双碳目标下化工设备助力化工生产低碳转型研究

双碳目标下化工设备助力化工生产低碳转型研究

曹建设1 ,王兰民2

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摘要：当前，我国存在着比较严重的资源损耗和浪费、环境污染和破坏问题，对我国的可持续发展造成了一定的影响。为有效的降低这些问题，我国提出了低碳经济理论，强调积极的推进各行业的创新和转型升级，做到有效的节能环保。化工企业的发展，需要不断的创新和优化其生产，科学的引进和使用绿色化工技术，强化生产过程的节能环保，有效的降低生产过程的资源损耗，减少环境污染和破坏。文章从应用现状和能源消耗分析了化工生产的特点。结合双碳目标，对塔设备、换热器、大型储罐和反应釜等化工设备的现状和未来发展方向进行了总结和分析。化工设备的高效率、高节能性、高自动化、安全可靠将助力化工生产的低碳转型。

关键词：双碳目标；化工设备；低碳转型

1.引言

化工设备的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改善了人类生活现状。为实现1.5℃/2℃升温目标，我国在第七十五届联合国大会上提出“2030碳达峰，2060碳中和”的碳减排两阶段战略目标，即“双碳”战略目标。化工工业在世界各国的国民经济发展中都占有重要的地位，我国的化工工业起始于50年代，发展于70年代，在经历了迅速的崛起和腾飞之后，已经成为我国经济发展的重要支柱产业之一。在双碳目标下，随着我国科研水平和制造技术的不断改进和提高，化工设备正经历着从整体尺寸的大型化到附件结构的优化，从原材料的攻克到运行和维护智能化的变革。

2.化工设备研究现状

2.1大型储罐技术

《固定式压力容器安全技术监察规程》根据压力的大小将化工容器分为低压、中压、高压和超高压四种。储罐的结构形式有卧式和立式两种，储罐的筒身有圆筒形，方形和球形三种。其中，圆筒形储罐因为制造方便，承压效果较好作为中型储罐被广泛使用，而球形储罐虽然制造困难，但承压效果最好，主要应用于大型储罐。经过耗材和力学性能的计算和分析，在承压相同的情况下，储罐容积越大，钢材耗用量越低。大型储罐制造的经济性一直以来都是化工人关注的课题之一，大型化、节能化、智能化已经成为化工储罐未来的发展方向。

2.2反应釜技术

反应设备在化工生产过程中发挥着重要的作用，常见的反应设备有釜式、塔式、管式、固定床反应器等。釜式反应器是一种典型的反应设备，根据操作方式可以分为连续搅拌反应釜、半间歇釜式反应器和间歇釜式反应器，能实现均相反应和多相反应。相对于其他反应设备，反应釜结构简单、方便制造、操作灵活，适合于多种小批量生产。间歇式反应釜批量加料，适用于多品种、小批量，反应时间较长的产品生产，但产品质量不稳定。半间歇釜式反应器常因物料积累过多且反应放热过快，容易引发热失控风险，造成化工安全事故。连续式反应釜产品质量稳定，易于操作控制，但是易出现返混现象。反应釜属于复杂的非线性化学反应器，压力、温度、浓度等参数的精确控制直接影响生产效率和产品质量。根据动力学、相平衡和物料平衡原理，建立机理模型，对工艺参数进行模拟和现场监测，可以明显提高产品质量的稳定性和能源的利用率。江南大学的陈珺对连续搅拌反应釜系统（CSTR）的滑控制问题进行了研究。在之前学者的研究成果上，对线性滑模面进行了改造，保证了系统的控制精度，也避免了系统出现抖振现象。青岛理工大学的于波等提出了CSTR的具有输入输出约束的模糊自适应命令滤波控制，借助命令滤波技术简化控制器的结构，利用BarrierLyapunov函数和输入饱和函数对系统的输入、输出进行约束，得到了结构简单、控制精度高的控制器。

2.3塔设备技术

塔设备是化工生产中重要的设备之一，常被用来实现气液或液液之间的充分接触，使相际之间进行传质和传热，完成精馏、吸收、解吸和干燥等操作单元。常用的塔设备有板式塔和填料塔两大类，在整个设备中，塔设备的投资约占25%，重量约占49%。塔器一般是圆筒形高大直立设备，常安装在户外，效率低，压降大，是热效率低的耗能大户。例如，精馏作为化工生产中的重要分离过程，是利用混合物中各组分挥发度的不同将各组分加以分离，其能耗可占整个化工生产的60%。因此，精馏工艺的改进以及精馏塔设备的优化对于节能减排，对于双碳目标的达成，具有极其重要的意义。通过新型的高效分离技术，可以提高精馏的分离效率和物料的回收率，降低回流比，进而降低能耗，而新型高效的分离技术离不开新型精馏塔的支撑。近年来，我国塔器技术有了很大的提高，开发出了许多新型的填料和塔盘。例如，华东理工大学开发了一系列的导向浮阀塔。对于常压或加压的大直径塔器，工业上目前仍以板式塔为主，浮阀塔就是一种重要的板式塔。F1型浮阀因其结构简单、价格便宜、技术成熟被广泛应用，但F1型浮阀操作弹性差，易导致塔板上液体梯度大，使气体不能与液体混合，导致塔板效率降低。为了解决普遍使用的F1型浮阀塔的压降大、效率低、不利于增产节能的缺点，华东理工大学开发研究了导向浮阀塔板系列产品，如导向浮阀塔板、组合导向浮阀塔板、齿形导向浮阀塔板等。它们是将原有的圆形F1型浮阀改成矩形、梯形、齿形以及组合型。通过流体力学性能的比较，经过改造后的浮阀塔在塔板压降、雾沫夹带和泄露量等方面都有明显的改善，可提高塔设备的分离效率，提高处理量。

2.4换热器技术

据统计，在化学工业中，换热器的投资大约占设备总投资的30%，它是由换热器组成，主要依靠内部结构实现不同温度流体的热量传递和交换，达到工艺流程指标。在化工生产中，换热器可以是一台独立的化工设备，如再沸器、冷凝器、预热器、冷却器和蒸发器等，也可以作为化工设备的主要组成部件存在，例如，余热锅炉、管式加热炉、蒸发设备等。据统计，在石油、化工、冶金、电力四大行业中，换热设备的年回收热量折合标准煤约为5.7亿吨。常用的工业换热器有列管式换热器和板式换热器，其中列管式换热器应用居多。工业换热器本身属于高耗能化工设备，目前，我国针对换热器还缺乏健全和完善的评价标准，关于换热器的能效监管还有待发展，仅有《热交换器能效测试与评价规则》(TSGR0010—2019)，而且是针对板式换热器修订的，关于列管式换热器还缺乏有效的评价体系。根据工作环境特点，换热器的列管和管壳、管板之间存在较大的温差应力，同时，换热介质又具有较强的腐蚀性，从而导致列管和管板的开裂，造成换热器内漏，使用周期短，需要定期清洗和更换，大大提高了维修成本，降低了能源的使用效率，增加了资源的消耗。

结语

双碳目标下，强化化工设备性能，不断开发新型复合材料，能够为目标的结构优化、提高化工设备的生产效率和自动化水平、延长设备的使用寿命、稳定产品的质量、提高能源的利用率提供保障。我国的化工行业还处在发展阶段，需要广大科技工作者共同努力来提高化工设备的发展与应用水平，助力双碳目标的顺利实现。

参考文献

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