對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

1、中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量第6期化工技術(shù)61.cn.cn對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考王小光河南未來(lái)鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司河南焦作454171【摘要】本文就目前化工工藝的現(xiàn)狀做了闡述，同時(shí)對(duì)未來(lái)化工工藝設(shè)計(jì)的趨勢(shì)做了探討?！娟P(guān)鍵詞】化工工藝；設(shè)計(jì)；現(xiàn)狀；趨勢(shì)近年來(lái)工藝工程已經(jīng)發(fā)生了巨大變化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:開發(fā)新觀念和新的分析及優(yōu)化方法。一、化工工藝設(shè)計(jì)的定義化工工藝設(shè)計(jì)總共包括三個(gè)方面：設(shè)備布置、工藝流程及管道布置三個(gè)方面。就是提出工藝參數(shù)讓

2、土建專業(yè)、設(shè)備專業(yè)的選擇型號(hào)、基礎(chǔ)，繪制工藝流程圖后，根據(jù)設(shè)備專業(yè)及土建專業(yè)的圖紙定出設(shè)備布置圖，協(xié)調(diào)完成，最后配管，定管道布置圖紙二、化工工藝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀化工工藝過(guò)程的變革常常會(huì)遇到很大阻力主要原因是化學(xué)工業(yè)具有資本密集型的特性一旦工藝失敗將造成巨大的資金損失。通過(guò)對(duì)化學(xué)品生產(chǎn)的成本構(gòu)成分析可以看出基本建設(shè)投資和原材料在總成本中占有主要份額。因?yàn)檠b置費(fèi)用大常常要運(yùn)轉(zhuǎn)多年。現(xiàn)在許多裝置都已經(jīng)擁有50年的壽命將它們進(jìn)行改造、擴(kuò)大能力、解決薄弱

3、環(huán)節(jié)要比新建一套裝置便宜得多。按此趨勢(shì)分析2020年銷售的產(chǎn)品中約有34將仍由1999年運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置生產(chǎn)但是必須改進(jìn)裝置性能、擴(kuò)大產(chǎn)能和減少污染。當(dāng)然也會(huì)有一些主要的工藝過(guò)程出現(xiàn)革命性的變革對(duì)化工生產(chǎn)有重大影響但也須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間一般要10～20年。大量生產(chǎn)的產(chǎn)品影響制造成本的兩個(gè)主要因素是原材料費(fèi)用和基建投資。每年在基建方面分?jǐn)傎M(fèi)用約占30%而其他費(fèi)用諸如能源、勞動(dòng)、維修、稅賦、廢料處理等總計(jì)約占50%。少量生產(chǎn)品種的原料和基建費(fèi)用所占份

4、額較低。為了提高現(xiàn)有裝置產(chǎn)能降低單位生產(chǎn)成本選擇改建、消滅瓶頸和更新戰(zhàn)略可以減少投資。三、對(duì)未來(lái)化工工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考1、要能體現(xiàn)降低能耗。許多人將能源成本作為生產(chǎn)總成本中一個(gè)重要的構(gòu)成部分但是一般并非如此。分離需解決的重點(diǎn)是能量消耗大和基建投資高兩個(gè)方面。降低能耗及其相關(guān)投資的課題研究常常頗為見效例如應(yīng)用超臨界流體于許多大型分離裝置。當(dāng)前的研究表明一些系統(tǒng)的能源費(fèi)用可以低于許多常用的技術(shù)諸如蒸餾、恒沸蒸餾和萃取。能耗的降低是工藝工程設(shè)

5、計(jì)和研究的重要內(nèi)容。HEN分析提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的手段使整個(gè)過(guò)程中的熱流變?yōu)榭梢暤膹亩甯鞣N不同物流和熱流可以進(jìn)行熱交換以減少對(duì)加熱和致冷的能量需要。通過(guò)HEN分析可以達(dá)到最小的能量利用和交換器數(shù)量。HEN分析已經(jīng)用于一些工藝過(guò)程設(shè)計(jì)軟件包可在新裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用也可在現(xiàn)有裝置的改進(jìn)中應(yīng)用。在分離范圍內(nèi)許多研究工作都在尋找替代蒸餾的方法以達(dá)到節(jié)能的目的。但這方面的效果不很大因?yàn)橐淖兙鸵ㄙM(fèi)基建投資這常常難以與節(jié)能所降低的成本平衡另一方面蒸餾

6、也有不少改進(jìn)技術(shù)既可節(jié)能又省投資。蒸餾塔的串聯(lián)是節(jié)能的主要措施串聯(lián)中將一塔的頂端汽流作為另一塔的熱源這種操作與多重蒸發(fā)類似但是應(yīng)用中需要完善解決工藝過(guò)程的控制問(wèn)題包括工藝控制技術(shù)和實(shí)時(shí)組份傳感器等同時(shí)需要重視這種串聯(lián)塔的關(guān)停問(wèn)題。2、要能體現(xiàn)降低基本建設(shè)投資?；瘜W(xué)工業(yè)是資本密集型產(chǎn)業(yè)除非有化學(xué)的重大突破使主要產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝得到更新升級(jí)、用新裝置生產(chǎn)代替原有生產(chǎn)工藝具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)特性一般都是通過(guò)現(xiàn)有裝置改造、解決瓶頸問(wèn)題、擴(kuò)大產(chǎn)能來(lái)達(dá)到改

7、進(jìn)和提高的目的因?yàn)檫@樣可以節(jié)約基本建設(shè)投資。通過(guò)工藝過(guò)程強(qiáng)化、減少設(shè)備尺寸可以顯著地節(jié)約投資。如Higee工藝可普遍用于蒸餾塔的改造對(duì)流氣液在轉(zhuǎn)動(dòng)的填料柱中快速接觸達(dá)到一定的理論塔板高度由于接觸效率顯著改進(jìn)所以能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。但是有兩個(gè)因素影響其實(shí)施:①?gòu)较蚩s小設(shè)備需要投資于自旋的轉(zhuǎn)子而且自旋采用電力因而要增加能源費(fèi)用②標(biāo)準(zhǔn)蒸餾塔的輔助件如冷凝器、管道和控制系統(tǒng)等一般不需變動(dòng)。這兩個(gè)因素使Higee設(shè)備只在少數(shù)裝置上應(yīng)用。改變蒸

8、餾塔的填料裝填結(jié)構(gòu)也可以帶效益提高能力改進(jìn)分離效率。另一條途徑是減少工藝過(guò)程中的設(shè)備臺(tái)數(shù)將幾種功能在1臺(tái)設(shè)備中完成如醋酸甲酯和MTBE、TAME等生產(chǎn)中應(yīng)用蒸餾反應(yīng)器即是實(shí)例。在醋酸甲酯工藝中由于將反應(yīng)與分離結(jié)合起來(lái)因此避免了幾種共沸物的形成從而顯著簡(jiǎn)化了分離工序。此外膜反應(yīng)器對(duì)受化學(xué)平衡限制的反應(yīng)十分有利可以有選擇性地將一種產(chǎn)物從反應(yīng)物料中移出從而在通常的化學(xué)平衡條件下提高了轉(zhuǎn)化率。對(duì)工藝過(guò)程序列和工藝選擇技術(shù)在今后數(shù)十年內(nèi)將是增長(zhǎng)和

9、發(fā)展甚快的序列應(yīng)用了一些稱之為結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)如超結(jié)構(gòu)、狀態(tài)2空間表達(dá)和工藝過(guò)程圖(P2graphs)等。其中工藝過(guò)程圖可以迅速地進(jìn)行計(jì)算機(jī)化可以類似尋求最佳化方案的方法。隨著時(shí)間的推移這些技術(shù)將結(jié)合其他分離技術(shù)發(fā)展如吸附、膜和萃取等在工藝過(guò)程中進(jìn)行推理組合在經(jīng)濟(jì)上取得最優(yōu)化的結(jié)果。一種稱之為結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的新技術(shù)也已出現(xiàn)如質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)分析該技術(shù)與熱交換網(wǎng)絡(luò)分析類似。上述兩種分析法可在今后10年內(nèi)對(duì)非常復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分析綜合出經(jīng)濟(jì)上最佳的工藝流程

10、對(duì)新建或改建、對(duì)多用或少用新技術(shù)作出選擇從而得出化學(xué)工業(yè)如何降低基建投資的答案。3、要能體現(xiàn)改善環(huán)境行為。據(jù)美國(guó)化學(xué)制造商協(xié)會(huì)的研究報(bào)告解決污染問(wèn)題就是減少污染源、回收利用最后就是終端處理。從工藝過(guò)程上要減少未來(lái)污染的設(shè)計(jì)戰(zhàn)略必須重視兩個(gè)問(wèn)題:一是到2020年多數(shù)裝置將在現(xiàn)有裝置上擴(kuò)大和升級(jí)二是多數(shù)機(jī)遇可能出現(xiàn)在終端處理的應(yīng)用上。從工藝過(guò)程本身加以改進(jìn)也有幾種可能:①提高化學(xué)反應(yīng)的效率特別重要②提高分離效率使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率提高而少損失同時(shí)增

11、加收益而減少?gòu)U料處理費(fèi)用③應(yīng)用HEN分析方法縮小裝置規(guī)模減少用水量在裝置改進(jìn)和更新中收效明顯。在工藝過(guò)程設(shè)計(jì)中減少?gòu)U料總量是特別重要的觀念因此要進(jìn)行水的再次利用把廢水減到最低程度?，F(xiàn)在已有一些新方法和水壓縮技術(shù)可以確定工藝對(duì)新鮮水的最低用量。4、新模式:將設(shè)計(jì)與研究集成。當(dāng)前的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)該拓展但需要將研究開發(fā)中的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)建設(shè)結(jié)合起來(lái)。傳統(tǒng)方式是當(dāng)研究開發(fā)出新的工藝過(guò)程時(shí)應(yīng)定期與設(shè)計(jì)者對(duì)話當(dāng)達(dá)到中試階段才形成一個(gè)試驗(yàn)性的軟件

12、包一些工藝過(guò)程設(shè)計(jì)活動(dòng)才開始最后使此試驗(yàn)性軟件包完善以完成進(jìn)一步的技術(shù)設(shè)計(jì)。新方式是首先開發(fā)一個(gè)帶有物料和能量平衡的流程、一個(gè)熱力學(xué)軟件包、研究容器的設(shè)備尺寸和制作一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)模型。其中有不少推測(cè)和估算但目的是將試驗(yàn)計(jì)劃能盡快地涉及此工藝的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。例如有共沸物生成分離是否困難反應(yīng)器和分離系統(tǒng)是否需要大量投資能否改變分離手段來(lái)減少總體復(fù)雜性和分離系統(tǒng)的費(fèi)用研究開發(fā)部門與設(shè)計(jì)者進(jìn)行對(duì)話尋求問(wèn)題的答案通過(guò)專門的試驗(yàn)成果來(lái)更新工藝

13、過(guò)程模型同時(shí)又可提出進(jìn)一步試驗(yàn)的課題。這樣可以節(jié)約研究與開發(fā)的費(fèi)用25%～50%而且節(jié)約大量時(shí)間?？傊磥?lái)化工工藝設(shè)計(jì)要緊跟時(shí)代發(fā)展也要理論和實(shí)際有機(jī)結(jié)合起來(lái)，只有這樣才能發(fā)揮其巨大的功效。中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量第6期化工技術(shù)61.cn.cn對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考王小光河南未來(lái)鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司河南焦作454171【摘要】本文就目前化工工藝的現(xiàn)狀做了闡述，同時(shí)對(duì)未來(lái)化工工藝設(shè)計(jì)的趨勢(shì)做了探討?！娟P(guān)鍵詞】化工工藝；設(shè)計(jì)；現(xiàn)狀；趨勢(shì)

14、近年來(lái)工藝工程已經(jīng)發(fā)生了巨大變化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:開發(fā)新觀念和新的分析及優(yōu)化方法。一、化工工藝設(shè)計(jì)的定義化工工藝設(shè)計(jì)總共包括三個(gè)方面：設(shè)備布置、工藝流程及管道布置三個(gè)方面。就是提出工藝參數(shù)讓土建專業(yè)、設(shè)備專業(yè)的選擇型號(hào)、基礎(chǔ)，繪制工藝流程圖后，根據(jù)設(shè)備專業(yè)及土建專業(yè)的圖紙定出設(shè)備布置圖，協(xié)調(diào)完成，最后配管，定管道布置圖紙二、化工工藝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀化工工藝過(guò)程的變革常常會(huì)遇到很大阻力主要原因是化學(xué)工業(yè)具有資本密集型的特性一旦工藝失敗將造成巨大

15、的資金損失。通過(guò)對(duì)化學(xué)品生產(chǎn)的成本構(gòu)成分析可以看出基本建設(shè)投資和原材料在總成本中占有主要份額。因?yàn)檠b置費(fèi)用大常常要運(yùn)轉(zhuǎn)多年。現(xiàn)在許多裝置都已經(jīng)擁有50年的壽命將它們進(jìn)行改造、擴(kuò)大能力、解決薄弱環(huán)節(jié)要比新建一套裝置便宜得多。按此趨勢(shì)分析2020年銷售的產(chǎn)品中約有34將仍由1999年運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置生產(chǎn)但是必須改進(jìn)裝置性能、擴(kuò)大產(chǎn)能和減少污染。當(dāng)然也會(huì)有一些主要的工藝過(guò)程出現(xiàn)革命性的變革對(duì)化工生產(chǎn)有重大影響但也須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間一般要10～20年。大

16、量生產(chǎn)的產(chǎn)品影響制造成本的兩個(gè)主要因素是原材料費(fèi)用和基建投資。每年在基建方面分?jǐn)傎M(fèi)用約占30%而其他費(fèi)用諸如能源、勞動(dòng)、維修、稅賦、廢料處理等總計(jì)約占50%。少量生產(chǎn)品種的原料和基建費(fèi)用所占份額較低。為了提高現(xiàn)有裝置產(chǎn)能降低單位生產(chǎn)成本選擇改建、消滅瓶頸和更新戰(zhàn)略可以減少投資。三、對(duì)未來(lái)化工工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考1、要能體現(xiàn)降低能耗。許多人將能源成本作為生產(chǎn)總成本中一個(gè)重要的構(gòu)成部分但是一般并非如此。分離需解決的重點(diǎn)是能量消耗大和基建投資高

17、兩個(gè)方面。降低能耗及其相關(guān)投資的課題研究常常頗為見效例如應(yīng)用超臨界流體于許多大型分離裝置。當(dāng)前的研究表明一些系統(tǒng)的能源費(fèi)用可以低于許多常用的技術(shù)諸如蒸餾、恒沸蒸餾和萃取。能耗的降低是工藝工程設(shè)計(jì)和研究的重要內(nèi)容。HEN分析提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的手段使整個(gè)過(guò)程中的熱流變?yōu)榭梢暤膹亩甯鞣N不同物流和熱流可以進(jìn)行熱交換以減少對(duì)加熱和致冷的能量需要。通過(guò)HEN分析可以達(dá)到最小的能量利用和交換器數(shù)量。HEN分析已經(jīng)用于一些工藝過(guò)程設(shè)計(jì)軟件包可在新裝置

18、設(shè)計(jì)中應(yīng)用也可在現(xiàn)有裝置的改進(jìn)中應(yīng)用。在分離范圍內(nèi)許多研究工作都在尋找替代蒸餾的方法以達(dá)到節(jié)能的目的。但這方面的效果不很大因?yàn)橐淖兙鸵ㄙM(fèi)基建投資這常常難以與節(jié)能所降低的成本平衡另一方面蒸餾也有不少改進(jìn)技術(shù)既可節(jié)能又省投資。蒸餾塔的串聯(lián)是節(jié)能的主要措施串聯(lián)中將一塔的頂端汽流作為另一塔的熱源這種操作與多重蒸發(fā)類似但是應(yīng)用中需要完善解決工藝過(guò)程的控制問(wèn)題包括工藝控制技術(shù)和實(shí)時(shí)組份傳感器等同時(shí)需要重視這種串聯(lián)塔的關(guān)停問(wèn)題。2、要能體現(xiàn)降低基

19、本建設(shè)投資?；瘜W(xué)工業(yè)是資本密集型產(chǎn)業(yè)除非有化學(xué)的重大突破使主要產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝得到更新升級(jí)、用新裝置生產(chǎn)代替原有生產(chǎn)工藝具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)特性一般都是通過(guò)現(xiàn)有裝置改造、解決瓶頸問(wèn)題、擴(kuò)大產(chǎn)能來(lái)達(dá)到改進(jìn)和提高的目的因?yàn)檫@樣可以節(jié)約基本建設(shè)投資。通過(guò)工藝過(guò)程強(qiáng)化、減少設(shè)備尺寸可以顯著地節(jié)約投資。如Higee工藝可普遍用于蒸餾塔的改造對(duì)流氣液在轉(zhuǎn)動(dòng)的填料柱中快速接觸達(dá)到一定的理論塔板高度由于接觸效率顯著改進(jìn)所以能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。但是有兩個(gè)因素

20、影響其實(shí)施:①?gòu)较蚩s小設(shè)備需要投資于自旋的轉(zhuǎn)子而且自旋采用電力因而要增加能源費(fèi)用②標(biāo)準(zhǔn)蒸餾塔的輔助件如冷凝器、管道和控制系統(tǒng)等一般不需變動(dòng)。這兩個(gè)因素使Higee設(shè)備只在少數(shù)裝置上應(yīng)用。改變蒸餾塔的填料裝填結(jié)構(gòu)也可以帶效益提高能力改進(jìn)分離效率。另一條途徑是減少工藝過(guò)程中的設(shè)備臺(tái)數(shù)將幾種功能在1臺(tái)設(shè)備中完成如醋酸甲酯和MTBE、TAME等生產(chǎn)中應(yīng)用蒸餾反應(yīng)器即是實(shí)例。在醋酸甲酯工藝中由于將反應(yīng)與分離結(jié)合起來(lái)因此避免了幾種共沸物的形成從而顯

21、著簡(jiǎn)化了分離工序。此外膜反應(yīng)器對(duì)受化學(xué)平衡限制的反應(yīng)十分有利可以有選擇性地將一種產(chǎn)物從反應(yīng)物料中移出從而在通常的化學(xué)平衡條件下提高了轉(zhuǎn)化率。對(duì)工藝過(guò)程序列和工藝選擇技術(shù)在今后數(shù)十年內(nèi)將是增長(zhǎng)和發(fā)展甚快的序列應(yīng)用了一些稱之為結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)如超結(jié)構(gòu)、狀態(tài)2空間表達(dá)和工藝過(guò)程圖(P2graphs)等。其中工藝過(guò)程圖可以迅速地進(jìn)行計(jì)算機(jī)化可以類似尋求最佳化方案的方法。隨著時(shí)間的推移這些技術(shù)將結(jié)合其他分離技術(shù)發(fā)展如吸附、膜和萃取等在工藝過(guò)程中進(jìn)行推

22、理組合在經(jīng)濟(jì)上取得最優(yōu)化的結(jié)果。一種稱之為結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的新技術(shù)也已出現(xiàn)如質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)分析該技術(shù)與熱交換網(wǎng)絡(luò)分析類似。上述兩種分析法可在今后10年內(nèi)對(duì)非常復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分析綜合出經(jīng)濟(jì)上最佳的工藝流程對(duì)新建或改建、對(duì)多用或少用新技術(shù)作出選擇從而得出化學(xué)工業(yè)如何降低基建投資的答案。3、要能體現(xiàn)改善環(huán)境行為。據(jù)美國(guó)化學(xué)制造商協(xié)會(huì)的研究報(bào)告解決污染問(wèn)題就是減少污染源、回收利用最后就是終端處理。從工藝過(guò)程上要減少未來(lái)污染的設(shè)計(jì)戰(zhàn)略必須重視兩個(gè)問(wèn)題:一是

23、到2020年多數(shù)裝置將在現(xiàn)有裝置上擴(kuò)大和升級(jí)二是多數(shù)機(jī)遇可能出現(xiàn)在終端處理的應(yīng)用上。從工藝過(guò)程本身加以改進(jìn)也有幾種可能:①提高化學(xué)反應(yīng)的效率特別重要②提高分離效率使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率提高而少損失同時(shí)增加收益而減少?gòu)U料處理費(fèi)用③應(yīng)用HEN分析方法縮小裝置規(guī)模減少用水量在裝置改進(jìn)和更新中收效明顯。在工藝過(guò)程設(shè)計(jì)中減少?gòu)U料總量是特別重要的觀念因此要進(jìn)行水的再次利用把廢水減到最低程度?，F(xiàn)在已有一些新方法和水壓縮技術(shù)可以確定工藝對(duì)新鮮水的最低用量。4、新

24、模式:將設(shè)計(jì)與研究集成。當(dāng)前的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)該拓展但需要將研究開發(fā)中的試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)建設(shè)結(jié)合起來(lái)。傳統(tǒng)方式是當(dāng)研究開發(fā)出新的工藝過(guò)程時(shí)應(yīng)定期與設(shè)計(jì)者對(duì)話當(dāng)達(dá)到中試階段才形成一個(gè)試驗(yàn)性的軟件包一些工藝過(guò)程設(shè)計(jì)活動(dòng)才開始最后使此試驗(yàn)性軟件包完善以完成進(jìn)一步的技術(shù)設(shè)計(jì)。新方式是首先開發(fā)一個(gè)帶有物料和能量平衡的流程、一個(gè)熱力學(xué)軟件包、研究容器的設(shè)備尺寸和制作一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)模型。其中有不少推測(cè)和估算但目的是將試驗(yàn)計(jì)劃能盡快地涉及此工藝的關(guān)鍵技