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工业水管理:为新工艺、可持续生产和现场安全铺平道路
3 月前
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水是过程工业的关键:无论是作为冷却剂还是溶剂,作为试剂还是产品成分。化学和制药生产不断发展 - 氢气、数字化、回收利用、新生产工艺。这对工业用水管理意味着什么?

二氧化碳和、氢气生产、电力转X工艺、循环经济和零污染目前是过程工业的首要任务。水是一种不可替代的资源,尤其是对于化工和制药生产而言。如果工业用水管理能够成功地融入生产和现场管理,那么就可以提高工艺效率,实现循环解决方案,并推动向可持续过程工业的转型。此外,生产和工业用水管理的紧密结合可以增强公司和工厂的竞争力,降低生产停工风险,并提高企业发展的投资安全性。许多过程工业工厂的水资源压力越来越大,这意味着企业的成功越来越依赖于高效的工业用水管理。

 

水是氢气生产的关键

利用可再生能源并以氢气或衍生产品的形式储存是实现气候中性过程工业的最重要先决条件之一。各个行业越来越多的举措正在加速扩大生产和利用氢气的能力:超过 1,400 个国际氢气项目以及德国的许多参考项目(如 Aquaventus、H2Giga、H2Mare 或 Kopernikus)都强调了这一发展。虽然工业使用氢气作为储能介质或用于高温工艺,但研发项目的重点是氢气基础设施、电解技术的大规模生产以及基于氢气的基本化学品的合成。

市售电解器需要大约 10 至 17 公斤去离子水才能生产一公斤绿色氢气。绿色或可持续能源是绿色氢气的基础,在阳光充足或多风的地区生产起来特别经济。然而,可再生能源潜力最大的地区通常也是水资源压力大、因此存在水风险的地区。一旦当地资源耗尽,就会对该地区产生不可逆转的影响。因此,用于生产氢气的替代水资源变得越来越重要。例子包括淡化水和水再利用。越来越多的海水淡化厂带来了废水排放(排放到海中)方面的新挑战,并为盐水和浓缩物的利用提供了机会。未来绿色氢气的产量将会增加。因此,在生产过程中必须更有效地利用和再利用水,尤其是冷却水和废水流。这就是优化的综合水管理发挥作用的地方。

越来越多的新氢能项目专注于将氢直接转化为基本化学品和化学能储存,例如氨、甲烷或电子煤油。此生产步骤中释放的热能可用于其他工艺。因此,效率更高的热脱盐技术以及生物废水处理可以从可用的热能中受益,并进一步成为焦点。这一发展不仅与氢经济有关;新的膜分离工艺或生物水处理的扩展也可以在工艺和能源效率方面对工业水管理产生积极影响。 

“水是实现大规模生产绿色氢能及其下游产品(如甲醇或氨)工厂的关键。这就是为什么我们需要从一开始就考虑综合水管理以及可再生能源和氢气生产战略。这是成功的绿色氢能经济的基础。正如我们将在 ACHEMA 2024 上看到的,工厂工程和工艺技术将对此做出决定性的贡献,”DECHEMA eV 水管理分部负责人 Thomas Track 博士说。

因此,除了可再生能源外,还需要高效、强大的与水有关的解决方案:

  • 生产氢气/后续 PtX 产品和水管理的专业知识和规划必须齐头并进。
  • (废水)处理技术和管理理念必须适合内陆、沿海和海洋生产情景。
  • 必须优化水和物流的回收利用。

过程工业循环经济用水

循环创新正在改变全球工业,目前已成为流程工业的首要任务。向循环经济转型,重点关注从原材料采购到回收的整个产品生命周期,需要全面转型工业流程和结构,以实现气候中立和长期竞争力。工业面临的相关挑战也会对工业用水管理产生影响。

科思创德国公司基础设施流程、材料和腐蚀部门负责人 Christoph Blöcher 博士表示:“未来循环生产的价值链中,水相工艺占比将很高。因此,从一开始,工艺开发就必须考虑水管理。需要采用新方法来处理水残液,以回收化学能和营养物质等有价值的物质。”

因此,除了在工业生产和冷却方面的传统作用外,水作为一种资源在新的工业应用领域中也越来越受到关注。(废)水处理工艺将发生全面变化,从水净化到通过回收利用残渣、水及其热能。

化学回收工艺以及基于可再生原料的工艺和生物技术工艺会产生水残流,其特点是流量大、有机物和盐含量高。因此,回收工艺中工艺水的成分带来了全新的挑战。例如,塑料、复合材料(例如高性能轻质材料或电动汽车复合材料)或电子元件、电池或轻质合金中的多金属复合材料的化学回收。除了化学工艺外,人们还在采用各种生物技术方法来回收塑料,包括使用酶法。这些方法通常与用水量增加有关。为了满足这些要求,必须开发、测试和实施用于废水处理的综合技术方法和工艺。

 

制药和氢气生产:注射用水和超纯水

制药生产变得更加重要,这在很大程度上是由于冠状病毒大流行,并且已经推出了创新。对于制药行业、工业生物技术的部分领域和实验室部门,工业用水管理的重点是注射用水 (WFI) 和超纯水。

投资和维护成本不断上升、能源价格高企以及消费者对生产和包装残留物对环境影响的担忧日益增加,这些都促使许多制药公司重新考虑其更可持续的生产方式。自 2017 年以来,欧洲也已允许不再仅使用蒸馏法生产注射用水,还可以使用膜工艺等。多年来,该工艺已成为美国和世界其他地区的标准。这种生产方式不仅更加灵活和节能,对于 WFI 系统运营商来说,它还在投资和生产成本、空间要求、服务和维护服务方面具有优势,并且能够扩展系统的生产量和广泛的工艺工程选项。

透明度市场研究 (Transparency Market Research) 等机构的市场分析显示,目前全球注射用水市场规模超过 200 亿美元(2021 年),未来十年的增长前景有望超过 500 亿美元。

全球绿色氢经济趋势导致电解器运行用水需求不断增加。这里的重点是水处理系统和超纯水闭环净化系统。这一趋势也表明电解用超纯水系统市场发展良好。

EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH 董事总经理 Eva Bitter 博士表示:“目前对超纯水系统的需求仍然受到近年来制药行业繁荣发展的影响,而当前绿色氢气生产的强劲扩张又为这一需求提供了额外的推动力。”

 

优化水管理:数字化、工业智能和基于传感器的过程控制

数字技术用于提高效率、减少资源消耗和关闭材料循环。在过程工业中,这也适用于水管理和工业生产之间的接口。无论是建立模块化、动态和灵活的生产方法,还是通过综合水资源管理实现供应安全:只有使用数字工具才能收集必要的信息并处理由此产生的数据流。

特别是在工业生产和工业水管理之间的接口处,复杂的工厂结构可以与基于 IoT/IIoT 的设备和传感器相连接,以进行监控和控制。大量数据(大数据)的处理(例如使用人工智能)可以以成本灵活的方式外包(边缘与云)。这些技术对于资源的处理和高效利用至关重要。获得的信息可以保存在分布式账本 (DLT) 中,从而构成自动化和透明合同(智能合约)的基础。所有这些技术都使供应商、制造商和客户更加紧密地联系在一起,并能够纵览整个供应链。ACHEMA 2024 将通过其数字中心和测量、控制和过程控制技术在展会上展示这些环节。

“水务行业的数字化(‘水务 4.0’)已成为流行语,并将为公共和私营部门带来深远的变化。一段时间以来,企业一直面临着战略性地适应新数字世界的挑战,并为此重新思考其战略、商业模式和文化。如果一个组织未能迈出这一重要一步,它将失去未来的生存能力和竞争力,”Endress+Hauser 集团水务部门经理 Christian Gutknecht 表示。

水是过程工业和能源供应的关键资源,但也是最濒危的资源之一。特别是在能源转型和可再生能源使用的背景下,各个过程的相互作用至关重要。数字孪生可以发挥决定性作用。它们可以实时模拟对工厂动态的不断增长的需求,调整生产,从而确保决定性的竞争优势。只有通过传统生产的数字化转型,才能满足对供应安全、产品质量和工厂效率日益增长的需求。这一趋势由众多联盟引领。它们正在制定全球适用的通信和工厂安全标准,从而加速数字化转型。

 

结论

氢气生产、循环经济、制药生产和数字集成等各种工艺和技术清楚地表明,高效的水管理是过程工业的核心组成部分。这适用于所有规模,从工厂到运营,从现场到整个公司。与过程工业的能源和原材料基础相比,工业用途中水的替代范围很窄。只有通过密切的互动,工业生产和水管理才能充分发挥其绿色、循环和净零经济的潜力。

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