綜述國內化工過程裝備技術法發展與展望

邵珠群

（青島科技大學，山東 青島 266061）

隨著國民經濟的快速發展，石油化工產業也隨之興旺起來。現代的化工行業中，化工過程裝備是整個生產鏈條中必不可少的一環。與工藝、自控并稱現代化工生產的三大核心技術，可以說化工過程裝備是一個國家化工行業是否發達的重要決定因素和評價標準。化工過程裝備主要有以下幾種類型：以熱力學定理與流體力學的相關理論為依據的熱力流體過程裝備。以加工固體或者粉末為主要設計目的的相關過程設備，如：粉碎設備、傳授設備等。以燃燒以及熱傳遞為主要功能的傳熱過程裝備。熱力流體和機械過程裝備通常可以稱為過程機器，是通用機械的一種。此外，傳熱以及化學過程裝備在研發的過程中需要參考不同的設計工藝，可以稱為壓力容器。近年來，隨著我國石油化工行業的飛速發展，化工過程裝備的相關技術也隨之獲得了突飛猛進的發展。但是我們應該認識到，與國外的先進水平相比，國內的化工過程設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 過程機器方面

當前國內的壓縮機研究發展取得了豐碩的成果，初步形成了功能不同的幾十個系列以及上百種的相關產品。在百萬噸級的加氫裝置以及萬噸級的化肥生產中進行了廣泛的應用。此外，我國已經在比較高端技術的離心式和軸流式壓縮機領域的研發也取得了相當高的成就，有能力自行研制和制造化肥四大壓縮機組、乙烯三大壓縮機組等設備，并且產品質量已經接近估計領先水平，甚至有部分產品已經超過國外同類產品。當前國內化工過程機器主要問題在于部分技術含量高、參數精密的尖端機器無法自行研制和生產。

2 壓力容器方面

在壓力容器發明，比較有代表性的是高壓以及超高壓容器技術。隨著各種類型的高強抗氫鋼的研發與制造技術的興起，給壓力容器的發展帶來了革命性的進展，大型熱壁技術已經逐漸取代了傳統的冷壁技術。當前全球范圍內的高壓加氫反應器中，最大的有大約六米的內徑，而厚度也達到了0.48米，自重高達1438噸。該高壓加氫反應器是目前的世界之最，采用長度為5m，重200T的3Cr-1Mo-1/4V鋼鍛焊而成。國內在這方面的研發也已經逐漸接近世界先進水平，可以自主設計、制造的大型加氫反應器，5米內徑，厚度為0.3米，自重1200T，可以廣泛用于大型煉油裝置的使用。國內的煤液化加氫反應器的研制進度正在加快，內徑可達550厘米，厚度為34厘米，自重2040噸，研制成功之后將會是世界上現有的加氫反應器中，重量最大的。國內當前可以自主研發年產量達三萬噸的超高壓反應器和冷卻器，但是采用的工藝仍是相對比較落后的深孔鉆法，存在著效率不高、材料消耗大的缺點，而國外技術比較先進采用冷旋軋制高壓管材，材料消耗少且更加高效。

3 用高新技術提升過程裝備技術的展望在化工過程裝備的研發中，引進新的高、精、尖技術已經成為不可阻擋的發展潮流，是大勢所趨，主要表現在以下幾個方面。

3.1 計算機和信息技術的應用

隨著計算機技術以及以其為核心的信息技術的快速發展，計算機技術已經廣泛用于分析壓力容器失效以及對其安全進行評定、診斷排除化工過程機器的故障。除此之外，以計算機為核心的信息技術還在計算與模擬過程設備中復雜的反應過程中被廣泛的使用，從而滿足過程設備優化設計結構的需要。此外，計算機輔助設計通過對過程裝備的應力應變場、溫度場、流場等環境進行即時演算，能夠生動的進行模擬，為過程裝備的設計與制造提供直接的依據。將計算機X射線斷層掃描技術輔之以人工智能技術，可以實現過程設備內部的多相流時空變化過程的實時反映，可以對過程設備中存在問題以及缺陷進行準確的檢測，為延長其使用壽命做出幫助。在過程設備中整合具有不同功能與作用的其他設備，從而實現原有設備功能的擴展，形成一個高度集成化、功能多樣化以及智能化的綜合系統，從而實現過程裝備的效率最大化。

3.2 新材料的應用

在壓力容器的材料選用方面，應該盡量選擇耐腐蝕、高強度以及高韌性的新型材料，除此之外，更應該重視具有特殊功能的新型材料的研發。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，從廢氣之中實現二氧化碳的回收，達到減少溫室氣體排放的目標，因而使用前景十分的廣闊。在海水淡化領域中，采用新型的反滲透膜并和多效閃蒸技術相結合，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，采用新型的生物膜材料可以實現對污水的過濾凈化，經過處理的污水可以達到再利用的標準。還有一種新型的高分子材料做成的復合膜，可以將乙烯從混合氣體中過濾出來，從而實現回收利用，回收率十分的理想，并且工藝流程簡單，成本低廉，節能環保。

3.3 過程強化

化工過程裝備內部都是流體流動、傳熱、傳質及反應過程或它們的耦合,因此過程強化始終是過程裝備技術重點發展的一個主導方向。過程強化的含義是多樣化的,有提高效率,有強化負荷,有節能降耗等等。其方法也是多種的,主要包括:過程復合,即在一個新設備內同時完成幾個傳統單元設備的功能。已開發成功的有反應與蒸餾的復合,采用帶有催化劑包的新型塔盤等。又如膜反應器,可使反應與產物分離同時進行,打破了原來反應器內熱力學平衡的限制等。外場效應的強化。如采用旋轉式填料器,依靠超重力強化傳質反應過程,可獲得超細粉體等。如采用外加電場,可使噴霧的霧滴最小粒徑達到4~5微米,甚至納米級。如磁場與超聲波組合,可高效脫除水中的BOD、COD 等。微型化技術。采用微蝕刻技術,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1~10萬平方米/立方米,采用幾十萬個并行通道組成一臺微換熱器,在1立方米/小時體積流量下,可達200kW 高功率,相當于水的傳熱系數為傳統換熱器的6~12倍,氣相傳熱系數為傳統的20倍。一臺溴化鋰微型制冷器的制冷強度高達10~15kW/(m2.K),其體積只有傳統制冷器的1/60。一個汽車用壓縮蒸汽微型重整反應器,體積只有4升,但可使異辛烷轉化率達90%,供50千瓦燃料電池用。

4 結語

化工過程裝備的范圍很廣泛，它的進步與發展對于整個化工行業來說是必不可少的條件。過程裝備的更新換代可以催生出新的化學工藝，為其誕生打下堅實的基礎，有利于長時間高效穩定運行，保持化工生產過程的連續不中斷，此外，新的化工過程裝備往往都能在很大程度上節能減排，有力于環境保護，因此，過程裝備的發展創新對于整個化工行業來說是必不可少的。過程裝備是實現化工生產的物質載體,又往往滯后于工藝的發展,有時還成為生產發展中的瓶頸,所以必須給予應有的重視。必須遵循化工過程裝備發展的內在規律,重視有關化學工程與裝備的基礎性研究,重視用高新技術來改造傳統單元過程的開拓性工作,才能實現過程裝備的跨越式發展,實現核心或共性技術的自主創新。

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