强化与集成 ：环保之翼下的化工过程发展
□ 记者 胡琴
化工过程是研究化学工业和其它过程工业（process industry）生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科，其中分离工程、反应工程、系统工程等，都是化学过程中研究的重点，而绿色低碳的环保建设，更是加快了化工过程的发展步伐。
分离技术：古往今来的宠儿
从古至今，分离过程一直备受重视。我国早在明朝宋应星所著的《天工开物》和清朝陈梦雷所编辑的《古今图书集成》中就提到了酿造制酒中的蒸馏、盐卤中提取食盐等，都是分离技术的具体应用。近代，发现煤直接燃烧所造成的惊人浪费，导致炼焦工业——煤的综合利用的兴起。石油也从直接做燃料发展到分为汽油、煤油、柴油和重油（沥青）等各种馏分加以利用和再加工，直至形成庞大的石油炼制和石油化工体系。上述两例都是应用化工分离过程的典型。
如今，化工分离作为石油化工、有机化工、精细化工、生物化工、制药等行业生产过程中最重要的单元之一，是工业生产中产品提纯及节能减排的重要手段。在低碳经济、可持续发展的国际大背景下，作为化学工程学科的研究重点之一，精馏、过滤等传统分离技术以及新型分离技术的开发和应用在全球范围内越来越受到重视。近年来一些新的分离技术如膜分离、结晶分离、超临界萃取、吸附分离等新的分离技术逐渐应用到生产实践中，取得了可喜的成就；分离技术的耦合、分离设备的大型化和自动化成为研究热点。
化工分离技术的重要性和多样性决定了它的复杂性。即使对于精馏、萃取这些较为成熟的技术，多组分体系大型设备的设计仍是一项困难的工作，问题是缺乏基础特性数据和大型塔器的可靠设计方案。对于高温、高压、多组分和强非理想体系，不仅平衡数据和分子扩散系数难以准确计算，就连界面张力粘度等物性数据也难以求得。催化剂和反应萃取之类的耦合分离技术的基础特性数据更为缺乏。大型塔器设计的放大的主要难度在于塔内两相流和传质特性十分复杂，数字模型尚不完善。
过程强化：势在必行的开发
随着能源、资源、环境、新材料等基础工业和高新技术的发展，分离技术面临着新的机遇和挑战。石化领域的分离过程必须进一步节能和降耗，充分利用能源和资源。生产装置大型化步伐正在加快，能耗和成本不断降低。人们环境意识的日益加强，也使得“三废”处理更加受到重视。从工业生态学的角度分析，许多工艺过程排出的“废物”，不再是“无用”的，而是没有完全利用的物质而已，“三废处理”也是对分离技术的挑战之一。目前，分离过程的投入较大，节能降耗的任务艰巨，存在污染和安全问题，过程强化势在必行。
化工过程强化是通过对化学工艺进行技术方面的创新以及工艺流程方面的改进，以满足工业要求的既定目标为前提，实现较大程度上减小生产设备大小、降低设备功耗以及设备数量的目的。化工过程强化旨在能够使得生产能耗降低，产生更少的废水废料和副产品。从某种意义上来说，化工过程强化是重在化学加工过程中，开发新的装置和新的技术工艺。从设备角度分析，主要是对生产设备的加强，例如开发新型的反应器、新型的交换器和一些新型的化工加工设备等等；从技术角度分析，就是要加工生产过程中的化学反应，例如组合分离的过程、新能源的利用。因此，化工过程的强化，主要是从设备和技术层面进行加强。此外，对于过程的优化，也是属于化工过程加强的范畴。
过程强化同时也是解决过程工业带来的“发展——污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段。任何能使设备小型化、能量高效化和有利于可持续性发展的化工分离新技术均属于分离过程的强化之列，这也是化工分离技术发展的重要趋势之一。化工过程强化包括新装置和新工艺方法的发展，即：（1）设备的强化：包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；（2）过程的强化：如反应和分离的耦合（反应精馏、膜反应、反应萃取等）、组合分离过程（膜吸收、膜精馏、膜萃取等）、外场作用（离心场、超声、太阳能等）以及其他新技术（如超临界流体、动态反应操作系统等）的应用等。
据了解，在研究与开发化工反应强化技术方面，发达国家比我国起步早，其历史最早可追溯到20世纪70年代末。当时，英国化学工业公司（ICI）开发出的超重力（HiGee）分离技术，采用高速旋转设备代替大型分离装置，实现了分离装置的小型化。同期，美国Eastman公司首次将反应与精馏过程耦合到一个塔式结构反应器中，简化了生产流程。壳牌公司发明的静态混合器将流体混合与传递通过管道进行耦合，用于反应过程，这些都取得了很好的强化效果。
集成优化：信息时代的前瞻
信息技术推动了分离技术的发展。分离科学和技术具有多学科交叉的特点，信息技术和传统化工方法结合加速了分离技术的进步。由于日趋严峻的资源、环境及安全等方面的约束，许多化工、石油炼制、造纸、医药等过程企业都开始利用先进的信息、控制与系统技术，改善生产和管理。在这种情况下，90年代初借鉴于在机械、电子等制造行业得到蓬勃发展的CIMS 概念，对于流程工业提出了CIPS (Computer Integrated Process System)概念。其目的是采用计算机技术、信息技术、自动化技术以及有关生产技术，建立包括全企业经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合系统，从而达到提高企业经济效益和竞争能力的目的；其核心是集成，即通过多种技术的综合，从而达到全企业的信息集成、任务集成、工具（或方法）集成和人机的协同工作。
而计算机集成运行系统（Computer Integrated Process Operation System，CIPOS）作为CIPS的生产系统，着重于应用计算机技术将生产过程中的关键技术决策过程集成起来，使能自动实现的决策过程尽量自动化，使应当人工干预的决策过程方便化。有业内人士认为，化工过程的CIPOS是CIPS 的重要组成部分,对于化工、石油炼制等流程工业的安全生产、在线调优、规划调度、实时监控等有着极其重要的意义。但目前国内的CIPOS 的研究工作尚处于起步阶段，还有许多亟待研究的问题，包括分布式数据库技术；实时监控、故障监测及诊断；过程模型化与模拟；过程系统集成优化等。集成优化的道路任重而道远。
小贴士
分离过程（英语：separation process）在化学与化学工程中被用于将一些物质的混合物转化为两个或多个不同的产物。被分离的产物常在化学性质或一些例如尺寸、晶体形状等的物理性质上有所改变。
除了一些少数特例外，几乎每种元素或化合物在自然情况下都以两种或更多成分的混合物形式存在。有时需要将它们分成单独化合物的形式。化学工程领域中的分离应用显得尤为重要。原油是一个好例子：原油是多种碳氢化合物的混合物并且其天然形式就很有价值。然而我们常需要纯化过的多种碳氢化物，例如天然气、汽油、柴油、喷气燃料、润滑油与沥青等。