美国提出化工工艺设计新方向

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CHEMIC ENGINEERING DESIGN AL

化工设计 , 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。经过对化学工业的动态分析, 能够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。经过对化学品和塑料生产的成本构成分析, 能够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, 可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; 改进环境行为。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% ) , 而其它费用诸如能源、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, 能够减少投资。

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降低原材料费用

原材料的价格是重要因素, 特别是油气价对

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

用其它廉价原材料生产有利可图的产品之途径; ( 2) 经过应用优良催化剂、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, 其它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, 改进反应器能够降低原材料成本, 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, 它能够减少副产物。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。

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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。其它如降低压力降、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

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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, 一般都是经过现有装置改造、解决瓶颈问题、扩大产能来达到改进和提高的目的, 因为这样能够节约基本建设投资。经过工艺过程强化、减少设备尺寸, 能够显著地节约投资。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, 因此能够取得良好的经济效果。可是, 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能够带来效益, 提高能力, 改进分离效率。另一条途径是减