化工领域技术转移的难点与对策

1化工领域技术转移的难点与对策朱彦龙（华东理工大学，上海，200237）摘要：化工行业是我国的支柱行业，化工领域技术研发有其特殊性和复杂性，文章对化工领域的技术研发以及转移过程中存在的难点进行了分析，并提出了对策建议。关键词：技术转移技术创新化工对策建议各种新产品、新工艺和新技术，在它们实现工业化之前，大都是从实验室研究开始并以实验室研究成果的形式出现的。但是由于物料处理量的大小悬殊，化学实验室和化工生产之间的差别很大，实验室成果不能全面反映工业生产的实际情况。因为实验室研究是在理想条件下，小规模、有限运行时间内完成的，研究主要涉及以下方面：(1)制造方法研究；(2)制造条件研究；(3)物料平衡、能量平衡和生产成本的估算；(4)原料质量和产品质量研究；(5)产品用途及应用产品质量的研究等。但是，实验室研究设备的容量很小，很难对大型工业设备中必然出现的许多工程因素(如传热、传质、流动与混合等)作充分考察。实验室装置一般为间歇操作，而生产装置多数为包括若干分离步骤在内的连续操作。关于连续化以后可能出现的工艺技术问题，以及整个生产流程中各工艺步骤之间的配合问题，在实验室研究中无法得知。实验室研究一般不考虑物料返回利用的问题，而化工生产则必须考虑未反应物料的循环。由于物料循环对工艺过程带来的影响，以及由此而引起的杂质积累对工艺过程和产品质量的作用，在实验室研究中无法了解。由实验室得到的产物样品，往往是在精密控制反应条件、采用纯净物料及严格配比的条件下制备的；而工业生产中的原料纯度和操作条件的控制，都很难达到实验室的水平，因此最终产品的产率、质量和性能，不能以实验室提供的样品为标准。实验室研究由于受到设备材质、功能等方面条件的限制，操作参数往往只能在有限的范围内改变，在实验室条件下确定的操作条件，未必能作为工业装置的最佳工艺条件。实验室研究一般不考虑设备腐蚀对生产和产品带来的影响，而生产设备则必须考虑材料腐蚀及防腐问题。此外，化工生产还必须考虑原材料的品级和供应渠道；产品的质量及市场销售；副产物回收及综合利用；能源供应及消耗定额；三废治理及环境保护等技术经济问题。因此，化学实验室研究成果直接进行技术转移是不可能的。在实验室研究完成后；还必须对研究成果进行多种形式的研究和反复论证，深入考察在实验空条件下无法考察的各种工程技术问题，并论证放大成为工业规模的可行性。只有经过论证，认定可为设计生产装置提供完整数据，技术可靠性和经济效益显著，才能进一步建立生产装置投入工业生产。这种由实验室研究到建立生产装置的全过程即谓之新产品、新工艺或新技术的开发过程，统称为“化工过程开发”。要做好化工领域的技术转移工作，必须把整个开发过程看作一个系统，使系统内各个相互联系和相互作用的要素协调配合，这需要一套严谨的科学方法和高效的开发组2织结构[1]。目前，对化工过程开发研究工作，国内外比较一致的看法，是应该包括过程研究与工程研究两个方面，由研究与设计单位（人员）共同完成。过程研究包括小型工艺实验、大型冷模实验、中间实验三个环节，由科学研究人员负责。工程研究包括概念设计、各级经济评价、基础设计三个环节，由有实践经验的工程师负责。过程研究与工程研究应该是相互依赖、互为促动的（见图1），其中各阶段的研究内涵及目的可分述如下。图1过程研究与工程研究的关系图1过程研究与工程研究的关系小试阶段的目的：（1）制造工艺研究;（2）控制方法研究;（3）材质试验；（4）收集工艺设计资料；（5）制造条件研究；（6）原料、产品的质量研究;（7）提供市场调查用的样品或研究用的样品。中试阶段的目的：（1）工艺研究；（2）控制方法研究；（3）制造条件研究；（4）设备的材质试验及对质量的影响；（5）收集设计资料；（6）装置可靠性、操作性研究；（7）故障分析和对设计的反馈；（8）工序管理的准备；（9）制定操作标准的准备；（10）人员计划和训练；（11）提供开辟市场用的样品。两个阶段的研究目的有部分重复，在技术十分成熟的情况下也可以省略中试装置，但存在下述问题时必须设立中试装置。各级经济评价基础设计化学试验小试验大型冷模试验中间试验工程设计工程研究过程研究概念设计3（1）有难以放大的单元操作及装置；（2）工艺过程中积累杂质并造成影响；（3）想要验证工艺过程及装置的可靠性；（4）需要长期提供市场开发用的样品。如果一般的化学工程理论及资料不能提供传递规律，过程研究就必须进行专门的大型冷模研究。研究内容包括：流场、浓度场、温度场、宏观混合、微观混合、单相或多相体系中的混合、分离、传递等。概念设计以过程研究（或文献资料）中间结果或最终结果为基础，内容包括：过程合成，形成最佳工艺流程，给出物料流程图（ProcessFlowDiagram）；进行物料衡算与热量衡算；设备计算与辅助设备选型；确定单耗指标；确定三废处理方案；估算基建投资与产品成本等。概念设计介于过程研究与多级经济评价之间，具有两方面的任务：其一，接受过程研究提供的数据与概念进行设计，如发现过程研究中有不足之处、以及有利于过程开发的工程经验应及时反馈，以提高过程研究成果质量。其二，为多级经济评价提供较为可靠的数据，主要包括投资、成本、利润、环境安全评价、项目建设难点（例如材料限制）等。根据概念设计提供的素材，多级经济评价（含社会效益、环保效益）环节依据评价指标（现金位置、现值、返本期、等效最大投资周期、投资回收率等）进行评估，如出现不利前景，则终止开发。基础设计是工程研究的最后环节，也是化工过程开发的成果形式，是完成工程设计的依据。包括：设计基础、工艺流程说明、物料流程图、带控制点的管道流程图、设备名称表、设备规格说明书、设备布置图、装置操作说明、三废及处理、自控设计说明、消耗定额、有关技术资料、安全技术。经过化工过程开发应该做到可以需要回答工程设计前的一系列问题，比如：（1）工艺条件（操作变量）；（2）反应器型式（结构变量）；（3）反应器的几何尺寸与放大依据；（4）热力学数据；（5）含副产品的原料循环使用对主反应的影响；（6）流程合成，净化、分离等相关技术；（7）材质与腐蚀；（8）检测与控制；（9）装置系列、规模与运行周期；（10）环境保护；（11）公用工程；（12）经济效益与社会效益，等等。上述问题中，有的比较容易回答，有的则很难回答。比如反应器的几何尺寸与放大依据。在以往约200年的化学工业发展史中，在探索实验室研究成果过渡到第一套工业装置的道路上，形成了两种有代表性的开发方法。（1）逐级经验放大法本世纪初，氨合成技术取得划时代的成功。德国科学家哈柏取得成功时的实验室装置规模为每小时生产80g氨。有记载的资料表明进行过两种不同规模的“模试”---考核与筛选催化剂、开发反应器材料、考察反应器行为。第一套工业装置生产规模为30t/d氨，是逐级经验放大的范例。这就是说，在实验室取得成功之后，还需要进行规模稍大些的模型试验（模试）和规模再大一些的中间工厂实验（中试），然后才能放大到工业规模的生产装置。逐级经验放大法曾被长期广泛使用，迄今也有较大的应用范围，但其弊端也是显而易见的。主要表现在耗资甚巨、费时甚长且并不十分可靠。4（2）数学模型放大法另一种过程放大方法---数学模型放大法，是在掌握对象规律的基础上，通过合理简化，对其进行数学描述，在计算机上综合，以等效为标准建立数学模型。用小试、模试或中试的实验结果考核数学模型，并加以修正，最终形成设计（放大）软件。由此可见，化工过程开发是一种综合性的工程技术，化工领域的技术转移更是一项系统工程，涉及化学工程、化学、化学工艺、工程设计、化工机械、测量与控制、经济分析及系统优化等多种学科领域。而现行的科研管理体制却使技术转移工作受到诸多限制，主要表现在：（1）受学科分类的限制，各自为政，以研究室（研究所）为单位，协同攻关能力大为削弱。（2）受体制限制，研究与设计单位相互独立，科学家与工程师相分离，工艺、工程集成能力薄弱。（3）开发方法的不科学，使得技术开发成本高、周期长，经济效益评估不准确。技术开发工作一般是由教授、研究员独立完成的，工程公司或设计院的工程师一般不早期介入技术开发研究。采用通俗的叙述可将产学研合作模式归结为下列过程：（1）科学家从事过程研究，形成实验室科研成果，鉴定。（2）得到进一步的资金支持后，进行放大过程中冷模研究或单体中试。（3）研究单位开始寻找合作企业（投资方），说服企业投资，然后聘请设计单位或自行设计，上示范工程。这种技术开发运行模式，使得高校学科门类齐全的优势丧失，造成科技成果转化为现实生产力的水平大大降低，从而影响了高校社会服务功能的有效发挥。从化工开发过程看，技术由科研单位走向企业，必须跃过技术放大、工业材料选择、技术成套化的风险，这些任务对科学家是勉为其难的，应该由有丰富经验的、多学科组成的工程师来完成，而研究队伍和工程师队伍之间的交流和协调又是不可缺少的。问题在于，我们的机制没有把二者有机的统一在一起。后天的结合，不仅造成时间、金钱上的浪费，更多的可能是研究成果被工程技术人员所否定，必须从头做起。此外，在化工技术集成过程中，设备放大参数模型、设备材料选择、设计验证等一系列影响产业化风险的要素，均需要有一个公用的、弹性的中试平台，以解决技术转移中的技术放大风险。而这类通用型的中试平台企业是不肯投入的，这导致科研单位在技术开发资金和设备上的缺口很大，而冒险跳过开发环节盲目工业化的项目基本上不能开车成功。过高的失败率打击了合作双方的信心，造成技术供需双方诚信成本加大，使成果转化走入“怪圈”。在发达国家，除了有较强的研究开发机构外，一般都有较为完善的中介服务体系，特别是各类为企业服务的中介机构，在成果转化中起到了十分重要的作用。我国的中介服务体系十分薄弱，虽然科研机构数量较多，但有能力的中介机构十分缺乏，大量的企业不知到何处去获取合适的技术成果，而不少科研机构成果找不到扩散的合适渠道，只能自己小打小闹的转化，使先进技术成果的社会效益远远不能发挥。美国政府自上世纪50年代起，积极扶持大学设立专门的技术转移机构，负责将大学的研究成果转移或许可给产业部门。技术转移机构的设立，密切了校企间的产学研结合为美国的经济和高技术产业的发展起到了强大的推动作用。至目前为止包括斯坦福、麻省理工在内的美国100多所综合型、研究型大学均设立了技术转移中心，并由此产生了包括1000多名会员、覆盖加拿大、欧洲地区的技术经理人协会[2]。20世纪80年代以来，我国高校相继建立了科技服务部等机构，对促进校企间的联系与合作做出了阶段性贡献，成果转化率徘徊不前的主要原因在于科技服务部等机构在机制、人才、资金等方面的缺位。市场的强烈需求，促生了大量的社会科技服务公司，但由于缺乏依托和有效支持，基本没有发展起来。技术转移中心是在新形势下，以科技服务部为基础，深入发展产学研合作的尝试，原国5家经贸委和教育部非常重视产学研结合工作，并于2001年9月在基础比较好的清华大学、上海交通大学、西安交通大学、华东理工大学、华中科技大学、四川大学首批设立了国家技术转移中心。国家技术转移中心围绕行业共性、关键技术进行技术集成，致力于提高技术成熟度和成果转化的成功率，以期建立牢固的技术转移产学研联盟[3]。各高校、科研院所纷纷设立技术转移机构的原因，在于其区别于科技服务部的功能定位：（1）技术市场信息枢纽的建设者：建设强大的信息（技术信息、研发者信息、技术需求信息、市场信息等）中转枢纽。（2）专家库的运营者：通过按劳付酬、期权激励等方式聘用兼职专家工作，建立权威、全面、准确的技术评估和论证系统。（3）技术集成的组织者：建立兼职研发队伍进行技术集成，将单元技术集成、完善，形成可产业化的关键技术，以知识产权固化关键、成套技术。（4）技术转移的代理者：跟踪研究国外技术发展趋势和国内技术需求，代理技术的使用许可权，为企业引进国外先进实用技术提供服务。（5）扩散的推广者：将关键技术迅速扩散、实现产业化，获取经济利益回报。机构一般不直接涉足企业孵化。相对于科技服务部，技术转移机构具有更为宽广和实用的工作范围：（1）咨询、评估、论证