國內化工過程裝備技術的現狀與展望

王馳岳(天津安固美科技發展有限公司，天津 300384)

1 國內化工過程裝備技術發展現狀

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，像是輸送設備、粉碎設備、過篩設備等；傳熱過程裝備，像是蒸發器、換熱器、工業爐等；傳質過程裝備，像是干燥器、結晶器、萃取塔、吸收塔、蒸餾塔等；化學反應過程裝備，像是攪拌反應釜、移動床、固定床、流化床反應器等。其中熱力流體過程裝備與機械過程裝備可統稱為過程機器。傳熱過程裝備、傳質過程裝備、化學反應過程裝備可統稱為過程設備，下面將從這兩個方面來分析目前我國化工過程裝備技術的發展現狀。

1.1 過程機器發展現狀

目前大部分的化工過程機器我國都可以自主設計與制造，只有極少數由于技術尚且不夠成熟，無法完全掌握，還需要進口。以壓縮機為例，我國已經能夠生產數十個系列，數百種類別的壓縮機產品，可以滿足百萬噸級的生產需要。在一些技術難度非常大的壓縮機產品方面，尤其是離心式與軸流式壓縮機，像是煉油催化裂化的主風機、富氣壓縮機、煙氣輪機等，我國不僅是能夠自主設計與制造，其水平更是達到了國際先進，完全不輸給國外的同類產品。只是在比較極少數的壓縮機產品方面，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壓縮機等，我國落后于國際先進的水平。但是隨著技術的成熟，這些問題也會被逐一攻克。

我國化工過程機器發展表現出集成化、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計進行優化，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。總的來說，我國化工過程機器目前發展良好，基本能夠滿足國內化工工業發展的需要，當然成長的空間還很大，尤其是一些特殊的產品。

1.2 過程設備發展現狀

過程設備可以分為反應設備、換熱設備、塔設備、工業爐四個方面。

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

塔設備在化工工業生產中的應用十分廣泛。我國在塔設備的設計、研發、制造能力也已經達到了國際先進水平。其中的典型代表并流噴射式復合塔盤、微分浮閥塔盤、高效率高彈性的立體傳質塔盤、高通量DJ塔盤等。這些塔設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研發上面的投入。

除了塔設備之外，換熱設備也是被廣泛應用于化工工業生產的過程設備。總的來說，大部分的換熱設備我國都能夠自主設計與制造，而且還有所創新，特別是在強化傳熱方面，開發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。但是在一些特殊高性能品種換熱設備上面，還是有賴于進口。像是在傳熱面積方面，國內換熱設備與國際先進水平還是有些差距。

工業爐的生產制造方面，以石油化工業中常用的管式爐為例，除特殊的乙烯裂解爐和制氫轉化爐等復雜高性能品種外，其他的管式爐國內都已經能夠成熟的設計與制造，而且還做出了進一步的優化，開發了全爐管內外的流動、反應與燃燒、傳熱的耦合數值模擬技術。但是少部分產品的制造生產仍然很薄弱，需要進一步提高。

2 國內化工過程裝備技術發展意義

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

2.1 發展化工過程裝備技術可以促進化工工業技術的進步

化工生產是一個十分復雜的過程，要讓原料最終變成化學產品是需要經過許多個步驟的。每一個步驟都是一個過程。而每一個過程中的生產加工處理都離不開裝備。可以說化工過程技術水平代表了化工工業技術的先進程度。化工過程技術水平越高，化工工業技術越先進。反之，化工過程技術水平越低，化工工業技術越落后。而化工過程裝備技術一定程度上反映了化工過程技術的水平。因此，可以說化工過程裝備技術在一定程度上反映出化工工業技術的先進程度。發展化工過程裝備技術是可以促進化工工業技術的進步的。

縱觀我國乃至是世界化工工業發展歷史，都可以看到化工過程裝備技術的發展為化工工業技術所帶來的革命性的進步。例如目前化工過程常用的裝備：超重力反應器、微波反應器、合器、萃取器等，都為化工工業發展產生了不可替代的作用。沒有這些化工過程裝備的出現，世界化工工業不會發展到今天的程度。這也是為什么世界各工業大國要大力發展化工過程裝備的重要原因。當化學工業發展面臨問題與挑戰的時候，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發展機遇的到來。化工過程裝備技術的發展與進步一定程度上支撐了化工工業應對新的問題與挑戰。

2.2 發展化工過程裝備技術可以解決化工工業的發展問題

我國化工工業的發展經歷過幾個階段，分別是資源導向階段、產品導向階段、計算機信息化導向三個階段，目前正邁入第四個階段：生態環境導向。這也意味著對我國化工工業發展提出了更高的要求。在生態環境導向階段，我國化工工業發展面臨到了幾個問題：產能過剩、節能減排安全環保的壓力大、對外依賴度高、創新不足。這四大問題一定程度上限制了我國化工工業的發展。而想要擺脫這四大問題，讓我國化工工業順利度過生態環境導向階段，就必須依靠化工過程裝備技術的發展。總的來說就是發展化工過程裝備技術可以解決我國化工工業目前的發展問題。

在生態環境導向階段，化工過程裝備勢必朝著更經濟、更環保、更節能、更安全、更緊湊的方向發展。裝備在體積上面要大幅減小，一是能夠節省占地面積與安裝空間；二是便于實現集成化控制，更加快捷方便；三是能夠減少運行過程中的能量損耗，節約資源；四是減少裝備制造所需要的的鋼材料，不僅可以節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的不斷發展，必然會讓化工工業煥發新貌，改變化工工業所給人留下的有氣味、揚粉塵、排廢水、高污染、高能耗的印象，真正實現化工工業的可持續發展。

3 國內化工過程裝備技術發展展望

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

3.1 計算機信息技術的應用

計算機信息技術在化工過程裝備技術發展方面的應用十分廣闊，可以應用在過程機器的故障診斷與安全評定方面；可以通過對大量數據的模擬運算來優化過程裝備的內部結構設計；通過動態三維模擬來確定過程設備的最佳運轉數值并預估設備的使用壽命；將計算機人工智能與實時掃描成像技術相結合來實現對裝備的動態控制與管理；通過數字化技術來實現多裝備的集成與調控的優化。總的來說，計算機信息技術能夠應用的地方很多，目前已經開始在許多環節開展運用并取得一定的效果。

3.2 新材料的應用

傳熱過程裝備、傳質過程裝備、化學反應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重影響到設備的使用壽命。而發展新材料能夠很好的解決這一問題，提高設備制作材料的韌性與耐腐蝕性。

除此以外，由于環保生態的高標準，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。過程強化可以是提高工作效率，可以是節約能源降低能耗，可以是強化負荷。過程復合是過程強化控制的手段之一，具體是通過一個新設備來完成傳統的幾個單位設備的功能，大大的節約了能源消耗，提高了工作效率。外場效應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式填料器，依靠超重力強化傳質反應過程來取得超細粉體。微型化技術也是目前過程強化控制發展的趨勢之一，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，進而能夠大幅的提高傳熱系數。