美国提出化工工艺设计新方向.doc

本文由liukaihappy贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 50 CHEMIC ENGINEERING DESIGN AL 化工设计 2000, 10( 3) 美国提出化工工艺设计新方向 朱曾惠 X 摘要 关键词 中国化工信息中心 北京 100029 介绍根据美国 2020 年技术设想所提出的改进化工工艺过程设计的 7 项课题。 美国 化工 工艺设计 美国政府、 相关的产业和学术部门于 1996 年 发表了52020 年技术设想6。其后, 美国的化工界 为达到设想目标, 针对要求研究了化工工艺, 并达 成了发展方向, 其中对工艺工程提出了 7 个课题, 以改进工艺装置的设计, 从而提高在全球市场上 的竞争能力。美国5化学工程进展6对其进行了系 统的综述, 主要内容摘登于下, 供研究参考。 近年来, 工艺工程已经发生了巨大变化, 主要 体现在两个方面: 开发新观念( 如单元操作和热交 换网络) 和新的分析及优化方法。 通过对化学工业的动态分析, 可以看出要进 行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。通过对化学品和塑 料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。因此, 对 2020 年化工生产技术和经济 起重大影响的新开发 成果在今后 5 年内应当出 现。 根据 2020 年目标, 对工艺过程设计的改进提 出以下 7 项课题: 降低原材料费用; 降低基本 建设投资; 降低能耗; 提高工艺过程灵活性和 降低库存; 不断加强工艺过程的安全性; 不断 提高对质量的重视; 改善环境行为。 大量生产的产品影响制造成本的两个主要因 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% ( 基建投资的回报率约为 20% , 折旧提成为 10% ) , 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。 1 降低原材料费用 原材料的价格是重要因素, 尤其是油气价对 石油化工产品影响极大, 除此以 外( 包括地区差 异、 有关限制性法规和关税等因素) , 可从 4 个方 面考虑降低原料成本: (1) 开发利用其他廉价原材料生产有利可图 的产品之途径; ( 2) 通过应用优良催化剂、 变更反应条件或选 用改进的反应器等提高现用或未来将用的新原料 之利用率; ( 3) 提高原材料和中间体的回收利用率; ( 4) 提高产品回收率( 包括提高副产品回收和 销售) 。 除了新的原材料利用途径要从化学和生物化 学方面考虑外, 其他几个方面工艺过程设计都起 着重要作用, 要从概念设计和软件开发上加以考 虑。例如, 改进反应器可以降低原材料成本, 早年 轻烃蒸汽裂解制乙烯的停留时间为数秒, 而现代 裂解炉已低于 011 秒, 但温度提高了 10 e , 因此改 善了反应条件, 乙烯转化率提高了 1 倍。当前, 蒸 馏反应器得到新的应用, 它可以减少副产物。这 X 朱曾惠: 原化工部化工情报研究所所长, 1952 年毕业于重庆大学 化学工程 系; 现退休。 译者声明 此文为编 译文章, 不 代表个人 观 点。联系电话: ( 010) 64415987。 2000, 10( 3) 朱曾惠 美国 提出化工工艺设计新方向 51 些技术与反应和分离相结合已成为工艺过程的研 究新领域。其他如降低压力降、 改进传热过程( 改 善温度分布管理) 和改进大型反应器中停留时间、 分布管理等都是在工程方面值得继续研究和探讨 的问题。 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( 结构相关和结构无关) 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。 2 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 3 降低能耗 许多人将能源成本作为生产总成本中一个重 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( 在高重力场下蒸馏) 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: 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; 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 带来效 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 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( 在成本中分 摊额高) 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( 如应用新型填料, 可降低回流比) 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。 4 提高工艺过程灵活性和降低库存 许多人认为化学工业的主体是连续的、 长期 运转和稳定的工艺过程。其实化学工业一半产品 产量和收益是来自间歇、 半间歇和一次性工艺过 程, 这些工艺过程都是非连续性的, 尤其是一次性 工艺过程。因此, 过程生产产品 A 在一定期间内 52 CHEMIC ENGINEERING DESIGN AL 化工设计 2000, 10( 3) 是平稳运转, 可根据需要延续数小时到数天; 随后 又可根据需要改变反应器生产条件和反应物组份 ) ) ) 生产产品 B。许多聚合物工艺过程都具有此 特性, 一台反应器及其下游的加工系统可以生产 一系列的最终产品。 近年来, 及时供应战略特别是有质量要求时 受到广泛的高度重视。日本在这方面显示了其经 济实力。非连续工艺要做到及时供应, 在管理上 很困难, 因为每种产品都需建立其所需各种原材 料的库存。及时供应战略主要适合生产装置经组 合可生产少数几种产品, 很难应用于少数几种原 材料去生产众多产品。为了多方利益, 需要缩短 从原料进厂到产品出厂的时间, 由于库存减少, 贮 存费用也降低了。一般约占库存价值的 20% 30% 。 属化合物) , 或使最终产品质量下降( 如烯烃中双 烯含量) ; 如果污染物引起下游加工困难或使产品 达不到所需要的规格, 则这类污染物应在上述工 艺过程中严密控制。 广义质量是近年来提出的新概念。简单地说 就是/ 按时按计划, 符合规格要求0, 厂家有时规格 要求能够达到供求双方协议规定, 但其他方面有 的厂家则达不到。在生产中要使产品质量超过规 格要求, 则比达到规格要求花费更多。例如, 为了 产品纯度不波动必须避免生成副产物, 在工艺过 程设计上为了达到此目的就要多花投资。 狭义质量和广义质量的要求都很严格。纯度 将被推向更 高水平, 它要考虑下游 加工、 产品性 能、 某些副产物的毒性以及对环境的影响。为了 减少最终产品质量波动和废料以及产品返工所造 成的费用, 生产的产品应保持高度持续一致; 并要 符合国际标准。 5 不断加强工艺过程的安全性 从化工发展史上看, 许多事故的发生与一些 容器的焊接有关; 减少有害危险物的库存也是提 高安全的重要措施。其次是考虑工艺过程的内在 安全性, 凡过程设备中含有爆炸极限的气体或是 反应器中生产的有毒物质, 如 HCN、 环氧乙烷等, 工程设计中就要结合 其他工业经验 考虑安全条 件。 存贮的大量可燃有毒物料、 中间体和产品也 是发生事故的潜在危险, 在过程设计中要尽量减 少生产所带来的库存量。运输有毒可燃物亦是安 全的重要课题。今后工厂设计中, 要将中间生成 有毒物的装置设在加 工区附近或临 近最终产品 区。工艺过程设计要有效地进行工艺集成, 尽量 减少事故发生的可能。 7 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: 提高化学反应的效率特别重要; 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; 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。 6 不断提高对质量的重视 质量有狭义质量和广义质量。 狭义质量是日常的/ 良好0和/ 优秀0概念, 对 化学产品来说就是: 污染物总量低; 某种污染 物量低; 质量波动小( 批量间) 。 当污染物是惰性物质, 在工艺过程的物料流 中可当作稀释剂, 在循环回收系统中可用清洗方 法将其除去, 这可能丢失原料和流失产品, 增加处 理费用。如果污染物可能导致副产物生成( 如燃 料中的含硫物) , 会使催化剂中毒( 80% 油中含金 8 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 2000, 10( 3) 朱曾惠 美国 提出化工工艺设计新方向 53 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。 作间歇、 半间歇和一次性生产工艺设计; 应用内 在安全观念; 用简单可信的投资估算软件包作迅 速评价对比。 第二方面是将工艺过程的设计与研究结合起 来, 提供对技术和经济方面估价的基础, 可以迅速 作出判断, 而且缩短研究周期。 最后, 为改进工艺过程, 需要改用工艺过程传 感器和控制技术, 充分实现经济效益。工艺过程 控制的改进是达到质量提高的重要手段。但是, 工艺过程都受其他多种因素驱动而改变, 因此需 要有更好的传感器和控制技术。例如, 为了降低 投资, 设备要减小规模而扩大能力, 在工艺过程中 减少设备余量, 要平稳地安全生产出合格的产品, 因此要提高工艺灵活性, 同时又不要增加工艺中 的余量。这些都提高了工艺过程控制的要求, 不 合格的产品要回收利用, 或是与其他产品掺和或 降价出售, 不然将增加废料处理量。要有一个更 好的过程动力学模型, 描述工艺过程非稳定状态 的行为, 一般均是非线型模型, 其目的就是尽可能 成为稳定态。要让工艺过程保持稳定和灵活性, 需要有非常复杂的控制系统。 摘自5 中国化工信息6 9 结语 今后 20 年工艺过程设计的进展主要有两个 方面: 一是改进工艺过程设计技术, 主要是针对上 述 7 个课题; 二是改进工艺过程设计方式和途径。 第一方面是要为现有装置提升和新装置建设 做出精确和节省投资的设计。重点是: 用 HEN 和其他技术来降低投资、 消耗和污染; 用蒸馏塔 热串联方法降低能耗; 用非稳定态、 非线型模型 ( 上接第 2