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【摘要】文章分析了化工生产过程中不同工艺的优化方式，对化工工艺形式进行了论述。
【关键词】 化工工艺 优化 设计
中图分类号：F407.45 文献标识码：A
随着近年来工艺工程的发展和进步，工艺工程在当下已经发生了巨大变化,主要体现在两个方面:开发新观念和新的分析及优化方法。
一、化工工艺设计的定义
根据以往的流程定义，化工工艺设计总共包括三个方面：设备布置、工艺流程及管道布置三个方面。就是提出工艺参数让土建专业、设备专业的选择型号、基础，绘制工艺流程图后，根据设备专业及土建专业的图纸定出设备布置图，协调完成，最后配管，定管道布置图纸
二、化工工艺设计现状
化工工艺过程的变革常常会遇到很大阻力,主要原因是化学工业具有资本密集型的特性,一旦工艺失败将造成巨大的资金损失。通过对化学品生产的成本构成分析,可以看出基本建设投资和原材料在总成本中占有主要份额。因为装置费用大,常常要运转多年。现在许多装置都已经拥有50 年的寿命,将它们进行改造、扩大能力、解决薄弱环节要比新建一套装置便宜得多。按此趋势分析,2020 年销售的产品中约有3/ 4 将仍由1999 年运转的装置生产,但是必须改进装置性能、扩大产能和减少污染。当然,也会有一些主要的工艺过程出现革命性的变革,对化工生产有重大影响,但也须经过较长时间,一般要10～20 年。
大量生产的产品影响制造成本的兩个主要因素是原材料费用和基建投资。每年在基建方面分摊费用约占30 %,而其他费用诸如能源、劳动、维修、税赋、废料处理等总计约占50 %。少量生产品种的原料和基建费用所占份额较低。为了提高现有装置产能,降低单位生产成本,选择改建、消灭瓶颈和更新战略,可以减少投资。
三、对未来化工工艺设计的几点思考
3．1 要能体现降低能耗
许多人将能源成本作为生产总成本中一个重要的构成部分,但是一般并非如此。分离需解决的重点是能量消耗大和基建投资高两个方面。降低能耗及其相关投资的课题研究常常颇为见效,例如应用超临界流体于许多大型分离装置。当前的研究表明,一些系统的能源费用可以低于许多常用的技术,诸如蒸馏、恒沸蒸馏和萃取。能耗的降低是工艺工程设计和研究的重要内容。HEN 分析提供了一个简单的手段,使整个过程中的热流变为可视的,从而弄清各种不同物流和热流可以进行热交换,以减少对加热和致冷的能量需要。通过HEN 分析可以达到最小的能量利用和交换器数量。HEN 分析已经用于一些工艺过程设计软件包,可在新装置设计中应用,也可在现有装置的改进中应用。在分离范围内,许多研究工作都在寻找替代蒸馏的方法以达到节能的目的。但这方面的效果不很大,因为要改变就要花费基建投资,这常常难以与节能所降低的成本平衡;另一方面,蒸馏也有不少改进技术既可节能又省投资。蒸馏塔的串联是节能的主要措施,串联中将一塔的顶端汽流作为另一塔的热源,这种操作与多重蒸发类似,但是应用中需要完善解决工艺过程的控制问题,包括工艺控制技术和实时组份传感器等,同时需要重视这种串联塔的关停问题。
3．2 要能体现降低基本建设投资
化学工业是资本密集型产业,除非有化学的重大突破使主要产品的生产工艺得到更新升级、用新装置生产代替原有生产工艺具有优良的经济特性,一般都是通过现有装置改造、解决瓶颈问题、扩大产能来达到改进和提高的目的,因为这样可以节约基本建设投资。通过工艺过程强化、减少设备尺寸,可以显著地节约投资。如Higee 工艺可普遍用于蒸馏塔的改造,对流气液在转动的填料柱中快速接触,达到一定的理论塔板高度,由于接触效率显著改进,所以能够取得良好的经济效果。但是,有两个因素影响其实施: ①径向缩小设备需要投资于自旋的转子,而且自旋采用电力,因而要增加能源费用; ②标准蒸馏塔的辅助件,如冷凝器、管道和控制系统等一般不需变动。这两个因素使Higee 设备只在少数装置上应用。改变蒸馏塔的填料装填结构也可以带效益,提高能力,改进分离效率。另一条途径是减少工艺过程中的设备台数,将几种功能在1 台设备中完成,如醋酸甲酯和MTBE、TAME 等生产中应用蒸馏反应器即是实例。在醋酸甲酯工艺中,由于将反应与分离结合起来,因此避免了几种共沸物的形成,从而显著简化了分离工序。此外,膜反应器对受化学平衡限制的反应十分有利,可以有选择性地将一种产物从反应物料中移出,从而在通常的化学平衡条件下提高了转化率。对工艺过程序列和工艺选择技术在今后数十年内将是增长和发展甚快的序列,应用了一些称之为结构相关技术,如超结构、状态2空间表达和工艺过程图(P2graphs) 等。其中工艺过程图可以迅速地进行计算机化,可以类似寻求最佳化方案的方法。随着时间的推移,这些技术将结合其他分离技术发展,如吸附、膜和萃取等,在工艺过程中进行推理组合,在经济上取得最优化的结果。一种称之为结构无关的新技术也已出现,如质量交换网络分析,该技术与热交换网络分析类似。上述两种分析法可在今后10 年内对非常复杂的问题进行分析,综合出经济上最佳的工艺流程,对新建或改建、对多用或少用新技术作出选择,从而得出化学工业如何降低基建投资的答案。
3．3 要能体现改善环境行为
据美国化学制造商协会的研究报告,解决污染问题就是减少污染源、回收利用,最后就是终端处理。从工艺过程上要减少未来污染的设计战略必须重视两个问题:一是到2020 年多数装置将在现有装置上扩大和升级;二是多数机遇可能出现在终端处理的应用上。从工艺过程本身加以改进也有几种可能: ①提高化学反应的效率特别重要; ②提高分离效率,使产品转化率提高而少损失,同时增加收益而减少废料处理费用; ③应用HEN 分析方法缩小装置规模,减少用水量,在装置改进和更新中收效明显。在工艺过程设计中减少废料总量是特别重要的观念,因此要进行水的再次利用,把废水减到最低程度。现在已有一些新方法和水压缩技术可以确定工艺对新鲜水的最低用量。
3．4 新模式:将设计与研究集成
当前的工艺过程设计应用应该拓展,但需要将研究开发中的试验结果与设计建设结合起来。传统方式是当研究开发出新的工艺过程时,应定期与设计者对话,当达到中试阶段才形成一个试验性的软件包,一些工艺过程设计活动才开始,最后使此试验性软件包完善,以完成进一步的技术设计。新方式是首先开发一个带有物料和能量平衡的流程、一个热力学软件包、研究容器的设备尺寸和制作一个简单的经济模型。其中有不少推测和估算,但目的是将试验计划能尽快地涉及此工艺的关键技术和经济问题。例如,有共沸物生成分离是否困难? 反应器和分离系统是否需要大量投资? 能否改变分离手段来减少总体复杂性和分离系统的费用? 研究开发部门与设计者进行对话,寻求问题的答案,通过专门的试验成果来更新工艺过程模型,同时又可提出进一步试验的课题。这样可以节约研究与开发的费用25 %～50 % ,而且节约大量时间。
四、结束语
化工设计的核心就是化工工艺设计，因为化工工艺设计决定着整个设计的整体状况，可以组织和协调非工艺设计。化工工艺设计由于新技术含量高、工艺流程独特等原因，具有很多特点。例如，设计的基础资料由科研单位负责，主要是根据以往的实验数据来编制，并没有经过工业化生产的检验、完善，导致很多基础资料不够完整。另外，化工工艺流程因为流程的独特性，就包括了很多种类繁多、规格特别的特备。此外，工作量大、设计周期短、规模大小不一等都是化工工艺设计的特点。
【关键词】 化工工艺 优化 设计
中图分类号：F407.45 文献标识码：A
随着近年来工艺工程的发展和进步，工艺工程在当下已经发生了巨大变化,主要体现在两个方面:开发新观念和新的分析及优化方法。
一、化工工艺设计的定义
根据以往的流程定义，化工工艺设计总共包括三个方面：设备布置、工艺流程及管道布置三个方面。就是提出工艺参数让土建专业、设备专业的选择型号、基础，绘制工艺流程图后，根据设备专业及土建专业的图纸定出设备布置图，协调完成，最后配管，定管道布置图纸
二、化工工艺设计现状
化工工艺过程的变革常常会遇到很大阻力,主要原因是化学工业具有资本密集型的特性,一旦工艺失败将造成巨大的资金损失。通过对化学品生产的成本构成分析,可以看出基本建设投资和原材料在总成本中占有主要份额。因为装置费用大,常常要运转多年。现在许多装置都已经拥有50 年的寿命,将它们进行改造、扩大能力、解决薄弱环节要比新建一套装置便宜得多。按此趋势分析,2020 年销售的产品中约有3/ 4 将仍由1999 年运转的装置生产,但是必须改进装置性能、扩大产能和减少污染。当然,也会有一些主要的工艺过程出现革命性的变革,对化工生产有重大影响,但也须经过较长时间,一般要10～20 年。
大量生产的产品影响制造成本的兩个主要因素是原材料费用和基建投资。每年在基建方面分摊费用约占30 %,而其他费用诸如能源、劳动、维修、税赋、废料处理等总计约占50 %。少量生产品种的原料和基建费用所占份额较低。为了提高现有装置产能,降低单位生产成本,选择改建、消灭瓶颈和更新战略,可以减少投资。
三、对未来化工工艺设计的几点思考
3．1 要能体现降低能耗
许多人将能源成本作为生产总成本中一个重要的构成部分,但是一般并非如此。分离需解决的重点是能量消耗大和基建投资高两个方面。降低能耗及其相关投资的课题研究常常颇为见效,例如应用超临界流体于许多大型分离装置。当前的研究表明,一些系统的能源费用可以低于许多常用的技术,诸如蒸馏、恒沸蒸馏和萃取。能耗的降低是工艺工程设计和研究的重要内容。HEN 分析提供了一个简单的手段,使整个过程中的热流变为可视的,从而弄清各种不同物流和热流可以进行热交换,以减少对加热和致冷的能量需要。通过HEN 分析可以达到最小的能量利用和交换器数量。HEN 分析已经用于一些工艺过程设计软件包,可在新装置设计中应用,也可在现有装置的改进中应用。在分离范围内,许多研究工作都在寻找替代蒸馏的方法以达到节能的目的。但这方面的效果不很大,因为要改变就要花费基建投资,这常常难以与节能所降低的成本平衡;另一方面,蒸馏也有不少改进技术既可节能又省投资。蒸馏塔的串联是节能的主要措施,串联中将一塔的顶端汽流作为另一塔的热源,这种操作与多重蒸发类似,但是应用中需要完善解决工艺过程的控制问题,包括工艺控制技术和实时组份传感器等,同时需要重视这种串联塔的关停问题。
3．2 要能体现降低基本建设投资
化学工业是资本密集型产业,除非有化学的重大突破使主要产品的生产工艺得到更新升级、用新装置生产代替原有生产工艺具有优良的经济特性,一般都是通过现有装置改造、解决瓶颈问题、扩大产能来达到改进和提高的目的,因为这样可以节约基本建设投资。通过工艺过程强化、减少设备尺寸,可以显著地节约投资。如Higee 工艺可普遍用于蒸馏塔的改造,对流气液在转动的填料柱中快速接触,达到一定的理论塔板高度,由于接触效率显著改进,所以能够取得良好的经济效果。但是,有两个因素影响其实施: ①径向缩小设备需要投资于自旋的转子,而且自旋采用电力,因而要增加能源费用; ②标准蒸馏塔的辅助件,如冷凝器、管道和控制系统等一般不需变动。这两个因素使Higee 设备只在少数装置上应用。改变蒸馏塔的填料装填结构也可以带效益,提高能力,改进分离效率。另一条途径是减少工艺过程中的设备台数,将几种功能在1 台设备中完成,如醋酸甲酯和MTBE、TAME 等生产中应用蒸馏反应器即是实例。在醋酸甲酯工艺中,由于将反应与分离结合起来,因此避免了几种共沸物的形成,从而显著简化了分离工序。此外,膜反应器对受化学平衡限制的反应十分有利,可以有选择性地将一种产物从反应物料中移出,从而在通常的化学平衡条件下提高了转化率。对工艺过程序列和工艺选择技术在今后数十年内将是增长和发展甚快的序列,应用了一些称之为结构相关技术,如超结构、状态2空间表达和工艺过程图(P2graphs) 等。其中工艺过程图可以迅速地进行计算机化,可以类似寻求最佳化方案的方法。随着时间的推移,这些技术将结合其他分离技术发展,如吸附、膜和萃取等,在工艺过程中进行推理组合,在经济上取得最优化的结果。一种称之为结构无关的新技术也已出现,如质量交换网络分析,该技术与热交换网络分析类似。上述两种分析法可在今后10 年内对非常复杂的问题进行分析,综合出经济上最佳的工艺流程,对新建或改建、对多用或少用新技术作出选择,从而得出化学工业如何降低基建投资的答案。
3．3 要能体现改善环境行为
据美国化学制造商协会的研究报告,解决污染问题就是减少污染源、回收利用,最后就是终端处理。从工艺过程上要减少未来污染的设计战略必须重视两个问题:一是到2020 年多数装置将在现有装置上扩大和升级;二是多数机遇可能出现在终端处理的应用上。从工艺过程本身加以改进也有几种可能: ①提高化学反应的效率特别重要; ②提高分离效率,使产品转化率提高而少损失,同时增加收益而减少废料处理费用; ③应用HEN 分析方法缩小装置规模,减少用水量,在装置改进和更新中收效明显。在工艺过程设计中减少废料总量是特别重要的观念,因此要进行水的再次利用,把废水减到最低程度。现在已有一些新方法和水压缩技术可以确定工艺对新鲜水的最低用量。
3．4 新模式:将设计与研究集成
当前的工艺过程设计应用应该拓展,但需要将研究开发中的试验结果与设计建设结合起来。传统方式是当研究开发出新的工艺过程时,应定期与设计者对话,当达到中试阶段才形成一个试验性的软件包,一些工艺过程设计活动才开始,最后使此试验性软件包完善,以完成进一步的技术设计。新方式是首先开发一个带有物料和能量平衡的流程、一个热力学软件包、研究容器的设备尺寸和制作一个简单的经济模型。其中有不少推测和估算,但目的是将试验计划能尽快地涉及此工艺的关键技术和经济问题。例如,有共沸物生成分离是否困难? 反应器和分离系统是否需要大量投资? 能否改变分离手段来减少总体复杂性和分离系统的费用? 研究开发部门与设计者进行对话,寻求问题的答案,通过专门的试验成果来更新工艺过程模型,同时又可提出进一步试验的课题。这样可以节约研究与开发的费用25 %～50 % ,而且节约大量时间。
四、结束语
化工设计的核心就是化工工艺设计，因为化工工艺设计决定着整个设计的整体状况，可以组织和协调非工艺设计。化工工艺设计由于新技术含量高、工艺流程独特等原因，具有很多特点。例如，设计的基础资料由科研单位负责，主要是根据以往的实验数据来编制，并没有经过工业化生产的检验、完善，导致很多基础资料不够完整。另外，化工工艺流程因为流程的独特性，就包括了很多种类繁多、规格特别的特备。此外，工作量大、设计周期短、规模大小不一等都是化工工艺设计的特点。