筆者曾經(jīng)推薦過一本老書“化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”，可惜第二版一直沒有引進(jìn)翻譯，我那時(shí)也沒有精讀第二版，近期重讀第二版的一些內(nèi)容，又有了一些想法。
重讀“化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”的感慨
先釋一下題目：筆者讀的書名“Chemical Product Design”，按中文的內(nèi)涵，更應(yīng)當(dāng)翻譯成“化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)”，書中諸如"更好的絕熱窗戶”，“讓葡萄酒呼吸的裝置”,"完美咖啡杯“在作者看來都是”Chemical Product“，與其翻譯成”化學(xué)產(chǎn)品“，更宜翻譯成“化工產(chǎn)品”。30多年前，筆者沒能考上浙生物系而是化工系，對(duì)老師講的“人工心臟”“人造血管”“人工腎”都是化工的內(nèi)容記憶猶新。而通常的以不定型氣液固狀態(tài)的”化學(xué)產(chǎn)品”，筆者稱之為化學(xué)物料(Chemical Materials)?！癿aterial"這個(gè)詞也在被奇怪地翻譯成”材料“，煤化工生產(chǎn)甲醇也可以叫做”化工新材料公司“。
筆者也更愿意用““化工制程設(shè)計(jì)”來翻譯”Chemical Process Design“， Process這個(gè)詞的詞意過于廣泛，離散的機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)改革開放以來，行業(yè)術(shù)語多受臺(tái)灣地區(qū)影響，多用”制程“這一詞匯。 ”化工制造過程的設(shè)計(jì)“ 更符合筆者認(rèn)為應(yīng)有的含義，而非化工流程設(shè)計(jì)或化工過程設(shè)計(jì)。
書中作者認(rèn)為，化工產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的“工作、管理流程”(又是“Process”)可分為通用的四步：比較化工產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與化工制程開發(fā)設(shè)計(jì)的主要區(qū)別：
1、工作流程
①Needs 需求。
產(chǎn)品應(yīng)該滿足哪些需求？
②Ideas 想法。
哪些不同的產(chǎn)品可以滿足這些需求？
③Selection選擇。
哪些想法是最有前途的？
④Manufacturing
制造我們?cè)鯓硬拍苁巩a(chǎn)品達(dá)到商業(yè)數(shù)量？
2、化工制程開發(fā)、設(shè)計(jì)
①?zèng)Q定是間隙生產(chǎn)還是連續(xù)生產(chǎn)
②制程的輸入輸出(化學(xué)物料原料及產(chǎn)品)
③反應(yīng)器及物料循環(huán)
④分離過程與熱量集成
3、化工產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)
①識(shí)別客戶的需求
②發(fā)展出符合需求的各種想法
③評(píng)估選擇最佳想法
④制造產(chǎn)品
本書中將“化工產(chǎn)品分成了四類”
1、Comodity products 大宗化學(xué)物料商品：傳統(tǒng)的石化，煤化工，合成氨可歸為此類。
2、Device 化學(xué)裝置，例如電解水裝置。
3、Molecular 開發(fā)分子為主的非大宗化物料商品，通常是制藥。
4、Micro Structure 注重微觀理化結(jié)構(gòu)以得到某種特殊性質(zhì)的的化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，例如”只融在口不融在手“的巧克力，Agfa Zirfon復(fù)合膜等。
筆者以為書中的比較與分類還不夠深入，“產(chǎn)品”有一種隱含的潛在的含義是能大規(guī)模復(fù)制，以量取勝。這也是長(zhǎng)期對(duì)于從事“流程工業(yè)”的工程師而言，很難向“制造工業(yè)”說清楚的問題。以下集中在這兩類：
1)大宗化學(xué)商品制造廠。
2)化學(xué)產(chǎn)品制造裝置。
回顧自己的職業(yè)生涯，這個(gè)問題引起筆者的糾結(jié)與思考大約已經(jīng)有五次之多。
第一次是筆者剛參加工作時(shí)加中石化煉油廠新老兩套加氫車間做倒班操作工及工藝員，老裝置是引進(jìn)Chevron的，新裝置是國(guó)內(nèi)新設(shè)計(jì)的有很多改變，比較之余參加中石化同類裝置的技術(shù)交流會(huì)，幾十套裝置每套都不一樣，不原料不同(常減壓，F(xiàn)CC，延遲焦化，尤里卡，甚至更上游的勝利油、沙特、伊朗、阿位斯加油)，處理量不同，產(chǎn)品去向不同(成品油，乙烯料，芳烴料.....)，整個(gè)的”制程“自然有重大區(qū)別，不可能是一個(gè)”加氫精制“標(biāo)準(zhǔn)化”產(chǎn)品工廠“，原料與產(chǎn)品在某一工廠基本上不變，精心設(shè)計(jì)好的工廠針對(duì)性作了高度細(xì)致的優(yōu)化，流程模擬、先進(jìn)控制、CIPS、人工智能等首先是在這種行業(yè)中發(fā)展出來的，因這年產(chǎn)百萬噸級(jí)以上的大型工廠的效率、成本、能耗都是關(guān)鍵。1%的差別都是能定生死的，高度成熟的工藝包是關(guān)鍵。當(dāng)時(shí)筆者的理解和書第二版中關(guān)于大宗化學(xué)物料(Commodity Chemical Products)生產(chǎn)的討論是一致的。
首先，我們建議根據(jù)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分化工產(chǎn)品和商品：生產(chǎn)多少產(chǎn)品，使用什么設(shè)備，以及哪個(gè)生產(chǎn)商賺的錢最多。我們從商品化學(xué)品開始。
(1) 制造了多少？商品的生產(chǎn)量通常超過每年10,000噸。
(2) 使用什么設(shè)備？商品通常是在專用設(shè)備中生產(chǎn)的，這些設(shè)備是連續(xù)運(yùn)行的。連續(xù)運(yùn)行。
(3) 哪個(gè)生產(chǎn)商賺的錢最多？一般來說，制造成本最低的那家將是最賺錢的。
這些概括值得討論。選擇每年10,000噸是化學(xué)工業(yè)界人士的大致共識(shí)。在化學(xué)工業(yè)中的粗略共識(shí)。這些化學(xué)品中的許多都是由石油制成的。它們提供了化學(xué)工程本科課程中的大部分例子。雖然有些無機(jī)物被提及，通常是在討論化學(xué)計(jì)量學(xué)的時(shí)候，但絕大多數(shù)都是石油化工產(chǎn)品。乙烯、聚丙烯和氯乙烯就是很好的例子。
這些商品有機(jī)物幾乎總是在非常大的化工廠里生產(chǎn)，專注于生產(chǎn)單一產(chǎn)品。自1970年以來，情況一直如此。氯乙烯是一個(gè)很好的例子：在1964年至1972年期間，美國(guó)的氯乙烯生產(chǎn)商數(shù)量減少了70%，但工廠規(guī)模的中位數(shù)卻增加了10倍以上。原因是化工廠的成本與產(chǎn)能的2/3次方成正比。雖然其中的原因很復(fù)雜，但我們可以將其合理化，即工廠成本與所需的鋼材量成正比，而鋼材量與設(shè)備的表面積大致成正比，而設(shè)備的表面積與設(shè)備體積的三分之二次方成正比。
因此，如果我們想制造商品化學(xué)品，我們必須準(zhǔn)備好巨大的資本投資。這就是為什么商品化學(xué)品的每個(gè)員工的資本投資比其他行業(yè)都大。這就是為什么我們被迫持續(xù)經(jīng)營(yíng)。我們永遠(yuǎn)不能讓這么多昂貴的設(shè)備閑置。通常情況下，如果我們一年中的每一天都在運(yùn)營(yíng)，我們將獲得最大的利潤(rùn)。
大多數(shù)化學(xué)商品已經(jīng)生產(chǎn)了幾十年，使用的技術(shù)每年變化不大。所有的商品都在競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)上出售。此外，這些商品在化學(xué)上都有明確的定義。例如，利安德爾(Lyondell)公司和QAPCO公司生產(chǎn)的乙烯沒有任何區(qū)別。ADNOC生產(chǎn)的氨和Cargill生產(chǎn)的氨之間沒有區(qū)別。這些市場(chǎng)將是高度競(jìng)爭(zhēng)的。因此，非常大的專用化工廠必須有效地運(yùn)行，以賺取利潤(rùn)。這就是為什么工藝優(yōu)化和算機(jī)控制對(duì)商品化工業(yè)務(wù)如此重要。我們?cè)谝粋€(gè)巨大但競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中面臨著成熟的技術(shù)；我們的增長(zhǎng)選擇非常有限。難怪最近用計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)的小的增量?jī)?yōu)勢(shì)會(huì)如此重要。
第二次是進(jìn)入精細(xì)化工領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)非常流行“柔性生產(chǎn)”概念，當(dāng)時(shí)一個(gè)激進(jìn)的觀點(diǎn)記得叫做“pipeless chemical plant"--無管道的化工廠，聽上去確實(shí)有一點(diǎn)匪夷所思，基本思想是將盡可能將儀表，進(jìn)料泵，控制閥等各種組件集成在的一個(gè)單元設(shè)備上，這個(gè)具有比較完整功能的設(shè)備放在活動(dòng)軌道上，在全廠自由移動(dòng)，靈活組裝，甚至原料區(qū)者可以是ISO槽罐車直接進(jìn)料，不需額外的固體化學(xué)物料貯罐，管線大量依賴軟管及諸如Drylink類型的快速接頭。當(dāng)時(shí)有一個(gè)多功能攪拌反應(yīng)器，集反應(yīng)、結(jié)晶、過濾、清洗、真空干燥功能于一體讓筆者想非常試一試。這時(shí)候整個(gè)化工廠可以作為一個(gè)”大型產(chǎn)品“，可以生產(chǎn)各種的、包括未來開發(fā)的精細(xì)化學(xué)物料，而非一種化學(xué)物料。這是針對(duì)原料與產(chǎn)品的未來都不太確定，行業(yè)是依賴于”新化學(xué)、新分子、新配方“開發(fā)的高利潤(rùn)行業(yè)，產(chǎn)量一年不超萬噸，可以接受柔性化帶來的高投資及運(yùn)營(yíng)成本，畢竟，比針對(duì)具體新產(chǎn)品還要建新工廠便宜多了，但是，設(shè)備的效率、能耗、最優(yōu)產(chǎn)能必然要作出一些折衷，不可能做到化工制程上的最優(yōu)化。
筆者曾經(jīng)拜訪過一個(gè)中科院理化所下屬的生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，他們的工廠完全是實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器的放大成不銹鋼設(shè)備，布局也極不合理，筆者當(dāng)時(shí)也是同樣的感覺：“許多工程師第1次看到這類特種化學(xué)品合成時(shí)都感到驚愕，他們馬上就能找出許多方法改進(jìn)過程。”......現(xiàn)在看來，當(dāng)時(shí)是草率了。
第三次是在涂料行業(yè)，當(dāng)時(shí)大型建材商店可以根據(jù)色卡的選擇，由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的配色機(jī)將涂料(如家用內(nèi)墻乳膠漆)自動(dòng)調(diào)成用戶從標(biāo)準(zhǔn)色卡上當(dāng)場(chǎng)選擇顏色，而不是由工廠生產(chǎn)幾百種顏色的產(chǎn)品，這是一個(gè)典型的化工裝置。筆者也在一個(gè)工廠項(xiàng)目執(zhí)行的空檔期參加過一個(gè)奇怪的“化工產(chǎn)品”開發(fā)，是開發(fā)一種指甲油機(jī)，約有兩個(gè)微波爐大小，放在大型商場(chǎng)中，根據(jù)客戶對(duì)顏色的不同需求自動(dòng)生產(chǎn)”獨(dú)特個(gè)性與審美“的指甲油。小型化的設(shè)計(jì)異常困難，計(jì)量、蠕動(dòng)泵、控制閥及計(jì)算機(jī)自控配色都是很大的挑戰(zhàn)，正如書中所講的。
化學(xué)裝置的重點(diǎn)是測(cè)量、制造或凈化化學(xué)品的，其規(guī)模比上一章中描述的大宗商品化學(xué)品小得多。例如，我們可能希望為一個(gè)肺氣腫病人制造富氧空氣，而不是用于制造鋼鐵。我們可能想從一輛卡車的潤(rùn)滑油中去除水，而不是從煉油廠的飼料中去除水。我們可能會(huì)尋求從病人的一滴血中進(jìn)行十分鐘的血液膽固醇分析，以便醫(yī)生在病人的預(yù)約結(jié)束前得到分析結(jié)果。
在每一種情況下，設(shè)備本身將是我們想要的產(chǎn)品。最好的設(shè)備不一定是最便宜的。這是與成本為王的商品工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重大變化。我們尋求設(shè)計(jì)的裝置通常會(huì)比傳統(tǒng)工藝小得多：我們的裝置通常會(huì)比一米小，可能小到幾百微米。然而，我們使用的工具仍將假定所涉及的化學(xué)品形成連續(xù)體。我們?nèi)詫⒁詿崃W(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和單元操作為基礎(chǔ)進(jìn)行思考，就像我們?cè)谠O(shè)計(jì)化學(xué)商品的過程中那樣。
和前面幾章一樣，我們的設(shè)計(jì)將以需求、想法、選擇和制造這四個(gè)步驟的設(shè)計(jì)模板為基礎(chǔ)。和以前一樣，我們將把我們的需求改寫成規(guī)格，這將是定量的。我們通常會(huì)毫不費(fèi)力地產(chǎn)生很多好的想法來滿足這些需求。事實(shí)上，我們總是對(duì)專業(yè)人員和學(xué)生都能輕易地發(fā)明出好的可能的化學(xué)裝置的設(shè)計(jì)而印象深刻。
因此，化學(xué)裝置的前兩個(gè)設(shè)計(jì)步驟通常是快速和容易的，就像對(duì)化學(xué)商品一樣。
第三個(gè) "選擇 "步驟是化學(xué)裝置的困難步驟。正如我們將表明的那樣，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)明三個(gè)或更多的符合我們規(guī)格的好工藝。所有這些都會(huì)起作用。當(dāng)我們?cè)谄渲羞M(jìn)行選擇時(shí)，我們會(huì)選擇 "最方便的 "或 "最容易使用的 "或 "最難誤用的"。我們往往不會(huì)選擇最便宜的。這樣的選擇涉及到的不僅僅是經(jīng)濟(jì)問題，所以對(duì)許多技術(shù)專家來說是不舒服的。雖然這些專業(yè)人員可能更樂意為商品設(shè)計(jì)工藝，但預(yù)計(jì)化學(xué)企業(yè)的增長(zhǎng)不會(huì)在商品領(lǐng)域。
第四次是參加過一場(chǎng)“產(chǎn)品化”的討論，公司特意請(qǐng)了有世界頂級(jí)手機(jī)、汽車行業(yè)背景的精益、六西格瑪黑帶大師指導(dǎo)研討會(huì)，當(dāng)我們解釋雖然空分生產(chǎn)原料是空氣與電力、蒸汽， 但客戶與市場(chǎng)需求不一樣，有的多要氧，有的不要氧只要氮，有是要?dú)?，有不要?dú)?，甚至工廠地點(diǎn)的氣候條件也有制程有較大影響。一位大師忍無可忍走上講臺(tái)，舉著自己的手機(jī)看著我們這幫傻缺(筆者腦補(bǔ)的)說，你們?yōu)槭裁礇]有一點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，你看我這臺(tái)手機(jī)，有屏幕、有攝像頭、有內(nèi)存、有電池，不同的模塊規(guī)格可以不一樣，不同的模塊可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立的，組合成不同產(chǎn)品，你們?yōu)槭裁床粚⒖諝?、氧、氮、氬設(shè)計(jì)成不同模塊，自由組合成各種產(chǎn)品？在大師強(qiáng)大的內(nèi)力氣場(chǎng)之下，加上筆者不是設(shè)計(jì)人員，雖然被掌風(fēng)內(nèi)力所也一時(shí)哽咽，沒有受到傷害。筆者想，大師是混淆了Chemical Process 與 Chemical Device的不同?；瘜W(xué)工程的核心循環(huán)物料及熱量集成做成純模塊讓傳統(tǒng)化工工程師一籌莫展。
第五次是看到BASF上海漕涇工廠，蓬萊巨濤為美國(guó)Exxon-mobil做的非常震撼模塊化巨型重型化工生產(chǎn)廠，有點(diǎn)兒是筆者的第四次疑問的后續(xù)的意思，但是筆者覺得模塊化設(shè)計(jì)和第二次所講的“柔性生產(chǎn)”還是不一樣的，仍然是一個(gè)定制的大宗化學(xué)物料料生產(chǎn)過程，是在建設(shè)施工階段的重大改進(jìn)。我還做不到將模塊，如同積木再拆裝重新組合成能生另外一個(gè)化學(xué)物料。
筆者以為，模塊化設(shè)計(jì)仍然不能算是一種“化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)”，而只不過是“化工制程設(shè)計(jì)“的一種更好、更有前途的實(shí)施方式。
在原料及能源供應(yīng)、公用工程條件、產(chǎn)品需求這三者的”不穩(wěn)定“到“不可預(yù)測(cè)”，以及對(duì)CAPEX--OPEX綜合考量的前提下，對(duì)于大宗化工物料商品的生產(chǎn)，仍然是一個(gè)不確定條件下全局優(yōu)化的問題，也就是量化風(fēng)險(xiǎn)分析的問題，對(duì)進(jìn)一步綜合考慮化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)與化工制程設(shè)計(jì)的邏輯有了更高的要求，筆者個(gè)人現(xiàn)在看到了光明的未來，更需要艱苦的努力。
施展老師在中國(guó)制造報(bào)告中的總結(jié)說，在傳統(tǒng)生產(chǎn)制造業(yè)上，供應(yīng)鏈規(guī)模要大則效率高，但規(guī)模大則彈性不足，只有在中國(guó)發(fā)展出了一個(gè)特別供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)：兼具效率和彈性。筆者深信，未來的化工5.0時(shí)代，應(yīng)該是在大宗化學(xué)物料商品規(guī)模與效率的基礎(chǔ)上發(fā)展出彈性，從30年前”柔性制造“中汲取智慧，這可能也是在工程技術(shù)邏輯指引下計(jì)算機(jī)算力今后的最重要的應(yīng)用場(chǎng)景。
目的和手段不能是一體的，在小區(qū)封控近月以來，筆者的更有切膚之痛的認(rèn)知。
作者：張健
