新世纪的化工机械技术展望
新世纪的化工机械技术展望
涂善东1 2*，王正东1，顾伯勤2
1 华东理工大学，上海 200237
2 南京工业大学，南京 210009
摘要：本文就进入21世纪之后化工机械技术所面临的新的挑战，全面介绍与化工机械工业相关的高新技术进展，提出面向先进制造技术、面向新材料技术、面向再制造工程和面向高技术工艺过程的四个面向战略方针，以适应新世纪科学技术发展的潮流，为化工机械技术的未来展示广阔的前景与机遇。
关键词：21世纪；化工机械；高新技术
中图分类号：TQ050
Development of Process Equipment Technology in 21st Century
Shan-Tung Tu1 2*，Zhengdong Wang1 and Boqin Gu2
1 East China University of Science &Technology Shanghai 200237
2 Nanjing University of Technology Nanjing 210009
Abstract: New challenging is described in this paper for process equipment technology to be faced within the 21st century. Development of high-tech is introduced in relevant to process equipment industry. Strategies of taking up advanced manufacturing technology new materials technology re-manufacture engineering and high-tech industrial process are emphasized to meet the needs of development of science and technology in this new century and show a exciting future of process equipment technology with extensive opportunities.
Key words: 21st century; Process equipment; Hi-tech
20世纪人类在技术上的辉煌成就当首推计算机技术，它改变了人类的生活方式，在工程方面，曼哈顿(原子弹)工程、阿波罗登月工程深远地影响着人类。化工机械技术对这些成就起着决定性的支撑作用，在计算机相关材料的加工方面，如电子化学品的生产、芯片材料的加工、壳体材料的制造、超洁净环境的形成与维持等等均离不开化工机械技术，而曼哈顿工程中核原料的生产、阿波罗登月工程中火箭推进剂的生产、航天器热控制技术等等亦不例外。
对于我国而言，化工机械技术支持了火箭技术和核技术的发展，更为直接的是，它影响着国民经济建设诸多工业领域的快速发展，如化工、发电、冶金、制药等。我国的化工机械制造业随着过程工业的不断发展而逐步成长壮大：一批能够代表当前世界水平的大型生产装备已经基本可以立足于国内制造[ [1] [2] - [3] ]；压力容器及管道的结构完整性理论与安全可靠性评定技术取得了丰硕成果[ [4] 、 [5] ]；化工静设备事故预测技术在理论和实践上均得到了很大的发展[ [6] ]；动设备的状态监测技术，如机组的在线状态集散监测技术是一个创新发展[ [7] ]；高温构件延寿的再设计原理在工业生产中获得成功应用[ [8] ]；扁平绕带式压力容器设计理论与制造技术为我国学者和工程技术人员的首创成果[ [9] ]，并被列入ASME锅炉与压力容器规范的案例中[ [10] ]；还有热管换热器设计理论与技术[ [11] ]、新型高效纵流壳程换热设备现代设计技术[ [12] ]、超重力传质理论与设备技术[ [13] ]、聚合物电磁动态成型新技术 [ [14] ]、高效分离设备技术[ [15] 、 [16] ]、高压与超高压容器技术、强化传热技术、热泵技术、高效填料与塔设备技术，等等。这些科技成果在多方面支持了我国社会主义的经济建设，也促进了化工过程机械的学科建设，高水平科学研究充实了学科的内涵，同时也拓展了学科的外延，也使高水平的人才脱颖而出。
然而，随着人类向21世纪迈进，地球资源日益紧张，环境质量下降，同时知识和信息的生产与应用将成为新世纪创造财富的重要形式，于是对化工过程机械的设计、制造与运行提出了越来越高的要求，过程设备科学正面临着知识经济、信息、环境和资源的严峻挑战。为此探讨化工过程机械技术的发展趋势，应对新世纪的挑战，对我国化工机械技术本身及其相关的过程工业、以及高新技术的发展均具有十分主要的意义。
1 面向先进制造技术的化工机械
据有关统计表明，在过去的一百年里，制造过程的效率提高了20倍，而生产管理效率只提高了1.8 ~ 2.2倍，产品设计创型的效率只提高了1.2倍。这表明通过机器的自动化，使人类体力劳动得到极大的解放，但对脑力劳动的解放却很少。显然，要进一步提高整个制造过程的效率，关键在于解放人的脑力劳动、提高产品设计与创型的效率。这点认识对知识体系高度复杂的化工过程机械产品的创新尤为重要。
随着世界市场竞争日益激烈，先进制造技术和信息技术高速发展，知识－技术－产品的更新周期日益缩短，产品创新速度将越来越快，产品的知识含量将越来越高。产品及其制造过程中的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竞争力的决定性因素，基于知识和信息网络的产品创新和相应的先进制造技术不仅已成为知识经济的重要支柱，而且还是最活跃的驱动因素。正如美国国家制造科学中心的《协作制造议程(NCMS Collaborative Manufacturing Agenda)》所指出的：知识已成为未来企业的主要资产，掌握它，就会带来巨大的经济变化[ [17] ]。而我国国家自然科学基金委员会发表的优先资助领域战略研究报告《先进制造技术基础》则指出：增强产品自主创新能力，提高新产品市场竞争力，已成为跨世纪我国制造科学基础研究的国家目标[ [18] ]。知识经济时代的来临既给化工机械制造业提出严峻挑战，也带来了新机遇。目前发达国家的过程设备制造商对先进制造技术表现出了极大的热情普遍应用计算机辅助设计软件提高设计效率。此外还特别重视创新速度的提高，个性化的设计方法、电子商务等等。为了提高换热器制造商的设计能力，美国HTRI传热研究公司开发了许多设计分析软件；美国的YUBA换热器公司积极采用计算流体力学技术(CFD)、有限元技术(FEM)等手段来提高创新速度；又如瑞典ALFA LAVAL公司发展基于互联网的CAD技术、产品和部件管理技术，使得客户可以自行设计其产品并在网络数据库中选择产品和配件。目前大多公司均有互动式网页，自动接收客户传热工艺的数据和技术要求，一些公司已着手电子商务的考虑，如美国API传热公司提出了实现电子商务的计划，将实现顾客自行设计、在线订货、查询订货状态、项目执行状态、运输记录等等。由于化工过程机械所涉及的知识十分复杂，谁对这些知识能有所作为，谁就有可能开发出先进的产品，从而占有最大市场份额；而对这些知识的加工、操作从根本上说离不开化工机械工作者的努力。因此从这点意义上说，以电子信息技术为手段进行化工机械知识的快速综合与集成，提高产品开发创型的速度，也是我们的机遇所在。
产品的创型要解决二个方面的问题，一是创新的思想，二是创新的实施；前者的基本要求是“新”，后者的基本要求是“快”。“新”是指产品的知识含量高，知识附加值高；“快”则体现为制造企业对市场需求的快速响应和制造资源的快速有效集成和重组，而且“快”本身就是“新”的一个重要组成部分。
解决第一个方面的问题，必须使企业具备信息获取和知识集成的能力。现代企业通过网络可以访问各种信息数据库并和各地销售人员联系，通过信息查询和销售报告，分析市场走势，迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。在此基础上，通过实际生产工艺调查、网络查询、以及各种研究报告、文献资料等信息渠道，集成与所开发产品相关的知识，建立相应的数据库、知识库、形成初步设计方法。我国对高效过程设备技术及其相关领域的研究起步较晚，七十年代开始引进大型过程装置，至八十年代，国务院建立国产化办公室，在消化吸收国外先进技术的同时，也在全国形成了开展过程设备基础性研究的良好势态，十多年来已积累了大量科技的成果。但这些成果往往是阶段性和局部性的，还无法应用到整体设备的开发，如对大型设备的强度研究的居多，而内部传热传质与反应机理的消化吸收工作则较少；在物性方面也积累了大量数据，不过亦多散见于各研究机构、杂志、公开文献等；在国际上亦已有浩淼的文献与数据库可资利用。在这些知识的基础上，对创新知识进行综合，快速实现概念设计的可能性已大大增加。
解决第二个方面的问题，亦即“快”，则包括设计、放大、制造、销售诸环节的快速实现。为了实现快速设计，目前已提出了许多先进设计方法[ [19] 、 [20] ]，如：计算机辅助设计（CAD），健壮设计（Robust Design），并行工程（CE），面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计（DFx），快速响应设计（RRD），反求工程（RE）等；在工艺过程设计方面，还有计算机辅助工艺规划设计（CAPP），计算机辅助装配设计（CAAD），工艺过程的建模与仿真—虚拟制造（VM）等等。
具备了设计的方法和相应的产品图纸，还必须检验产品在实际应用中的性能，这要求企业具有知识推理、演绎的能力，对于化工机械产品尤为重要。由于结构与材料、传热与传质、流动特性等与空间尺度乃至时间尺度均有很大关系，传统的开发方式往往需要小试、中试和工业试验的工程放大环节，试验的周期少则数月多则数年，这极大地限制了产品创型的速度。随着计算模拟技术的日益发展，许多试验的环节已经可以通过模拟予以实现，为此我们提出虚拟工程放大的概念，致力于通过计算模拟技术实现过程设备的工程放大，并通过模拟计算，进一步改进设计方案，溯新设计方法，保证产品一次试制成功。其中的关键技术包括：（1）物性的模拟：对目前热力学、动力学物性数据库还没有的数据，通过计算分子动力学模拟或其他简化模型进行预测；（2）传递现象的模拟：通过计算流体动力学(CFD)模拟装置内的传热、传质与动量传递过程。反应工程的模拟还没有统一的解决方案，但其结果可以从传递过程模拟的结果中演绎而得；（3）结构与材料特性的模拟：主要通过计算固体力学进行模拟，对高温设备则既有空间尺度上的放大，也有时间尺度上的外推[ [21] ]。
加快产品的试制和定型，以快速形成生产力，需要尽量利用制造自动化的各种新技术，包括：柔性制造系统 (FMS)，分布式数控（DNC），快速原型技术 (RP )。快速原型制造堪称20年来制造技术最重大的进展之一，其特点是能以最快的速度将CAD模型转换为产品原型或直接制造零件，从而使产品开发可以进行快速测试、评价和改进，以完成设计定型，或快速形成精密铸件和模具等的批量生产能力，因此RP技术对于化工设备的试制以及零配件制造将具有革命性的影响。
检验产品创新成功与否的唯一标准是产品的市场占有率，因此建立快捷的销售网络是产品创新不能忽视的环节，越来越多的案例表明：电子商务(e-commerce)和协作商务（c-commerce）能够帮助企业获得成功[ [22] ]。
企业欲实现上述环节的“新”和“快”，还必须从组织形式到技术路线实行一系列变革。对于处于效益低谷的中国化工过程机械制造企业，更当痛下决心进行调整、改革、改制，同时迅速建立数字化制造的环境，争取在3-5年内能进入国际市场，实现跨越式的发展。由于国外大型制造企业的高度发展和垄断，我国在大型过程装备制造上能有所作为的企业越来越少，因此我们应更加重视中小企业技术创新能力和市场响应能力的提高，重视协作制造、协作商务理念的培养，逐步实施分散网络化制造，从面向全局的视野出发，以产品为纽带，以效益为中心，不分企业内外、地域差异，实行动态联盟，有效地组织产品的设计、制造和营销[ [23] ]。我们完全可以相信，在加入世界贸易组织以后，我国将有一批中小型化机企业通过分散网络化制造，实施信息化“游击战”，实现“快鱼吃慢鱼”而达到后来者居上。
2 面向新材料技术的化工机械
材料技术与信息技术、生物技术、先进制造技术并列，被世界许多国家认为是当代以及今后相当长的历史时期内，影响人类社会全局的高技术。材料高技术既是一个独立的技术领域又对其他技术领域起着引导、支撑的关键性作用并与其他技术相互依存，材料科学的进展与其他学科的结合毋庸置疑地成为目前诸多领域研究与开发的热点。材料科学的进展与过程机械的结合将有力地支撑许多高技术过程的实现，如高温裂解、超临界萃取、先进发电工艺、生物质能等都和新的结构材料的开发密切相关，而化工过程装备的控制又有赖于新的功能材料的开发。但由于材料的快速更新换代，加工制造工艺不断发展变化，也使得过程装备制造业对新材料的响应相对滞后，为此在新的世纪里探索新材料在过程机械中的应用、并通过基础研究提高应用水平、从根本上改变我国化工过程机械制造业的知识产权状况，对于过程机械及相关工业领域的发展具有十分重要的意义[ [24] ]。
对于化工过程机械的应用而言，金属材料的体系已相对完整，目前的研究主要是根据应用的需要添加不同合金元素，以得到所需的物理、化学性能。对于高温炉管、高温气体透平等设备，高温氧化是材料的基本性能。含Al的镍基合金可以生成更致密更稳定的Al2O3保护膜，研究表明，一些Ni-Cr-Al系合金，如214、601，其抗氧化性能较为优越，尤其以含4%Al的Alloy 214镍基合金为最佳。同时发展Fe-Cr-Al，也是发展抗氧化合金的途径。机械合金化弥散强化高温合金（ODS）的发明，大大提高了合金的高温强度。MA956即为“ODS”合金，已在透平机的热端使用，亦已进一步开发非透平的应用，目前美国能源部发起了“ODS”换热管及其焊接技术的开发研究，可望用于1093℃以上的高温，从而实现21世纪更加节能和低排放的发电工艺[ [25] ]。在抗环境腐蚀的高温材料研究中，抗硫腐蚀的因素最复杂，涉及的部门也广，包括燃煤燃油电站锅炉，石油化工、煤的气化及各种工业炉。燃气透平发生的灰分和盐沉积的热腐蚀，也基本上属于硫腐蚀。已发展了一种抗硫腐蚀的新合金HR-160。这是一种含高Si (2.75)的Ni-Co-Cr系合金，由于高Cr(28%)高Si，生成优良的保护性氧化膜，性能优于其他钴基合金。但对不同氧分压的气氛、不同的硫含量和温度，对材料的性能要求也不同，因此对于高温硫腐蚀损伤的机理还须深入研究，以进一步发展新的材料。目前垃圾焚烧炉的开发也是一个热点。但是垃圾焚烧炉中腐蚀环境十分复杂，燃烧的不同区段和过程既包括烟气引起的高温氧化、硫化、氯化、碳化等氧化性和/或还原性气氛腐蚀，还有焚烧灰和熔融灰引起的熔盐腐蚀。因此腐蚀类型除氧化外还有: CO腐蚀，H2S/SO2引起的硫腐蚀、盐腐蚀，而最主要的则被认为是含氯介质引发的氯化腐蚀。炉内的不同温度段使用的材料不同，在450℃的中等腐蚀温度下低成本的310LSS和HR30M表现出与镍基合金相同的耐蚀性。考虑到耐晶界腐蚀性，合金中还应添加Mo、N等，如目前日本正在NEDO资助下大力发展添加Mo、N的高Cr、高Ni合金，添加Si也可显著提高耐蚀性，为此国外发展了25Cr23Ni3.2Si不锈钢等[ [26] ]。
超低碳型镍钼涂氟塑料层是比较经济的方法，但氟塑料稳定的化学性能和不粘性限制了它的应用，最近已开发成功氟塑料偶联剂，将其涂在金属表面，在高温下形成过渡膜，可使氟塑料涂层牢固地粘结在基体金属表面，目前此法已经得到应用。铬系镍基耐蚀材料—哈氏合金，在充氧或有氧化剂存在的还原性酸以及在有氯离子、氟离子存在的氧化性酸中，具有独特的耐蚀性。因此已用 Hastelloy C-276板材制作成功板式换热器[ [27] ]，同时用哈氏合金B、C、G系列成功制作塔器、闪蒸罐等压力容器。预计用这一材料制作其他类型的设备也会很受欢迎。稀有色金属材料的应用也是今后过程装备开发的一个重点，如锆合金管是国际上应用成熟的核燃料包壳管，由于其对大多数有机酸、无机酸、强碱及一些熔融盐具有良好的耐蚀性，同时具有很好的热传导性和力学性能，因此近年来这种材料在发达国家已被应用于过程工业设备制造，包括换热器、塔器、反应器、泵、阀门及耐蚀管道等，尤其用于制造换热管，由于表面几乎不受腐蚀，不会积有污垢，因此保持了一个稳定的热交换效率。铍合金的密度仅为铝的22％，同时热膨胀系数较低，导热系数却较铝的高，因此也是新一代换热器的理想材料 [28] ]。我国在钛资源上具有优势，钛机械设备的制造能力和水平亦有了长足的进步，“十五”期间，我国将建设一批新的大型石化、化工和能源项目，这此项目中将使用大量钛换热器、钛凝汽器、钛合成塔、钛脱硫塔等，这些设备国内大多都能制造。但对一些高难度的大型钛设备，如 54万t/a尿素合成塔、100万kW核电厂凝汽器等，其设计与制造仍然需要进一步研究和开发。
无机非金属材料的应用主要是陶瓷材料，包括（1）陶瓷膜分离与反应设备：陶瓷膜技术已被应用于化工、食品、医药、能源、熔融金属过滤、粉料输送、环境保护、污水处理、放射性废料处理等方面。目前的研究热点是纳滤陶瓷膜的开发，应用领域将逐渐拓展到：天然气的化学转化技术（用膜材料本身作催化剂）、光催化反应技术、空气中分离纯氧技术、二氧化碳分离技术、高温除尘与脱硫技术、生物化工下游产品分离净化技术等。作为化工机械制造技术必须介入这些过程的实现，掌握高技术分离反应设备的制造；（2）陶瓷化学泵、阀门、陶瓷复合钢管和燃烧器喷头等的应用领域不断扩大: 在化工生产中，要求泵及其部件既耐酸、碱介质腐蚀又要求能耐砂砾的磨损，在磁力驱动泵中，用ZrO2(PZM)陶瓷制成隔离垫圈。使用Al2O3、Si3N4和SiC等各种高强、高硬及耐腐蚀性的陶瓷材料来制造球阀、旋塞型控制阀、碟阀、针阀等各种化工用阀门。 这类阀门物理、化学性能稳定，对酸碱的抗腐蚀性优良，即使有少量硬质粒子混入料浆中、阀门也有很强的耐腐蚀性。 此外，还可在高温下使用，适用于热反应，这将在今后一些高技术过程中发挥重要作用；利用离心-铝热技术制备的陶瓷复合钢管，具有耐磨损性能优异、陶瓷层与钢管内壁界面结合强度高、陶瓷层不易剥落和脱离、耐碱蚀和耐高温等特点。因此陶瓷内衬复合钢管在化工、矿山、电力、煤炭、建材等工业部门的应用还值得进一步挖掘；（3）陶瓷换热器也是人们一直致力发展的技术，这种换热器可以应用于特殊高温的场合，具有效率高、压力损失低的特点，碳化硅陶瓷换热器已用于1300℃高温烟气余热回收，获得700℃的高温空气，今后将在高温反应、高温除尘等许多高难度工艺过程中进一步得到应用。但其难点仍然是制造工艺问题。
高分子材料在化工过程机械制造中将获得更加广泛的应用。目前在化工设备中应用得较为普遍的是聚四氟乙烯（PTFE），用PTFE材料制造换热器已不鲜见，使用的领域涉及硝酸、硫酸、磺酸、王水、强碱、氧化物等工艺。但是因为PTFE原料价格较为昂贵，从经济性出发，对不同的场合宜采用不同的高分子材料制作换热器。为此，近年来又发展了聚丙稀、高密度相对分子质量聚丙稀、超高分子聚丙稀、FA(四氟乙烯与全氟代烷基乙烯基醚共聚物)和FEP(聚全氟代乙丙烯)等材料制作的换热器，而在PTFE基础上改性而成的新材料也逐渐应用于换热器，并进入市场。为了在强腐蚀环境下充分利用板式换热器高效紧凑换热的特点，在板片上喷涂氟塑料层是比较经济的方法，但氟塑料稳定的化学性能和不粘性限制了它的应用，最近已开发成功氟塑料偶联剂，将其涂在金属表面，在高温下形成过渡膜，可使氟塑料涂层牢固地粘结在基体金属表面，目前此法已经得到应用。
复合材料是材料发展的最主要的趋势。由于材料各有特点，复合以后取长补断，能产生比各组元更为优越的材料。当前研究得较多的是高分子纤维、碳纤维、SiC纤维或无机物晶须增强的树脂基复合材料；碳纤维、硼纤维、SiC纤维或Al2O3纤维增强的轻金属基复合材料；陶瓷纤维或颗粒增强或增韧的陶瓷基复合材料，以及碳纤维编织并以热解碳（石墨）粘结一起的碳/碳复合材料等。目前高档复合材料在航空航天工业已经得到应用，在一般民用工业也逐渐得到应用。
目前人们致力于探索的换热器的复合材料包括[28 ]：C－C复合材料，具有高导热系数、低密度和高比强度，可应用于中高温的场合，不过高温下应用要考虑抗氧化涂层；钛基复合材料亦具有高导热、低密度、抗腐蚀的优点，在C－C材料还不成熟时，可作为高温换热器的过渡性材料；以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多，因此也是换热器制造的理想材料；但复合材料的连接问题是其应用于化工机械的关键所在。近期可望实现产业化生产的主要还是改性的聚四氟乙烯复合材料，如添加石墨粉粒和碳纤维的PTFE材料，目前已应用于制造板式换热器，通过钎料的研制，也成功地应用于板翅式换热器的制造[ [29] ]，还可望进一步用于其他类型换热设备的制造。将金属网引入PTFE薄层内部，能使热膨胀量降低到与钢相近，由此制成的钢衬PTFE管道、设备可在250℃下，乃至聚冷聚热的强腐蚀介质中长期稳定使用[ [30] ]。
近年来，密封材料的组成、结构、形状等诸方面都不断地创新。特别是在组成材料方面，将具有不同技术性能的新材料进行合理的复合，研制成新型的密封材料，从而达到现代过程装置密封的要求[ [31] ]。静密封复合材料如玻璃纤维、碳纤维、青铜粉、石墨、二硫化钼等改性的PTFE，由于石棉是致癌物质，近年来，开发非石棉的纤维复合密封材料成为热点。动密封填料如芳纶碳四氟柔墨盘根、碳纤柔墨盘根，四氟柔墨盘根、碳四氟柔墨盘根等[ [32] ]。
跑、冒、滴、漏、渗是化工生产中令人烦恼的问题，应用高性能的高分子合金修复材料可快速、有效地使其得到治理。所谓高分子合金实质上是一种高性能的胶粘剂，由高分子聚合物(如环氧树脂)与金属粉、陶瓷粉、纤维及固化剂组成的复合材料。应用胶粘表面技术对设备损伤部位进行修复在国外已得到广泛的应用，国内则是近年来随着一些具有特异性能的胶粘材料(如高分子合金修复材料)问世后才实现的。研制更高强度和更宽广耐温性能的高分子合金材料是化工装置在役维修的迫切要求。
必须强调的是，新材料的应用与其他相关技术的科技进步是分不开的，首先是针对服役效能的材料设计和制造方法，使得材料的性能完全针对实际需要，在实际使用中得以充分利用，既保证结构可靠，也不致浪费材料；其次为材料缺陷的检测技术和安全评定技术，高强度材料，如陶瓷的临界缺陷往往很小，因此要求对检测仪器的精度有更高的要求，才能识别危险缺陷；同时为了进行结构设计，材料的化学性能、物理性能、热力学特性以及强度和寿命数据必须充分，因此必须进行大量的实验室测试。
3 面向再制造工程的化工机械
20世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的无偿利用造成全球的生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。为解决这一时代课题，再制造工程应运而生。绿色再制造工程通过对服役产品的科学评估和再设计，运用先进表面技术、复合表面技术等多种高新技术、产品化生产方式、严格的产品质量管理和市场管理模式，使废旧产品得以高质量地再生，并最大限度地延长寿命。1984年，美国《技术评论》首次公开提倡旧品翻新或再生，并称之为“再制造”，日本也随之提出了“再生工厂技术”的概念，近年美国组建了专门从事再制造工程研究的全国再制造和资源恢复中心，日本政府也高度重视“失效学”，鼓励企业建立专门的失效研究队伍总结失效经验，以利于再设计与再制造。再制造工程技术属绿色先进制造技术，是对先进制造技术的补充和发展。报废产品的再制造是其产品全寿命周期管理的延伸和创新，是实现可持续发展的重要技术途径，再制造产业是可带来新的经济增长点的新兴产业[ [33] ]。再制造工程统筹考虑了部件整个寿命周期内的再制造策略，从而使退役产品在对环境的负面影响最小、资源利用率最高的情况下重新达到最佳的性能要求。再制造业是规模相当大的产业，根据美国波士顿大学制造工程学教授罗伯特·伦德收集的1996年统计资料表明，美国再制造部件公司构成了一个每年530亿美元的产业，雇佣48万人。美国国防部已把“新的再制造技术”列入 2010 年及其以后国防制造工业的新重点，首先在核武器方面开展再制造技术的研究，在核控条约下确保有限数量的核武器处于完好状态[ [34] ]，同时车辆和一般武器使用再制造部件，这样不但节约了军用装备，而且提高了装备的寿命和维修能力为装备的使用提供了技术保障。
我国化学、石化、发电等过程工业的设备资产已达数万亿元，即使其中一小部分利用再制造技术进行修复与改造，都会创造出巨大的经济效益，尤其是我国70年代末以来引进的大量成套设备性能已逐渐退化并逐年面临着到寿、报废的问题，同时有些装置由于原料改变使服役环境发生变化，如近年来高含硫原油的炼制问题。再制造工程不仅可以延长现役设备的使用寿命，最大限度发挥设备的潜力，也能够对设备及时进行技术改造、整体翻新，赋予旧设备更多的高新技术含量，使其赶上时代前进的步伐。我国过程工业对设备再设计与维修再制造的实践也取得了显著经济效益，如对大型球罐进行再制造工艺的研究，采用焊缝局部喷锌技术或再生热处理技术消除了球罐的应力腐蚀开裂现象，使得濒临报废的球罐恢复性能；对高压聚乙烯换热器进行延寿分析，精确预测设备的潜力，提高了设备的工作压力；对制氢转化炉的装置潜力进行评估，作局部再制造维修，延长了设备使用寿命。
可以相信中国的企业在加入WTO后，在全球经济的压力下，采用再制造技术来降低生产成本将会成为企业的自觉要求。为此化工过程机械的学科研究和产业发展也将因应市场的需求发生变化，首先针对大型工业装置，将出现过程设备的维修与再制造企业，由此提供更多的就业机会。在科学技术研发方面，将化工机械基础技术与再制造工程技术的结合，将有力促进再制造工程学科的发展。如结构完整性技术在“十五”期间的进一步发展，在结构上将包括管道管件，在使用环境上将涵盖高温工况，在方法上定量风险分析将得到应用，由此为在役装置潜力评估与再设计提供科学的基础，这一技术在再制造工程各个环节的渗透将形成“以可靠性为中心的再制造工程”，同时也将引伸出更为复杂的寿命评价和结构完整性评定技术，如对薄膜、界面在服役环境下力学行为的研究将变得很重要。高效传热传质技术的深化研究将形成“以高效能为中心的再制造工程”，如通过先进的计算流体动力学模拟对设备或管线作再设计，对装置作局部改造便有可能使装置的效率得以很大的提高，这种针对装置的再设计制造拓广了再制造工程的含义。
在传统的表面工程技术、再生热处理技术在过程工业中不断取得成就的同时，在再制造工艺上将形成以纳米表面工程为先导的技术。近年来纳米材料技术迅猛发展，迄今的研究以纳米粉末的制作为主，但是越来越受关注的是纳米材料的结构化问题。国外利用电沉积方法发展的Ni基微合金纳米晶体涂层用于核蒸汽发生器的修复，已取得显著效益[ [35] ]。热喷涂技术是制作纳米结构材料的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单，涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大，沉积速率高，以及容易形成复合涂层等等。在热喷涂过程中，高速飞行的粒子撞击冷基体，冷却速度极高，能够制备出非晶态涂层。控制随后的再结晶温度和时间，可以得到纳米结构涂层。应用微颗粒取代传统喷丸的微粒冲击技术(Fine Particle Bombarding)亦将成为材料表面改性的一种主要手段，在日本已被列为重点发展技术之一[ [36] ]，利用超声微粒冲击工艺，已成功地在铁和不锈钢表面获得平均晶粒尺寸为10~20 nm的表面层。
倡导再制造工程技术，对我国化工过程机械技术发展的重要意义还在于发展中国自己的制造技术，亦即从再制造发展到创新制造。要改变我国在大型过程装置上长期依赖进口的局面，如何下苦工进行消化吸收，也有一个策略问题。先进的再制造工程提供了一个较好的解决方案：通过设备的使用，积累经验，边使用边消化吸收，所谓“失败乃成功之母”，通过失效分析、合乎使用性评估，对设备进行创新再设计，从根本上解决设备技术的知识产权问题。但在实施这一策略时，必须有多个部门的共同参与，企业的维修部门、失效研究部门和设计部门必须紧密结合，才能确保失效经验得到总结，并及时反馈到设计部门以对设备进行创新设计。
4 面向高技术过程的化工机械
发展高科技实现产业化，积极推进具有战略意义的高技术研究，加快高新技术向传统产业渗透，是我国在科技进步和创新方面致力实现的目标。化工机械技术从根本上说是过程放大技术，因此高技术过程工艺的工业化实现离不开化工机械技术的支持。同时面向高技术发展的需求开发先进的过程设备，也是化工机械制造业自身发展的需求。近年来化工过程机械市场竞争的结果表明，只有重视过程单元设备开发的企业才能得以生存和发展，今后的竞争还将表明只有面向高技术过程进行设备开发的企业才有持久的生命力。
先进的能源与环保技术：能源领域的高新技术过程对于化工机械技术是富有挑战性的。我国863高技术研究计划在后续能源主题中提出发展生物质气化发电技术和生物质液体燃料技术，许多设备的开发研制均与化工机械相关。先进的生物质发电系统包括流化床燃烧、生物质综合气化和生物质外燃气透平系统，流化床锅炉技术独有的流态化燃烧方式，使它具有一些传统锅炉所不具备的优点，可以燃用常规燃烧方式难以使用的生物质材料，目前循环流化床锅炉的能力已达250兆瓦，发达国家近年来着力开发使生物质气化驱动燃机并结合循环流化床的联合循环技术，瑞典在1993年便建立了利用加压循环流化床汽化技术的发电厂[ [37] ]。生物质高温气化技术的关键是高温空气的廉价生成，新型高温低氧空气完全燃烧技术的出现及陶瓷材料领域的科技进步促进了热回收技术的发展。经济紧凑、高效回收烟气余热的蜂窝式陶瓷蓄热体在日本的成功开发，大幅降低了高温空气的生产成本，使得以高温空气为核心的高温空气气化技术得到了广泛应用。采用热惰性小的蜂窝式陶瓷蓄热体，并用同炉烟气显热预热空气，空气预热后温度可达1000℃以上，只比炉温低50～100℃，最大限度地实现了烟气余热回收[ [38] ]。生物质外燃式透平系统所用高温换热器也是一项关键技术，由其产生干净的空气，减少了后续透平系统的腐蚀，但出口空气温度决定了系统效率。固体生物质的热解液化是开发利用生物质能的有效途径。它是在中温500℃左右，高加热速率(可达10000℃/s)和极短气体停留时间(约2s)的条件下，将生物质直接热解，经快速冷却而得到液体油。其最大的优点就在于产品油的易存储和易输运，不存在产品的就地消费问题 因而得到了国内外的广泛关注。其关键技术便是热解液化的反应器，目前具有应用前景的技术包括载流床、旋风床、真空移动床、旋转锥以及循环流化床等。燃料乙醇是一种可再生资源和环保产品，其生产技术相对成熟，年产60万吨的生产装置是我国十五重点建设项目之一，其中热耦合精馏装置、选择性吸附设备等制造技术也为化工机械技术提供了发展的空间。
高温气冷堆与常规的核反应堆相比有明显的优势，除了用于发电，其产生的高品质热能（1000℃气体）还可用于等离子冶金、等离子喷射沉积等先进的冶金技术，亦可直接用于煤气化和甲烷转化技术，但其装置的抗蠕变和疲劳、抗腐蚀的设计十分重要，除了反应堆，氦气换热器、氦气透平、蒸汽发生器等产品的设计制造均有很高的难度。
洁净煤技术也是我国优先发展的高技术领域，为了达到节约能源和保护环境的目的，必须高度重视发展循环流化床锅炉，高效低污染的中小锅炉和燃煤系统，水煤浆制备与燃烧装备、以及消烟除尘设备技术和脱硫脱硝设备技术，开发先进的煤炭气化设备技术、煤炭液化设备技术等等。
纳米材料制备技术：粉体设备技术是化工机械技术的主要分支，而纳米粉体的制备技术则是其前沿技术。制备纳米粉的途径大致有两种：一是粉碎法，即通过机械作用将粗颗粒物质逐步粉碎而得；另一种是造粉法，即利用原子、离子或分子通过成核和长大两个阶段合成而得。若以物料状态来分则可归纳为固相法、液相法和气相法三大类，随着科技的不断发展以及不同物理化学特性超微粉的需求，在上述方法的基础上衍生出许出新的制备技术。固相法是一种传统的粉化工艺，用于粗颗粒微细化。由于其具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行等优点，加上近年来高能球磨和气流粉碎等分级联合方法的出现，因而在一些对粉体的纯度和粒度要求不太高的场合仍然适用。但是其存在着能耗大、效率低、所得粉末不够细、杂质易于混入、粒子易于氧化或产生变形等，因此在当今高科技领域中较少采用此法。液相法是目前实验室和工业上广泛采用的制备超微粉的方法。其过程为选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料的成分计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，将金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶物脱水或者加热分解而制得超微粉。与其它方法相比，液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确等优点，主要用于氧化物系超微粉的制备。气相法是直接利用气体或者通过各种方式将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成超微粉的方法。气相法在超微粉的制备技术中占有重要的地位，此法可制取纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄、粒径小的超微粉。尤其是通过控制可以制备出液相法难以制得的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。该法又可分为蒸发冷凝法和气相反应法。目前我国首创的超重力反应沉淀法（简称超重力法）合成纳米粉体技术已经完成工业化试验，超重力沉降设备利用旋转产生的比地球重力加速度高得多的超重力环境，在分子尺度上有效地控制化学反应与结晶过程，从而获得粒度小、分布均匀的高质量纳米粉体产品，与传统的搅拌槽反应沉淀法制备技术相比，具有设备小、生产效率高、生产成本低、产品质量好等突出优点。水热法制备超细(纳米)粉末近年来也很受重视，水热法研究的温度范围在水的沸点和临界点(374℃)之间，但通常使用的是130～250℃之间，相应的水蒸汽压是0.3～4 MPa。与溶胶凝胶法和共沉淀法相比，其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末，从而省去了研磨及由此带来的杂质，其中涉及的高温高压相关设备也是化工机械技术的强项。
超临界流体技术：超临界流体是指在临界温度和临界压力以上的流体。超临界流体萃取分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。这一技术目前已被广泛地应用于食品加工，如提取豆油、从咖啡豆中萃取咖啡因，医药保健品生产，如中草药有效成分提取方面，天然香精香料的提取，制备液体燃料等诸多方面，因此化工机械技术应用于超临界萃取的产业化具有广阔的前景。近年来超临界水氧化 (SCWO)方法被用来处理有毒难溶的化学物质，得到高度重视，美国利用 SCWO技术已试处理过化学武器中的物质、火箭燃料物质、爆炸物质、双氧化物污染的土壤、纸浆厂料浆、城市泥桨、易挥发酸、工业料桨、人体生理垃圾等等，但是SCWO在高温高压下(T>374℃，P> 220MPa)运行，它的腐蚀性特别强，当 Na+、H+、Cl-、F-、NH+4等离子出现时腐蚀更为严重，同时盐在反应区的沉积也相当严重[ [39] ]，因此其反应器、预热器、冷却装置和管道的设计制造均有相当大的难度，但也正因为此，才需要化工机械的科学工作者抓住源头创新的机遇，解决其工业化生产的问题。
微小型化学化工机械：微机械在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用潜力，受到世界各国的高度重视，被誉为20世纪十大关键技术之首，21世纪最具代表性的技术之一。而微小型化学化工机械由于以化学化工过程为基础，因此比一般意义上的微机械更加复杂。微小型化学化工机械可以分为两类：一者为强化化工过程的微小型机械，通过过程效率的强化，使得设备体积大大减小，在未来有可能实现台式计算机一样大小的高效生产的工厂；另者则指以微型化学化工机械产品为主组成的微仪器，通过进一步的微型化，实现芯片上的实验室(Lab on Chip)。
对于过程强化，目前已有了一些实例，可以大大缩小传统设备的体积，如静态混合反应器、超重力传质设备、紧凑式换热器、构件催化反应器等。日本提出的无配管化工装置的概念力图将反应器上的外接管道减少到最低限度，反应器将各种新型化工单元设备的功能集于一身，有效地缩小了体积。由于设备的效率提高、生产成本将降低、设备和基建的投入减少，同时污染减少、安全可靠性大大提高[ [40] ]。对于微仪器，早在20世纪70年代，斯坦福大学便试图在芯片上建造色谱仪，20世纪90年代以来，人们又提出了微型全面分析系统(mTAS，Micro Total Analysis)的概念，并已取得许多令人鼓舞的进展，如已制造了一个手提式血液化学分析系统。目前人们还试图将质谱仪缩小到一个手提计算机大小，样品入口、电离室、加速电极、漂移室和探测阵列都集成到一个硅片上，另一独立的硅芯片则包含微机械真空泵，用来维持仪器内的真空环境[ [41] ]。微型化工机械技术可将传统的混合、反应、分离、检验等过程集成为一体，成为芯片上的实验室。目前微型化工机械技术还没有形成，我国化工机械制造业对微仪器的制造亦还欠意识和知识，相信今后在化学家和化工机械科学工作者的合作下，能逐渐形成新的产业。
5 结束语
我国的化工机械技术经50余年发展，为国民经济建设与国家安全作出了重要的贡献，通过科学研究和技术创新，不断推出新的产品和技术以满足我国过程工业发展的需求，也逐渐奠定了学科的基础，并形成了以化学、机械、控制以及材料为主体的学科体系。在新的世纪里，我国加入了世界贸易组织，这要求企业的运作必须和国际接轨，主动参与到全球性的竞争中去，同时以信息技术、新材料技术、生物技术、先进制造技术为代表的高新技术正日新月异地发展。这些背景无疑地给化工过程机械学科的发展提出了挑战，也提供了广阔的发展前景。本文为此就新世纪化工机械技术的发展提出了四个面向：面向先进制造技术，以此提高企业整体创新能力和制造水平；面向新材料技术，以新材料创新过程机械产品；面向再制造工程，保障过程工业的可持续发展；面向高技术工艺过程，为高技术产业化提供支持技术，并开拓化工机械技术的领域。
鉴于作者对本门学科的草浅认识，许多重要问题未能一一述及。不当之处敬请读者批评指正。
参考文献
* 涂善东，男，40岁，化工过程机械学科教育部特聘教授，现任教于华东理工大学、南京工业大学，主要从事高温结构完整性原理和过程设备先进制造技术的研究。在国内外发表论文140余篇，有多项成果被认为是处于国际领先水平的。曾先后在瑞、英、法、德、奥、韩等十余个国家讲学或进行合作研究。曾获第二届中国青年科技奖，国家科技进步二等奖一项，部级自然科学二等奖一项，部、省级科技进步一等奖两项，以及国际蠕变与断裂会议《青年科学家奖》。
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