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高危酸性气体泄漏应急处置机器人

申报人:李建灏 申报日期:2024-11-05

基本情况

2025年度大学生创新创业训练计划
高危酸性气体泄漏应急处置机器人 学生选题
创新训练项目
工学
能源动力类
学生自主选题
一年半期
为突破当前高危酸性气体泄漏时,无法人机隔离和原位主动处置导致的处理危险系数高但空间内处理效率不高的问题,本项目将设计高危酸性气体泄漏应急处置机器人,包括雾化洗消+旋流分离模块、多自由度机械臂模块、底层移动平台模块三部分内容。以此实现对于高危酸性气体及时的原位主动处置,并满足人机隔离的应急处置需求,衔接事故突发到消防到场的应急处置黄金时间。

1、Robocon选拔赛:自学并熟练掌握Solidworks等制图软件,并自主完成了机械臂的设计。

2、智能小车比赛:经过培训掌握了arduino的使用,并能实现小车运动指令的开发。

  指导教师注重基础研究与工程应用的密切结合,以国家重大需求为导向,突出“理工融合、交叉互补、协同创新”的思路,利用化学工程、化工机械、材料科学学科交叉创新的优势,开拓了颗粒旋流强化复合污染物深度分离领域“新方法、新技术、新装备”三位一体的创新全链条,取得了富有特色的理论和应用基础创新成果。近五年主持国家级、省部级以及中石油、中石化企业委托技术开发项目10余项,先后入选上海市超级博士后人才激励计划(2019上海市青年科技英才扬帆计划(2020已发表SCI论文30余篇,近五年以第一/通讯发表SCI论文11篇,中文核心论文2篇,其中SCI二区及以上论文8篇,包括业界顶级期刊Chemical Society Reviews长篇综述1篇,化学工程领域TOP期刊Chemical Engineering Journal1篇)、Separation and Purification Technology2篇),环境工程领域TOP期刊Journal of Hazardous Materials2篇)。一篇入选第五届中国科协优秀科技论文(全国97篇,化学工程仅此一篇)。申请/授权中国发明专利16/14件,申请国际专利1件,其中专利技术转让2件(转让金额360万元)。研究成果成功应用于石油化工、精细化工、航道疏浚等重点行业污染物深度控制、大宗化工产品分离过程强化及废水资源化工程中,支撑了多领域相关产业的发展,创造了显著的经济和社会效益。

(1)近五年科研项目:

序号 项目类别 项目名称 执行时间 经费(万元)
1 国家重点研发计划 氯碱化工生产装备损伤检测与安全风险防控关键技术及示范应用(2022YFC3004504)   
2022-11至2025-10 100
2 国家自然科学基金-面上项目      
基于液滴动力学行为调控的细颗粒物跨界面协同分离过程及机理研究(22478122)   
2025-01至2028-12 50
3 国家自然科学基金-青年科学基金项目        颗粒旋流强化重金属废水深度靶向处理方法及调控机制(22108082)
2022-01至2023-12      
30



(2)近五年代表性论文:

序号 题目 作者排 序 发表期刊 年份 期刊分区
1 Facile construction of multifunctional bio-aerogel for efficient separation of surfactant-stabilized oil-in-water emulsions and co-existing organic pollutant
1 Journal of Hazardous Materials 2023    1区
2 High efficiency and selective separation of oily wastewater based on superamphiphilic biomass aerogel: Characteristics, mechanisms and application
1 Journal of Environmental Chemical Engineering
2023 1区
3 Numerical investigation of the effect of slurry viscosity on centrifugal classification of pseudo-boehmite in continuous-carbonation preparation process
1 Chemical Engineering Research and Design
2022 1区
4 Synergistic DFT-guided design and microfluidic synthesis of high-performance ion-imprinted biosorbents for selective heavy metal removal
1 Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2021 1区
5 Ultra-high efficient pH induced selective removal of cationic and anionic dyes from complex coexisted solution by novel amphoteric biocomposite microspheres
1 Separation and Purification Technology
2019 1区


(3)近五年专利成果:

序号 专利名称 发明人排序 专利号 授权日期
1 一种用于多结构复合微液滴规模化可控制备的微流控装置 1 ZL202110457152.4     2022-12-16
2 一种用于吸附VOCs的MOF负载气凝胶的制备方法 1 ZL202110812440.7 2022-03-25
3 一种用于油水混合液分离的改性聚四氟乙烯复合聚结填料 1 ZL201911278696.3 2021-10-15
4 聚丙烯纤维强化亲油改性方法 1 ZL201911278373.4 2022-03-15

指导老师对该项目完全支持,在高危酸性气体洗消原理、处置装备开发等方面有深入的研究经历,为课题提供研究内容和及技术方法。通过定期与学生交流讨论,帮助学生分析课题难点。及时掌握学生的项目进展情况,督促学生完成课题,保证学生按计划完成项目规定的各项内容,指导学生将相关成果转化为学术论文,并提供经费支持。

国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李建灏 机械与动力工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 整体结构联合与多模块集成
周振超 机械与动力工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 高自由度机械臂模块的运动控制
陈弘琳 机械与动力工程学院 过程装备与控制工程 2023 雾化洗消-旋流分离模块设计及开发
尉嘉富 机械与动力工程学院 智能制造工程 2023 底层移动平台模块设计

指导教师

序号 教师姓名 教师账号 所属学院 是否企业导师 教师类型
王炳捷 09151 机械与动力工程学院

立项依据

        本项目基于机械学、信息学、化学等学科知识,拟通过理论计算,数值模拟,可视化测试和实验验证的方法,开发高危酸性气体泄漏应急处置机器人,包含文丘里雾化洗消单元耦合主副腔旋流分离单元的处置模块、基于视觉定位的多自由度机械臂模块、远程遥控功能的底层移动平台模块。以期实现对于高危酸性气体及时的原位主动处置,并满足人机隔离的应急处置需求,衔接事故突发到消防到场的应急处置黄金时间。

1、高危酸性气体雾化洗消-旋流分离模块设计及开发。

结合数值模拟和可视化实验,设计开发文丘里雾化洗消单元耦合主副腔旋流分离单元的处置模块,探究操作参数,模块结构参数与酸性气体处置效率的关联关系,揭示酸性气体雾化洗消-旋流分离机理及调控方法。

2、基于视觉定位的多自由度机械臂设计及运动控制。

基于CFD数值模拟完成集气罩结构设计及优化。基于Solidworks进行多自由度机械臂结构设计、强度校核等。结合Arduino IDEpython等开发软件,完成耦合视觉定位控制系统开发及运动行为控制。

3具有远程遥控功能的底层移动平台模块设计及多模块集成。

基于机械原理、理论力学的专业知识基础,结合Solidworks软件的三维建模,设计具有远程遥控功能的移动平台模块和控制系统,完成强度和负载能力校核。并结合3d打印技术分析承重和平衡问题,通过合理布局,加固固定结构、使用防抖处理、优化供电方案等措施,提高多模块间的协同控制,完善空间集成。

在现代化工生产体系中,氯气等高危酸性气体扮演着重要角色。然而,由于气液相态转变体积膨胀,酸性腐蚀引发的管道设备破碎等原因,化工园区服役设备及管道均有潜在的泄漏隐患,易发展为泄漏事故。当酸性气体泄漏时,对人体危害最大的有两点:1、中毒反应:许多酸性气体具有毒性,能迅速对人体器官造成伤害。2、缺氧窒息:部分酸性气体还能消耗氧气或挤占氧气空间,导致局部环境氧气含量急剧下降,造成人员缺氧窒息。2023年我国共发生了115起化工事故,死亡人数159人。其中,仅中毒和窒息事故就发生了28起、死亡41人,分别占24.3%25.8%,均占所有化工事故中的最多。

在酸性气体泄漏的应急处置方面,文丘里雾化洗消单元耦合主副腔旋流分离单元的处置模块具有巨大优势,然而现阶段国内外对该应急处置模块的开发尚未完备。目前,国内外对于酸性气体泄漏处置主要有两种:(1)泄漏前的防范式被动处置:在酸性气体管道旁放置负压抽气管道,持续将高危气体通过预设管道转入远端碱洗塔,进行喷淋洗消异位处置。(2)泄漏后的主动式应急处置:出现泄漏时,穿有防护服且佩戴正压式消防空气呼吸器的工作人员将吸收软管拖至漏点处进行负压吸收,导流至处理塔后再进行两级吸收。泄漏后的主动式应急处置设备尺寸大、处理效率低,泄漏后的主动式应急处置需要操作人员介入、安全风险大。因此急需具有原位主动和人机隔离特征的处置装备,以实现高危酸性气体泄漏的高效深度应急处置。下文将以氯气为例详细介绍现今服役的两类处置设备。

针对高危酸性气体泄漏事故频发的情况下,异位处置的低效率性和高成本性、无法实现人机隔离的高危险性等难题,项目以雾化洗消和旋流分离技术为基础,通过设计开发文丘里单元和主副腔旋流器单元耦合模块,探究限域空间三维湍流场中高危酸性气体与洗消液滴碰撞捕集和反应消除过程,并结合机械臂模块和底层移动平台模块,重点突破异位处置和人机隔离难以实现的问题。因此,开发具有原位主动处置和人机隔离功能的高危酸性气体泄漏应急处置机器人是本项目的创新点。

技术路线图:

拟解决的问题:针对高危酸性气体泄漏事故频发的情况下,异位处置的低效率性和高成本性、无法实现人机隔离的高危险性等难题,项目以雾化洗消和旋流分离技术为基础,通过设计开发文丘里单元和主副腔旋流器单元耦合模块,探究限域空间三维湍流场中高危酸性气体与洗消液滴碰撞捕集和反应消除过程,并结合机械臂模块和底层移动平台模块,重点突破异位处置和人机隔离难以实现的问题。

预期成果:1、学术论文1~2篇;2、专利申请1~2件;3、高危酸性气体泄漏应急处置机器人样机14、参加第二十届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等相关科创竞赛。

20251-20253  查找相关文献,了解项目背景和研究目标,初步确定研究方案;

20254-20256  针对初步方案撰写开题报告,分析酸性气体主要成分,设计开发文丘里雾化洗消单元耦合主副腔旋流分离单元的处置模块。

20257-20259  基于CFD数值模拟完成集气罩结构设计及优化,并结合Arduino IDEpython等开发软件,完成耦合视觉定位控制系统开发及运动行为控制。

202510-202512  基于机械原理和电路控制原理,设计底层遥控小车并组装,调试编程实现遥控功能。

20261-20263  通过solidworks的三维建模提高多模块间的协同控制,完善空间集成。

20264-20266  整理资料,撰写研究论文、申请专利。完成项目总结报告,申请结题。

针对传统处置方法远端异位被动处置和人员操作介入方面的缺陷,指导教师以流体力场为主线,按酸性气体介质的成分进行划分,通过系统综述文丘里雾化洗消单元在酸性气体介质处置领域的发展,揭示了酸性气体介质的处置方法和处置原理,拓展了酸性气体泄漏应急处置的研究思路,填补了人机隔离及原位处置的空白,针对传统破解了远端异位被动处置处理效率低和人员操作介入安全风险大的难题,为应急处置装备的结构设计和调控方法提供了理论指导。在此基础上,以主副旋流器单元及其拓展处置装置为前驱体,基于目标泄漏气体的组分分析和物化特性研究,利用理论计算、CFD数值模拟、粒子图像(PIV/Micro-PIV)流场检测系统等技术,开发了一系列具有优异结构和功能特性的应急处置装置,实现了以氯气和硫化氢为代表的多种酸性气体的高效原位处置,并将其推广至火灾烟气、工地烟尘等成分复杂难以处理的固液气相混合污染物的高效处置和深度净化中。相关研究得到了多项国家级和省部级项目的资助,研究成果发表Chemical Society Reviews》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Separation & Purification Technology》等权威期刊上。

本项目基于机械学、信息学、化学等多学科交叉,以理论计算、数值模拟、可视化测试和实验验证为主要研究手段,重点解决当下高危酸性气体泄漏应急处置异位被动效率低下和人机非隔离安全风险大的问题。在这些方面项目指导教师已经研发了高危氯介质原位自适应应急处理装置,同时小组成员也参加过智能小车和RoboMaster比赛,已经积累了相关知识和经验,可为本项目的顺利开展提供指导和支持。此外,指导教师正在主持及参与的国家级项目以及企业委托的横向技术开发课题,可为本项目的顺利进行提供实际工业研究对象和科技成果转化平台。

依托承压系统与安全教育部重点实验室在内的多个国家级、省部级重点实验室,项目研究所需硬件条件,包括3D打印机、粒子图像(PIV/Micro-PIV)流场检测系统和数字仿真系统等设备都已具备,能够满足本项目底层遥控小车和上层处理装置的设计、组合连接和结构优化等多方面的需求。借助校内分析测试中心先进仪器和重点实验室测试平台,可为本项目研究过程若干基础问题的解决提供有力的支持与保障。此外,重点实验室还拥有大型计算服务平台,配置了ANSYS FluentCFX等计算模拟软件以及Arduino IDE等程序开发软件,能满足研究过程中所需的仿真模拟优化分析。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 6000.00 4000.00
1. 业务费 4000.00 0.00 4000.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 4000.00 0.00 4000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 6000.00 6000.00 0.00

项目附件

  • 高危酸性气体泄漏应急处置机器人-wbj.doc
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结束