化學(xué)工程與工藝對化學(xué)工業(yè)節(jié)能的促進作用分析

曲敬芳(山東華魯恒升集團有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

在綠色環(huán)保理念的指導(dǎo)下，要求化學(xué)工程與工藝在發(fā)展時能夠盡可能地降低對環(huán)境所造成的污染，同時在化學(xué)反應(yīng)生成的過程中，應(yīng)盡可能地降低有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生[1]。而在化學(xué)工業(yè)發(fā)展時，應(yīng)對設(shè)施設(shè)備性能進行改進和提升，降低對能源的消耗，進而使化工領(lǐng)域在為我們提供服務(wù)的過程中以盡可能小的副作用促進生產(chǎn)價值的提升，進而促進化學(xué)工業(yè)的進步，促進人類與自然和諧發(fā)展。

1 化學(xué)工程與工藝發(fā)展現(xiàn)狀研究

化學(xué)工程與工藝滲透到了我們?nèi)粘Ｉ?、工作的方方面面，基于該領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們的生活質(zhì)量和水平得到了顯著提高。然而，在化學(xué)工程與工藝廣泛應(yīng)用的過程中，其對我們的生存環(huán)境所帶來的影響較大?；瘜W(xué)工業(yè)作為化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域應(yīng)用的具體體現(xiàn)，在其廣泛發(fā)展的過程中，使得化工垃圾、大氣污染、水污染、土地污染等領(lǐng)域都遭受了重要損失。而造成這一現(xiàn)象的主要原因是，在化學(xué)工程與工藝應(yīng)用初期，其對人們生存環(huán)境所帶來的影響沒有引起人們的充分重視，同時對化學(xué)工程與工藝應(yīng)用過程中的基本特性也沒有準(zhǔn)確深入地研究，相應(yīng)的技術(shù)和研究還不夠成熟。在采用化學(xué)工程與工藝為人類服務(wù)的過程中，沒有做好嚴(yán)格有效的把控，沒有科學(xué)系統(tǒng)化的管理措施，使得化學(xué)工程與工藝在發(fā)展過程中既導(dǎo)致了大量的資源浪費與枯竭，同時化學(xué)工業(yè)副產(chǎn)物也對生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞[2]。例如，很多化工企業(yè)在生產(chǎn)的過程中對于部分化工垃圾沒有采用科學(xué)有效的處理措施，導(dǎo)致化工垃圾直接排放，造成的土地污染和水污染。同時，在進行化學(xué)工業(yè)的過程中，對相關(guān)的工藝要求標(biāo)準(zhǔn)較高，若相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)措施和設(shè)施設(shè)備不夠完善，會導(dǎo)致在化學(xué)工業(yè)的過程中產(chǎn)生大量廢氣污染到大氣環(huán)境。

因此，結(jié)合化學(xué)工程與工藝在歷史發(fā)展時期的現(xiàn)狀進行總結(jié)，一方面對化學(xué)工程與工藝的研究與科學(xué)技術(shù)應(yīng)用不足，粗放型的發(fā)展使得化學(xué)工程與工藝發(fā)展時的資源投入較大，在大量資源被應(yīng)用的過程中也造成了資源的浪費。在資源控制方面的不足使得化學(xué)工程與工藝未來的發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)。另一方面對化學(xué)工程與工藝發(fā)展時的相關(guān)工藝技術(shù)未進行有效改進與提升，在環(huán)境污染方面未做到有效保護，其帶來的環(huán)境傷害性是現(xiàn)階段面臨的重要問題?；谶@一現(xiàn)狀，對于化學(xué)工程與工藝在未來發(fā)展的過程中，一方面要實現(xiàn)化學(xué)工程與工藝的自動化發(fā)展，基于自動化技術(shù)的應(yīng)用從人力、物力、財力等方面資源進行節(jié)約，同時也基于自動化設(shè)施設(shè)備的應(yīng)用使各項化學(xué)工業(yè)工藝更加精準(zhǔn)嚴(yán)謹(jǐn)，使每一份化學(xué)材料在投入之后都能夠得到科學(xué)有效的應(yīng)用，通過精細化的管理、縝密的計算、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に?，使化學(xué)工程與工藝產(chǎn)生更高的價值，更好地為人類服務(wù)[3]。另一方面基于環(huán)境保護的現(xiàn)實需求在化學(xué)工程與工藝發(fā)展的過程中要向綠色化學(xué)發(fā)展。通過綠色化學(xué)技術(shù)使化學(xué)工程與工藝應(yīng)用過程中的廢棄物排放達到環(huán)境保護的標(biāo)準(zhǔn)，在化學(xué)工業(yè)的工藝流程方面不斷提升，進而使化學(xué)工程與工藝生產(chǎn)水平與質(zhì)量得到顯著提升，同時又不會造成資源的浪費，不會對環(huán)境造成污染，使化學(xué)工業(yè)綠色化，滿足人類的發(fā)展需求。深入研究化學(xué)工程與工藝自動化發(fā)展與綠色發(fā)展這兩個方向，彼此之間是相互促進、互相協(xié)同的兩個方面。在實現(xiàn)化學(xué)工藝自動化發(fā)展的過程中，能為化學(xué)工業(yè)的綠色發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)，而綠色發(fā)展的目標(biāo)又倒逼化學(xué)工業(yè)自動化水平不斷提升。因此，兩者相輔相成，共同促進，進而為后期的化學(xué)工程與工藝發(fā)展提供指導(dǎo)方向，為化學(xué)工業(yè)節(jié)能奠定良好的基礎(chǔ)[4]。

2 化學(xué)工程與工藝在化學(xué)工業(yè)節(jié)能方面的應(yīng)用

2.1 基于自動化發(fā)展的化學(xué)工程與工藝應(yīng)用

基于自動化的應(yīng)用將使化學(xué)專業(yè)用在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域方面得到廣泛延伸，以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生的新型產(chǎn)業(yè)也將更好地服務(wù)于廣大人們的生產(chǎn)與生活。而在自動化應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的過程中，學(xué)科融合是基礎(chǔ)，物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科通過有效融合，針對各項新型技術(shù)進行聯(lián)合應(yīng)用，對化學(xué)工程與工藝進行全方位包容，使化學(xué)工業(yè)工藝擁有了更廣闊的發(fā)展空間[5]。自動化發(fā)展之所以成為化學(xué)工業(yè)未來的發(fā)展方向，主要是因為在傳統(tǒng)的化學(xué)工程與工藝發(fā)展過程中，其自動化技術(shù)的應(yīng)用較低，使化學(xué)工業(yè)在生產(chǎn)效率方面得不到有效提升，同時在化學(xué)工藝質(zhì)量方面也得不到提高。這一現(xiàn)狀不僅影響到化學(xué)工業(yè)的發(fā)展水平，同時在自動化效率不高的情況下導(dǎo)致多項資源浪費，使企業(yè)的發(fā)展成本居高不下，而產(chǎn)生的有利價值得不到提升，影響到化工企業(yè)發(fā)展過程中的經(jīng)濟效益，而在外部環(huán)境不斷波動的情況下影響到化工企業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性。

2.1.1 自動化之無人化操作產(chǎn)品包裝設(shè)備

在化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域發(fā)展的過程中，基于MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)的應(yīng)用使得化學(xué)工業(yè)在生產(chǎn)成本和管理效率方面得到顯著提升，而且在提升效率的過程中不僅有效節(jié)約了生產(chǎn)資源的投入，同時在人力、物力等資源方面也得到有效節(jié)約，是促進化學(xué)工業(yè)節(jié)能生產(chǎn)的重要措施[6]。在MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的無人化操作產(chǎn)品包裝設(shè)備，能夠采用機械化操作進行包裝，可有效降低人力的投入，尤其是對于部分具有一定輻射性或者具有嚴(yán)重有毒性的化工產(chǎn)品在進行包裝時，可有效規(guī)避其對人體所帶來的傷害。因此，通過運用自動化設(shè)備進行化工產(chǎn)品的包裝，能夠24 h無間斷工作，能夠達到人工投入所能產(chǎn)生的同等價值和效益，而且還有效規(guī)避了人員在生產(chǎn)投入過程中可能產(chǎn)生的安全性問題，作為一種安全、高效的自動化設(shè)施設(shè)備將促進化學(xué)工程與工藝自動化水平的顯著進步。

2.1.2 自動化之信息化管理

自動化包裝設(shè)備在化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域的應(yīng)用僅僅是冰山一角?；贛ES生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能夠?qū)⑴c化學(xué)工業(yè)各環(huán)節(jié)的所有機械設(shè)備進行實時監(jiān)控，而在監(jiān)控的過程中通過分析各項設(shè)備的運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備運行過程中可能存在的問題和異常現(xiàn)象，基于發(fā)出的異常信號能夠及時對設(shè)施設(shè)備進行調(diào)整，以保障相應(yīng)的工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)不出現(xiàn)任何問題。通過數(shù)據(jù)支撐實現(xiàn)信息化管理，使得管理效率得到顯著提升，管理更加智能化，而所帶來的最直接影響就是化學(xué)工程與工藝水平得到提升，能夠使生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提高。自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)的應(yīng)用，使得所有參與化學(xué)工業(yè)的設(shè)施設(shè)備在管理水平方面得到顯著提升，任何設(shè)施設(shè)備出現(xiàn)異常問題都能夠及時發(fā)現(xiàn)，能夠及時針對化學(xué)工業(yè)工藝進行調(diào)節(jié)，保障生產(chǎn)效率和質(zhì)量。而對相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備也能夠按照數(shù)據(jù)參數(shù)進行定時的維修和管理，使設(shè)施設(shè)備在使用過程中的壽命得到延伸，使用性能得到顯著提高。

2.1.3 自動化之DCS技術(shù)

通過自動化進行設(shè)備檢修能夠使化學(xué)工業(yè)工藝整個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到科學(xué)規(guī)劃和調(diào)整，使化學(xué)工業(yè)過程中的流程更加科學(xué)，從傳統(tǒng)的按不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行分散管理向現(xiàn)階段基于MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)的協(xié)同綜合化管理。而自動化管理技術(shù)的應(yīng)用在人力資源方面得到有效節(jié)約，降低了企業(yè)生產(chǎn)過程中的人工成本，在該系統(tǒng)中的DCS技術(shù)能夠?qū)Ω黜椩O(shè)施設(shè)備進行精細化監(jiān)控，進而維持各項設(shè)施設(shè)備運營過程中的安全性和穩(wěn)定性，及時進行故障修復(fù)和排查?；谠O(shè)施設(shè)備的精細化操作和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計算，有效規(guī)避了人為操作過程中不穩(wěn)定因素帶來的損失以及對工藝生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，因此基于MES的自動化管理技術(shù)應(yīng)用從化學(xué)工業(yè)各環(huán)節(jié)、各板塊、全方位提升化工水平，使化工工業(yè)節(jié)能生產(chǎn)目標(biāo)得以實現(xiàn)。

2.1.4 自動化之其他領(lǐng)域

當(dāng)然除了在自動化管理方面的應(yīng)用之外，自動化管理技術(shù)涉及到的化學(xué)工業(yè)工藝應(yīng)用范圍非常廣泛，而且近幾年來隨著化工技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的不斷提升，其自動化應(yīng)用已經(jīng)涉及到醫(yī)藥、高科技以及科研等多方面領(lǐng)域并發(fā)揮了獨特的應(yīng)用優(yōu)勢?？梢哉f，現(xiàn)階段在化學(xué)工業(yè)工藝發(fā)展過程中自動化發(fā)展已經(jīng)是化工技術(shù)進步與提升的關(guān)鍵。而基于經(jīng)濟效益和環(huán)保等多方面影響因素的倒逼，使各化工領(lǐng)域和企業(yè)也在不斷的進行自動化技術(shù)的研發(fā)，自動化技術(shù)將成為化學(xué)工業(yè)發(fā)展的常態(tài)化應(yīng)用。

2.2 基于綠色化學(xué)的化學(xué)工程與工藝應(yīng)用

化學(xué)工程與工藝在發(fā)展的過程中除了向自動化方向轉(zhuǎn)變之外，綠色化學(xué)也是化學(xué)工程與工藝發(fā)展的重要目標(biāo)。綠色化學(xué)的誕生與現(xiàn)階段人們逐漸提升的環(huán)境保護意識密切相關(guān)，小到每一個個體、每一片區(qū)域，大到國家以及全球環(huán)境，都充分注重化學(xué)工業(yè)過程中的環(huán)境保護問題。而綠色化學(xué)應(yīng)有效轉(zhuǎn)變的人們在傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)過程中的“末端治理”現(xiàn)狀，通過多樣化的環(huán)保技術(shù)應(yīng)用使得綠色化學(xué)發(fā)展水平得到顯著提升。在綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下，不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)投入方面逐漸向綠色無污染方向發(fā)展，在原材料選擇以及資源投入方面也逐漸向綠色方向邁進，在化學(xué)工業(yè)發(fā)展的過程中運用無毒無害的原材料、在化工生產(chǎn)的過程中設(shè)置出無毒無害的反應(yīng)環(huán)境，使得化工反應(yīng)在實施的過程中具有更廣闊的選擇性，生產(chǎn)實施過程中的毒副產(chǎn)物產(chǎn)量不斷降低?；瘜W(xué)工業(yè)基于綠色技術(shù)的應(yīng)用向清潔生產(chǎn)、零排放等多項目標(biāo)奮進。結(jié)合綠色化學(xué)在化學(xué)工程與工藝領(lǐng)域的應(yīng)用可以從化工反應(yīng)的原料投入、催化劑應(yīng)用、輔助劑應(yīng)用以及能源應(yīng)用等多方面踐行綠色化發(fā)展理念。

2.2.1 原料投入綠色化

在化學(xué)工業(yè)的過程中，原料的基本化學(xué)性質(zhì)直接決定著化學(xué)工藝的設(shè)置以及化工產(chǎn)物的基本屬性，而在進行化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)時盡可能的選擇綠色原材料，使化學(xué)工業(yè)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)綠色無污染目標(biāo)，而生產(chǎn)之后的產(chǎn)物也屬于無毒無害產(chǎn)品，徹底轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)現(xiàn)狀。例如，在進行原材料投入時選擇可再生的綠色資源作為化工原料。而這些綠色化工原料來自于植物、農(nóng)作物、海產(chǎn)物、城市廢棄物等多方面，這些綠色資源在應(yīng)用時可通過一系列反應(yīng)得到醇、酮、酸等常用的化工原料，在生產(chǎn)的過程中主要是基于微生物的細胞分解發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用。在這一反應(yīng)鏈條中所投入的原材料為綠色無污染物，化學(xué)反應(yīng)實施過程中為微生物分解不會帶來常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的污染排放現(xiàn)象，全過程屬于清潔無污染流程。

2.2.2 催化劑應(yīng)用綠色化

在催化劑應(yīng)用方面盡可能的選擇綠色無污染催化劑，在化工反應(yīng)過程中催化劑是重要的組成部分，科學(xué)合理的選擇催化劑可以保障化學(xué)反應(yīng)的順利實施，同時也是提高化學(xué)反應(yīng)效率的重要措施。而基于綠色化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在進行催化劑選擇時，也盡可能地減少有毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，降低對環(huán)境的污染，發(fā)揮各項綠色資源的有效作用，使其在化學(xué)反應(yīng)中有效發(fā)揮催化作用。例如在進行化工生產(chǎn)時運用固體催化劑、分子篩、雜多酸等催化劑來代替常用的濃硫酸進行精細化生產(chǎn)，既簡化了化學(xué)工藝流程，同時又減少了在催化劑應(yīng)用過程中可能產(chǎn)生的“三廢”排放量，綠色催化劑的應(yīng)用使得化工生產(chǎn)污染減量化目標(biāo)得以實現(xiàn)。

2.2.3 溶劑和助劑綠色化

化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中的溶劑和助劑應(yīng)用也逐漸向著綠色化方向發(fā)展。溶劑和助劑貫穿于化學(xué)反應(yīng)的全過程，無論是在化學(xué)產(chǎn)品的分離，還是在化學(xué)反應(yīng)催化環(huán)節(jié)等都會廣泛應(yīng)用溶劑和助劑來保障化學(xué)反應(yīng)過程的順利進行，以規(guī)避化學(xué)反應(yīng)過程中可能出現(xiàn)的其他特殊障礙。然而，在傳統(tǒng)的化工領(lǐng)域，其溶劑和助劑的應(yīng)用大多具有揮發(fā)性和毒性。這類溶劑和助劑在應(yīng)用時，會影響到生產(chǎn)工人的身體健康，同時以此為原料所產(chǎn)生的化工產(chǎn)物也存在一定的環(huán)境污染性。而基于綠色化學(xué)所誕生的綠色溶劑和助劑在應(yīng)用的過程中，不僅能夠達到與傳統(tǒng)有毒化學(xué)助劑和溶劑應(yīng)用時的同等效果，更重要的是綠色無污染的特點使其在應(yīng)用過程中的損耗較低，產(chǎn)生的化工產(chǎn)物更加綠色化，反應(yīng)過程及其反應(yīng)之后的產(chǎn)物不會對環(huán)境造成任何污染，使得化學(xué)工業(yè)的綠色化目標(biāo)得以實現(xiàn)。

2.2.4 工業(yè)能源綠色化

化學(xué)工程與工藝的能源應(yīng)用方面逐漸向著綠色化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在化學(xué)工藝的全過程都需要能源作為動力。例如，在化工生產(chǎn)的吸熱反應(yīng)中需要基于能源供應(yīng)為化工反應(yīng)提供熱量，以促進化學(xué)反應(yīng)的高效進行，而在化工反應(yīng)的放熱反應(yīng)中，對所放出的熱量也需要基于能源的供應(yīng)對熱量進行轉(zhuǎn)移和應(yīng)用，通過冷卻以保障化學(xué)反應(yīng)的安全。在化工反應(yīng)的蒸餾、萃取、結(jié)晶、超濾、分離、純化等相關(guān)過程中需要消耗大量的能量以保障各項工藝的順利實施。傳統(tǒng)的碳熱能源會消耗大量的煤炭資源，而現(xiàn)階段基于能源發(fā)展水平與技術(shù)的提升，光能、電能、微波能、超聲波能廣泛應(yīng)用于化工反應(yīng)過程中，這些能源都是綠色清潔能源，在保障化工反應(yīng)順利實施時，不會造成大量的資源浪費，尤其是光能和水電屬于可再生資源，符合化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，在化學(xué)工業(yè)節(jié)能降排方面能發(fā)揮重要的價值。

2.3 基于生物技術(shù)的化學(xué)工程與工藝應(yīng)用

生物技術(shù)在化工工業(yè)中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)生物化工。生物酶在生物體內(nèi)是一個高效的催化酶，并且這種生物酶的催化性能非常好，具有很強的專一性，應(yīng)用生物酶不僅可以增加生物酶反應(yīng)效率，還能提升反應(yīng)質(zhì)量，所以生物技術(shù)可以應(yīng)用在各種生物酶反應(yīng)中。

(2)化學(xué)工程。將生物技術(shù)引入綠色化學(xué)工程與工藝中，將可再生能源轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，對提高綠色化學(xué)工程的應(yīng)用性能具有重要影響意義。生物技術(shù)應(yīng)用的原料大多來自于自然，這種原料的反應(yīng)效果和催化作用遠遠高于一般工業(yè)原料，并且其應(yīng)用性能也非常好，反應(yīng)產(chǎn)生的污染物很少，具有良好的無污染性、高效性、節(jié)能性。

3 結(jié)語

化學(xué)工業(yè)與我們的日常生活息息相關(guān)，而基于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展理念的指導(dǎo)，現(xiàn)階段的化學(xué)工程與工藝應(yīng)逐漸向自動化、綠色化學(xué)、生物技術(shù)方向發(fā)展。

自動化技術(shù)在獲得同等經(jīng)濟效益的情況下，降低資源的投入，從人力資源、材料資源以及能源等方面進行全方位節(jié)約。

同時，基于綠色化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在原材料、催化劑、溶劑和助劑、能源等方面采用綠色化產(chǎn)品，降低對環(huán)境的污染?；谏锛夹g(shù)的應(yīng)用，運用生物酶不僅可以增加反應(yīng)效率，還能提升反應(yīng)質(zhì)量，多措并舉，逐漸實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)保指標(biāo)，充分發(fā)揮化學(xué)工程與工藝在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排效用。