探析化學(xué)工程與工藝中的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

趙偉剛 馬響亮 張攀

摘要：自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程中扮演著重要角色。化學(xué)工藝品遍布人們生活各處，其對(duì)于社會(huì)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，化學(xué)工程領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，各項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用效率和應(yīng)用效果得到了優(yōu)化。我國(guó)已初步建立了自動(dòng)化的化學(xué)工藝體系，并開(kāi)發(fā)出了領(lǐng)先世界的自動(dòng)化化學(xué)工藝技術(shù)，研究自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程中的應(yīng)用對(duì)于促進(jìn)化學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)展有著重要的意義。基于此，本文研究了化學(xué)工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的方法，并對(duì)化學(xué)工程自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù);化學(xué)工程;化學(xué)工藝

化學(xué)工業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系中占有重要地位，對(duì)于各行各業(yè)發(fā)展都發(fā)揮了重要作用。化學(xué)工程發(fā)展勢(shì)態(tài)良好，為社會(huì)發(fā)展提供了充足的工業(yè)品。隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)被逐步應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，成為化學(xué)工程發(fā)展不可缺少的部分，并持續(xù)影響著化學(xué)工業(yè)發(fā)展[1]。自動(dòng)化工藝能夠提升化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)精度和效率，對(duì)于推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用[2]。本文結(jié)合現(xiàn)階段我國(guó)化學(xué)工程和工藝在自動(dòng)化發(fā)展方面情況分析了未來(lái)階段化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向。

1化學(xué)工程和工藝

化學(xué)為人類社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，化學(xué)工程是對(duì)化學(xué)原理、化學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)方法的總述，其包含的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)容繁多，涉及到每一個(gè)行業(yè)。人們生活、生產(chǎn)所需的許多原料都需要通過(guò)化學(xué)的方法獲取，例如通過(guò)化學(xué)的方法從石油中獲取塑料制品原料[3]。可以說(shuō)化學(xué)工程和工藝在社會(huì)發(fā)展中扮演重要角色，其影響著人們的衣食住行等各個(gè)方面，現(xiàn)代化學(xué)工程和工藝發(fā)展與自動(dòng)化技術(shù)關(guān)聯(lián)越來(lái)越密切，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用提升了化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)目標(biāo)。

2自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程和工藝中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了基本的依托，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)興起，計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理能力不斷變強(qiáng)[4]。在自動(dòng)化技術(shù)支持下社會(huì)各行各業(yè)發(fā)生了巨大的變革，以自動(dòng)化技術(shù)為主的生產(chǎn)模式成為主流生產(chǎn)模式。在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)生著同樣的變化，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了化學(xué)工程和工藝精細(xì)化和高標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，有效地促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)發(fā)展。

2.1化工安全監(jiān)測(cè)

化工生產(chǎn)的危險(xiǎn)系數(shù)非常大，如何做好安全隱患排查和預(yù)防是很多化工企業(yè)重點(diǎn)研究的內(nèi)容，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式下必須強(qiáng)化人員管理和現(xiàn)場(chǎng)巡檢，這種方式的缺點(diǎn)在于受人為主觀因素影響較大，而且投入的成本較大。但是隨著自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，安全隱患排查工作發(fā)生了巨大改變，通過(guò)安裝在生產(chǎn)區(qū)域和生產(chǎn)設(shè)備中的傳感其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別異常數(shù)據(jù)，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，有效地避免了安全隱患升級(jí)為安全事故[5]。在一些危險(xiǎn)性較高的生產(chǎn)工藝中，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)可以提升生產(chǎn)的安全性，降低生產(chǎn)工藝對(duì)人員生命健康的影響，圖1為化學(xué)工藝生產(chǎn)流程。例如，在很多化工原料具有腐蝕性和毒性，生產(chǎn)人員需要身穿防護(hù)服進(jìn)行作業(yè)，如果改用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，可以有效防止化工原料對(duì)工作人員身體造成損害，保障生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

2.2控制生產(chǎn)精度

化學(xué)工程對(duì)于精度要求加高，如果精度偏差較大，可能帶來(lái)不良的后果。例如，生產(chǎn)烷烴有機(jī)物時(shí)，往往需要加氫催化處理，如果加氫比重過(guò)大，或者壓力和溫度控制偏差較大，可能使得產(chǎn)物的純度變低或者無(wú)法合成目標(biāo)產(chǎn)物。很多生產(chǎn)工藝都需要在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行，如果溫度和壓強(qiáng)變化幅度較大，或者生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法保持穩(wěn)定，那么將無(wú)法達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)，而通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行控制，可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)反映容器的溫度和壓強(qiáng)，保障溫度和壓強(qiáng)的穩(wěn)定性。自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工藝精度控制方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的人工控制方法，而且能夠檢測(cè)反映環(huán)境細(xì)微的變化[6]，為工作人員提供足夠的精確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而保障生產(chǎn)作業(yè)安全、穩(wěn)定進(jìn)行，有效地提升了生產(chǎn)過(guò)程的效率，圖2為某化學(xué)工藝自動(dòng)化生產(chǎn)程序。生產(chǎn)精度的提升能夠提升產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)于提升化工企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力起到了重要的作用，因此生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該積極研究自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用方法，進(jìn)一步地應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)各項(xiàng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地提升化工生產(chǎn)的精度，為人們提供更多優(yōu)質(zhì)的化學(xué)工業(yè)品。

2.3調(diào)節(jié)原料比重

化工生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的物質(zhì)反應(yīng)過(guò)程，不同階段使用不同的生產(chǎn)原料，對(duì)生產(chǎn)原料投入時(shí)間和比重進(jìn)行控制非常關(guān)鍵，這是能夠獲得目標(biāo)產(chǎn)物的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法中一個(gè)反應(yīng)結(jié)束后需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，只有產(chǎn)物達(dá)到了生產(chǎn)要求后才能進(jìn)行下一個(gè)階段的反應(yīng)，而這一過(guò)程需要消耗大量的時(shí)間和精力，圖3為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后的化學(xué)反應(yīng)裝置[7]。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以解決這一問(wèn)題，提高生產(chǎn)的效率，將自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器安全在反應(yīng)容器內(nèi)部，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)反應(yīng)物和產(chǎn)物的比重，并控制產(chǎn)物投入的比重和反應(yīng)問(wèn)題，最大限度提升反應(yīng)效率。現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工藝優(yōu)化方面也有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，如對(duì)化學(xué)工藝品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)化學(xué)工藝品內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形可以作出調(diào)整，可以提升化學(xué)工藝品的質(zhì)量。

3化學(xué)工程和工藝中自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

自動(dòng)化是化學(xué)工程和工藝未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，這也是實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新和生產(chǎn)方法創(chuàng)新的重要一環(huán)。目前大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)在化學(xué)工程中應(yīng)用非常廣泛，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和總結(jié)能夠發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝中存在的缺陷，并制定有效的方法進(jìn)行改進(jìn)，從而提升化學(xué)工業(yè)品的質(zhì)量[8]。未來(lái)階段化學(xué)工程和工藝自動(dòng)化的發(fā)展必然是建立在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化和再創(chuàng)新，通過(guò)技術(shù)細(xì)化和生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新不斷地提升生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，自動(dòng)化系統(tǒng)也會(huì)逐步具備人的智慧，這對(duì)于化學(xué)工程和工藝的整體發(fā)展起到了重要的作用。

3.1綠色可持續(xù)性

綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展是人類社會(huì)發(fā)展的方向，隨著資源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題不斷出現(xiàn)，人們意識(shí)到綠色可持續(xù)發(fā)展的重要性，因此各行各業(yè)也在發(fā)生變革。化工行業(yè)是資源消耗和污染較為嚴(yán)重的行業(yè)，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)原料和技術(shù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少化工原料的使用和提升生產(chǎn)效率，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。例如，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)控制原料投入比重，最大限度提升原料轉(zhuǎn)化率，能夠避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)現(xiàn)象出現(xiàn)，隨著生產(chǎn)原料投入比重減少，生產(chǎn)帶來(lái)的污染也在減少。而在生產(chǎn)工藝方面，自動(dòng)化工藝在能耗方面也會(huì)發(fā)生巨大變化，如系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)反應(yīng)過(guò)程的能耗，對(duì)有限的能耗進(jìn)行科學(xué)利用，實(shí)現(xiàn)能耗利用效率最大化。自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程和工藝中面對(duì)的主要問(wèn)題是能耗問(wèn)題，因?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行需要消耗大量的能源，而且必須確保化工生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，結(jié)節(jié)能耗問(wèn)題不僅可以減低企業(yè)的投入成本，而且能夠推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展理念的落實(shí)，所以在未來(lái)階段化學(xué)工程和工藝在自動(dòng)化方面應(yīng)該朝著綠色可持續(xù)發(fā)展方向前行，最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，在減少資金消耗的同時(shí)提升自動(dòng)化的效率，使得有效資源得到最大化利用，這對(duì)于未來(lái)階段人們更好地利用化學(xué)工程造福自身發(fā)揮著重要作用，行業(yè)發(fā)展也會(huì)出現(xiàn)新的變化。

3.2智能程度更高

自動(dòng)化發(fā)展必須解決系統(tǒng)智能程度低的問(wèn)題，雖然現(xiàn)階段化學(xué)工程中自動(dòng)化系統(tǒng)能夠處理大部分生產(chǎn)內(nèi)容，但是距離人的智慧依然有著較大的距離。化學(xué)工程和工藝對(duì)生產(chǎn)精度要求非常高，只有嚴(yán)格控制各項(xiàng)生產(chǎn)工藝才能確保生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，目前計(jì)算機(jī)行業(yè)人員正在研究更為優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)算法，如果研究工作出現(xiàn)重大突破，結(jié)合化工生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)流程等對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化可以提升化學(xué)工藝的生產(chǎn)效率。高智能程度意味著大部分生產(chǎn)工作都可以由機(jī)器完成，有效地保障了工作人員的人身安全[9]。此外，自動(dòng)化設(shè)備將會(huì)遍布在化工生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中，例如反映容器實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制，通過(guò)多組傳感器收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)化系統(tǒng)具備自動(dòng)識(shí)別和控制的控制，能夠?qū)Ω黜?xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得生產(chǎn)工藝得到優(yōu)化，生產(chǎn)效果也會(huì)發(fā)生變化。從化學(xué)工程和工業(yè)的總體發(fā)展方向來(lái)看，高智能化能夠幫助企業(yè)更好地進(jìn)行危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)，可以防止由于人為因素干擾帶來(lái)的各類影響，從而提升生產(chǎn)的效率，也降低生產(chǎn)安全隱患。由此可見(jiàn)，化工行業(yè)在未來(lái)階段實(shí)現(xiàn)高智能化發(fā)展是自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率的重要方法方向。

3.3高效率高質(zhì)量

化學(xué)工程和技術(shù)對(duì)于化工行業(yè)發(fā)展十分重要，新的生產(chǎn)工藝必須具備節(jié)約資源、生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)質(zhì)量提升中的一項(xiàng)或者幾項(xiàng)要求，隨著自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，化工行業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到了提升，但是提升的效果并不理想，自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)未能完全的發(fā)揮出來(lái)。因此必須研究自動(dòng)化程度更好，處理能力更強(qiáng)的自動(dòng)化處理技術(shù)，提升生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，在未來(lái)方向機(jī)器完全可能取代人工生產(chǎn)，自動(dòng)化系統(tǒng)可以判處理生產(chǎn)流程中的各項(xiàng)信息，工作人員只需要將設(shè)定的判斷條件輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)則可以根據(jù)設(shè)定的條件要求工作，只有遇到系統(tǒng)中未設(shè)定的內(nèi)容時(shí)系統(tǒng)才會(huì)將這些內(nèi)容發(fā)送給工作人員，工作人員則根據(jù)這些內(nèi)容判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況和生產(chǎn)的情況，這種方法有效地提升了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，而且能夠?qū)⑽ｋU(xiǎn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作取代，解放了生產(chǎn)力，同時(shí)保障了生產(chǎn)的安全性。此外，隨著工藝的優(yōu)化和新工藝的出現(xiàn)，化工生產(chǎn)過(guò)程中的一些技術(shù)瓶頸也會(huì)被打破，這對(duì)于化工行業(yè)發(fā)展而言非常重要，技術(shù)瓶頸的突破意味著未來(lái)階段化學(xué)工程和工藝發(fā)生重要變化，化工生產(chǎn)的效率和質(zhì)量將會(huì)得到提升，這在未來(lái)階段將會(huì)成為主要的發(fā)展趨勢(shì)，因此個(gè)化工生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該做好迎接這種發(fā)展趨勢(shì)到來(lái)的準(zhǔn)備，積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，不斷地提升自身生產(chǎn)效率。

3.4全自動(dòng)化模式

自動(dòng)化發(fā)展的終點(diǎn)應(yīng)該是全自動(dòng)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)承擔(dān)任何一項(xiàng)工作，化學(xué)工程和工藝最大的特點(diǎn)是變化性強(qiáng)，生產(chǎn)工藝中的某一個(gè)條件發(fā)生變化都可能無(wú)法獲得目標(biāo)產(chǎn)物，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行控制能夠使得反映條件保持穩(wěn)定，而其中一些重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)依然需要人工控制，這種方法是當(dāng)前化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的主要方式，但是隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，全自動(dòng)化模式將會(huì)逐步缺乏當(dāng)前的工藝技術(shù)，因?yàn)槿詣?dòng)化模式可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)控制各項(xiàng)反映工藝，使得各項(xiàng)生產(chǎn)工藝得到協(xié)調(diào)，提升生產(chǎn)的效率，而且能防止因?yàn)槿藶槭韬鰧?dǎo)致的各類問(wèn)題出現(xiàn)。從工藝創(chuàng)新角度來(lái)看，自動(dòng)化工藝可以提供更多穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境，防止生產(chǎn)環(huán)境變化導(dǎo)致的一系列問(wèn)題出現(xiàn)，全自動(dòng)化生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn)必然能夠推動(dòng)整個(gè)化工行業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，所以整個(gè)化工行業(yè)都需要做好準(zhǔn)備，積極應(yīng)對(duì)行業(yè)的變革。此外，在全自動(dòng)化發(fā)展方向，還體現(xiàn)在技術(shù)方法方面，現(xiàn)有的化學(xué)工藝將會(huì)得到改進(jìn)，未來(lái)階段的化學(xué)生產(chǎn)工藝更具針對(duì)性，化學(xué)品合成過(guò)程也會(huì)得到優(yōu)化，生產(chǎn)反應(yīng)所需的步驟將會(huì)得到縮減，生產(chǎn)的效率將會(huì)得到提升。

結(jié)束語(yǔ)：總而言之，化學(xué)工業(yè)在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾慕巧詣?dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程和工藝中的應(yīng)用能夠提升生產(chǎn)效率，同時(shí)也提升生產(chǎn)的安全性，隨著智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工程和工藝中的應(yīng)用將會(huì)變得更為廣泛，這能夠有效地促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，為人們提供更多優(yōu)質(zhì)的化學(xué)工業(yè)品。研究自動(dòng)化技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用可以更好地推動(dòng)化學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：趙偉剛，1986出生，性別：男，民族：漢族，籍貫：山西晉中，職稱：工程師，學(xué)歷：碩士研究生，主要從事石油天然氣行業(yè)工程設(shè)計(jì)。