綜述國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)法發(fā)展與展望

邵珠群

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266061）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油化工產(chǎn)業(yè)也隨之興旺起來?，F(xiàn)代的化工行業(yè)中，化工過程裝備是整個(gè)生產(chǎn)鏈條中必不可少的一環(huán)。與工藝、自控并稱現(xiàn)代化工生產(chǎn)的三大核心技術(shù)，可以說化工過程裝備是一個(gè)國家化工行業(yè)是否發(fā)達(dá)的重要決定因素和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?；み^程裝備主要有以下幾種類型：以熱力學(xué)定理與流體力學(xué)的相關(guān)理論為依據(jù)的熱力流體過程裝備。以加工固體或者粉末為主要設(shè)計(jì)目的的相關(guān)過程設(shè)備，如：粉碎設(shè)備、傳授設(shè)備等。以燃燒以及熱傳遞為主要功能的傳熱過程裝備。熱力流體和機(jī)械過程裝備通常可以稱為過程機(jī)器，是通用機(jī)械的一種。此外，傳熱以及化學(xué)過程裝備在研發(fā)的過程中需要參考不同的設(shè)計(jì)工藝，可以稱為壓力容器。近年來，隨著我國石油化工行業(yè)的飛速發(fā)展，化工過程裝備的相關(guān)技術(shù)也隨之獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但是我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，與國外的先進(jìn)水平相比，國內(nèi)的化工過程設(shè)備還有很大的一段路要走，需要我們加緊這方面的研究工作。

1 過程機(jī)器方面

當(dāng)前國內(nèi)的壓縮機(jī)研究發(fā)展取得了豐碩的成果，初步形成了功能不同的幾十個(gè)系列以及上百種的相關(guān)產(chǎn)品。在百萬噸級(jí)的加氫裝置以及萬噸級(jí)的化肥生產(chǎn)中進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。此外，我國已經(jīng)在比較高端技術(shù)的離心式和軸流式壓縮機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)也取得了相當(dāng)高的成就，有能力自行研制和制造化肥四大壓縮機(jī)組、乙烯三大壓縮機(jī)組等設(shè)備，并且產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)接近估計(jì)領(lǐng)先水平，甚至有部分產(chǎn)品已經(jīng)超過國外同類產(chǎn)品。當(dāng)前國內(nèi)化工過程機(jī)器主要問題在于部分技術(shù)含量高、參數(shù)精密的尖端機(jī)器無法自行研制和生產(chǎn)。

2 壓力容器方面

在壓力容器發(fā)明，比較有代表性的是高壓以及超高壓容器技術(shù)。隨著各種類型的高強(qiáng)抗氫鋼的研發(fā)與制造技術(shù)的興起，給壓力容器的發(fā)展帶來了革命性的進(jìn)展，大型熱壁技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的冷壁技術(shù)。當(dāng)前全球范圍內(nèi)的高壓加氫反應(yīng)器中，最大的有大約六米的內(nèi)徑，而厚度也達(dá)到了0.48米，自重高達(dá)1438噸。該高壓加氫反應(yīng)器是目前的世界之最，采用長(zhǎng)度為5m，重200T的3Cr-1Mo-1/4V鋼鍛焊而成。國內(nèi)在這方面的研發(fā)也已經(jīng)逐漸接近世界先進(jìn)水平，可以自主設(shè)計(jì)、制造的大型加氫反應(yīng)器，5米內(nèi)徑，厚度為0.3米，自重1200T，可以廣泛用于大型煉油裝置的使用。國內(nèi)的煤液化加氫反應(yīng)器的研制進(jìn)度正在加快，內(nèi)徑可達(dá)550厘米，厚度為34厘米，自重2040噸，研制成功之后將會(huì)是世界上現(xiàn)有的加氫反應(yīng)器中，重量最大的。國內(nèi)當(dāng)前可以自主研發(fā)年產(chǎn)量達(dá)三萬噸的超高壓反應(yīng)器和冷卻器，但是采用的工藝仍是相對(duì)比較落后的深孔鉆法，存在著效率不高、材料消耗大的缺點(diǎn)，而國外技術(shù)比較先進(jìn)采用冷旋軋制高壓管材，材料消耗少且更加高效。

3 用高新技術(shù)提升過程裝備技術(shù)的展望在化工過程裝備的研發(fā)中，引進(jìn)新的高、精、尖技術(shù)已經(jīng)成為不可阻擋的發(fā)展潮流，是大勢(shì)所趨，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及以其為核心的信息技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于分析壓力容器失效以及對(duì)其安全進(jìn)行評(píng)定、診斷排除化工過程機(jī)器的故障。除此之外，以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)還在計(jì)算與模擬過程設(shè)備中復(fù)雜的反應(yīng)過程中被廣泛的使用，從而滿足過程設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的需要。此外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通過對(duì)過程裝備的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等環(huán)境進(jìn)行即時(shí)演算，能夠生動(dòng)的進(jìn)行模擬，為過程裝備的設(shè)計(jì)與制造提供直接的依據(jù)。將計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)輔之以人工智能技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)過程設(shè)備內(nèi)部的多相流時(shí)空變化過程的實(shí)時(shí)反映，可以對(duì)過程設(shè)備中存在問題以及缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，為延長(zhǎng)其使用壽命做出幫助。在過程設(shè)備中整合具有不同功能與作用的其他設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)原有設(shè)備功能的擴(kuò)展，形成一個(gè)高度集成化、功能多樣化以及智能化的綜合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)過程裝備的效率最大化。

3.2 新材料的應(yīng)用

在壓力容器的材料選用方面，應(yīng)該盡量選擇耐腐蝕、高強(qiáng)度以及高韌性的新型材料，除此之外，更應(yīng)該重視具有特殊功能的新型材料的研發(fā)。例如，氣體膜分離器，采用的是新型的材料制成的一層薄膜，可以將氧氣從空氣中直接濾出，或者用于混合氣體中某一氣體的分離，從廢氣之中實(shí)現(xiàn)二氧化碳的回收，達(dá)到減少溫室氣體排放的目標(biāo)，因而使用前景十分的廣闊。在海水淡化領(lǐng)域中，采用新型的反滲透膜并和多效閃蒸技術(shù)相結(jié)合，可以極大的降低海水淡化的成本，提高淡化的效率。在污水處理行業(yè)，采用新型的生物膜材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的過濾凈化，經(jīng)過處理的污水可以達(dá)到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。還有一種新型的高分子材料做成的復(fù)合膜，可以將乙烯從混合氣體中過濾出來，從而實(shí)現(xiàn)回收利用，回收率十分的理想，并且工藝流程簡(jiǎn)單，成本低廉，節(jié)能環(huán)保。

3.3 過程強(qiáng)化

化工過程裝備內(nèi)部都是流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程或它們的耦合,因此過程強(qiáng)化始終是過程裝備技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。過程強(qiáng)化的含義是多樣化的,有提高效率,有強(qiáng)化負(fù)荷,有節(jié)能降耗等等。其方法也是多種的,主要包括:過程復(fù)合,即在一個(gè)新設(shè)備內(nèi)同時(shí)完成幾個(gè)傳統(tǒng)單元設(shè)備的功能。已開發(fā)成功的有反應(yīng)與蒸餾的復(fù)合,采用帶有催化劑包的新型塔盤等。又如膜反應(yīng)器,可使反應(yīng)與產(chǎn)物分離同時(shí)進(jìn)行,打破了原來反應(yīng)器內(nèi)熱力學(xué)平衡的限制等。外場(chǎng)效應(yīng)的強(qiáng)化。如采用旋轉(zhuǎn)式填料器,依靠超重力強(qiáng)化傳質(zhì)反應(yīng)過程,可獲得超細(xì)粉體等。如采用外加電場(chǎng),可使噴霧的霧滴最小粒徑達(dá)到4~5微米,甚至納米級(jí)。如磁場(chǎng)與超聲波組合,可高效脫除水中的BOD、COD 等。微型化技術(shù)。采用微蝕刻技術(shù),可制造出通道特征尺寸小于幾百微米的微型模塊,單通道液體流量為1微升~10毫升/分鐘,它的面積體積比高達(dá)1~10萬平方米/立方米,采用幾十萬個(gè)并行通道組成一臺(tái)微換熱器,在1立方米/小時(shí)體積流量下,可達(dá)200kW 高功率,相當(dāng)于水的傳熱系數(shù)為傳統(tǒng)換熱器的6~12倍,氣相傳熱系數(shù)為傳統(tǒng)的20倍。一臺(tái)溴化鋰微型制冷器的制冷強(qiáng)度高達(dá)10~15kW/(m2.K),其體積只有傳統(tǒng)制冷器的1/60。一個(gè)汽車用壓縮蒸汽微型重整反應(yīng)器,體積只有4升,但可使異辛烷轉(zhuǎn)化率達(dá)90%,供50千瓦燃料電池用。

4 結(jié)語

化工過程裝備的范圍很廣泛，它的進(jìn)步與發(fā)展對(duì)于整個(gè)化工行業(yè)來說是必不可少的條件。過程裝備的更新?lián)Q代可以催生出新的化學(xué)工藝，為其誕生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于長(zhǎng)時(shí)間高效穩(wěn)定運(yùn)行，保持化工生產(chǎn)過程的連續(xù)不中斷，此外，新的化工過程裝備往往都能在很大程度上節(jié)能減排，有力于環(huán)境保護(hù)，因此，過程裝備的發(fā)展創(chuàng)新對(duì)于整個(gè)化工行業(yè)來說是必不可少的。過程裝備是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的物質(zhì)載體,又往往滯后于工藝的發(fā)展,有時(shí)還成為生產(chǎn)發(fā)展中的瓶頸,所以必須給予應(yīng)有的重視。必須遵循化工過程裝備發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律,重視有關(guān)化學(xué)工程與裝備的基礎(chǔ)性研究,重視用高新技術(shù)來改造傳統(tǒng)單元過程的開拓性工作,才能實(shí)現(xiàn)過程裝備的跨越式發(fā)展,實(shí)現(xiàn)核心或共性技術(shù)的自主創(chuàng)新。

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