樊麗梅 石香玉

（焦作大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1.化工設(shè)備優(yōu)化升級的背景

為實現(xiàn)1.5℃/2℃升溫目標(biāo)，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的碳減排兩階段戰(zhàn)略目標(biāo)，即“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)?；すI(yè)在世界各國的國民經(jīng)濟發(fā)展中都占有重要的地位，我國的化工工業(yè)起始于50年代，發(fā)展于70年代，在經(jīng)歷了迅速的崛起和騰飛之后，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。碳達(dá)峰、碳中和為我國化工行業(yè)帶來了發(fā)展和減排的雙重壓力和挑戰(zhàn)?；ぴO(shè)備作為化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，影響了化工企業(yè)的核心競爭力?；どa(chǎn)主要通過煤炭和原油獲取能量，而化石或煤電的消費是一個大規(guī)模的碳排放過程。比如，俗有“電老虎”之稱的電石(碳化鈣)法聚氯乙烯(PVC)生產(chǎn)，其碳排放之多令人觸目驚心?；どa(chǎn)中的裂解反應(yīng)(如乙烯工業(yè))、電解反應(yīng)(如氯堿工業(yè))都屬于強吸熱反應(yīng)，其能量消耗巨大。2020年，我國二氧化碳排放量達(dá)99億噸，其中化工行業(yè)CO2排放量在5億～6億噸。雙碳目標(biāo)或?qū)⒊蔀槲覈ば袠I(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的助推劑和催化劑，要實現(xiàn)減排和發(fā)展的協(xié)同發(fā)展，我國的化工行業(yè)必將面臨工藝和技術(shù)的改革及創(chuàng)新，要不斷進行科技創(chuàng)新，加快綠色低碳技術(shù)改進，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，引進先進節(jié)能設(shè)備，提高能源效率?；ぴO(shè)備與化工機械作為現(xiàn)代大化工的三大核心技術(shù)之一，是化工工業(yè)發(fā)展的支持和保障。雙碳目標(biāo)下，為了使化工行業(yè)更好地服務(wù)于社會，只有不斷地對化工設(shè)備進行綠色轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新，才能保證化工企業(yè)實現(xiàn)減排和發(fā)展的雙贏?；ぴO(shè)備又稱靜設(shè)備，常見的化工設(shè)備有各種塔器、換熱器、儲罐、反應(yīng)容器等。在化工生產(chǎn)中，化工設(shè)備一般都在高溫、高壓下工作，設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)多具有易燃、易爆、劇毒和強腐蝕的特性，苛刻的工作條件為化工設(shè)備的設(shè)計、制造、使用和監(jiān)管帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在雙碳目標(biāo)下，隨著我國科研水平和制造技術(shù)的不斷改進和提高，化工設(shè)備正經(jīng)歷著從整體尺寸的大型化到附件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從原材料的攻克到運行和維護智能化的變革。

2.各種化工設(shè)備優(yōu)化研究現(xiàn)狀

2.1 塔設(shè)備技術(shù)

塔設(shè)備是化工生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一，常被用來實現(xiàn)氣液或液液之間的充分接觸，使相際之間進行傳質(zhì)和傳熱，完成精餾、吸收、解吸和干燥等操作單元。常用的塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩大類，在整個設(shè)備中，塔設(shè)備的投資約占25%，重量約占49%。塔器一般是圓筒形高大直立設(shè)備，常安裝在戶外，效率低，壓降大，是熱效率低的耗能大戶。例如，精餾作為化工生產(chǎn)中的重要分離過程，是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同將各組分加以分離，其能耗可占整個化工生產(chǎn)的60%。因此，精餾工藝的改進以及精餾塔設(shè)備的優(yōu)化對于節(jié)能減排，對于雙碳目標(biāo)的達(dá)成，具有極其重要的意義。通過新型的高效分離技術(shù)，可以提高精餾的分離效率和物料的回收率，降低回流比，進而降低能耗，而新型高效的分離技術(shù)離不開新型精餾塔的支撐。近年來，我國塔器技術(shù)有了很大的提高，開發(fā)出了許多新型的填料和塔盤。例如，華東理工大學(xué)開發(fā)了一系列的導(dǎo)向浮閥塔。對于常壓或加壓的大直徑塔器，工業(yè)上目前仍以板式塔為主，浮閥塔就是一種重要的板式塔。F1型浮閥因其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、技術(shù)成熟被廣泛應(yīng)用，但F1型浮閥操作彈性差，易導(dǎo)致塔板上液體梯度大，使氣體不能與液體混合，導(dǎo)致塔板效率降低。為了解決普遍使用的F1型浮閥塔的壓降大、效率低、不利于增產(chǎn)節(jié)能的缺點，華東理工大學(xué)開發(fā)研究了導(dǎo)向浮閥塔板系列產(chǎn)品，如導(dǎo)向浮閥塔板、組合導(dǎo)向浮閥塔板、齒形導(dǎo)向浮閥塔板等。它們是將原有的圓形F1型浮閥改成矩形、梯形、齒形以及組合型。通過流體力學(xué)性能的比較，經(jīng)過改造后的浮閥塔在塔板壓降、霧沫夾帶和泄露量等方面都有明顯的改善，可提高塔設(shè)備的分離效率，提高處理量。目前，齒形導(dǎo)向浮閥塔已經(jīng)在化工生產(chǎn)中得到應(yīng)用。中國石化上海石油化工股份有限公司為了解決原有重整油分離塔分離效率不佳，導(dǎo)致能耗增加以及實際操作難度提升的問題，使用由華東理工大學(xué)開發(fā)的波紋導(dǎo)向浮閥塔板。該浮閥采用人字形波紋狀的閥片，波紋的斜面上有的設(shè)有導(dǎo)向孔，有的無導(dǎo)向孔，將兩種浮閥合理混合分布在塔盤上，大大提高了塔板效率，有效改善了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的收率，降低了能耗和實際操作難度[1]。世林化工對原有的低溫甲醇洗工藝進行了雙層垂直篩板的改造，從根源上解決了凈化氣不合格，能耗高的問題，提高了塔板的處理量和處理效果，很大程度上減少了甲醇、二氧化硫的排放量，降低了能耗，保護了大氣環(huán)境[2]。2021年9月18日，由華陸公司總承包的廣西華誼PDH項目丙烷丙烯分離塔完成吊裝。該塔內(nèi)徑10.6米，裙座最大外徑12.94米，高度113.7米，空重達(dá)1537噸，附件安裝后的重量可達(dá)1774噸，是目前國內(nèi)已知最大、最重的丙烷丙烯分離塔，也是項目現(xiàn)場整體起吊的最大、最高、最重的設(shè)備。這標(biāo)志著我國在大型塔設(shè)備生產(chǎn)、制造和安裝方面又有了新的突破，高效率、高穩(wěn)定性和自動化已經(jīng)成為塔設(shè)備發(fā)展的趨勢。

2.2 換熱器技術(shù)

換熱器又稱熱交換器，在工業(yè)生產(chǎn)中主要起到提高能源利用率和回收熱量的作用，是化工生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計,在化學(xué)工業(yè)中，換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%,它是由換熱器組成，主要依靠內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同溫度流體的熱量傳遞和交換，達(dá)到工藝流程指標(biāo)。在化工生產(chǎn)中，換熱器可以是一臺獨立的化工設(shè)備，如再沸器、冷凝器、預(yù)熱器、冷卻器和蒸發(fā)器等，也可以作為化工設(shè)備的主要組成部件存在，例如，余熱鍋爐、管式加熱爐、蒸發(fā)設(shè)備等。據(jù)統(tǒng)計，在石油、化工、冶金、電力四大行業(yè)中，換熱設(shè)備的年回收熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為5.7億噸[3]。常用的工業(yè)換熱器有列管式換熱器和板式換熱器，其中列管式換熱器應(yīng)用居多。工業(yè)換熱器本身屬于高耗能化工設(shè)備，目前，我國針對換熱器還缺乏健全和完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于換熱器的能效監(jiān)管還有待發(fā)展，僅有《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》(TSGR0010—2019)，而且是針對板式換熱器修訂的，關(guān)于列管式換熱器還缺乏有效的評價體系。根據(jù)工作環(huán)境特點，換熱器的列管和管殼、管板之間存在較大的溫差應(yīng)力，同時，換熱介質(zhì)又具有較強的腐蝕性，從而導(dǎo)致列管和管板的開裂，造成換熱器內(nèi)漏，使用周期短，需要定期清洗和更換，大大提高了維修成本，降低了能源的使用效率，增加了資源的消耗?！半p碳”目標(biāo)下，換熱器的設(shè)計和制造應(yīng)該充分考慮提高現(xiàn)有設(shè)備的換熱效率和經(jīng)濟性能。

⑴ 在材料上應(yīng)該選擇傳熱系數(shù)高，耐腐蝕又經(jīng)濟的新材料。目前，工業(yè)用換熱器的主要材料是碳鋼和不銹鋼兩種。碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱效果好，制造工藝也較為成熟，但是不耐腐蝕，銹渣易堵塞換熱列管和生產(chǎn)管路，影響換熱效果，縮短使用壽命，增加生產(chǎn)和維修成本。不銹鋼具有良好的耐弱酸介質(zhì)腐蝕的能力，而且具有優(yōu)異的機械加工性能，但是，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)不如碳鋼，大約比碳鋼低15%～20%，其加工成本也遠(yuǎn)高于碳鋼，且在氯離子環(huán)境里易發(fā)生應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕。因此，需要研發(fā)更多的新型換熱材料。氟塑料換熱器具有良好的耐腐蝕、耐磨損性，但是，導(dǎo)熱系數(shù)較小，換熱能力差，不能用于換熱設(shè)備。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”，是一種以四氟乙烯作為單體聚合制得的高分子聚合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性。碳納米材料是一種納米量級的新材料，在光、電、熱、磁、力學(xué)、機械等方面均展現(xiàn)出了優(yōu)異的物理化學(xué)性能，碳納米材料涂層技術(shù)可有效增強物體表面的換熱性能。石墨烯作為新型碳納米材料的一種，已經(jīng)成為新材料皇冠上的明珠。將石墨烯與聚四氟乙烯(PFA)復(fù)合得到一種新型換熱器材料，該材料同時具備石墨烯的良好導(dǎo)熱性和聚四氟乙烯優(yōu)異的耐酸堿腐蝕性。北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室的梁佳鵬搭建了余熱回收測試實驗臺，對石墨烯—PFA復(fù)合材料換熱器和金屬換熱器的傳熱性能進行了對比，研究了不同煙氣流速、不同進口煙氣溫度以及不同石墨烯配比對復(fù)合材料傳熱性能的影響[4]。

⑵ 對現(xiàn)有換熱器進行改型，調(diào)整換熱器的結(jié)構(gòu)，延長設(shè)備使用壽命，降低換熱器維修和更換費用。天辰化工有限公司的氯乙烯車間使用的換熱器主要以列管式換熱器為主，換熱器列管外壁經(jīng)常因出現(xiàn)大量淤泥、氧化鐵和鈣類水垢而降低換熱效率。天辰化工根據(jù)聚氯乙烯的理化性質(zhì)，通過技術(shù)考察，在不改變換熱器的材質(zhì)，不增加換熱器成本的前提下對原有換熱器的進出口進行了調(diào)整，并對換熱器內(nèi)部的折流板進行了重新設(shè)計。經(jīng)過改造的換熱器壽命延長了1倍以上，12臺換熱設(shè)備每年可以節(jié)約維修費用12萬元[5]。

⑶ 異型管管翅式換熱器可以強化換熱效果。傳統(tǒng)換熱器的換熱管是表面光滑的圓形，存在流體阻力大，壓降大的缺點。通過改變換熱管的形狀，將換熱管換成異形翅片管，更改翅片管間距，可以明顯增加換熱器的效率，減少能耗。北京大學(xué)的徐榮吉等對橢圓形管、扁平管和“大—小”排布的異型管管翅式換熱器性能進行了研究，得出翅片間距較大的異型管管翅式換熱器能耗和阻力最小，綜合性能最佳[6]。

2.3 大型儲罐技術(shù)

在化工生產(chǎn)中，為了儲存化工原料、中間產(chǎn)物和生產(chǎn)成品，設(shè)置了大量的儲存設(shè)備，而這些儲存設(shè)備一般都是在有壓力的狀態(tài)下工作的。《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》根據(jù)壓力的大小將化工容器分為低壓、中壓、高壓和超高壓四種。儲罐的結(jié)構(gòu)形式有臥式和立式兩種，儲罐的筒身有圓筒形，方形和球形三種。其中，圓筒形儲罐因為制造方便，承壓效果較好作為中型儲罐被廣泛使用，而球形儲罐雖然制造困難，但承壓效果最好，主要應(yīng)用于大型儲罐。經(jīng)過耗材和力學(xué)性能的計算和分析，在承壓相同的情況下，儲罐容積越大，鋼材耗用量越低。大型儲罐制造的經(jīng)濟性一直以來都是化工人關(guān)注的課題之一，大型化、節(jié)能化、智能化已經(jīng)成為化工儲罐未來的發(fā)展方向。

⑴ 材料是制約儲罐大型化發(fā)展的主要因素之一。儲罐隨容積的增加對材料的強度和剛度的要求逐漸提高。目前，我國用于化工儲罐的主要鋼材是16MnR，但其強度較低，例如，在制造5萬立方米浮頂罐時，壁厚可達(dá)34毫米，給大型儲罐的制造帶來了較大的困難。由武漢鋼鐵設(shè)計院、北京燕山石化公司、合肥通用機械廠、中國石化北京設(shè)計院組成攻關(guān)小組，對07MnCrMoVR鋼進行研究開發(fā)，并用于北京燕山石化公司三臺10萬立方米浮頂儲罐[7]。

⑵ 腐蝕破壞已經(jīng)成為儲存設(shè)備失效的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失可達(dá)2000萬美元以上，同時造成多起人員傷亡事故。加強儲罐防護技術(shù)的研究，提高防腐技術(shù)，對在用儲罐剩余壽命進行預(yù)測，將成為化工儲存設(shè)備使用的發(fā)展方向。目前的防腐措施主要有涂層和陰極保護，設(shè)備安裝和養(yǎng)護階段，尤其是大型儲罐的細(xì)小零件處，防腐工作必須做好。江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院的宋高峰使用Gumbel極值分布法和有限折線，較為可靠地預(yù)測了服役儲罐的剩余壽命[8]。

2.4 反應(yīng)釜技術(shù)

反應(yīng)設(shè)備在化工生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用，常見的反應(yīng)設(shè)備有釜式、塔式、管式、固定床反應(yīng)器等。釜式反應(yīng)器是一種典型的反應(yīng)設(shè)備，根據(jù)操作方式可以分為連續(xù)攪拌反應(yīng)釜、半間歇釜式反應(yīng)器和間歇釜式反應(yīng)器，能實現(xiàn)均相反應(yīng)和多相反應(yīng)。相對于其他反應(yīng)設(shè)備，反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)簡單、方便制造、操作靈活，適合于多種小批量生產(chǎn)。間歇式反應(yīng)釜批量加料，適用于多品種、小批量，反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。半間歇釜式反應(yīng)器常因物料積累過多且反應(yīng)放熱過快，容易引發(fā)熱失控風(fēng)險，造成化工安全事故。連續(xù)式反應(yīng)釜產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于操作控制，但是易出現(xiàn)返混現(xiàn)象。反應(yīng)釜屬于復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)器，壓力、溫度、濃度等參數(shù)的精確控制直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)動力學(xué)、相平衡和物料平衡原理，建立機理模型，對工藝參數(shù)進行模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，可以明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和能源的利用率。江南大學(xué)的陳珺對連續(xù)攪拌反應(yīng)釜系統(tǒng) (CSTR) 的滑控制問題進行了研究。在之前學(xué)者的研究成果上，對線性滑模面進行了改造，保證了系統(tǒng)的控制精度，也避免了系統(tǒng)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象[9]。青島理工大學(xué)的于波等提出了CSTR的具有輸入輸出約束的模糊自適應(yīng)命令濾波控制，借助命令濾波技術(shù)簡化控制器的結(jié)構(gòu)，利用Barrier Lyapunov函數(shù)和輸入飽和函數(shù)對系統(tǒng)的輸入、輸出進行約束，得到了結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高的控制器[10]。

3.結(jié)語

化工設(shè)備的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人類勞動力，提高了生產(chǎn)自動化水平，改善了人類生活現(xiàn)狀。雙碳目標(biāo)下，強化化工設(shè)備性能，不斷開發(fā)新型復(fù)合材料，能夠為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高化工設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動化水平、延長設(shè)備的使用壽命、穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量、提高能源的利用率提供保障。我國的化工行業(yè)還處在發(fā)展階段，需要廣大科技工作者共同努力來提高化工設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用水平，助力雙碳目標(biāo)的順利實現(xiàn)。