笔者曾经推荐过一本老书“化学产品设计”，可惜第二版一直没有引进翻译，我那时也没有精读第二版，近期重读第二版的一些内容，又有了一些想法。
重读“化学产品设计”的感慨
先释一下题目：笔者读的书名“Chemical Product Design”，按中文的内涵，更应当翻译成“化工产品设计”，书中诸如"更好的绝热窗户”，“让葡萄酒呼吸的装置”,"完美咖啡杯“在作者看来都是”Chemical Product“，与其翻译成”化学产品“，更宜翻译成“化工产品”。30多年前，笔者没能考上浙生物系而是化工系，对老师讲的“人工心脏”“人造血管”“人工肾”都是化工的内容记忆犹新。而通常的以不定型气液固状态的”化学产品”，笔者称之为化学物料(Chemical Materials)。“material"这个词也在被奇怪地翻译成”材料“，煤化工生产甲醇也可以叫做”化工新材料公司“。
笔者也更愿意用““化工制程设计”来翻译”Chemical Process Design“， Process这个词的词意过于广泛，离散的机电产品生产改革开放以来，行业术语多受台湾地区影响，多用”制程“这一词汇。 ”化工制造过程的设计“ 更符合笔者认为应有的含义，而非化工流程设计或化工过程设计。
书中作者认为，化工产品开发设计的“工作、管理流程”(又是“Process”)可分为通用的四步：比较化工产品开发设计与化工制程开发设计的主要区别：
1、工作流程
①Needs 需求。
产品应该满足哪些需求？
②Ideas 想法。
哪些不同的产品可以满足这些需求？
③Selection选择。
哪些想法是最有前途的？
④Manufacturing
制造我们怎样才能使产品达到商业数量？
2、化工制程开发、设计
①决定是间隙生产还是连续生产
②制程的输入输出(化学物料原料及产品)
③反应器及物料循环
④分离过程与热量集成
3、化工产品开发、设计
①识别客户的需求
②发展出符合需求的各种想法
③评估选择最佳想法
④制造产品
本书中将“化工产品分成了四类”
1、Comodity products 大宗化学物料商品：传统的石化，煤化工，合成氨可归为此类。
2、Device 化学装置，例如电解水装置。
3、Molecular 开发分子为主的非大宗化物料商品，通常是制药。
4、Micro Structure 注重微观理化结构以得到某种特殊性质的的化工产品的生产，例如”只融在口不融在手“的巧克力，Agfa Zirfon复合膜等。
笔者以为书中的比较与分类还不够深入，“产品”有一种隐含的潜在的含义是能大规模复制，以量取胜。这也是长期对于从事“流程工业”的工程师而言，很难向“制造工业”说清楚的问题。以下集中在这两类：
1)大宗化学商品制造厂。
2)化学产品制造装置。
回顾自己的职业生涯，这个问题引起笔者的纠结与思考大约已经有五次之多。
第一次是笔者刚参加工作时加中石化炼油厂新老两套加氢车间做倒班操作工及工艺员，老装置是引进Chevron的，新装置是国内新设计的有很多改变，比较之余参加中石化同类装置的技术交流会，几十套装置每套都不一样，不原料不同(常减压，FCC，延迟焦化，尤里卡，甚至更上游的胜利油、沙特、伊朗、阿位斯加油)，处理量不同，产品去向不同(成品油，乙烯料，芳烃料.....)，整个的”制程“自然有重大区别，不可能是一个”加氢精制“标准化”产品工厂“，原料与产品在某一工厂基本上不变，精心设计好的工厂针对性作了高度细致的优化，流程模拟、先进控制、CIPS、人工智能等首先是在这种行业中发展出来的，因这年产百万吨级以上的大型工厂的效率、成本、能耗都是关键。1%的差别都是能定生死的，高度成熟的工艺包是关键。当时笔者的理解和书第二版中关于大宗化学物料(Commodity Chemical Products)生产的讨论是一致的。
首先，我们建议根据三个标准来区分化工产品和商品：生产多少产品，使用什么设备，以及哪个生产商赚的钱最多。我们从商品化学品开始。
(1) 制造了多少？商品的生产量通常超过每年10,000吨。
(2) 使用什么设备？商品通常是在专用设备中生产的，这些设备是连续运行的。连续运行。
(3) 哪个生产商赚的钱最多？一般来说，制造成本最低的那家将是最赚钱的。
这些概括值得讨论。选择每年10,000吨是化学工业界人士的大致共识。在化学工业中的粗略共识。这些化学品中的许多都是由石油制成的。它们提供了化学工程本科课程中的大部分例子。虽然有些无机物被提及，通常是在讨论化学计量学的时候，但绝大多数都是石油化工产品。乙烯、聚丙烯和氯乙烯就是很好的例子。
这些商品有机物几乎总是在非常大的化工厂里生产，专注于生产单一产品。自1970年以来，情况一直如此。氯乙烯是一个很好的例子：在1964年至1972年期间，美国的氯乙烯生产商数量减少了70%，但工厂规模的中位数却增加了10倍以上。原因是化工厂的成本与产能的2/3次方成正比。虽然其中的原因很复杂，但我们可以将其合理化，即工厂成本与所需的钢材量成正比，而钢材量与设备的表面积大致成正比，而设备的表面积与设备体积的三分之二次方成正比。
因此，如果我们想制造商品化学品，我们必须准备好巨大的资本投资。这就是为什么商品化学品的每个员工的资本投资比其他行业都大。这就是为什么我们被迫持续经营。我们永远不能让这么多昂贵的设备闲置。通常情况下，如果我们一年中的每一天都在运营，我们将获得最大的利润。
大多数化学商品已经生产了几十年，使用的技术每年变化不大。所有的商品都在竞争性市场上出售。此外，这些商品在化学上都有明确的定义。例如，利安德尔(Lyondell)公司和QAPCO公司生产的乙烯没有任何区别。ADNOC生产的氨和Cargill生产的氨之间没有区别。这些市场将是高度竞争的。因此，非常大的专用化工厂必须有效地运行，以赚取利润。这就是为什么工艺优化和算机控制对商品化工业务如此重要。我们在一个巨大但竞争激烈的市场中面临着成熟的技术；我们的增长选择非常有限。难怪最近用计算机发现的小的增量优势会如此重要。
第二次是进入精细化工领域，当时非常流行“柔性生产”概念，当时一个激进的观点记得叫做“pipeless chemical plant"--无管道的化工厂，听上去确实有一点匪夷所思，基本思想是将尽可能将仪表，进料泵，控制阀等各种组件集成在的一个单元设备上，这个具有比较完整功能的设备放在活动轨道上，在全厂自由移动，灵活组装，甚至原料区者可以是ISO槽罐车直接进料，不需额外的固体化学物料贮罐，管线大量依赖软管及诸如Drylink类型的快速接头。当时有一个多功能搅拌反应器，集反应、结晶、过滤、清洗、真空干燥功能于一体让笔者想非常试一试。这时候整个化工厂可以作为一个”大型产品“，可以生产各种的、包括未来开发的精细化学物料，而非一种化学物料。这是针对原料与产品的未来都不太确定，行业是依赖于”新化学、新分子、新配方“开发的高利润行业，产量一年不超万吨，可以接受柔性化带来的高投资及运营成本，毕竟，比针对具体新产品还要建新工厂便宜多了，但是，设备的效率、能耗、最优产能必然要作出一些折衷，不可能做到化工制程上的最优化。
笔者曾经拜访过一个中科院理化所下属的生产机构，他们的工厂完全是实验室玻璃仪器的放大成不锈钢设备，布局也极不合理，笔者当时也是同样的感觉：“许多工程师第1次看到这类特种化学品合成时都感到惊愕，他们马上就能找出许多方法改进过程。”......现在看来，当时是草率了。
第三次是在涂料行业，当时大型建材商店可以根据色卡的选择，由一个现场的配色机将涂料(如家用内墙乳胶漆)自动调成用户从标准色卡上当场选择颜色，而不是由工厂生产几百种颜色的产品，这是一个典型的化工装置。笔者也在一个工厂项目执行的空档期参加过一个奇怪的“化工产品”开发，是开发一种指甲油机，约有两个微波炉大小，放在大型商场中，根据客户对颜色的不同需求自动生产”独特个性与审美“的指甲油。小型化的设计异常困难，计量、蠕动泵、控制阀及计算机自控配色都是很大的挑战，正如书中所讲的。
化学装置的重点是测量、制造或净化化学品的，其规模比上一章中描述的大宗商品化学品小得多。例如，我们可能希望为一个肺气肿病人制造富氧空气，而不是用于制造钢铁。我们可能想从一辆卡车的润滑油中去除水，而不是从炼油厂的饲料中去除水。我们可能会寻求从病人的一滴血中进行十分钟的血液胆固醇分析，以便医生在病人的预约结束前得到分析结果。
在每一种情况下，设备本身将是我们想要的产品。最好的设备不一定是最便宜的。这是与成本为王的商品工艺设计的一个重大变化。我们寻求设计的装置通常会比传统工艺小得多：我们的装置通常会比一米小，可能小到几百微米。然而，我们使用的工具仍将假定所涉及的化学品形成连续体。我们仍将以热力学、化学动力学和单元操作为基础进行思考，就像我们在设计化学商品的过程中那样。
和前面几章一样，我们的设计将以需求、想法、选择和制造这四个步骤的设计模板为基础。和以前一样，我们将把我们的需求改写成规格，这将是定量的。我们通常会毫不费力地产生很多好的想法来满足这些需求。事实上，我们总是对专业人员和学生都能轻易地发明出好的可能的化学装置的设计而印象深刻。
因此，化学装置的前两个设计步骤通常是快速和容易的，就像对化学商品一样。
第三个 "选择 "步骤是化学装置的困难步骤。正如我们将表明的那样，我们经常会发明三个或更多的符合我们规格的好工艺。所有这些都会起作用。当我们在其中进行选择时，我们会选择 "最方便的 "或 "最容易使用的 "或 "最难误用的"。我们往往不会选择最便宜的。这样的选择涉及到的不仅仅是经济问题，所以对许多技术专家来说是不舒服的。虽然这些专业人员可能更乐意为商品设计工艺，但预计化学企业的增长不会在商品领域。
第四次是参加过一场“产品化”的讨论，公司特意请了有世界顶级手机、汽车行业背景的精益、六西格玛黑带大师指导研讨会，当我们解释虽然空分生产原料是空气与电力、蒸汽， 但客户与市场需求不一样，有的多要氧，有的不要氧只要氮，有是要氩，有不要氩，甚至工厂地点的气候条件也有制程有较大影响。一位大师忍无可忍走上讲台，举着自己的手机看着我们这帮傻缺(笔者脑补的)说，你们为什么没有一点产品设计的理念，你看我这台手机，有屏幕、有摄像头、有内存、有电池，不同的模块规格可以不一样，不同的模块可以设计成独立的，组合成不同产品，你们为什么不将空气、氧、氮、氩设计成不同模块，自由组合成各种产品？在大师强大的内力气场之下，加上笔者不是设计人员，虽然被掌风内力所也一时哽咽，没有受到伤害。笔者想，大师是混淆了Chemical Process 与 Chemical Device的不同。化学工程的核心循环物料及热量集成做成纯模块让传统化工工程师一筹莫展。
第五次是看到BASF上海漕泾工厂，蓬莱巨涛为美国Exxon-mobil做的非常震撼模块化巨型重型化工生产厂，有点儿是笔者的第四次疑问的后续的意思，但是笔者觉得模块化设计和第二次所讲的“柔性生产”还是不一样的，仍然是一个定制的大宗化学物料料生产过程，是在建设施工阶段的重大改进。我还做不到将模块，如同积木再拆装重新组合成能生另外一个化学物料。
笔者以为，模块化设计仍然不能算是一种“化工产品设计”，而只不过是“化工制程设计“的一种更好、更有前途的实施方式。
在原料及能源供应、公用工程条件、产品需求这三者的”不稳定“到“不可预测”，以及对CAPEX--OPEX综合考量的前提下，对于大宗化工物料商品的生产，仍然是一个不确定条件下全局优化的问题，也就是量化风险分析的问题，对进一步综合考虑化工产品设计与化工制程设计的逻辑有了更高的要求，笔者个人现在看到了光明的未来，更需要艰苦的努力。
施展老师在中国制造报告中的总结说，在传统生产制造业上，供应链规模要大则效率高，但规模大则弹性不足，只有在中国发展出了一个特别供应链网络：兼具效率和弹性。笔者深信，未来的化工5.0时代，应该是在大宗化学物料商品规模与效率的基础上发展出弹性，从30年前”柔性制造“中汲取智慧，这可能也是在工程技术逻辑指引下计算机算力今后的最重要的应用场景。
目的和手段不能是一体的，在小区封控近月以来，笔者的更有切肤之痛的认知。
作者：张健
