化工过程工艺技术开发

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工过程工艺技术开发

堵祖荫

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工过程技术开发和化工工艺流程设计系列讲座（一）

编者按 应读者需求，本刊将开辟工程技术系列讲座。首次讲座为化工过程技术开发和化工工艺流程设计系列，作者长期从事石油化工的规划、设计和技术开发实践，对乙烯工艺、化工热力学、化工流程模拟、化工装置能耗计算等有深厚的造诣，是乙烯、轻烃生产领域设计和技术开发的资深专家。系列讲座叙述了化工过程技术开发的基本程序：机会研究、小试、概念设计、模型试验、中间试验、工艺设计包各阶段的目的、任务和内容，化工工艺开发放大和化工工艺流程设计。文章强调各开发程序的评估工作是保证化工技术开发过程沿着正确、健康方向以完成工业化进程的重要环节，特别是概念设计，是从工程设计的视角对小试进行评估，是指导中试设计的重要文件，也是工程公司和研究单位重要的合作和沟通平台。该文具有广泛的可读性，也请各位同行讨论并提出意见和建议。本系列预设四讲，将自本期起陆续刊出。

叙述了化工过程技术开发的基本程序以及与化工项目建设过程的关系。详细介绍了机会研究、工艺开发的要求和内容。

化工过程开发；化工过程技术开发；基本程序；机会研究；工艺开发；工程开发

1 化工过程技术开发的基本程序

1.1 前言

化工过程开发是把化学工业中的一个新产品、新技术、新工艺的设想，通过研究、试验和设计的手段最终形成具有竞争力的化工生产装置的过程。

化工过程开发需要通过化工工程师的创造性劳动来实现。而遵循客观规律，认真执行化工过程技术开发基本程序和各阶段评估环节则是成败的关键。

在化学品的生产过程中，化工过程内在的科学规律是客观存在的，只是在开发之前尚未被人们认识。任何一个新的化工过程的技术开发都是创造性的工作，它利用化学工程的基本原理和方法与化学工艺有机结合，将分子设计、概念设计的原理与系统工程相结合，将实验室研究与工程放大作为一个系统有机地结合起来，研究过程的特性和规律，研究放大判据和放大规律，解决工程实际问题。

化工过程开发是指由实验室研究成果（新工艺、新产品）到实现工业化的科学技术活动。化学工业具有原料、产品、工艺、技术多方案性的基本特性，即不同原料经过不同的加工工艺可以得到相同产品；同一原料经过不同加工工艺可以得到不同产品；同一原料经过不同加工工艺可以得到相同产品。这种多方案性源于科学技术，深刻地蕴含着经济的盈亏、社会效益的大小与环境保护的优劣。而化工过程技术开发就是在基础应用研究及各种科技信息的基础上，开展新技术的工艺条件、技术规范、工程放大、技术经济评价等方面的研究，以取得化工生产装置的设计、建设等所需数据与资料，为实现新技术在工业中的应用提供技术服务。

1.2 化工过程技术开发和化工企业建设项目各主要程序和相互关系

化工过程技术开发和化工项目建设是平行的、相互密切联系和制约的化工过程开发的二部分，他们之间相互关系见表1 “典型化工过程技术开发基本程序和化工企业建设项目各主要阶段关系”。

化工技术开发过程由机会研究、工艺开发（基础研究）和工程开发（过程研究）三个过程构成。

化工项目建设过程由项目前期、工程设计和工程实施三个阶段构成。

化工技术开发过程和化工项目建设过程二者平行进行，在时间阶段上错开又有重叠，化工技术开发过程始于前，而化工项目建设过程结束于后，化工技术开发过程的工艺开发和工程开发阶段与化工项目建设过程的项目前期、工程设计和工程实施阶段各自平行向前发展，并紧密互动，是化工过程开发不可分割的两翼。

按化工过程技术开发基本程序，工艺开发（基础研究）只是化工过程技术开发的基础，工程开发（过程研究）才是化工过程技术开发的主体，而工程研究和工程放大则是化工过程开发的核心和灵魂。化工过程技术开发的每一步都要把工业化作为主要目标。

化工过程技术开发从机会研究（课题产生并经过信息研究和必要的探索性实验）完成课题筛选和评估之后，进入工艺开发（小试）；在小试完成以后，要进行概念设计，对开发项目进行初期的技术经济评价，从工程设计角度对小试进行评估并提出模型试验和中间试验的内容和要求，据此进行模型试验和中间试验的设计、建设和运行；中间试验完成并通过评估审查后进行工艺设计包的编制，工艺包是化工过程技术开发的最终文件，是专利技术和专有技术（Knowhow）的载体。工艺包编制完成意味着化工过程技术开发阶段结束。

一般在化工过程进入工艺开发完成阶段，化工项目建设过程将适时启动，根据工艺设计包所提供的技术经济资料和信息完成建设项目预可行性研究报告/可行性研究报告，并进行各阶段评估及审查。

可行性研究报告评估及审查结果，意味着化工过程工程开发工程研究阶段结束，以工艺设计包为其工艺技术依据进入工程开发的工程设计阶段，工程设计阶段由基础工程设计（基础设计）和详细工程设计（详细设计）组成。

基础设计是根据批准的可行性研究报告以及工艺包提出的较为规范的工业化基础设计文件，它包括全面的工程实施技术方案与投资概算，供建设单位物资采购和施工建设准备，并完成提供政府主管部门审查的设计专篇和各生产装置的HAZOP评估与SIL评估。

详细设计应依据批准的基础设计进一步细化落实工程基础设计提出的工程实施技术方案，提出材料与设备采购制造、施工建设、装置投产进行所需的所有图纸和文件，并关闭所有的设计安全评估（HAZOP与SIL评估）的意见和建议。

工程设计阶段结束意味着化工过程开发进入工程实施（施工建设和投料试车）阶段，从而完成化工过程开发全过程。

有关机会研究和工艺开发研究在1 ～ 2节介绍，工程开发研究将在第二讲中讲述，而有关项目预可行性研究、可行性研究、基础工程设计和详细工程设计等内容属于工程设计范畴的内容，本文不进一步详述。

表1 典型化工过程技术开发基本程序和化工企业建设项目各主要阶段关系Tab. 1 Relationship between typical basic procedure on chemical technology development with chemical enterprise project construction

2 机会研究

机会研究[2]包括信息研究和实验性研究，不论开发研究的课题大小如何，并不是每一课题都有研究下去的价值，所以要进行机会研究，即对研究课题进行初步的技术、经济、风险和社会效益评价。主要了解设想项目或产品的应用性能、背景、历史、现状和将来的前景，了解并设想开发的技术可能性，在必要时要进行探索性实验研究，要了解产品市场和原材料供应情况，以决定项目的取舍和研究方向。

机会研究包括信息研究和必要的探索性实验。

2.1 研究课题的产生

化工开发研究课题分三个途径

（1）计划课题，由国家有关部委、行业总公司、省市地区科委等部门经专家建议和论述，进行必要规划而制定的研究课题。

（2）企业、市场委托课题。

（3）自选课题。

他们源自：市场调查和市场反馈获得课题，市场是人民生活需要和国民经济发展需要在商品领域中的表现；从文献报道、情报资料以及专利发明报道等获得课题；从实验室的报告或应用研究报告中获得开发研究课题。

2.2 选择开发课题应遵循以下原则

（1）选题的先进性和科学性。

（2）选题应符合市场需求和国家的产业政策。（3）选题应考虑经济效益和社会效益。

2.3 研究课题的种类

（1）发现和创新新产品，实现革命性突破；已有化工产品性能改进、更新和进步。

（2）发现和开发新的化工生产过程和装置，已有化工产品生产过程的技术改进和技术革新，以及已有化工产品的大型化装置开发和创新。

（3）工艺操作条件优化，控制系统的开发和创新。

（4）引进化工技术和装置的消化、吸收、改进和国产化研究。

（5）某些基础研究和技术储备研究。

2.4 信息研究

其主内容是市场对开发产品的需求量，开发产品与国民经济其他部门的关系，市场前景，收益估算，社会效益以及环境污染情况等。除了经济方面的调研外，还要评估科研水平、社会条件及完成该项目的可能性。

在技术上，首先要搜集评价各种已工业化的生产方法的资料及专利文献资料，研究各种生产方面的技术特点，分析和研究得到的资料中的数据是否可靠、完整以及存在什么问题。对于化工过程，一般需要的资料和数据，大致是生产过程、流程、主副反应方程式、反应条件（如原料要求、原料配比、反应温度、压力、催化剂、时间、热效应、环境要求、pH值等）、反应产率（如转化率、选择性、主副产品收率）、产品及副产品规格、主要设备类型、反应动力学及有关的相平衡数据。

其次，对所需要的主副产品、原料及中间产品的基本物化和热力学数据进行收集、计算、整理，力求关键数据准确。这些数据大致包括相对分子质量、密度、熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、热容、蒸发潜热等。

信息研究是开发产品的第一步，若通过信息研究认为所开发的技术能带来显著的经济效益或重要的社会效益，才值得投资进行研究与开发，否则即可就此终止。

2.5 探索性研究（实验性研究）

探索性研究的目的是对可能的若干方案进行初步筛选，以提出一个较理想的工艺流程，同时获得必要的物性数据。

实验性研究时，通过热力学和动力学的理论考察，利用实验设计和分析手段，参照技术经济要求，可以得到开发所需要的基本工艺数据和催化剂基本性能考察，但实验室的研究结果只能表明该工艺的可能性，其是否在工业生产中实用必须经过后续的有关工作来证明。

通过实验性研究可以确定原料路线，探索反应的可行性，了解副产物的种类、数量及其可利用性；掌握物料对设备结构材料的腐蚀情况、“三废”的排放及其数量、物料的爆炸极限和有关操作中的注意事项等。

3 工艺开发（基础研究）

机会研究评估后进入工艺开发（基础研究）阶段，它要进行工艺开发试验，俗称小试。[1-4]

3.1 工艺开发试验（小试）

工艺开发试验不同于实验性研究，首先工艺开发试验原料不同于实验室试剂。作为工艺开发的研究，要尽量使用工业原料，使用工业化材料和接近于工业操作的手段。

同时，不排斥传统的实验室工作，如某些热力学数据，理化性质、催化剂表征等要在实验室求取，所以工艺开发研究要在传统实验室的基础上有所拓展。

其次，工艺开发试验使用试验装置一般要形成一个流程，要便于组装、增减和拆卸，以便于在研究中工艺流程不断改进、完善。

小试规模为克级单位。

3.2 工艺开发的主要内容

一般根据题目的大小，内容可以有所变化，通常是：

（1）决定原料路线。选取简便、易得、价格低廉、工业储存稳定的原料，一般一种新产品，原料成本往往占60 % ～ 80 %，所以这是工艺开发的关键。

（2）研究工艺反应条件和反应特征。工艺反应条件无非是温度、压力、催化剂、原料配比和反应时间、反应过程的分散程度要求、物料反应相、反应平衡、热效应等。

（3）研究主要反应装置的特征。

（4）确定初步工艺流程。确定相关的化工单元操作特点，进行初步工艺流程设计。

（5）确定工艺质量控制过程、原料消耗、转化率、利用率等指标和中间控制分析方法。

（6）研究催化剂的特征和筛选、制造、再生等特点。

（7）研究相关溶剂和原材料的循环使用、回收的可能性。

（8）基于本质安全原理，对采用的工艺过程进行安全风险评估，研究物料的理化性质（易爆性、易燃性、腐蚀性、反应热、化学活性等）、操作条件（温度、压力、流速）和储存量，以进行工艺的本质安全评价，对过程的安全风险进行识别，并提出相应风险的规避措施和采用的本质安全策略。

在化工过程开发各个阶段，都要始终贯穿本质安全的设计理念，通过对过程的消减、缓解、替代等方法尽可能使生产过程接近本质安全以降低工艺装置的安全环保风险，降低生产、安全设备和设施投资，提高经济效益。应当指出，在开发初期阶段，实施过程本质安全的成本低、难度小，特别是在小试和概念设计阶段。

编制安全操作规程。

（9）研究和掌握化工热力学、动力学测定的相关数据。

（10）必要时，反应装置要进行热模试验，某些传递过程要进行冷模试验。

（11）对制备的样品进行性能测试表征，确定初步的质量标准。

（12）对样品进行应用研究。

[1]吴德荣. 化工工艺设计手册，上册[M].北京：化学工业出版社，2017.

[2]韩东冰，王文华，赵旗. 化工开发与工程设计概论[M]. 北京：中国石化出版社，2010.

[3]黄英、王艳丽. 化工过程开发与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[4]陈声宗，等. 化工过程开发与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

Development of Technology Used in Chemical Process

Du Zuyin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In this article, the basic procedure of chemical technology development and its relation with chemical project construction were described, and at the same times, the contents of opportunity study and process innovation and relative requirements were introduced in detail.

chemical process development; chemical process technology development; basic procedure; opportunity study; process innovation; engineering innovation

TQ 021

A

2095-817X（2017）01-0001-004

2016-12-01

堵祖荫（1937—），男，教授级高级工程师，长期从事石油化工规划、设计和技术开发工作。