筆者曾經(jīng)推薦過一本老書“化學產(chǎn)品設(shè)計”，可惜第二版一直沒有引進翻譯，我那時也沒有精讀第二版，近期重讀第二版的一些內(nèi)容，又有了一些想法。
重讀“化學產(chǎn)品設(shè)計”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)當翻譯成“化工產(chǎn)品設(shè)計”，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”化學產(chǎn)品”，筆者稱之為化學物料(Chemical Materials)?！癿aterial"這個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”來翻譯”Chemical Process Design“， Process這個詞的詞意過于廣泛，離散的機電產(chǎn)品生產(chǎn)改革開放以來，行業(yè)術(shù)語多受臺灣地區(qū)影響，多用”制程“這一詞匯。 ”化工制造過程的設(shè)計“ 更符合筆者認為應(yīng)有的含義，而非化工流程設(shè)計或化工過程設(shè)計。
書中作者認為，化工產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的“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)計與化工制程開發(fā)設(shè)計的主要區(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
制造我們怎樣才能使產(chǎn)品達到商業(yè)數(shù)量？
2、化工制程開發(fā)、設(shè)計
①決定是間隙生產(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
①識別客戶的需求
②發(fā)展出符合需求的各種想法
③評估選擇最佳想法
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。這也是長期對于從事“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)大宗化學商品制造廠。
2)化學產(chǎn)品制造裝置。
回顧自己的職業(yè)生涯，這個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Chevron的，新裝置是國內(nèi)新設(shè)計的有很多改變，比較之余參加中石化同類裝置的技術(shù)交流會，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.....)，整個的”制程“自然有重大區(qū)別，不可能是一個”加氫精制“標準化”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)計好的工廠針對性作了高度細致的優(yōu)化，流程模擬、先進控制、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。當時筆者的理解和書第二版中關(guān)于大宗化學物料(Commodity Chemical Products)生產(chǎn)的討論是一致的。
首先，我們建議根據(jù)三個標準來區(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，以及哪個生產(chǎn)商賺的錢最多。我們從商品化學品開始。
(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)運行的。連續(xù)運行。
(3) 哪個生產(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噸是化學工業(yè)界人士的大致共識。在化學工業(yè)中的粗略共識。這些化學品中的許多都是由石油制成的。它們提供了化學工程本科課程中的大部分例子。雖然有些無機物被提及，通常是在討論化學計量學的時候，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。氯乙烯是一個很好的例子：在1964年至1972年期間，美國的氯乙烯生產(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品，我們必須準備好巨大的資本投資。這就是為什么商品化學品的每個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。我們永遠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營，我們將獲得最大的利潤。
大多數(shù)化學商品已經(jīng)生產(chǎn)了幾十年，使用的技術(shù)每年變化不大。所有的商品都在競爭性市場上出售。此外，這些商品在化學上都有明確的定義。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。這些市場將是高度競爭的。因此，非常大的專用化工廠必須有效地運行，以賺取利潤。這就是為什么工藝優(yōu)化和算機控制對商品化工業(yè)務(wù)如此重要。我們在一個巨大但競爭激烈的市場中面臨著成熟的技術(shù)；我們的增長選擇非常有限。難怪最近用計算機發(fā)現(xiàn)的小的增量優(yōu)勢會如此重要。
第二次是進入精細化工領(lǐng)域，當時非常流行“柔性生產(chǎn)”概念，當時一個激進的觀點記得叫做“pipeless chemical plant"--無管道的化工廠，聽上去確實有一點匪夷所思，基本思想是將盡可能將儀表，進料泵，控制閥等各種組件集成在的一個單元設(shè)備上，這個具有比較完整功能的設(shè)備放在活動軌道上，在全廠自由移動，靈活組裝，甚至原料區(qū)者可以是ISO槽罐車直接進料，不需額外的固體化學物料貯罐，管線大量依賴軟管及諸如Drylink類型的快速接頭。當時有一個多功能攪拌反應(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。這時候整個化工廠可以作為一個”大型產(chǎn)品“，可以生產(chǎn)各種的、包括未來開發(fā)的精細化學物料，而非一種化學物料。這是針對原料與產(chǎn)品的未來都不太確定，行業(yè)是依賴于”新化學、新分子、新配方“開發(fā)的高利潤行業(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營成本，畢竟，比針對具體新產(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)拜訪過一個中科院理化所下屬的生產(chǎn)機構(gòu)，他們的工廠完全是實驗室玻璃儀器的放大成不銹鋼設(shè)備，布局也極不合理，筆者當時也是同樣的感覺：“許多工程師第1次看到這類特種化學品合成時都感到驚愕，他們馬上就能找出許多方法改進過程?！?.....現(xiàn)在看來，當時是草率了。
第三次是在涂料行業(yè)，當時大型建材商店可以根據(jù)色卡的選擇，由一個現(xiàn)場的配色機將涂料(如家用內(nèi)墻乳膠漆)自動調(diào)成用戶從標準色卡上當場選擇顏色，而不是由工廠生產(chǎn)幾百種顏色的產(chǎn)品，這是一個典型的化工裝置。筆者也在一個工廠項目執(zhí)行的空檔期參加過一個奇怪的“化工產(chǎn)品”開發(fā)，是開發(fā)一種指甲油機，約有兩個微波爐大小，放在大型商場中，根據(jù)客戶對顏色的不同需求自動生產(chǎn)”獨特個性與審美“的指甲油。小型化的設(shè)計異常困難，計量、蠕動泵、控制閥及計算機自控配色都是很大的挑戰(zhàn)，正如書中所講的。
化學裝置的重點是測量、制造或凈化化學品的，其規(guī)模比上一章中描述的大宗商品化學品小得多。例如，我們可能希望為一個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。我們可能會尋求從病人的一滴血中進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)計的一個重大變化。我們尋求設(shè)計的裝置通常會比傳統(tǒng)工藝小得多：我們的裝置通常會比一米小，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品形成連續(xù)體。我們?nèi)詫⒁詿崃W、化學動力學和單元操作為基礎(chǔ)進行思考，就像我們在設(shè)計化學商品的過程中那樣。
和前面幾章一樣，我們的設(shè)計將以需求、想法、選擇和制造這四個步驟的設(shè)計模板為基礎(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。我們通常會毫不費力地產(chǎn)生很多好的想法來滿足這些需求。事實上，我們總是對專業(yè)人員和學生都能輕易地發(fā)明出好的可能的化學裝置的設(shè)計而印象深刻。
因此，化學裝置的前兩個設(shè)計步驟通常是快速和容易的，就像對化學商品一樣。
第三個 "選擇 "步驟是化學裝置的困難步驟。正如我們將表明的那樣，我們經(jīng)常會發(fā)明三個或更多的符合我們規(guī)格的好工藝。所有這些都會起作用。當我們在其中進行選擇時，我們會選擇 "最方便的 "或 "最容易使用的 "或 "最難誤用的"。我們往往不會選擇最便宜的。這樣的選擇涉及到的不僅僅是經(jīng)濟問題，所以對許多技術(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)計工藝，但預(yù)計化學企業(yè)的增長不會在商品領(lǐng)域。
第四次是參加過一場“產(chǎn)品化”的討論，公司特意請了有世界頂級手機、汽車行業(yè)背景的精益、六西格瑪黑帶大師指導(dǎo)研討會，當我們解釋雖然空分生產(chǎn)原料是空氣與電力、蒸汽， 但客戶與市場需求不一樣，有的多要氧，有的不要氧只要氮，有是要氬，有不要氬，甚至工廠地點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，舉著自己的手機看著我們這幫傻缺(筆者腦補的)說，你們?yōu)槭裁礇]有一點產(chǎn)品設(shè)計的理念，你看我這臺手機，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)計成獨立的，組合成不同產(chǎn)品，你們?yōu)槭裁床粚⒖諝?、氧、氮、氬設(shè)計成不同模塊，自由組合成各種產(chǎn)品？在大師強大的內(nèi)力氣場之下，加上筆者不是設(shè)計人員，雖然被掌風內(nèi)力所也一時哽咽，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Exxon-mobil做的非常震撼模塊化巨型重型化工生產(chǎn)廠，有點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)計和第二次所講的“柔性生產(chǎn)”還是不一樣的，仍然是一個定制的大宗化學物料料生產(chǎn)過程，是在建設(shè)施工階段的重大改進。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化學物料。
筆者以為，模塊化設(shè)計仍然不能算是一種“化工產(chǎn)品設(shè)計”，而只不過是“化工制程設(shè)計“的一種更好、更有前途的實施方式。
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”，以及對CAPEX--OPEX綜合考量的前提下，對于大宗化工物料商品的生產(chǎn)，仍然是一個不確定條件下全局優(yōu)化的問題，也就是量化風險分析的問題，對進一步綜合考慮化工產(chǎn)品設(shè)計與化工制程設(shè)計的邏輯有了更高的要求，筆者個人現(xiàn)在看到了光明的未來，更需要艱苦的努力。
施展老師在中國制造報告中的總結(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，只有在中國發(fā)展出了一個特別供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)：兼具效率和彈性。筆者深信，未來的化工5.0時代，應(yīng)該是在大宗化學物料商品規(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)邏輯指引下計算機算力今后的最重要的應(yīng)用場景。
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知。
作者：張健
