國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

王馳岳(天津安固美科技發(fā)展有限公司，天津 300384)

1 國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

一般來說，化工過程裝備可以分為五類，分別是：熱力流體過程裝備，像是泵、壓縮機、冷凍機、離心機、攪拌釜等；機械過程裝備，像是輸送設(shè)備、粉碎設(shè)備、過篩設(shè)備等；傳熱過程裝備，像是蒸發(fā)器、換熱器、工業(yè)爐等；傳質(zhì)過程裝備，像是干燥器、結(jié)晶器、萃取塔、吸收塔、蒸餾塔等；化學(xué)反應(yīng)過程裝備，像是攪拌反應(yīng)釜、移動床、固定床、流化床反應(yīng)器等。其中熱力流體過程裝備與機械過程裝備可統(tǒng)稱為過程機器。傳熱過程裝備、傳質(zhì)過程裝備、化學(xué)反應(yīng)過程裝備可統(tǒng)稱為過程設(shè)備，下面將從這兩個方面來分析目前我國化工過程裝備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 過程機器發(fā)展現(xiàn)狀

目前大部分的化工過程機器我國都可以自主設(shè)計與制造，只有極少數(shù)由于技術(shù)尚且不夠成熟，無法完全掌握，還需要進口。以壓縮機為例，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)數(shù)十個系列，數(shù)百種類別的壓縮機產(chǎn)品，可以滿足百萬噸級的生產(chǎn)需要。在一些技術(shù)難度非常大的壓縮機產(chǎn)品方面，尤其是離心式與軸流式壓縮機，像是煉油催化裂化的主風(fēng)機、富氣壓縮機、煙氣輪機等，我國不僅是能夠自主設(shè)計與制造，其水平更是達到了國際先進，完全不輸給國外的同類產(chǎn)品。只是在比較極少數(shù)的壓縮機產(chǎn)品方面，像是萬噸級大型乙烯三機中的45770kW裂解氣壓縮機、排氣壓力達350MPa的超高壓聚乙烯用往復(fù)壓縮機等，我國落后于國際先進的水平。但是隨著技術(shù)的成熟，這些問題也會被逐一攻克。

我國化工過程機器發(fā)展表現(xiàn)出集成化、高效率、高精度、高安全、長壽命的特征。其中的典型代表就是大型高參數(shù)離心壓縮機。該新型壓縮機利用了三元流動理論，對葉輪以及片擴壓器靜止元件的設(shè)計進行優(yōu)化，大大的提高了機組的運行效率；通過螺旋槽上游泵送干氣密封方式、磁力懸浮軸承、無潤滑聯(lián)軸器等方法來降低機組的能耗，不僅保障安全而且延長了使用壽命?？偟膩碚f，我國化工過程機器目前發(fā)展良好，基本能夠滿足國內(nèi)化工工業(yè)發(fā)展的需要，當(dāng)然成長的空間還很大，尤其是一些特殊的產(chǎn)品。

1.2 過程設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

過程設(shè)備可以分為反應(yīng)設(shè)備、換熱設(shè)備、塔設(shè)備、工業(yè)爐四個方面。

目前我國對于大部分的反應(yīng)設(shè)備都已經(jīng)完全掌握。以石油化工生產(chǎn)為例，在一些關(guān)鍵裝置的反應(yīng)設(shè)備方面，像是幾百萬噸級的氫氣液固三相固定床反應(yīng)器、大型煉油催化裂化氣固流化床反應(yīng)設(shè)備；幾十萬噸級的聚丙烯氣液環(huán)管反應(yīng)器、丙烯腈氣固流化床反應(yīng)器、丙烯酸反應(yīng)器等，都已經(jīng)完全掌握設(shè)計制造技術(shù)。但是在一些設(shè)備上還是依賴進口，像是超大型氣流床煤氣化爐成套設(shè)備。這主要是因為反應(yīng)器的提高是一個非線性問題，需要經(jīng)過漫長的論證與研發(fā)，而且耗資巨大，無法一蹴而就，必須通過技術(shù)的逐步積累才可以達成。

塔設(shè)備在化工工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛。我國在塔設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)、制造能力也已經(jīng)達到了國際先進水平。其中的典型代表并流噴射式復(fù)合塔盤、微分浮閥塔盤、高效率高彈性的立體傳質(zhì)塔盤、高通量DJ塔盤等。這些塔設(shè)備代表了我國的最高水平，也是我國在國際市場保持競爭力的重要保障。這有賴于我國在相關(guān)研發(fā)上面的投入。

除了塔設(shè)備之外，換熱設(shè)備也是被廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)生產(chǎn)的過程設(shè)備?？偟膩碚f，大部分的換熱設(shè)備我國都能夠自主設(shè)計與制造，而且還有所創(chuàng)新，特別是在強化傳熱方面，開發(fā)出了許多高性能的傳熱管元件，諸如多孔表面管、橫紋管、螺旋槽管、非圓形管等，大大的提高了傳熱系數(shù)。但是在一些特殊高性能品種換熱設(shè)備上面，還是有賴于進口。像是在傳熱面積方面，國內(nèi)換熱設(shè)備與國際先進水平還是有些差距。

工業(yè)爐的生產(chǎn)制造方面，以石油化工業(yè)中常用的管式爐為例，除特殊的乙烯裂解爐和制氫轉(zhuǎn)化爐等復(fù)雜高性能品種外，其他的管式爐國內(nèi)都已經(jīng)能夠成熟的設(shè)計與制造，而且還做出了進一步的優(yōu)化，開發(fā)了全爐管內(nèi)外的流動、反應(yīng)與燃燒、傳熱的耦合數(shù)值模擬技術(shù)。但是少部分產(chǎn)品的制造生產(chǎn)仍然很薄弱，需要進一步提高。

2 國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)發(fā)展意義

國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)的發(fā)展具有兩方面的意義，一是能夠促進化工工業(yè)技術(shù)的進步；二是能夠解決目前化工工業(yè)的發(fā)展問題。下面將從這兩個方面來具體分析國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)發(fā)展對我國化工工業(yè)的正面作用。

2.1 發(fā)展化工過程裝備技術(shù)可以促進化工工業(yè)技術(shù)的進步

化工生產(chǎn)是一個十分復(fù)雜的過程，要讓原料最終變成化學(xué)產(chǎn)品是需要經(jīng)過許多個步驟的。每一個步驟都是一個過程。而每一個過程中的生產(chǎn)加工處理都離不開裝備?？梢哉f化工過程技術(shù)水平代表了化工工業(yè)技術(shù)的先進程度?；み^程技術(shù)水平越高，化工工業(yè)技術(shù)越先進。反之，化工過程技術(shù)水平越低，化工工業(yè)技術(shù)越落后。而化工過程裝備技術(shù)一定程度上反映了化工過程技術(shù)的水平。因此，可以說化工過程裝備技術(shù)在一定程度上反映出化工工業(yè)技術(shù)的先進程度。發(fā)展化工過程裝備技術(shù)是可以促進化工工業(yè)技術(shù)的進步的。

縱觀我國乃至是世界化工工業(yè)發(fā)展歷史，都可以看到化工過程裝備技術(shù)的發(fā)展為化工工業(yè)技術(shù)所帶來的革命性的進步。例如目前化工過程常用的裝備：超重力反應(yīng)器、微波反應(yīng)器、合器、萃取器等，都為化工工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了不可替代的作用。沒有這些化工過程裝備的出現(xiàn)，世界化工工業(yè)不會發(fā)展到今天的程度。這也是為什么世界各工業(yè)大國要大力發(fā)展化工過程裝備的重要原因。當(dāng)化學(xué)工業(yè)發(fā)展面臨問題與挑戰(zhàn)的時候，就會對化工過程裝備提出更高的要求，也意味著化工過程裝備技術(shù)發(fā)展機遇的到來?；み^程裝備技術(shù)的發(fā)展與進步一定程度上支撐了化工工業(yè)應(yīng)對新的問題與挑戰(zhàn)。

2.2 發(fā)展化工過程裝備技術(shù)可以解決化工工業(yè)的發(fā)展問題

我國化工工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷過幾個階段，分別是資源導(dǎo)向階段、產(chǎn)品導(dǎo)向階段、計算機信息化導(dǎo)向三個階段，目前正邁入第四個階段：生態(tài)環(huán)境導(dǎo)向。這也意味著對我國化工工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。在生態(tài)環(huán)境導(dǎo)向階段，我國化工工業(yè)發(fā)展面臨到了幾個問題：產(chǎn)能過剩、節(jié)能減排安全環(huán)保的壓力大、對外依賴度高、創(chuàng)新不足。這四大問題一定程度上限制了我國化工工業(yè)的發(fā)展。而想要擺脫這四大問題，讓我國化工工業(yè)順利度過生態(tài)環(huán)境導(dǎo)向階段，就必須依靠化工過程裝備技術(shù)的發(fā)展?？偟膩碚f就是發(fā)展化工過程裝備技術(shù)可以解決我國化工工業(yè)目前的發(fā)展問題。

在生態(tài)環(huán)境導(dǎo)向階段，化工過程裝備勢必朝著更經(jīng)濟、更環(huán)保、更節(jié)能、更安全、更緊湊的方向發(fā)展。裝備在體積上面要大幅減小，一是能夠節(jié)省占地面積與安裝空間；二是便于實現(xiàn)集成化控制，更加快捷方便；三是能夠減少運行過程中的能量損耗，節(jié)約資源；四是減少裝備制造所需要的的鋼材料，不僅可以節(jié)約成本還可以間接降低碳排放。未來，隨著化工過程裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，必然會讓化工工業(yè)煥發(fā)新貌，改變化工工業(yè)所給人留下的有氣味、揚粉塵、排廢水、高污染、高能耗的印象，真正實現(xiàn)化工工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)發(fā)展展望

國內(nèi)化工過程裝備技術(shù)的發(fā)展方向主要集中在三個方面：計算機信息技術(shù)、新材料、過程強化。充分的運用這三點技術(shù)能夠提高我國化工過程裝備技術(shù)的水平。

3.1 計算機信息技術(shù)的應(yīng)用

計算機信息技術(shù)在化工過程裝備技術(shù)發(fā)展方面的應(yīng)用十分廣闊，可以應(yīng)用在過程機器的故障診斷與安全評定方面；可以通過對大量數(shù)據(jù)的模擬運算來優(yōu)化過程裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計；通過動態(tài)三維模擬來確定過程設(shè)備的最佳運轉(zhuǎn)數(shù)值并預(yù)估設(shè)備的使用壽命；將計算機人工智能與實時掃描成像技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)對裝備的動態(tài)控制與管理；通過數(shù)字化技術(shù)來實現(xiàn)多裝備的集成與調(diào)控的優(yōu)化。總的來說，計算機信息技術(shù)能夠應(yīng)用的地方很多，目前已經(jīng)開始在許多環(huán)節(jié)開展運用并取得一定的效果。

3.2 新材料的應(yīng)用

傳熱過程裝備、傳質(zhì)過程裝備、化學(xué)反應(yīng)過程裝備等過程裝備對于韌性以及耐腐蝕性具有很高的要求。如果韌性與耐腐蝕性不夠的話則會嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用壽命。而發(fā)展新材料能夠很好的解決這一問題，提高設(shè)備制作材料的韌性與耐腐蝕性。

除此以外，由于環(huán)保生態(tài)的高標(biāo)準(zhǔn)，要求能夠回收排放煙氣中的二氧化碳，從混合氣體中提取純氫。而先進的膜材料所制作的氣體膜分離器能夠滿足這一需要。除此以外，先進的膜材料還可以凈化污水，淡化海水，混合氣體中分離回收乙烯，用途非常廣，作用非常大。

3.3 過程強化控制

化工過程裝備內(nèi)部都是流體流動、傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程或它們的耦合，因此過程強化始終是過程裝備技術(shù)重點發(fā)展的一個主導(dǎo)方向。過程強化可以是提高工作效率，可以是節(jié)約能源降低能耗，可以是強化負(fù)荷。過程復(fù)合是過程強化控制的手段之一，具體是通過一個新設(shè)備來完成傳統(tǒng)的幾個單位設(shè)備的功能，大大的節(jié)約了能源消耗，提高了工作效率。外場效應(yīng)強化也是過程強化控制的方法之一，其中一個典型做法是利用旋轉(zhuǎn)式填料器，依靠超重力強化傳質(zhì)反應(yīng)過程來取得超細粉體。微型化技術(shù)也是目前過程強化控制發(fā)展的趨勢之一，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，進而能夠大幅的提高傳熱系數(shù)。