對化工工藝設計的幾點思考

1、中國石油和化工標準與質(zhì)量第6期化工技術61.cn.cn對化工工藝設計的幾點思考王小光河南未來鋁業(yè)（集團）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，同時對未來化工工藝設計的趨勢做了探討?！娟P鍵詞】化工工藝；設計；現(xiàn)狀；趨勢近年來工藝工程已經(jīng)發(fā)生了巨大變化主要體現(xiàn)在兩個方面:開發(fā)新觀念和新的分析及優(yōu)化方法。一、化工工藝設計的定義化工工藝設計總共包括三個方面：設備布置、工藝流程及管道布置三個方面。就是提出工藝參數(shù)讓

2、土建專業(yè)、設備專業(yè)的選擇型號、基礎，繪制工藝流程圖后，根據(jù)設備專業(yè)及土建專業(yè)的圖紙定出設備布置圖，協(xié)調(diào)完成，最后配管，定管道布置圖紙二、化工工藝設計現(xiàn)狀化工工藝過程的變革常常會遇到很大阻力主要原因是化學工業(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。通過對化學品生產(chǎn)的成本構成分析可以看出基本建設投資和原材料在總成本中占有主要份額。因為裝置費用大常常要運轉(zhuǎn)多年?，F(xiàn)在許多裝置都已經(jīng)擁有50年的壽命將它們進行改造、擴大能力、解決薄弱

3、環(huán)節(jié)要比新建一套裝置便宜得多。按此趨勢分析2020年銷售的產(chǎn)品中約有34將仍由1999年運轉(zhuǎn)的裝置生產(chǎn)但是必須改進裝置性能、擴大產(chǎn)能和減少污染。當然也會有一些主要的工藝過程出現(xiàn)革命性的變革對化工生產(chǎn)有重大影響但也須經(jīng)過較長時間一般要10～20年。大量生產(chǎn)的產(chǎn)品影響制造成本的兩個主要因素是原材料費用和基建投資。每年在基建方面分攤費用約占30%而其他費用諸如能源、勞動、維修、稅賦、廢料處理等總計約占50%。少量生產(chǎn)品種的原料和基建費用所占份

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、對未來化工工藝設計的幾點思考1、要能體現(xiàn)降低能耗。許多人將能源成本作為生產(chǎn)總成本中一個重要的構成部分但是一般并非如此。分離需解決的重點是能量消耗大和基建投資高兩個方面。降低能耗及其相關投資的課題研究常常頗為見效例如應用超臨界流體于許多大型分離裝置。當前的研究表明一些系統(tǒng)的能源費用可以低于許多常用的技術諸如蒸餾、恒沸蒸餾和萃取。能耗的降低是工藝工程設

5、計和研究的重要內(nèi)容。HEN分析提供了一個簡單的手段使整個過程中的熱流變?yōu)榭梢暤膹亩甯鞣N不同物流和熱流可以進行熱交換以減少對加熱和致冷的能量需要。通過HEN分析可以達到最小的能量利用和交換器數(shù)量。HEN分析已經(jīng)用于一些工藝過程設計軟件包可在新裝置設計中應用也可在現(xiàn)有裝置的改進中應用。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到節(jié)能的目的。但這方面的效果不很大因為要改變就要花費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、也有不少改進技術既可節(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)類似但是應用中需要完善解決工藝過程的控制問題包括工藝控制技術和實時組份傳感器等同時需要重視這種串聯(lián)塔的關停問題。2、要能體現(xiàn)降低基本建設投資?；瘜W工業(yè)是資本密集型產(chǎn)業(yè)除非有化學的重大突破使主要產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝得到更新升級、用新裝置生產(chǎn)代替原有生產(chǎn)工藝具有優(yōu)良的經(jīng)濟特性一般都是通過現(xiàn)有裝置改造、解決瓶頸問題、擴大產(chǎn)能來達到改

7、進和提高的目的因為這樣可以節(jié)約基本建設投資。通過工藝過程強化、減少設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流氣液在轉(zhuǎn)動的填料柱中快速接觸達到一定的理論塔板高度由于接觸效率顯著改進所以能夠取得良好的經(jīng)濟效果。但是有兩個因素影響其實施:①徑向縮小設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用②標準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。這兩個因素使Higee設備只在少數(shù)裝置上應用。改變蒸

8、餾塔的填料裝填結(jié)構也可以帶效益提高能力改進分離效率。另一條途徑是減少工藝過程中的設備臺數(shù)將幾種功能在1臺設備中完成如醋酸甲酯和MTBE、TAME等生產(chǎn)中應用蒸餾反應器即是實例。在醋酸甲酯工藝中由于將反應與分離結(jié)合起來因此避免了幾種共沸物的形成從而顯著簡化了分離工序。此外膜反應器對受化學平衡限制的反應十分有利可以有選擇性地將一種產(chǎn)物從反應物料中移出從而在通常的化學平衡條件下提高了轉(zhuǎn)化率。對工藝過程序列和工藝選擇技術在今后數(shù)十年內(nèi)將是增長和

9、發(fā)展甚快的序列應用了一些稱之為結(jié)構相關技術如超結(jié)構、狀態(tài)2空間表達和工藝過程圖(P2graphs)等。其中工藝過程圖可以迅速地進行計算機化可以類似尋求最佳化方案的方法。隨著時間的推移這些技術將結(jié)合其他分離技術發(fā)展如吸附、膜和萃取等在工藝過程中進行推理組合在經(jīng)濟上取得最優(yōu)化的結(jié)果。一種稱之為結(jié)構無關的新技術也已出現(xiàn)如質(zhì)量交換網(wǎng)絡分析該技術與熱交換網(wǎng)絡分析類似。上述兩種分析法可在今后10年內(nèi)對非常復雜的問題進行分析綜合出經(jīng)濟上最佳的工藝流程

10、對新建或改建、對多用或少用新技術作出選擇從而得出化學工業(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)美國化學制造商協(xié)會的研究報告解決污染問題就是減少污染源、回收利用最后就是終端處理。從工藝過程上要減少未來污染的設計戰(zhàn)略必須重視兩個問題:一是到2020年多數(shù)裝置將在現(xiàn)有裝置上擴大和升級二是多數(shù)機遇可能出現(xiàn)在終端處理的應用上。從工藝過程本身加以改進也有幾種可能:①提高化學反應的效率特別重要②提高分離效率使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率提高而少損失同時增

11、加收益而減少廢料處理費用③應用HEN分析方法縮小裝置規(guī)模減少用水量在裝置改進和更新中收效明顯。在工藝過程設計中減少廢料總量是特別重要的觀念因此要進行水的再次利用把廢水減到最低程度。現(xiàn)在已有一些新方法和水壓縮技術可以確定工藝對新鮮水的最低用量。4、新模式:將設計與研究集成。當前的工藝過程設計應用應該拓展但需要將研究開發(fā)中的試驗結(jié)果與設計建設結(jié)合起來。傳統(tǒng)方式是當研究開發(fā)出新的工藝過程時應定期與設計者對話當達到中試階段才形成一個試驗性的軟件

12、包一些工藝過程設計活動才開始最后使此試驗性軟件包完善以完成進一步的技術設計。新方式是首先開發(fā)一個帶有物料和能量平衡的流程、一個熱力學軟件包、研究容器的設備尺寸和制作一個簡單的經(jīng)濟模型。其中有不少推測和估算但目的是將試驗計劃能盡快地涉及此工藝的關鍵技術和經(jīng)濟問題。例如有共沸物生成分離是否困難反應器和分離系統(tǒng)是否需要大量投資能否改變分離手段來減少總體復雜性和分離系統(tǒng)的費用研究開發(fā)部門與設計者進行對話尋求問題的答案通過專門的試驗成果來更新工藝

13、過程模型同時又可提出進一步試驗的課題。這樣可以節(jié)約研究與開發(fā)的費用25%～50%而且節(jié)約大量時間。總之，未來化工工藝設計要緊跟時代發(fā)展也要理論和實際有機結(jié)合起來，只有這樣才能發(fā)揮其巨大的功效。中國石油和化工標準與質(zhì)量第6期化工技術61.cn.cn對化工工藝設計的幾點思考王小光河南未來鋁業(yè)（集團）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，同時對未來化工工藝設計的趨勢做了探討?！娟P鍵詞】化工工藝；設計；現(xiàn)狀；趨勢

14、近年來工藝工程已經(jīng)發(fā)生了巨大變化主要體現(xiàn)在兩個方面:開發(fā)新觀念和新的分析及優(yōu)化方法。一、化工工藝設計的定義化工工藝設計總共包括三個方面：設備布置、工藝流程及管道布置三個方面。就是提出工藝參數(shù)讓土建專業(yè)、設備專業(yè)的選擇型號、基礎，繪制工藝流程圖后，根據(jù)設備專業(yè)及土建專業(yè)的圖紙定出設備布置圖，協(xié)調(diào)完成，最后配管，定管道布置圖紙二、化工工藝設計現(xiàn)狀化工工藝過程的變革常常會遇到很大阻力主要原因是化學工業(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。通過對化學品生產(chǎn)的成本構成分析可以看出基本建設投資和原材料在總成本中占有主要份額。因為裝置費用大常常要運轉(zhuǎn)多年?，F(xiàn)在許多裝置都已經(jīng)擁有50年的壽命將它們進行改造、擴大能力、解決薄弱環(huán)節(jié)要比新建一套裝置便宜得多。按此趨勢分析2020年銷售的產(chǎn)品中約有34將仍由1999年運轉(zhuǎn)的裝置生產(chǎn)但是必須改進裝置性能、擴大產(chǎn)能和減少污染。當然也會有一些主要的工藝過程出現(xiàn)革命性的變革對化工生產(chǎn)有重大影響但也須經(jīng)過較長時間一般要10～20年。大

16、量生產(chǎn)的產(chǎn)品影響制造成本的兩個主要因素是原材料費用和基建投資。每年在基建方面分攤費用約占30%而其他費用諸如能源、勞動、維修、稅賦、廢料處理等總計約占50%。少量生產(chǎn)品種的原料和基建費用所占份額較低。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、對未來化工工藝設計的幾點思考1、要能體現(xiàn)降低能耗。許多人將能源成本作為生產(chǎn)總成本中一個重要的構成部分但是一般并非如此。分離需解決的重點是能量消耗大和基建投資高

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

18、設計中應用也可在現(xiàn)有裝置的改進中應用。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到節(jié)能的目的。但這方面的效果不很大因為要改變就要花費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技術既可節(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)類似但是應用中需要完善解決工藝過程的控制問題包括工藝控制技術和實時組份傳感器等同時需要重視這種串聯(lián)塔的關停問題。2、要能體現(xiàn)降低基

19、本建設投資。化學工業(yè)是資本密集型產(chǎn)業(yè)除非有化學的重大突破使主要產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝得到更新升級、用新裝置生產(chǎn)代替原有生產(chǎn)工藝具有優(yōu)良的經(jīng)濟特性一般都是通過現(xiàn)有裝置改造、解決瓶頸問題、擴大產(chǎn)能來達到改進和提高的目的因為這樣可以節(jié)約基本建設投資。通過工藝過程強化、減少設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流氣液在轉(zhuǎn)動的填料柱中快速接觸達到一定的理論塔板高度由于接觸效率顯著改進所以能夠取得良好的經(jīng)濟效果。但是有兩個因素

20、影響其實施:①徑向縮小設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用②標準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。這兩個因素使Higee設備只在少數(shù)裝置上應用。改變蒸餾塔的填料裝填結(jié)構也可以帶效益提高能力改進分離效率。另一條途徑是減少工藝過程中的設備臺數(shù)將幾種功能在1臺設備中完成如醋酸甲酯和MTBE、TAME等生產(chǎn)中應用蒸餾反應器即是實例。在醋酸甲酯工藝中由于將反應與分離結(jié)合起來因此避免了幾種共沸物的形成從而顯

21、著簡化了分離工序。此外膜反應器對受化學平衡限制的反應十分有利可以有選擇性地將一種產(chǎn)物從反應物料中移出從而在通常的化學平衡條件下提高了轉(zhuǎn)化率。對工藝過程序列和工藝選擇技術在今后數(shù)十年內(nèi)將是增長和發(fā)展甚快的序列應用了一些稱之為結(jié)構相關技術如超結(jié)構、狀態(tài)2空間表達和工藝過程圖(P2graphs)等。其中工藝過程圖可以迅速地進行計算機化可以類似尋求最佳化方案的方法。隨著時間的推移這些技術將結(jié)合其他分離技術發(fā)展如吸附、膜和萃取等在工藝過程中進行推

22、理組合在經(jīng)濟上取得最優(yōu)化的結(jié)果。一種稱之為結(jié)構無關的新技術也已出現(xiàn)如質(zhì)量交換網(wǎng)絡分析該技術與熱交換網(wǎng)絡分析類似。上述兩種分析法可在今后10年內(nèi)對非常復雜的問題進行分析綜合出經(jīng)濟上最佳的工藝流程對新建或改建、對多用或少用新技術作出選擇從而得出化學工業(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)美國化學制造商協(xié)會的研究報告解決污染問題就是減少污染源、回收利用最后就是終端處理。從工藝過程上要減少未來污染的設計戰(zhàn)略必須重視兩個問題:一是

23、到2020年多數(shù)裝置將在現(xiàn)有裝置上擴大和升級二是多數(shù)機遇可能出現(xiàn)在終端處理的應用上。從工藝過程本身加以改進也有幾種可能:①提高化學反應的效率特別重要②提高分離效率使產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率提高而少損失同時增加收益而減少廢料處理費用③應用HEN分析方法縮小裝置規(guī)模減少用水量在裝置改進和更新中收效明顯。在工藝過程設計中減少廢料總量是特別重要的觀念因此要進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可以確定工藝對新鮮水的最低用量。4、新

24、模式:將設計與研究集成。當前的工藝過程設計應用應該拓展但需要將研究開發(fā)中的試驗結(jié)果與設計建設結(jié)合起來。傳統(tǒng)方式是當研究開發(fā)出新的工藝過程時應定期與設計者對話當達到中試階段才形成一個試驗性的軟件包一些工藝過程設計活動才開始最后使此試驗性軟件包完善以完成進一步的技術設計。新方式是首先開發(fā)一個帶有物料和能量平衡的流程、一個熱力學軟件包、研究容器的設備尺寸和制作一個簡單的經(jīng)濟模型。其中有不少推測和估算但目的是將試驗計劃能盡快地涉及此工藝的關鍵技