将化工厂的庞大设备微型化是否可行？

检验之星

庞大的塔器·反应器实际上不安全吧？而且维护起来也会很麻烦，更不用说启动/关闭装置了。为什么不适用体积小但数量多的设备呢？比如许多许多的像小筒一样的小型反应釜。是否能够实现？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/43165552

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首先要知道它为什么大，庞大，巨大。
你年产1吨的小玩意弄100个，和年产100万吨的大装置相比，养的人，耗的气，用的水。高的不是一个级别。然而这个100，你是吨，人家是万吨。
设备大小是以产能决定的，百万吨装置，粗暴计算1000000000kg÷8000÷3600＝35kg/s，即：一秒的精制产品量就是35公斤，不纯的÷纯度。这是反应的核心产速，核心反应器其实可以做的蛮小的。
但显然，前面还有加压（压缩机、泵），升温（换热器）、后面有提纯（塔），调整成分（混合、搅拌），这些设备小了可跟不上核心35kg/s的产速，后续的包装环节、市场消耗也不能分秒不停，所以还要储存（罐、料仓）。这些都小不了，为什么：
35kg/s：为了防止因介质流速过高而引起管道冲蚀、磨损、振动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4m/s；气体流速一般不宜超过其临界速度的85%，真空下最大不超过100m/s。易燃易爆静电敏感的介质流速限制都在1～2。管子口径要多大。DN200的截面积才0.0314㎡，1m/s，流过35公斤和水一样重的液体还不够呢，气相产物要多大截面？你的微型反应器的有效截面不能太小吧？塔里面是填料什么的，一般讲究表面积/流速，这里分母不小，分子咋办？更大。
微型化还有个问题，测量、检修、巡检、参数调整都没有巨大的设备那么方便。
实际上随着技术进步，有些化工产品的装置的确做到了小型化，比如MDI，万华化学从日本引进的1万吨装置里最核心的几个装置和后来自研的8万，16万吨在尺寸上差别不大，16万后来到30万几乎没变化，再后来，30万和旁边的80万吨装置比，管子粗了，装置真的没啥太大变化了，这不就是小型化吗，1万到80万，80倍，实际尺寸扩大了2倍不到，是不是意味着缩小到以前的1/40了？（下图右边16～30～40，左边80），万华上了黑科技好像还能再缩一缩中间那个装置，但是产能在这，下面那个装置就得堆叠了，以前2个塔，现在6个塔。


有些化工产品产率到了极限和瓶颈就开始做堆叠，比如乙烯裂解炉，最早7万吨一个炉，后来15万吨一个炉，现在能做到20多万吨，想要百万吨级，还得堆几个炉子上去。10万吨的ABS线想做40万吨就搞4条。
石油炼化，千万吨级的常减压，350万的催化裂解，按刚才那个百万吨35kg/s的产率，管道和装置要多大？缩到和上世纪100万吨炼油厂一样大？也许可以，那就加油吧少年。这是我们这代化工狗的知识盲区，有生之年是看不到这么大的进步咯。
希望你们能用下图这么粗的管子干出10万吨级的装置。百万吨级用1寸管子，不能更粗了。



收藏的这么多，不是万华的就是万华股东吧？那我IP改一下，睡服你们。

清风寡欲

有一种设备叫小试设备，可以了解一下。小试要拓展到中试，或者叫先导生产设备。
小试设备一般不用来量产，因为小装置通常没有很好的经济效益。大多数情况下是要预测一个市场反应和产生效率平衡的点来投资尽可能大的装置。
如果是小批量多品种生产，确实有很多工厂使用不是很大的装置来生产，差不多就是中试设备的规模。特别是精细化工，一吨几吨的装置非常普遍。

大力水手

不请自来，答主的研究方向就是微化工技术。关于化工厂微型化可行性问题，也就是迷你工厂的可行性，答案肯定是可以的（要不然我们的研究意义何在）。但化工厂微型化还有很长的路要走！
首先我来回答一下题主体的问题，为什么化工厂的设备体积这么庞大？记得13年做中石油—三井化工设计竞赛的时候，我们在考虑产量问题时，有看到过国家关于化工企业上马项目产量的相关标准，也就是说你必须要有一定的量，这样子才有市场竞争力，说白了就是能赚钱呀！假如你要生产一定量某纯度的产品，你就要去计算你所需要的反应釜的体积，所以产量上去了，体积自然而然的就会上去呀，而且有的时候还要采取串并联操作；还要在连续操作下对设备进行维修，就有可能在旁边复制同样的装置；然后再考虑到公用工程、控制系统、后处理什么的，整个系统简直庞大的不要不要的。
上面也有答主提到过微化工技术，不过大家好像更多的只看到它的好处，相应的忽视了它还有很多问题需要解决。在这，答主就班门弄斧一下了，不当之处还请诸位指点。记得刚开始选择这个方向的时候，也是被它的诸多优点所吸引，像什么快速混合、高效传热、停留时间分布窄、重复性好、系统响应迅速、便于自动化控制、几乎无放大效应、安全性能高等。就我自己在实验室里的体会来说，用微反应器作反应相对于釜式反应器给我最直观的感觉就是我在几秒的停留时间内就可以获得釜式反应器内几十分钟甚至几小时的转化率和收率，而且往往效果还更好。但题主说的是化工厂微型化，那也就是微反应器的工业化问题了。讲真，虽然它优点很多，但真要是工业化的话，需要考虑的问题还很多。首先是应用面，微反应主要用于精细化学品、制药、燃料电池、航海航天等领域。在传统的大宗化学品方面，鉴于流量问题，工业化的难度还很大。其次，微反应器放大采取的是数目放大，优点在于几乎没有放大效应，但也存在着缺点，比如物料分配、操作控制等，毕竟你很难做到每股物料完全照着你之前在实验室做的单片反应器的进料来，而且仪表控制也复杂了许多。再者，现在微化工的设备加工成本较高，而且也暂未模块化，很多时候都是一个反应设计一个微反应器，不具备普遍性。还有，现行微反应器主要进行气液、液液反应居多，如果液体黏度过大也易造成通道堵塞，更别说牵涉到固体物料的反应，工业化的难度较大。最后，微化工技术起步的这二十多年里，发展虽然很迅速，但仍有众多机理有待研究。暂且也就想到这些，欢迎补充～
另外，题主要是对这一方向感兴趣的话，可以多多关注一下这些研究人员课题组的发展动向。像国内做的比较好的有清华的骆广生教授、大连化物所的陈光文研究员、川大的褚良银教授；国外的话，有MIT的Jensen教授（近期还发了一篇Science，膜拜中）、荷兰TU/e的Hessel 教授等，好吧记性太差了，想不起名字来了，只记得杜邦、BASF、KIT、东大、IMM那边都有在做这个方向，而且做的很不错。
就这样吧，手机打字好累呀，午睡去～路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！

清风寡欲

这是我最想答的问题，我们在努力。
最后的结果是我们花了三年时间把一个车间缩小到原来的十分之一，产量提高了十倍。补充下，是原年产300吨的产品扩大到3000吨，是连续三步反应。
期间的辛苦远远超出预料，国内硬件的不匹配和过于粗糙，逼得我们搞合成的去设计计量泵，去电焊，去选材料，设备上一套废一套。
说出来只是为了告诉大家这种方式的可行性，让大家更加坚定的走下去。
现在国内化工企业的情况：
1.简单粗暴的工厂迫于环保压力都开始转型或倒闭。
2.废水废气排放控制越来越严格。
3.废水排放量降低，以往清水稀释cod走不通。
4.老生常谈的安全问题
5.其它
针对这些问题我们决定对公司的几家工厂进行改造。
我们需要的是一种基于安全的小型封闭式连续化自控反应体系，并且尽可能的回收废水。
听上去很简单，一套合适的工艺包，几个小反应釜，几台自动进料泵，几根管道，一套自控系统。
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首先老工艺包必须重新开发，所有原料需要满足几个条件：液态，不易结晶，低粘度，同时要控制成本。工艺不便透露，但是我们要做的是挑战经典反应（有固体进料），没有资料参考，没有参考资料，没有资料参考。我们的时间：经典反应，三步反应，一年半，我一个人，经常性加班。结果是：所有固体原料替换，反应比较稳定可靠，废水降低一半，单耗降低20%（大部分废水处理的钱），缺点是：容错性低，没有大设备间歇反应的调整空间大。
工艺出来了就要设计设备，因为不是标准设备，所以大部分都是公司自己设计，最后交给设计院修改，这段时间需要天天和设备部在一起，提供各种参数。结果：一个多月完成。物性书不停翻，拿计算器不停算。
蓝图出来了，最痛苦的设备选型定做开始。结果：大半年设备大体安装完毕。设备调试半年后结果：基本全部换掉，和各个设备厂家留下一屁股纠纷。一年后结果：进料系统和我们想的差距非常大，非常不稳定，需要一直盯着。自动控温系统由于体系太小过于敏感，温差居然上下浮动有30℃。整套系统最满意的就是到处是防爆片。0.25mpa的。
试车：对于实验室来说，工艺就和自己的孩子一样，看在防爆片的份上，我去开车了。不是这段温度超了就是那个进料泵不转了。失败
试车二：设备再次大改，依旧无法稳定可靠运行。
试车三：已经试车一年了，整套设备改的面目全非，自控系统全部撤出，靠活人一直盯着，进料阀门不停调整，到处是我们自己做的小东西。
连续稳定合格出料三天三夜，停车，倒头就睡。
出于对公司的保护，无法详细写出我们如何改进，如何自己制作设备，和众多至关重要的小东西。
虽然很辛苦，国内在这块硬件的制造水平让我们吃尽苦头，工人对新设备的抵触只能自己上，但至少我们做了，这是起点。
有空聊聊我个人对未来化工的想法吧。

在这套设备之前我们还试过一套，去掉反应釜，全是管道，自己改造离心泵，消除它的量程，放在管道直接，用作搅拌和主要反应点，失败了，原因很复杂，国内机械密封太烂，流速过快，换热不够（当然我们已经尽力达到最大换热面积了），但是在某些方便是非常成功的，因为流速快，接触时间短，特别适合会过头的反应，我们的思维模式也在试车中完全颠覆（这类反应实验室都是通过严格控制物料比例和温度来防止过头，然而到最后我们因为换热面积太小，没有控制温度，因为计量泵太差使用略微过量的辅料，单纯通过控制流速得到了比实验室好很多的结果）。思维方式一变，很多不适合工业化的工艺好像有了希望，然后我们就开始自己折腾机封，试过填料密封等等，最后还没办法才有了前文提到的系统。
我还是很心水管道反应器的。


评论区里好多有一样想法的人，甚至还有参加过同一个会议的人，每一条我都认真看了，我很幸运有一个技术狂的老板，给我们足够的自由和资金去尝试，也很感谢设备厂家陪我们折腾，虽然你们并不愿意（看了评论才了解到设备厂家的难处和中国的化工基础设备为什么发现缓慢）
引用几段评论
“我们就是做设备的，最主要还是因为资金的问题，厂商没有多余的资金运用在技术革新上，而人力资源上的节约导致技术人员一个人至少顶着4个活，没有精力在去技术上搞研发，导致各家都是模仿抄袭作假，最终原因还是因为国家的税收太繁多重，利润非常薄”
“原来从事了4年的石化设备，化工泵成套商，下游乙方。。。这个行业的门槛高，各种名单准入机制；这个行业吸金，工程周期长，从产品铸造水平到机加工能力，再到产品质检装配一条线，每一个地方都重要，当然，大部分重工业都这样。正因为如此，这个行业很讨厌的一点就是不肯变动，不论是上游工艺，还是下游设备，都不愿意改动；现在市场上主流工艺和设备，好多还是上个世纪的。。。”

集中回答下几个有意思的问题
1.有没有用到多变量自动控制系统？
答：有，最后都撤了，体系太小，控制点过多，体系小是关键，体系小意味着一切都变得敏感包括液位，温度，压力等变量。而且根据我使用的经验，国内自控阀门多多少少都是会漏液的（等待自控人员解答）体系大的话漏点就漏点，体系小不行。
2.过于小型化，热能这一块有处理方案么？高温高压的作业人员安全以及规范要求在施工图阶段都是需要考虑的问题。
答：热能我们用了两套方案，一是使用大量低沸溶剂，优点是温控稳定，不用依赖自控来控温，缺点是能耗提高，溶剂汽化有压力。二是传统换热器改进，评论区就有人提供这类技术，一定比我们自己专业。
3.感觉主要还是改变设备要变更生产工艺吧，原来的原料指标和加入的比例都会变化。
答：是的，一般人认为原工艺可以直接搬上去用，其实不是的，连续化小型化后物料接触时间和碰撞程度变化，配比是需要变化的。
4.缩小体积，不可避免的带来容错性下降，更别说直接缩到之前的10%。但是自控应该也是可以做到的，能说下问题出在哪里吗？
答：和问题1一样
5.



答：我就是实验室的，三步反应一年半我觉得时间已经足够，控制温度50℃的反应我从冰水温度0℃做到体系沸腾温度110℃，温度破坏性实验全了，体系停留时间也全了，我们甚至定做了一套玻璃连续化小设备运行了三天，物料过量，温度超标，突然停车，体系进水全部现象以及处理方案整理，中式方案其它部分不提，就是工艺方面的应急处理就有十多页，当然我做的并不好，因为这是必不可少的。工人的问题并不是怀疑你的技术，在他们眼里并没有对技术成功的渴望，而是因为改变，让他们上班更加辛苦，他们需要背中控条件，需要摸排新设备新阀门管道，需要接受新的东西，但是工资并没有变化，后来给加了工资还是因为中试太辛苦。你举的例子太赞同了，所以出现了我们自己设计设备的情况，因为非标，一定要化学专业和设备不停的沟通才能设计出能用但是依然很难用的设备。自控阀门更换一定是国内阀门厂的意见，我们并没有这种能力去摸透这些东西，我们只能提供我们的参数，调节阀漏的问题建议你咨询下自控设备从业人选，因为我接触的厂家都是认为有点泄露是正常的，所以我们避开了调节阀。我不知道你是怎么理解走和跑的概念的，有的人沉下心，每天不停的爬，他一定比人早点学会走，每天不停的走，一定比人早点跑，我提到的不多，三年每天我们都在积累。还有，这不是吐槽，如果你是化工企业的，甚至你是我吐槽对象（基础设备行业）的话，大家都有无力感，明明有可以减少污染的工艺，但是成本太高，明明可以更加安全，但是过于复杂。评论区也有设备人员说明明知道是上个世纪设备却无力改变。我写的太少，但是又没办法写出我们是如何修改计量泵，如何让连续化中间的油水分层系统稳定连续，如何让油水在管道中不分层，均匀的按比例流进下一步，如何调节改造连续精馏。你的最后一句我很不赞同，浮躁的有机实验员三年已经走了不下二十个，留下来去做这些事情，扪心自问，都是做好了可能一事无成的准备。最后，逢山开路对于实验室和中试是一定的，我们的技能是尽量在前期减少山和做好遇到山该怎么开路的准备，中试说白了就是熬，不断遇到困难，不断走弯路。
6.


答：温度控制不住主要是换热介质流量不稳定，我们在使用开关的电磁阀时前后都加了阀门，通过缩小阀门来起到缩径的作用（不知道这是否有弊端），运行的还不错，比固定的缩径更加灵活。但是几个小时后电磁阀都烧的差不多了，里面的类似石膏的东西都掉了出来，黑色的油也渗透出来，阀体很烫。可能因为体系调整过于频繁。我们换过好多次，厂家也来换过不同型号，就是一直烧，每烧一次我们都手忙脚乱的，要恢复稳定又要一大段时间，连续化一次不稳定，就是要调整一大段时间，最后就都撤了。


继续留着，有空慢慢说。
再说一下，这真是个好问题啊！是未来化工的一条很不错的路。
我们也考察了很多企业，康宁的微通道反应器，某公司的回路反应器等，最后还是选择自己做。
各位同行并且有同样想法的甚至是在和我们做同样事情的人，非常抱歉，我们还没有对外交流的打算，希望我们能一起平行向前，前面一定会有个交点。

队长是我

“化工厂的设备体积都很庞大”←该描述有误
1、实际情况

化工厂的（主体）设备体积基本是跟产能相匹配的。以冶炼化工行业的结晶器为例：百万吨以上氧化铝厂用的结晶器可达数十米高、而几千吨规模的稀有金属（如钼）冶炼厂用的结晶器不过四五米高。
2、大型设备换成多个小型设备是否可行？
答案是可行，具体要看两种方案的优缺点而取舍。
单件大型设备：优点（并非绝对）是性价比高（固定资产投资低）、生产效率高、占地面积小、零配件更换方便、检修成本低、操作工序少（人力成本低）、便于实时检测分析等，缺点是单级能源利用、设备内部的化学反应未必均匀、温控难度高（传热慢）、需要大型配套检修设备、可能存在重大安全隐患。

多个小型设备：优点（并非绝对）是便于能源多级利用、发生重大安全事故的可能性降低（而不是安全隐患降低）、便于品控和温控、设备更换方便等，缺点是操作工序多（人力成本高）、投资大、占地面积大、物料转运复杂、检测点增多、维护成本高等。
两种方案各具优缺点，如何取舍因事而异。
3、案例
以氧化铝为例，氧化铝冶金过程的主体蒸发设备陆续从单效蒸发过渡到了五效、六效蒸发，甚至已经开发出了七效蒸发（七级蒸发器串联），其主要原因是：氧化铝的生产体量太过庞大，消耗大量的能源，每一个百分点的热效率提升都能产生很大的经济效益，而多效蒸发的最大优势就是提高热效。在效益增量面前，因增加设备而导致的问题（投资高、操作检修复杂等）都不值一提。
反例也有，在钴、稀土（镧柿等）、钼、钨行业，其冶金过程至今（绝大部分企业）还在用单效蒸发，因为在这些小金属企业的成本核算中，多效蒸发器带来的降耗受益未必能抵消其增加的人工成本。
4、极端案例
题主提到的“（将大型反应釜替换为）许多许多的像小筒一样的小型反应釜”思路，其极限方案是“（将大型反应釜替换为）无数个像小筒一样的小型反应釜”，看起来像天方夜谭，但。。。真的能实现。
“无数个像小筒一样的小型反应釜”全部串联起来是什么样子？答案是：一根管道。
所以实现方案就是连续流态化。以氧化铝为例，他们将该方案称为“管道化”。
“管道化”实现之前，用的是高压反应釜，是这个样子的：
图片来源：
http://www.ntthjt.com/products_show.asp?areaid=261&id=776

这是Ø3000*H18000的大家伙，几十台这样的反应釜摆成一排。。。你们想象一下。
而“管道化”是这样子的：
图片来源：
http://paper.cnmn.com.cn/content.aspx?id=11138&q=2636&v=1
为什么有些氧化铝厂用管道化？答案在这里：
管道化溶出技术

以上。