳程结构。随后,又设计了外导流筒结构和整圆槽孔流栅板。最近,ABBLummus 公司又新推出了 HeliealBafles 折流板结构。实践证明,这些改进都大大降低了流体在壳程中的阻力。目前壳程设计也在向各种强化结构组合的方向发展。(3)新型换热器的发展。近年来,
6、各国除对管壳式换热器的设计方法作改进外,主要对该类换热器的传热管件及结构作改动,如采用螺旋槽管、内插件、内波纹螺旋管、管内在线清洗技术、横纹管等来强化管程传热;采用异型折流板换热器、横纹管折流杆换热器、缩放管整圆槽孔折流栅板换热器、螺旋扁管换热器、空心环管壳式换热器等来强化壳程传热。而国外推出的新型换热器有:螺旋折流板换热器、SRCTM 空冷式冷凝器、Paciknox 换热器、NTIW 列管式换热器、丝状花内插物换热器、变形翅片换热器及各种紧凑式换热器、提箱式全焊板式换热器等。更值得一提的是法国 Le Carne 公司还推出了一种新奇换热器,它是一种防腐的担制换热器,光滑如玻璃,供制药工业用。
7、目前,在换热器设计中,通常采用CFD 应用软件、专家系统及数据库技术来达到整体装置设计、换热器优化选型的目的。1.2 全球装备产业发展趋势(1)装备产业集中分布于三大地区,以发达国家优势最为突出。世界装备产业的发展格局已经基本形成,主要分布在北美、欧洲和东亚三个地区。由于装备产业在整个工业发展中居于核心位置,欧美发达国家始终将装备产业作为发展的重点,装备产业占制造业的比重都在 40%以上。近年来,亚洲逐渐崛起为全球最大的装备产业加工区,这既有日本、韩国等装备制造大国的影响,更有中国、印度等国家作为新兴力量在装备制造领域的贡献。处于工业化初期阶段的其他国家或是技术积淀不足,或是工业基础薄弱,在全
8、球产业格局中处于边缘位置。(2)装备产业不断向发展中国家转移,再工业化可能引致回归 国际经验表明,全球范围内的产业转移一般经历欧美发展时期、向日韩转移时期、向中国等发展中国家转移时期几个阶段。目前,国际产业转移已经进入日用消费品和电子消费品之后的第三个阶段,即以装备产业为主的阶段。从 2002年开始,装备产业向中国转移的速度不断加快,国际资本对我国装备产业投资不断攀高。截止 2011 年,我国装备产业外商及港澳台投资企业总产值 116311亿元,占规模以上工业企业的 42.05%,在行业发展中起着举足轻重的作用。但是装备产业大规模向外转移,导致欧美国家产业空心化的问题越来越突出。全球金融危机爆
9、发之后,发达经济体重新认识到机械等制造业在国民经济中的重要作用,相继提出并实施再工业化战略。(3) 装备产业全球分工趋势明显,高端产品被发达国家掌控 由于装备制造业具有环节较多、分工细密的特点,其生产、销售、服务和研发呈现出全球分工日益加深的趋势。虽然全球分工趋势不断蔓延和加深,但是高端装备产品及零部件的生产仍为发达国家所掌控。例如美国装备制造企业在电气设备、工程机械、自动控制系统等领域居于世界领先地位,从而奠定了其在汽车、航空、建筑和医疗设备等行业的竞争优势,在其出口产品结构中,工业发动机、测量、检测和控制设备、材料处理设备、钻井及油田设备等占有很大比重。在有数据统计的 32 个细分装备领域
10、中,德国生产商在 16 个领域居于世界第一,在其出口产品结构中,驱动技术机械和设备、传输技术设备、印刷机械及造纸技术设备、机床、民用航空技术设备等占比较高。2 过程设备设计的基本过程及原则2.1 过程设备设计的基本过程过程设备设计的基本过程为:需求分析,目标界定总体结构设计零部件结构设计参数设计制造使用维护与修理结构框图如下:2.2 过程设备设计的原则为确保过程设备安全运行,保障人民的生命财产的安全,必须十分重视过程设备设备的设计原则。过程设备设计的基本要求,集中体现在安全性和经济性上。安全是前提,经济是目标,在确保安全的前提下尽可能做到经济。安全性主要是指结构完整性和密封性。结构完整性主要是
11、指设备在满足功能要求的基础上,满足强度、刚度、稳定性、耐久性等要求;密封性是指设备的泄漏率应该控制在允许的范围内。经济性包括高的效率、原材料的节省、经济的制造方法、低的操作和维修费用等。对于石油、化工等过程工业来说,企业停工一天所造成的损失就可能远大于单台设备的成本。因此,提高设备在全寿命周期内的可靠性,减少设备的停产损失,本身就是最大的经济。下面来详细论述过程设备设计的几条原则:(1)安全可靠:材料强度高,韧性好;材料与介质相容;材料有足够的刚度和抗失稳能力;密封性能好;化学成分 在选材时,我们尤其要重视材料的化学成分。例如,钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高碳含量可能使强度增加
12、,但可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹。因此,压力容器用钢的碳含量一般不大于 0。25% 。力学性能 材料力学性能是指材料在不同环境下(温度、介质等) ,承受各种外加载荷时所表现出的力学性能。刚才的力学性能主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据,是机械设计时选材和强度计算的主要依据。相容性 相容性一般是指材料与其相接触的介质或其他材料间不会因化学和/或物理影响而产生有害的相互作用。(2)满足过程要求:功能要求;寿命要求;例如,压力容器设备有一定的使用寿命。对其进行寿命评估有利于我们对设备故障进行检测预防,并采取措施。(3)综合经济性:生产效率高,消耗低;结构合理,制造方便;便于运输和安装。影响材料价格的因素主要有:冶炼要求(如化学成分、检验项目和要求等) 、尺寸要求(厚度及其偏差、长度等)和可获得性等;(4)易于操作,维护和控制;(5)优良的环境性能 通常我们都需要考虑材料对介质、温度、辐射等的适应性。