重塑流程設備規(guī)劃設計與制造

文/Alexis Bazzanella，Roland Handl，Jenny Orantek，Wolfgang Welscher

加快項目進展速度，提高能源利用效率——Enpro項目的研發(fā)成果為德國流程工業(yè)領域帶來創(chuàng)新生態(tài)，其能縮短流程設備規(guī)劃設計和建造的時間，加快項目進展速度以及提高能源利用效率。Enpro項目的主要目的是重塑流程工業(yè)，致力于優(yōu)化模塊化流程設備的連續(xù)性生產過程，其中數(shù)字化技術也是一個重要的推動力。

Enpro項目起源于2009年由“流程工藝、設備和裝備技術”專家組在德國巴伐利亞州圖青（Tutzing）小鎮(zhèn)舉辦的一次名為“Die 50%-Idee”的學術研討會。當時的參會者都在尋找可以大幅度縮短流程設備規(guī)劃設計和制造的解決方案,并且希望將其理念落實到實際工程項目中去。參會者們建議開展一個“提高化學工業(yè)企業(yè)能源利用效率，加速流程設備規(guī)劃設計和制造”的研發(fā)項目，而這一項目的德文縮寫就是Enpro。

Enpro項目希望大家重新思考流程設備的研發(fā)、設計和生產制造過程，以便得到一個具有創(chuàng)新性的系統(tǒng)解決方案，并盡可能多地將整個價值鏈中的重要內容都納入其中。自2014年以來，由流程設備運營商、供應商以及大專院校合作開發(fā)的Enpro項目得到了德國政府經(jīng)濟和能源部的大力支持，并在德國德西瑪化學工程與生物技術協(xié)會Dechema的協(xié)調下在Jülich鎮(zhèn)開始了一系列的項目研發(fā)工作。Empro項目是德國聯(lián)邦政府第六次能源開發(fā)計劃中的“化學工藝流程”研究領域中的一部分。從那時起，Empro項目就成為一個有著許多子項目組成的、包含具體實施案例的典型。

工作重點

該項目的目標是通過合作伙伴開發(fā)的、尚未上市的新技術來提高化學品生產制造過程中的能源利用效率以及縮短新型流程設備的生產時間。2014年開始的第一版Enpro項目的工作重點就放在下列3大領域。

●批量生產：越來越多地使用數(shù)學模型和可擴展的小型流程設備模塊為流程工藝研發(fā)的部件、組件進行連續(xù)性生產（子項目名稱縮寫Koppona，Smekt）。

●模塊化：通過智能模塊最大程度地減少流程設備規(guī)劃設計、生產制造和調試的時間（子項目名稱縮寫：Modularisierung）。

●數(shù)據(jù)集成：通過使用集成化的信息同時開展或者交叉進行新產品的研發(fā)、流程設備的規(guī)劃設計、設備制造等項工作（子項目名稱縮寫：Datenintegration）。

上述項目進行過程中也開始了以“開發(fā)時間更短”和“能源利用率高的高效生產”為目標的研發(fā)子項目，包括智能化的小型模塊和流程設備的模塊化等研發(fā)工作。

階段性成果

由于第一版Enpro項目獲得了令人矚目的成功，因此從2017年開始除了Empro項目的創(chuàng)始人巴斯夫公司、拜耳公司和Evonik公司之外像Merck公司、Covestro公司和Wacker公司等其他企業(yè)也積極的參與到第二版Enpro項目中來了。第二版Enpro項目的所有參與者都與整個價值增值鏈中的用戶企業(yè)、供應商、高等院校（例如亞琛、多特蒙德和卡爾斯魯爾等大學）以及科研機構（例如Aixcape）保持著密切的合作。除了流程設備的規(guī)劃設計以外，第二版Enpro項目還考慮了包括設備運行以及流程設備整個壽命周期在內的問題。確定的工作重點如下：

●新的儀器設備和智能分析；

●智能模塊，生產流程和操作；

●系統(tǒng)結構；

●物流和數(shù)據(jù)集成。

第一版Enpro研發(fā)項目中，緊湊型模塊化設備成功完成的連續(xù)性的聚合物生產（子項目名稱：Koppona）以及冷卻結晶（子項目名稱：Smect）等成果都要擴展到智能化整體系統(tǒng)中去，與其他流程工藝技術（例如萃取技術）相互融合到一起。利用智能化的、網(wǎng)絡化的傳感器模塊，及時發(fā)現(xiàn)可以避免流程設備在臨界狀態(tài)下運行。在第二版Enpro研發(fā)項目中，現(xiàn)場層面中的儀器儀表傳熱過程、物流鏈過程和反應過程以及更高層次的生產過程和物流過程都被納入了整體性優(yōu)化改進的范疇之內。通過結合采用第一版Enpro項目中例如“模塊化”的成果，為熱分離技術設備的模塊化開發(fā)做出貢獻。

模塊化設備的配置

智能化模塊的聯(lián)網(wǎng)對于模塊化的成功與否是至關重要的，在第二版Enpro項目的“模塊化設備的配置”（子項目名稱縮寫Orca）中介紹了相關情況，也回答了第一版Enpro項目中一些懸而未決的問題；例如：

●如何配置各個模塊？

●包括審批過程在內的設備方案審核批準過程是什么樣的？

●作為設備系統(tǒng)的組成部分，怎樣將智能化模塊工作情況顯示在顯示器上？

●虛擬的、模塊化的設備調試方案應是什么樣的？

在子項目Orca中，對實驗室規(guī)模的連續(xù)性蒸餾塔采用的模塊化控制和調節(jié)技術系統(tǒng)進行了測試。這一控制調節(jié)系統(tǒng)為子項目“利用高效的智能化儀器儀表進行分離”（子項目名稱縮寫Teia）提供了數(shù)據(jù)，所獲得的經(jīng)驗和知識將用在模塊化的CO2吸收設備上比如生物沼氣生產設備，以便實現(xiàn)智能化的、靈活匹配調整的和可擴展的凈化工藝流程。在子項目Orca中開發(fā)出來的新技術將用于第二版的Enpro項目和Teia項目、Koppona 2.0項目和Moprog（模塊化生產物流）等子項目。從這些應用中獲得的經(jīng)驗和知識也將再次反饋到子項目Orca中去，以便進一步地優(yōu)化Orca子項目中的方案和方法。

實驗室規(guī)模的按訂單生產（P2O Lab）- 德累斯頓技術大學Orca子項目的框架內的模塊化設備配置方式

子項目Hector（使用技術運籌學的高效化工模塊）是專門針對流程泵的一個研發(fā)項目，因為流程泵系統(tǒng)所消耗的電力能源占整個化工行業(yè)電力需求的20%左右。

在重點項目“智能化模塊”中進行測試的功能模塊（例如蒸餾系統(tǒng)或者泵系統(tǒng)）采用了全新的傳感技術（例如固體噪聲傳感技術器、軟傳感器技術等），并使用了子項目Orca的配置編排方法。

Moprolog子項目則是致力于上下料裝置和產品物流，專門開發(fā)上下料裝備和產品物流的模塊化裝備。在這一項目的進展過程中，研發(fā)人員和供應商企業(yè)的人員一起開發(fā)適用于模塊化產品生產的規(guī)劃設計模塊和硬件模塊。

在第二版Enpro項目中，流程設備壽命周期中的模塊Modula子項目使用了第一版Enpro項目中“數(shù)據(jù)集成”的研究成果。這一子項目的目標是從流程工藝技術的開發(fā)到流程設備的規(guī)劃設計、從自動化到物流直至最后的設備調試都能更快、更好地做出正確的決策。最終反映的是化工企業(yè)流程設備整個壽命周期中使用的模塊化生產單元（PEAs）的詳細信息。

“Slampi”子項目表示的是“適用于不同規(guī)模的、高效利用資源的流程工藝規(guī)劃設計方法”。該子項目開發(fā)的是一種可以滿足流程工藝技術要求、在創(chuàng)新性設備模塊基礎之上選擇最佳的流程工藝技術和設備模塊的方法。利用 第 二 版Enpro項 目、Teia和Moprolog等子項目之間的成果、強化信息反饋，有助于流程工藝技術規(guī)劃設計方法的優(yōu)化，并能使其迅速達到能夠實際應用的成熟程度。

項目成果

●在Smekt子項目中很快開發(fā)出了從實驗室規(guī)模到原型樣機規(guī)模的可以連續(xù)性生產的結晶技術和固液分離工藝技術。與常規(guī)的批次生產方式下的結晶過程相比較（例如L-脯氨酸），新方法的能源需求總量下降了3%～5%。目前，參與項目合作的Evonik公司正在嘗試將自己原來的批次生產方式轉換為Smekt子項目開發(fā)的連續(xù)性生產方式。

●Enpro項目的成果被寫進了VDI的技術標準、VDI/VDE/Namur 2658的自動化技術標準以及VDI 2776流程工藝技術標準。而這些標準的進步、完善也促進了下一步開發(fā)適合于工業(yè)化生產應用的以及具有很強市場競爭力的自動化技術產品。

●在Koppona子項目中開發(fā)了一種節(jié)約能源和資源的流程工藝技術方案。這一方案可以加速聚合物專用產品的生產和開發(fā)，并通過使用可擴展的生產設備直接將實驗室規(guī)模擴展到工業(yè)化規(guī)模的聚合物產品生產。除了聚合物的生產之外，這一技術方案也包括了相應的后處理工序。另外，Wacker公 司、Covestro公 司 和巴斯夫公司等特種聚合物生產廠家也將這一子項目研發(fā)中獲得的聚合物生產技術推廣應用于不同的聚合機理和方法中了。成功將PEA模塊化流程設備單元通過自動化的模塊（MTP即插即用方案）應用到工業(yè)化的大型流程設備生產之中是將項目中獲得的知識和經(jīng)驗使之標準化帶來的成果。

●在Orca子項目中，工業(yè)企業(yè)合作伙伴在實驗室和技術中心里嘗試著試用和演示不同的配置編排系統(tǒng)，為將來的審核批準流程做好了準備，加快打通今后模塊化設備認證審核的渠道。

●在Hector子項目中開發(fā)的TOR操作技術方法可用于模塊化的流程設備規(guī)劃設計。初步的實驗結果表明新開發(fā)的TOR操作技術方法比傳統(tǒng)的流程設備規(guī)劃設計方法可以節(jié)約10%～20%的費用，同時也可明顯地減少模塊化泵系統(tǒng)的尺寸大小。

●子項目Moprolog的核心是模塊化生產過程與模塊化物流之間的互聯(lián)互通。使流程設備能夠在適應性極強的動態(tài)調控方式下運行，可以明顯地減少能源消耗和資源消耗。

●實施能源效率項目中的一個重要組成部分就是Skampi子項目中開發(fā)出來的能夠更快、更好做出決策的“跨規(guī)模的流程工藝開發(fā)方法”。將來，生產廠家可以借助于其開發(fā)的方法比以往更加輕松地開發(fā)出節(jié)約能源、節(jié)約資源的流程工藝解決方案。

●Enpro項目的Datenintegration數(shù)據(jù)集成和Modula模塊化兩個子項目是推動從流程設備的規(guī)劃設計到調試運行的關鍵子項目。Evonik公司現(xiàn)在利用Enpro項目開發(fā)出來的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構建立自己的資產壽命周期數(shù)據(jù)模型。

展望未來

化工技術的研究是一項長期的研發(fā)工作，研發(fā)成果的貫徹落實也促進了化工技術的進一步發(fā)展。需要注意的是連續(xù)性生產的流程設備和新開發(fā)的流程工藝技術往往不能通過對現(xiàn)有批次生產流程設備的技術改造來實現(xiàn)，而只能通過全新設計的流程設備來實現(xiàn)，這也就意味著要有很高的設備投資。為了使研發(fā)項目的成果能夠迅速的投入生產實際，參與項目的流程設備運營商和供應商之間的密切合作是非常重要的。

流程工藝技術基本操作的模塊化部件的進一步發(fā)展需要更多的反饋信息。將流程工藝技術、化工反應技術以及人工智能的方法結合到一起將能夠實現(xiàn)反應過程的自動優(yōu)化。在連續(xù)性生產過程中強化智能化流程設備的模型觀察、過程分析，傳感技術、數(shù)字化技術以及生產設備之間的聯(lián)網(wǎng)會使在線分析技術有著更加重要的意義。而且逐步落實項目成果仍然需要大量的開發(fā)工作，也需要加大與其他研發(fā)機構的合作力度。 ●