化學工程對化學工業(yè)節(jié)能促進作用
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摘要：隨著科學技術的不斷進步，在對自然資源進行加工應用的過程中，化學工程與工藝發(fā)揮著重要的作用。而現(xiàn)階段，隨著化學工程與工藝水平的不斷進步與發(fā)展，人們生活、學習與工作中所涉及到的多種物資都與化學工業(yè)密切相關。然而，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的產生，在應用化學工程與工藝的過程中要不斷地進行技術創(chuàng)新，通過節(jié)能降耗，降低對環(huán)境的污染，為人類生存構建和諧的環(huán)境。而在化學工程與工藝發(fā)展的過程中，自動化、綠色化學、生物技術等作為新型技術能在促進化學工業(yè)節(jié)能方面發(fā)揮著重要的作用。文章結合化學工程與工藝理論進行總結分析，探索化學工程與工藝中自動化、綠色化學、生物技術對化學工業(yè)節(jié)能的作用。
關鍵詞：化學工程與工藝；節(jié)能；自動化技術；綠色化學；生物技術
0引言
在綠色環(huán)保理念的指導下，要求化學工程與工藝在發(fā)展時能夠盡可能地降低對環(huán)境所造成的污染，同時在化學反應生成的過程中，應盡可能地降低有毒副產物的產生[1]。而在化學工業(yè)發(fā)展時，應對設施設備性能進行改進和提升，降低對能源的消耗，進而使化工領域在為我們提供服務的過程中以盡可能小的副作用促進生產價值的提升，進而促進化學工業(yè)的進步，促進人類與自然和諧發(fā)展。
1化學工程與工藝發(fā)展現(xiàn)狀研究
化學工程與工藝滲透到了我們日常生活、工作的方方面面，基于該領域的應用，使得人們的生活質量和水平得到了顯著提高。然而，在化學工程與工藝廣泛應用的過程中，其對我們的生存環(huán)境所帶來的影響較大?；瘜W工業(yè)作為化學工程與工藝領域應用的具體體現(xiàn)，在其廣泛發(fā)展的過程中，使得化工垃圾、大氣污染、水污染、土地污染等領域都遭受了重要損失。而造成這一現(xiàn)象的主要原因是，在化學工程與工藝應用初期，其對人們生存環(huán)境所帶來的影響沒有引起人們的充分重視，同時對化學工程與工藝應用過程中的基本特性也沒有準確深入地研究，相應的技術和研究還不夠成熟。在采用化學工程與工藝為人類服務的過程中，沒有做好嚴格有效的把控，沒有科學系統(tǒng)化的管理措施，使得化學工程與工藝在發(fā)展過程中既導致了大量的資源浪費與枯竭，同時化學工業(yè)副產物也對生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的破壞[2]。例如，很多化工企業(yè)在生產的過程中對于部分化工垃圾沒有采用科學有效的處理措施，導致化工垃圾直接排放，造成的土地污染和水污染。同時，在進行化學工業(yè)的過程中，對相關的工藝要求標準較高，若相應的科學技術措施和設施設備不夠完善，會導致在化學工業(yè)的過程中產生大量廢氣污染到大氣環(huán)境。因此，結合化學工程與工藝在歷史發(fā)展時期的現(xiàn)狀進行總結，一方面對化學工程與工藝的研究與科學技術應用不足，粗放型的發(fā)展使得化學工程與工藝發(fā)展時的資源投入較大，在大量資源被應用的過程中也造成了資源的浪費。在資源控制方面的不足使得化學工程與工藝未來的發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)。另一方面對化學工程與工藝發(fā)展時的相關工藝技術未進行有效改進與提升，在環(huán)境污染方面未做到有效保護，其帶來的環(huán)境傷害性是現(xiàn)階段面臨的重要問題?；谶@一現(xiàn)狀，對于化學工程與工藝在未來發(fā)展的過程中，一方面要實現(xiàn)化學工程與工藝的自動化發(fā)展，基于自動化技術的應用從人力、物力、財力等方面資源進行節(jié)約，同時也基于自動化設施設備的應用使各項化學工業(yè)工藝更加精準嚴謹，使每一份化學材料在投入之后都能夠得到科學有效的應用，通過精細化的管理、縝密的計算、嚴謹的工藝，使化學工程與工藝產生更高的價值，更好地為人類服務[3]。另一方面基于環(huán)境保護的現(xiàn)實需求在化學工程與工藝發(fā)展的過程中要向綠色化學發(fā)展。通過綠色化學技術使化學工程與工藝應用過程中的廢棄物排放達到環(huán)境保護的標準，在化學工業(yè)的工藝流程方面不斷提升，進而使化學工程與工藝生產水平與質量得到顯著提升，同時又不會造成資源的浪費，不會對環(huán)境造成污染，使化學工業(yè)綠色化，滿足人類的發(fā)展需求。深入研究化學工程與工藝自動化發(fā)展與綠色發(fā)展這兩個方向，彼此之間是相互促進、互相協(xié)同的兩個方面。在實現(xiàn)化學工藝自動化發(fā)展的過程中，能為化學工業(yè)的綠色發(fā)展奠定良好的基礎，而綠色發(fā)展的目標又倒逼化學工業(yè)自動化水平不斷提升。因此，兩者相輔相成，共同促進，進而為后期的化學工程與工藝發(fā)展提供指導方向，為化學工業(yè)節(jié)能奠定良好的基礎[4]。
2化學工程與工藝在化學工業(yè)節(jié)能方面的應用
2.1基于自動化發(fā)展的化學工程與工藝應用
基于自動化的應用將使化學專業(yè)用在產業(yè)領域方面得到廣泛延伸，以此為基礎產生的新型產業(yè)也將更好地服務于廣大人們的生產與生活。而在自動化應用于化學工業(yè)的過程中，學科融合是基礎，物理、化學、數學等多學科通過有效融合，針對各項新型技術進行聯(lián)合應用，對化學工程與工藝進行全方位包容，使化學工業(yè)工藝擁有了更廣闊的發(fā)展空間[5]。自動化發(fā)展之所以成為化學工業(yè)未來的發(fā)展方向，主要是因為在傳統(tǒng)的化學工程與工藝發(fā)展過程中，其自動化技術的應用較低，使化學工業(yè)在生產效率方面得不到有效提升，同時在化學工藝質量方面也得不到提高。這一現(xiàn)狀不僅影響到化學工業(yè)的發(fā)展水平，同時在自動化效率不高的情況下導致多項資源浪費，使企業(yè)的發(fā)展成本居高不下，而產生的有利價值得不到提升，影響到化工企業(yè)發(fā)展過程中的經濟效益，而在外部環(huán)境不斷波動的情況下影響到化工企業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性。2.1.1自動化之無人化操作產品包裝設備。在化學工程與工藝領域發(fā)展的過程中，基于MES生產管理系統(tǒng)的應用使得化學工業(yè)在生產成本和管理效率方面得到顯著提升，而且在提升效率的過程中不僅有效節(jié)約了生產資源的投入，同時在人力、物力等資源方面也得到有效節(jié)約，是促進化學工業(yè)節(jié)能生產的重要措施[6]。在MES生產管理系統(tǒng)中的無人化操作產品包裝設備，能夠采用機械化操作進行包裝，可有效降低人力的投入，尤其是對于部分具有一定輻射性或者具有嚴重有毒性的化工產品在進行包裝時，可有效規(guī)避其對人體所帶來的傷害。因此，通過運用自動化設備進行化工產品的包裝，能夠24h無間斷工作，能夠達到人工投入所能產生的同等價值和效益，而且還有效規(guī)避了人員在生產投入過程中可能產生的安全性問題，作為一種安全、高效的自動化設施設備將促進化學工程與工藝自動化水平的顯著進步。2.1.2自動化之信息化管理。自動化包裝設備在化學工程與工藝領域的應用僅僅是冰山一角。基于MES生產管理系統(tǒng)，能夠對參與化學工業(yè)各環(huán)節(jié)的所有機械設備進行實時監(jiān)控，而在監(jiān)控的過程中通過分析各項設備的運行參數，及時發(fā)現(xiàn)設施設備運行過程中可能存在的問題和異常現(xiàn)象，基于發(fā)出的異常信號能夠及時對設施設備進行調整，以保障相應的工藝生產環(huán)節(jié)不出現(xiàn)任何問題。通過數據支撐實現(xiàn)信息化管理，使得管理效率得到顯著提升，管理更加智能化，而所帶來的最直接影響就是化學工程與工藝水平得到提升，能夠使生產效益和產品質量得到顯著提高。自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)的應用，使得所有參與化學工業(yè)的設施設備在管理水平方面得到顯著提升，任何設施設備出現(xiàn)異常問題都能夠及時發(fā)現(xiàn)，能夠及時針對化學工業(yè)工藝進行調節(jié)，保障生產效率和質量。而對相應的設施設備也能夠按照數據參數進行定時的維修和管理，使設施設備在使用過程中的壽命得到延伸，使用性能得到顯著提高。2.1.3自動化之DCS技術。通過自動化進行設備檢修能夠使化學工業(yè)工藝整個產業(yè)結構得到科學規(guī)劃和調整，使化學工業(yè)過程中的流程更加科學，從傳統(tǒng)的按不同生產環(huán)節(jié)進行分散管理向現(xiàn)階段基于MES生產管理系統(tǒng)的協(xié)同綜合化管理。而自動化管理技術的應用在人力資源方面得到有效節(jié)約，降低了企業(yè)生產過程中的人工成本，在該系統(tǒng)中的DCS技術能夠對各項設施設備進行精細化監(jiān)控，進而維持各項設施設備運營過程中的安全性和穩(wěn)定性，及時進行故障修復和排查?；谠O施設備的精細化操作和數據的精準計算，有效規(guī)避了人為操作過程中不穩(wěn)定因素帶來的損失以及對工藝生產產生的影響，因此基于MES的自動化管理技術應用從化學工業(yè)各環(huán)節(jié)、各板塊、全方位提升化工水平，使化工工業(yè)節(jié)能生產目標得以實現(xiàn)。2.1.4自動化之其他領域。當然除了在自動化管理方面的應用之外，自動化管理技術涉及到的化學工業(yè)工藝應用范圍非常廣泛，而且近幾年來隨著化工技術與產業(yè)發(fā)展水平的不斷提升，其自動化應用已經涉及到醫(yī)藥、高科技以及科研等多方面領域并發(fā)揮了獨特的應用優(yōu)勢?？梢哉f，現(xiàn)階段在化學工業(yè)工藝發(fā)展過程中自動化發(fā)展已經是化工技術進步與提升的關鍵。而基于經濟效益和環(huán)保等多方面影響因素的倒逼，使各化工領域和企業(yè)也在不斷的進行自動化技術的研發(fā)，自動化技術將成為化學工業(yè)發(fā)展的常態(tài)化應用。
2.2基于綠色化學的化學工程與工藝應用
化學工程與工藝在發(fā)展的過程中除了向自動化方向轉變之外，綠色化學也是化學工程與工藝發(fā)展的重要目標。綠色化學的誕生與現(xiàn)階段人們逐漸提升的環(huán)境保護意識密切相關，小到每一個個體、每一片區(qū)域，大到國家以及全球環(huán)境，都充分注重化學工業(yè)過程中的環(huán)境保護問題。而綠色化學應有效轉變的人們在傳統(tǒng)化學工業(yè)過程中的“末端治理”現(xiàn)狀，通過多樣化的環(huán)保技術應用使得綠色化學發(fā)展水平得到顯著提升。在綠色化學理念指導下，不僅僅體現(xiàn)在技術投入方面逐漸向綠色無污染方向發(fā)展，在原材料選擇以及資源投入方面也逐漸向綠色方向邁進，在化學工業(yè)發(fā)展的過程中運用無毒無害的原材料、在化工生產的過程中設置出無毒無害的反應環(huán)境，使得化工反應在實施的過程中具有更廣闊的選擇性，生產實施過程中的毒副產物產量不斷降低?；瘜W工業(yè)基于綠色技術的應用向清潔生產、零排放等多項目標奮進。結合綠色化學在化學工程與工藝領域的應用可以從化工反應的原料投入、催化劑應用、輔助劑應用以及能源應用等多方面踐行綠色化發(fā)展理念。2.2.1原料投入綠色化。在化學工業(yè)的過程中，原料的基本化學性質直接決定著化學工藝的設置以及化工產物的基本屬性，而在進行化學工業(yè)生產時盡可能的選擇綠色原材料，使化學工業(yè)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)綠色無污染目標，而生產之后的產物也屬于無毒無害產品，徹底轉變了傳統(tǒng)的化學生產現(xiàn)狀。例如，在進行原材料投入時選擇可再生的綠色資源作為化工原料。而這些綠色化工原料來自于植物、農作物、海產物、城市廢棄物等多方面，這些綠色資源在應用時可通過一系列反應得到醇、酮、酸等常用的化工原料，在生產的過程中主要是基于微生物的細胞分解發(fā)生化學反應作用。在這一反應鏈條中所投入的原材料為綠色無污染物，化學反應實施過程中為微生物分解不會帶來常規(guī)的化學反應所產生的污染排放現(xiàn)象，全過程屬于清潔無污染流程。2.2.2催化劑應用綠色化。在催化劑應用方面盡可能的選擇綠色無污染催化劑，在化工反應過程中催化劑是重要的組成部分，科學合理的選擇催化劑可以保障化學反應的順利實施，同時也是提高化學反應效率的重要措施。而基于綠色化學技術的應用在進行催化劑選擇時，也盡可能地減少有毒副產物的產生，降低對環(huán)境的污染，發(fā)揮各項綠色資源的有效作用，使其在化學反應中有效發(fā)揮催化作用。例如在進行化工生產時運用固體催化劑、分子篩、雜多酸等催化劑來代替常用的濃硫酸進行精細化生產，既簡化了化學工藝流程，同時又減少了在催化劑應用過程中可能產生的“三廢”排放量，綠色催化劑的應用使得化工生產污染減量化目標得以實現(xiàn)。2.2.3溶劑和助劑綠色化?；瘜W工業(yè)生產中的溶劑和助劑應用也逐漸向著綠色化方向發(fā)展。溶劑和助劑貫穿于化學反應的全過程，無論是在化學產品的分離，還是在化學反應催化環(huán)節(jié)等都會廣泛應用溶劑和助劑來保障化學反應過程的順利進行，以規(guī)避化學反應過程中可能出現(xiàn)的其他特殊障礙。然而，在傳統(tǒng)的化工領域，其溶劑和助劑的應用大多具有揮發(fā)性和毒性。這類溶劑和助劑在應用時，會影響到生產工人的身體健康，同時以此為原料所產生的化工產物也存在一定的環(huán)境污染性。而基于綠色化學所誕生的綠色溶劑和助劑在應用的過程中，不僅能夠達到與傳統(tǒng)有毒化學助劑和溶劑應用時的同等效果，更重要的是綠色無污染的特點使其在應用過程中的損耗較低，產生的化工產物更加綠色化，反應過程及其反應之后的產物不會對環(huán)境造成任何污染，使得化學工業(yè)的綠色化目標得以實現(xiàn)。2.2.4工業(yè)能源綠色化。化學工程與工藝的能源應用方面逐漸向著綠色化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在化學工藝的全過程都需要能源作為動力。例如，在化工生產的吸熱反應中需要基于能源供應為化工反應提供熱量，以促進化學反應的高效進行，而在化工反應的放熱反應中，對所放出的熱量也需要基于能源的供應對熱量進行轉移和應用，通過冷卻以保障化學反應的安全。在化工反應的蒸餾、萃取、結晶、超濾、分離、純化等相關過程中需要消耗大量的能量以保障各項工藝的順利實施。傳統(tǒng)的碳熱能源會消耗大量的煤炭資源，而現(xiàn)階段基于能源發(fā)展水平與技術的提升，光能、電能、微波能、超聲波能廣泛應用于化工反應過程中，這些能源都是綠色清潔能源，在保障化工反應順利實施時，不會造成大量的資源浪費，尤其是光能和水電屬于可再生資源，符合化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，在化學工業(yè)節(jié)能降排方面能發(fā)揮重要的價值。
2.3基于生物技術的化學工程與工藝應用
生物技術在化工工業(yè)中的應用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)生物化工。生物酶在生物體內是一個高效的催化酶，并且這種生物酶的催化性能非常好，具有很強的專一性，應用生物酶不僅可以增加生物酶反應效率，還能提升反應質量，所以生物技術可以應用在各種生物酶反應中。(2)化學工程。將生物技術引入綠色化學工程與工藝中，將可再生能源轉化成化學品，對提高綠色化學工程的應用性能具有重要影響意義。生物技術應用的原料大多來自于自然，這種原料的反應效果和催化作用遠遠高于一般工業(yè)原料，并且其應用性能也非常好，反應產生的污染物很少，具有良好的無污染性、高效性、節(jié)能性。
3結語
化學工業(yè)與我們的日常生活息息相關，而基于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展理念的指導，現(xiàn)階段的化學工程與工藝應逐漸向自動化、綠色化學、生物技術方向發(fā)展。自動化技術在獲得同等經濟效益的情況下，降低資源的投入，從人力資源、材料資源以及能源等方面進行全方位節(jié)約。同時，基于綠色化學技術的應用在原材料、催化劑、溶劑和助劑、能源等方面采用綠色化產品，降低對環(huán)境的污染?；谏锛夹g的應用，運用生物酶不僅可以增加反應效率，還能提升反應質量，多措并舉，逐漸實現(xiàn)化學工業(yè)的資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)保指標，充分發(fā)揮化學工程與工藝在化學工業(yè)生產過程中的節(jié)能減排效用。
作者:曲敬芳 單位:山東華魯恒升集團有限公司
