化工工艺与设备的适应性设计

杨海民

(内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司氯碱化工分公司电石公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064)

0 引言

在化工生产中，工艺属于软件，设备则属于硬件设施，任何一方存在问题都无法较好保证生产质量与效率，只有相辅相成、同步提升，才能满足行业高质量生产要求。随着化工业发展，化工原料发生变化，对生产工艺有着更高要求，若化工设备停滞不前，没有及时更新、优化，就难以满足生产需要，甚至引起生产事故。只有加强化工工艺与化工设备适应性设计，才能从根本上规避生产问题发生，确保设备能够为工艺生产提供足够支撑，提高生产质量与安全性。因此，联系实际分析化工工艺与化工设备的适应性设计是十分重要的。

1 化工工艺与化工设备概述

1.1 化工工艺

化工工艺是让原料发生一系列化学反应并将其转变为目标产品的方法与过程，同时涵盖了“原料—产品”转变的方法。若单从定义上来看，工艺看似简单，但其中往往需要经历一系列复杂变化且伴随危险性[1]。具体而言可分为三个基本步骤：(1)原料预处理，大多数原料不能直接进行反应加工，而是需要采取一定的措施进行预处理，如材料净化、混合、粉碎、提浓等，确保原料能够较好符合化学反应要求；(2)化学反应，是整个化工工艺中最为关键的步骤，需要在特定反应条件下进行，如氧化反应、还原反应、聚合反应、复分解反应等，然后生成产物；(3)生成产物精炼与提纯，化学反应结束后获得的产物其中混合有多种杂质，必须经过处理以后才能形成符合国家标准的化工产品。从这三个步骤不难看出，化工工艺的本质，即将原料转变为产品这一过程中所需要应用到的操作方式，涵盖原材料大小设计、原料反应设计等多项内容，具有复杂性。可以说化工工艺决定着化工产品的最终品质，只有面面俱到，综合考虑多方要素后设计的化工工艺，才能切实满足化工生产要求。化工工艺是化工生产实现的初期阶段，也是影响化工设备结构、性能设计的重要因素。化工设备设计必须基于详细的化工工艺分析来进行，了解需求与关键点，保证设计质量，提高设备性能。

1.2 化工设备

化工设备即化工生产过程中所应用到的所有设施设备，通常情况下被分为两个部分：第一部分，化工机器，主要部件以运动机械为主，比如压缩机、泵、风机、烘干机等，具有较强的功能性；第二部分，处于静止状态的机械，比如容器、分类设备、反应器等[2]。目前，我国化工行业得到较好发展，生产线更加复杂，生产工艺不断更新，朝着更加具有科技性、先进性的方向发展，为满足生产需要化工设备的生产种类也开始多样化发展，每种设备的用途、使用方式等各不相同。企业在选择化工设备时，必须结合具体的化工工艺、生产需要，以及自身经济实力等进行合理化选择，保证化工设备组合具有较好的经济性，符合化工企业阶段性生产需要。

2 化工工艺与化工设备适应性设计的重要性

化工产业的发展以及设备的运行效果都与化工企业的经济效益密切相关，需要不断提高设备在使用时的适应性，确保所有设备在使用时其效果得到改善，切实提高化工设备的有效利用率[3]。化工工艺与化工设备具有较强的关联性，作为化工生产中的两大重要构成，适应性设计尤其重要，会影响到多个方面：

其一，有助于提升生产效率。化工工艺与化工设备相辅相成，适应性设计能够基于现实需要，对不合理部分进行优化完善，提高工艺的可实现性、设备的可操作性，确保生产过程顺利完成，在同等时间内能够创造出更大的经济价值、生产更多化工产品，提高生产效率。

其二，有助于加快检修速度。化工设备在使用过程中会产生不同程度的磨损，这是由于化工设备通常是处于高压、高温等极端状态下运转，过程复杂，必须定期检修以发现问题，为安全生产提供保障。适应性设计的实现，可以促进工艺参数优化、操作精简化，设备的耐用性有所提升，为检修工作带来极大便利，切实提高检修速度，加快生产进度。

其三，有助于提高实用功能。适应性设计是充分考虑到化工工艺、化工生产需要后的优化设计，整个设计过程更加具有针对性，能够激发化工设备的真实效能，功能性明显提升，可以更好地适应化工生产过程[4]。

其四，有助于规避安全隐患。化工生产本身就是一个较为危险的过程，适应性设计能够使化工工艺与化工设备更加匹配，而基于安全性的适应性设计可极大程度上提高工艺、设备生产安全，进而规避安全隐患，防止事故发生。

其五，有助于增加经济效益。从以上分析中不难看出，化工工艺与设备的适应性设计可提高生产效率、加快检修速度、规避安全隐患，这些都是增加经济效益的重要因素。生产效率提升意味着同等时间内企业可获得更多产品来提高利润，检修速度加快能够为安全、快速生产提供保障，保证生产线持续运行，安全隐患问题规避，则能减少企业意外风险对企业的威胁[5]。因此，就整体而言适应性设计对于增加化工企业经济效益有着重要的促进作用。

3 化工工艺与化工设备适应性设计原则

3.1 环保性原则

目前，全球范围内的能源危机、环境危机已受到广泛关注，受人类社会活动、产业发展等方面因素影响，能源消耗过度导致资源短缺，而生产过程中产生的污染物质，又会造成环境污染，生态平衡受到影响。这些都说明，环境保护迫在眉睫，只有注重环境保护才能实现可持续发展，促进人类文明繁衍[6]。化工行业生产本身就会消耗资源并产生有害物质，只有将“环保”作为首要前提才能够适应时代发展需要。因此，化工工艺与化工设备的适应性设计，必须遵循环保性原则，通过科学设计来减少能源消耗与污染问题。比如，工艺设计中可以增加降低有害气体产生与排放的环节，同时对产生的化工废料进行循环利用，提高资源有效利用率；化工设备设计，则可以通过减少空转产生的能耗，限制化工生产过程中的能源资源消耗，做到节能减排，全面贯彻国家关于资源节约、环保优先的各项政策要求。

3.2 经济性原则

低成本、高效益是企业追求的主要目标。因此，化工工艺与化工设备设计，应当充分考虑经济方面的要素。在保证成本与生产质量的基础上，最大程度上控制成本，提高企业经济效益。

3.3 安全性原则

化工生产中应用到的原材料或生产出的产品，可能具有较强的腐蚀性、易燃易爆性、挥发性，若没有对工艺流程、化工设备进行较好管理，有可能引发安全事故。比如高温、高压下反应时危险性较高，容易引起爆炸事故，一旦发生事故会对空气、周围环境造成污染，严重威胁一线作业人员、周围居民的生命健康安全。为此，化工工艺与化工设备的适应性设计必须遵循安全性原则，严格遵循国家法律法规要求，进行设计与生产，综合分析化工生产需要后，结合安全生产理念进行优化设计。

3.4 节能性原则

目前，化工生产过程中，消耗的资源主要有水、电、燃气、煤炭等，多为不可再生资源[7]。若不加以控制，不仅会影响到化工企业的整体生产成本，也会因过度消耗影响未来经济的可持续发展。化工工艺与化工设备的适应性设计，应遵循节能性、低耗性，通过观察记录化工生产中产生的损耗情况，从多个环节进行优化设计，将生产能耗降到最低，既有助于成本控制，也助力于节能环保。

4 化工工艺与化工设备适应性设计

4.1 工艺参数优化设计

工艺参数是保证化工生产顺利进行的重要条件，也是基本的参数指标。准确的工艺参数指标标志着化工设备始终处于正常运行状态，若参数出现偏差则说明运行存在问题需及时处理与解决。由于化工工艺中涉及多个步骤，不同条件、不同产品、不同反应下工艺参数也具有多样性、差异性。要根据具体生产情况进行优化，提高参数优化合理性，保证设备性能发挥到最大化，提高设备运行稳定性。一方面，专业工作人员，对不同类型的工艺参数资料进行整合，根据生产规律提出合理化、科学化的管控措施，从全方位、宏观角度出发，对化工生产过程中的工艺参数进行有效监控，确保其始终处于合理范围内，超出合理范围后及时发出警报，提醒参数异常并进行针对性处理。另一方面，物料供应环节同样对工艺适应性有着较高要求，必须完全满足运行要求。此时参数设计应充分考虑到原材料方面的相关问题，制定相对应的参数设计方法与相应的调整措施。物料反应速度也必须作为重点考虑范畴，立足于生产实际需要进行全面把控。考虑到工艺复杂性，工艺参数优化也必须将温度、压力、反应时间、原料规格、设备性能、设备效率、产品要求等纳入参数优化设计范畴，只有这样才能保证工艺参数优化设计科学合理，更好地为化工生产服务，创造更大经济价值。

4.2 设备结构防腐设计

大多数化工产品在生产加工期间，都要在高温、高压环境下完成，此时化学原材料具有较强的活跃度，为化学反应创造良好条件，同时也具有较高的危险性。为规避安全问题、减少危险事故发生，必须采取有效的安全防护措施进行干预保护，为作业人员提供足够保障。这就要求化工设备性能、质量都要有着较高要求，考虑到其运行环境的特殊性，需进行防腐设计，是适应性设计中应着重考虑的重要问题。化工生产过程中不仅会应用到较多的工业设备，同时还需要较多的原材料，这些原材料本身可能具有腐蚀性，而反应发生过程中也会产生一定的腐蚀性物质，对化工设备结构造成侵蚀。且化工生产是一个连续性过程，一轮生产结束后会进入下一轮生产，中间涉及较多的操作流程，只有做好防腐设计，才能保证设备在极端状态下也能够维持持续、稳定运行。比如，反应釜作为化工生产中经常应用的综合反应容器，使用频率较高，多种化学物质都需要利用反应釜进行反应，需长期处于高温高压、腐蚀性环境下运行。在设计中必须着重考虑到防腐设计。就材料本身而言，反应釜材料本身不能参与化学反应，在管控中也要将耐腐蚀性、耐高温与耐高压性纳入观察范围，若没有进行针对性的防腐设计，反应釜很有可能出现裂缝、变形等问题，甚至还会发生爆炸。除了原材料与监管控制，表面涂层采取防腐措施也是重要一环。常见方式为涂漆，比如邻苯二甲酸树脂、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛+磷酸等，涂漆前必须充分了解漆膜的防锈能力、机械性质等，确保防腐涂层有效[8]。另外，也可以通过金属覆盖层来防腐，比如塞焊以及焊衬里、金属复合法，具有较长的使用寿命，但工艺要求较为严格，也可以通过牺牲阳极来达到防腐的目的。此法一般有均匀镀铅法、热浸镀和喷镀法，但加工效率低、覆盖层薄，应用并不普遍，需要根据化工设备防腐需求选择合适的防腐措施。

4.3 化工设备耐用性设计

化工设备的选择需要结合化工生产需要与化工工艺来进行选择，而为了保证经济效益，化工企业通常是24 h 不间断生产，再加上化工设备通常处于极端环境下运转。在这样的情况下，设备很容易产生磨损，或其他运行问题，增加安全风险。比如，设备相互接触时受摩擦作用影响，设备表面会产生磨损破坏完整性，长期磨损下设备耐久性会受到影响，难以长期维持高效运转状态，相对的生产效率有所下降，影响企业经济效益。因此，必须以长期、稳定运行为主要目标，降低设备运行成本。针对化工设备的耐久性进行设计，综合考虑多方面要素与条件，分析化工设备运行的影响因素，着眼于技术层面提高化工设备的运行性能，增强其功能性、稳定性。对耐久性设计，则是要适当调整化工设备部件等的设计，延长设备使用周期与使用寿命。在化工设备生产优化方面，可以根据后续设备的使用环境、使用特点，选择生产材料。使用阶段化工设备会遇到磨损、超负荷运转、腐蚀等问题，不同形式下，化工设备自身也会受到破坏，因此，可选择具有较好抗磨损性、抗腐蚀性的材料作为设备的主要构成材料。同时做好防腐蚀设计、防磨设计等，增加外部涂层厚度保护内部结构，即使在极端状态与环境下运行，化工设备运行的长久性、稳定性、耐久性也能得到较好保障，相对的后续维护维修、检修成本也会有所下降。另外，根据化工设备运行情况，企业也需要进行科学维护，定期检查设备零部件，针对其存在的问题提出优化改进措施，持续改进改良设备，使设备在维修后仍然可以处于较为平衡、稳定的运行状态，为化工生产与化工工艺顺利展开奠定基础。

4.4 工艺设备节能环保设计

在众多行业中，化工行业产生的污染物较多，占比较大，且这些污染物普遍具有腐蚀性、重金属等特点，是非自然状态下形成的产物。一旦进入到自然环境中，生物机体、自然生态环境就会受到破坏，土壤、地下水循环系统等也会受到不同程度的影响，不利于人类社会发展。部分传统化工企业，为降低成本、实现经济效益最大化，污水、废水处理没有按照国家相关规定进行，或采取直接排出的方式，造成环境污染，与当今时代“绿色环保”主题不相符[9]。化工工艺与化工设备作为化工生产的两大核心构成，必须遵循环保性原则进行设计，这样才能促进化工企业升级转型，实现长效发展，全面贯彻绿色环保理念。在进行适应性设计时，必须着重考虑到环保、节能等方面的相关问题，其核心应着重放在降低污染物排放、提高资源有效利用率两个层面，降低环境污染问题发生概率。

化工工艺适应性设计阶段，需结合高温、高压等环境条件，以及原材料等方面因素进行，在保持生产稳定、安全的基础上，增加有节能环保装置设计。比如，在使用U 型束弯管时可进行防震设计，消除应力与热膨胀，提高安全性。化工设备设计时，主要是对材料进行筛选与管控，应用的材料应具有环保、节能等特性，且具有较好的保温性能，为更好地传热、储热提供保障，减少热量损失，达成节能目的。此外，化工生产过程中还会产生一定的噪声污染，噪声的产生多是由于换热管产生，需根据生产实际要求与需要，对换热管的尺寸、规格、材质等进行调整，以较好控制噪声的产生幅度，减少噪声所带来的污染问题。

5 结语

综上所述，化工业是目前国家经济建设中十分重要的基础行业之一，可带动经济水平快速增长。随着科技发展，化工工艺与化工设备也要积极进行变革，进行适应性设计以满足生产需要，对于化工企业经济增长、生产风险规避等十分重要。具体设计中，应当遵循环保性、经济性、安全性、节能性原则，工艺参数优化设计、设备结构防腐设计、化工设备耐用性设计、工艺设备节能环保设计是最为主要的部分，最大程度上延长设备使用寿命，减少化工生产的有害物排放，提高生产效率，为化工企业的可持续发展奠定基础。