重塑流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計與制造

文/Alexis Bazzanella，Roland Handl，Jenny Orantek，Wolfgang Welscher

加快項目進(jìn)展速度，提高能源利用效率——Enpro項目的研發(fā)成果為德國流程工業(yè)領(lǐng)域帶來創(chuàng)新生態(tài)，其能縮短流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計和建造的時間，加快項目進(jìn)展速度以及提高能源利用效率。Enpro項目的主要目的是重塑流程工業(yè)，致力于優(yōu)化模塊化流程設(shè)備的連續(xù)性生產(chǎn)過程，其中數(shù)字化技術(shù)也是一個重要的推動力。

Enpro項目起源于2009年由“流程工藝、設(shè)備和裝備技術(shù)”專家組在德國巴伐利亞州圖青（Tutzing）小鎮(zhèn)舉辦的一次名為“Die 50%-Idee”的學(xué)術(shù)研討會。當(dāng)時的參會者都在尋找可以大幅度縮短流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計和制造的解決方案,并且希望將其理念落實(shí)到實(shí)際工程項目中去。參會者們建議開展一個“提高化學(xué)工業(yè)企業(yè)能源利用效率，加速流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計和制造”的研發(fā)項目，而這一項目的德文縮寫就是Enpro。

Enpro項目希望大家重新思考流程設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)制造過程，以便得到一個具有創(chuàng)新性的系統(tǒng)解決方案，并盡可能多地將整個價值鏈中的重要內(nèi)容都納入其中。自2014年以來，由流程設(shè)備運(yùn)營商、供應(yīng)商以及大專院校合作開發(fā)的Enpro項目得到了德國政府經(jīng)濟(jì)和能源部的大力支持，并在德國德西瑪化學(xué)工程與生物技術(shù)協(xié)會Dechema的協(xié)調(diào)下在Jülich鎮(zhèn)開始了一系列的項目研發(fā)工作。Empro項目是德國聯(lián)邦政府第六次能源開發(fā)計劃中的“化學(xué)工藝流程”研究領(lǐng)域中的一部分。從那時起，Empro項目就成為一個有著許多子項目組成的、包含具體實(shí)施案例的典型。

工作重點(diǎn)

該項目的目標(biāo)是通過合作伙伴開發(fā)的、尚未上市的新技術(shù)來提高化學(xué)品生產(chǎn)制造過程中的能源利用效率以及縮短新型流程設(shè)備的生產(chǎn)時間。2014年開始的第一版Enpro項目的工作重點(diǎn)就放在下列3大領(lǐng)域。

●批量生產(chǎn)：越來越多地使用數(shù)學(xué)模型和可擴(kuò)展的小型流程設(shè)備模塊為流程工藝研發(fā)的部件、組件進(jìn)行連續(xù)性生產(chǎn)（子項目名稱縮寫Koppona，Smekt）。

●模塊化：通過智能模塊最大程度地減少流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造和調(diào)試的時間（子項目名稱縮寫：Modularisierung）。

●數(shù)據(jù)集成：通過使用集成化的信息同時開展或者交叉進(jìn)行新產(chǎn)品的研發(fā)、流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備制造等項工作（子項目名稱縮寫：Datenintegration）。

上述項目進(jìn)行過程中也開始了以“開發(fā)時間更短”和“能源利用率高的高效生產(chǎn)”為目標(biāo)的研發(fā)子項目，包括智能化的小型模塊和流程設(shè)備的模塊化等研發(fā)工作。

階段性成果

由于第一版Enpro項目獲得了令人矚目的成功，因此從2017年開始除了Empro項目的創(chuàng)始人巴斯夫公司、拜耳公司和Evonik公司之外像Merck公司、Covestro公司和Wacker公司等其他企業(yè)也積極的參與到第二版Enpro項目中來了。第二版Enpro項目的所有參與者都與整個價值增值鏈中的用戶企業(yè)、供應(yīng)商、高等院校（例如亞琛、多特蒙德和卡爾斯魯爾等大學(xué)）以及科研機(jī)構(gòu)（例如Aixcape）保持著密切的合作。除了流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計以外，第二版Enpro項目還考慮了包括設(shè)備運(yùn)行以及流程設(shè)備整個壽命周期在內(nèi)的問題。確定的工作重點(diǎn)如下：

●新的儀器設(shè)備和智能分析；

●智能模塊，生產(chǎn)流程和操作；

●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

●物流和數(shù)據(jù)集成。

第一版Enpro研發(fā)項目中，緊湊型模塊化設(shè)備成功完成的連續(xù)性的聚合物生產(chǎn)（子項目名稱：Koppona）以及冷卻結(jié)晶（子項目名稱：Smect）等成果都要擴(kuò)展到智能化整體系統(tǒng)中去，與其他流程工藝技術(shù)（例如萃取技術(shù)）相互融合到一起。利用智能化的、網(wǎng)絡(luò)化的傳感器模塊，及時發(fā)現(xiàn)可以避免流程設(shè)備在臨界狀態(tài)下運(yùn)行。在第二版Enpro研發(fā)項目中，現(xiàn)場層面中的儀器儀表傳熱過程、物流鏈過程和反應(yīng)過程以及更高層次的生產(chǎn)過程和物流過程都被納入了整體性優(yōu)化改進(jìn)的范疇之內(nèi)。通過結(jié)合采用第一版Enpro項目中例如“模塊化”的成果，為熱分離技術(shù)設(shè)備的模塊化開發(fā)做出貢獻(xiàn)。

模塊化設(shè)備的配置

智能化模塊的聯(lián)網(wǎng)對于模塊化的成功與否是至關(guān)重要的，在第二版Enpro項目的“模塊化設(shè)備的配置”（子項目名稱縮寫Orca）中介紹了相關(guān)情況，也回答了第一版Enpro項目中一些懸而未決的問題；例如：

●如何配置各個模塊？

●包括審批過程在內(nèi)的設(shè)備方案審核批準(zhǔn)過程是什么樣的？

●作為設(shè)備系統(tǒng)的組成部分，怎樣將智能化模塊工作情況顯示在顯示器上？

●虛擬的、模塊化的設(shè)備調(diào)試方案應(yīng)是什么樣的？

在子項目Orca中，對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的連續(xù)性蒸餾塔采用的模塊化控制和調(diào)節(jié)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。這一控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)為子項目“利用高效的智能化儀器儀表進(jìn)行分離”（子項目名稱縮寫Teia）提供了數(shù)據(jù)，所獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識將用在模塊化的CO2吸收設(shè)備上比如生物沼氣生產(chǎn)設(shè)備，以便實(shí)現(xiàn)智能化的、靈活匹配調(diào)整的和可擴(kuò)展的凈化工藝流程。在子項目Orca中開發(fā)出來的新技術(shù)將用于第二版的Enpro項目和Teia項目、Koppona 2.0項目和Moprog（模塊化生產(chǎn)物流）等子項目。從這些應(yīng)用中獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識也將再次反饋到子項目Orca中去，以便進(jìn)一步地優(yōu)化Orca子項目中的方案和方法。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的按訂單生產(chǎn)（P2O Lab）- 德累斯頓技術(shù)大學(xué)Orca子項目的框架內(nèi)的模塊化設(shè)備配置方式

子項目Hector（使用技術(shù)運(yùn)籌學(xué)的高效化工模塊）是專門針對流程泵的一個研發(fā)項目，因?yàn)榱鞒瘫孟到y(tǒng)所消耗的電力能源占整個化工行業(yè)電力需求的20%左右。

在重點(diǎn)項目“智能化模塊”中進(jìn)行測試的功能模塊（例如蒸餾系統(tǒng)或者泵系統(tǒng)）采用了全新的傳感技術(shù)（例如固體噪聲傳感技術(shù)器、軟傳感器技術(shù)等），并使用了子項目Orca的配置編排方法。

Moprolog子項目則是致力于上下料裝置和產(chǎn)品物流，專門開發(fā)上下料裝備和產(chǎn)品物流的模塊化裝備。在這一項目的進(jìn)展過程中，研發(fā)人員和供應(yīng)商企業(yè)的人員一起開發(fā)適用于模塊化產(chǎn)品生產(chǎn)的規(guī)劃設(shè)計模塊和硬件模塊。

在第二版Enpro項目中，流程設(shè)備壽命周期中的模塊Modula子項目使用了第一版Enpro項目中“數(shù)據(jù)集成”的研究成果。這一子項目的目標(biāo)是從流程工藝技術(shù)的開發(fā)到流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計、從自動化到物流直至最后的設(shè)備調(diào)試都能更快、更好地做出正確的決策。最終反映的是化工企業(yè)流程設(shè)備整個壽命周期中使用的模塊化生產(chǎn)單元（PEAs）的詳細(xì)信息。

“Slampi”子項目表示的是“適用于不同規(guī)模的、高效利用資源的流程工藝規(guī)劃設(shè)計方法”。該子項目開發(fā)的是一種可以滿足流程工藝技術(shù)要求、在創(chuàng)新性設(shè)備模塊基礎(chǔ)之上選擇最佳的流程工藝技術(shù)和設(shè)備模塊的方法。利用 第 二 版Enpro項 目、Teia和Moprolog等子項目之間的成果、強(qiáng)化信息反饋，有助于流程工藝技術(shù)規(guī)劃設(shè)計方法的優(yōu)化，并能使其迅速達(dá)到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的成熟程度。

項目成果

●在Smekt子項目中很快開發(fā)出了從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到原型樣機(jī)規(guī)模的可以連續(xù)性生產(chǎn)的結(jié)晶技術(shù)和固液分離工藝技術(shù)。與常規(guī)的批次生產(chǎn)方式下的結(jié)晶過程相比較（例如L-脯氨酸），新方法的能源需求總量下降了3%～5%。目前，參與項目合作的Evonik公司正在嘗試將自己原來的批次生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)換為Smekt子項目開發(fā)的連續(xù)性生產(chǎn)方式。

●Enpro項目的成果被寫進(jìn)了VDI的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、VDI/VDE/Namur 2658的自動化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及VDI 2776流程工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而這些標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步、完善也促進(jìn)了下一步開發(fā)適合于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的以及具有很強(qiáng)市場競爭力的自動化技術(shù)產(chǎn)品。

●在Koppona子項目中開發(fā)了一種節(jié)約能源和資源的流程工藝技術(shù)方案。這一方案可以加速聚合物專用產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)，并通過使用可擴(kuò)展的生產(chǎn)設(shè)備直接將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)展到工業(yè)化規(guī)模的聚合物產(chǎn)品生產(chǎn)。除了聚合物的生產(chǎn)之外，這一技術(shù)方案也包括了相應(yīng)的后處理工序。另外，Wacker公 司、Covestro公 司 和巴斯夫公司等特種聚合物生產(chǎn)廠家也將這一子項目研發(fā)中獲得的聚合物生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用于不同的聚合機(jī)理和方法中了。成功將PEA模塊化流程設(shè)備單元通過自動化的模塊（MTP即插即用方案）應(yīng)用到工業(yè)化的大型流程設(shè)備生產(chǎn)之中是將項目中獲得的知識和經(jīng)驗(yàn)使之標(biāo)準(zhǔn)化帶來的成果。

●在Orca子項目中，工業(yè)企業(yè)合作伙伴在實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)中心里嘗試著試用和演示不同的配置編排系統(tǒng)，為將來的審核批準(zhǔn)流程做好了準(zhǔn)備，加快打通今后模塊化設(shè)備認(rèn)證審核的渠道。

●在Hector子項目中開發(fā)的TOR操作技術(shù)方法可用于模塊化的流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新開發(fā)的TOR操作技術(shù)方法比傳統(tǒng)的流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計方法可以節(jié)約10%～20%的費(fèi)用，同時也可明顯地減少模塊化泵系統(tǒng)的尺寸大小。

●子項目Moprolog的核心是模塊化生產(chǎn)過程與模塊化物流之間的互聯(lián)互通。使流程設(shè)備能夠在適應(yīng)性極強(qiáng)的動態(tài)調(diào)控方式下運(yùn)行，可以明顯地減少能源消耗和資源消耗。

●實(shí)施能源效率項目中的一個重要組成部分就是Skampi子項目中開發(fā)出來的能夠更快、更好做出決策的“跨規(guī)模的流程工藝開發(fā)方法”。將來，生產(chǎn)廠家可以借助于其開發(fā)的方法比以往更加輕松地開發(fā)出節(jié)約能源、節(jié)約資源的流程工藝解決方案。

●Enpro項目的Datenintegration數(shù)據(jù)集成和Modula模塊化兩個子項目是推動從流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計到調(diào)試運(yùn)行的關(guān)鍵子項目。Evonik公司現(xiàn)在利用Enpro項目開發(fā)出來的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立自己的資產(chǎn)壽命周期數(shù)據(jù)模型。

展望未來

化工技術(shù)的研究是一項長期的研發(fā)工作，研發(fā)成果的貫徹落實(shí)也促進(jìn)了化工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。需要注意的是連續(xù)性生產(chǎn)的流程設(shè)備和新開發(fā)的流程工藝技術(shù)往往不能通過對現(xiàn)有批次生產(chǎn)流程設(shè)備的技術(shù)改造來實(shí)現(xiàn)，而只能通過全新設(shè)計的流程設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這也就意味著要有很高的設(shè)備投資。為了使研發(fā)項目的成果能夠迅速的投入生產(chǎn)實(shí)際，參與項目的流程設(shè)備運(yùn)營商和供應(yīng)商之間的密切合作是非常重要的。

流程工藝技術(shù)基本操作的模塊化部件的進(jìn)一步發(fā)展需要更多的反饋信息。將流程工藝技術(shù)、化工反應(yīng)技術(shù)以及人工智能的方法結(jié)合到一起將能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)過程的自動優(yōu)化。在連續(xù)性生產(chǎn)過程中強(qiáng)化智能化流程設(shè)備的模型觀察、過程分析，傳感技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及生產(chǎn)設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)會使在線分析技術(shù)有著更加重要的意義。而且逐步落實(shí)項目成果仍然需要大量的開發(fā)工作，也需要加大與其他研發(fā)機(jī)構(gòu)的合作力度。 ●