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1、化工过程设计概论化工设计化工设计第第7 7章章 化工化工过程分析过程分析, ,安全工程与安全工程与生态工业系统生态工业系统王静康王静康 教授教授化工过程设计概论第7章 化工化工过程分析过程分析, ,安全工程与安全工程与生态工业系统生态工业系统 教材依据教材依据本本“化工设计化工设计” ” 教材教材( (496496页页) )：是高等教育：是高等教育十五十五、十二十二. .五五国家级规划教材国家级规划教材, ,希望同学希望同学课下参考教材课下参考教材学习学习。 第一节第一节 系统可靠性与可靠度分析系统可靠性与可靠度分析 第二节第二节 安全性与损失的预防安全性与损失的预防 第第三三节节 风险性分析
2、与评估风险性分析与评估 第四节第四节 工业系统安全工程工业系统安全工程 第五节第五节 化工厂安全设计概述化工厂安全设计概述 第六节第六节 单元操作的绿色环保措施单元操作的绿色环保措施 第七节第七节 工业生态系统工业生态系统 第八节第八节 产品生命周期分析与评价产品生命周期分析与评价化工过程设计概论第八节 产品生命周期分析与评价化工过程设计概论多目标优化问题不同于单目标优化多目标优化问题不同于单目标优化 多目标优化问题不同于单目标优化，它要同时优化多个、多目标优化问题不同于单目标优化，它要同时优化多个、可能相互冲突、不可公度的目标函数。可能相互冲突、不可公度的目标函数。多目标优化问题存在多目标优
3、化问题存在一个非劣解集，而问题的解只能是进行协调和折中后生成非一个非劣解集，而问题的解只能是进行协调和折中后生成非劣解劣解。1、数学规划法数学规划法：数学规划法是目前研究应用最多的方法数学规划法是目前研究应用最多的方法。数学数学规划法的基本思想是规划法的基本思想是先把多目标问题转化为单一目标的优化先把多目标问题转化为单一目标的优化问题问题（寻求非劣解集的方法寻求非劣解集的方法），然后应用各种决策分析方法然后应用各种决策分析方法得出非劣解得出非劣解（决策分析方法决策分析方法）。2、多目标进化算法多目标进化算法：从生成非劣解集的角度来看，求解多目标从生成非劣解集的角度来看，求解多目标问题的全局最优
4、实际上是一个问题的全局最优实际上是一个NPNP完全问题。以遗传算法为代完全问题。以遗传算法为代表的进化算法是建立在生物进化基础上表的进化算法是建立在生物进化基础上, , 借鉴自然选择和群借鉴自然选择和群体遗传机理的随机搜索算法。考虑到简单遗传算法（体遗传机理的随机搜索算法。考虑到简单遗传算法（SOGASOGA）计算的高效性计算的高效性，部分研究者在处理多目标问题时把部分研究者在处理多目标问题时把目标函数目标函数矢量标量化矢量标量化，即把多个目标函数整合成单一的目标函数即把多个目标函数整合成单一的目标函数。化工过程设计概论（1）多目标优化问题的表述）多目标优化问题的表述多目标综合问题可以多目标综
5、合问题可以表示成多目标混合整数非线性规划问题表示成多目标混合整数非线性规划问题（MCMINLP），其数学表达式如下），其数学表达式如下：式中，式中，p为利润为利润；w为废料为废料；y为定义超结构中不同操作单元是否存在的二元拓扑变量；为定义超结构中不同操作单元是否存在的二元拓扑变量；A、B分别为等式约束和不等式约束中分别为等式约束和不等式约束中y的系数矩阵；的系数矩阵；d为一组连续决策变量为一组连续决策变量，一般表示描述过程，一般表示描述过程进料流和选定的设计或操作参数的独立变量；进料流和选定的设计或操作参数的独立变量；x为各操作单元的数学模型中的连续性变量。为各操作单元的数学模型中的连续性变量
6、。化工过程设计概论（2）多目标优化求解算法）多目标优化求解算法对于多目标问题的求解技术，在学术著作和文献报道中所涉及的方法基本上可分为以下两大类：对于多目标问题的求解技术，在学术著作和文献报道中所涉及的方法基本上可分为以下两大类：1. 多目标数学规划法（多目标数学规划法（mathematical programming multiobjective optimization techniques） 2. 基于进化策略的多目标优化法（基于进化策略的多目标优化法（evolutionary algorithms-based multiobjective optimization techniques
7、）。）。到目前为止，研究者们共发展了到目前为止，研究者们共发展了20余种数学规划法和余种数学规划法和10余种多目标进化优化法余种多目标进化优化法，例如：遗传算法例如：遗传算法（NCGA、NSGA、FFGA、NPGA 和和SPGA 等），线性加权法，逐步宽容约束法，等），线性加权法，逐步宽容约束法，P模理想点法，模理想点法，最短距离法，极大模理想点法，目标规划法，目标点法，二元相对比较法，模糊关联度法，基于最短距离法，极大模理想点法，目标规划法，目标点法，二元相对比较法，模糊关联度法，基于模糊模拟、神经元网络和遗传算法的混合智能算法（模糊模拟、神经元网络和遗传算法的混合智能算法（ Genetic
8、 Algorithms and Fuzzy Multiobjective Optimization etc.），基于模糊集理论的一主多从多目标优化方法，新粒子群优化），基于模糊集理论的一主多从多目标优化方法，新粒子群优化算法，算法， Iterative co-evolutionary algorithm，Optimization technique based on progressive articulation of preference information，Immune genetic algorithms等等等等 。同学们，你们风华正茂同学们，你们风华正茂, , 你们是中国的希望，
9、中国可持续发展的你们是中国的希望，中国可持续发展的未耒将靠你们去创造！世界生态园区的建设与优化问题仍处化研未耒将靠你们去创造！世界生态园区的建设与优化问题仍处化研究发展中，也有待你们去开拓创新！究发展中，也有待你们去开拓创新！化工过程设计概论到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。美国自二十世纪七十年代开始建设生态工业园美国自二十世纪七十年代开始建设生态工业园区，至少有区，至少有4040个社区建立了生态工业园区项目个社区建立了生态工业园区项目，
10、涉及生物能源的开发、废物处理、清洁工业、固体和涉及生物能源的开发、废物处理、清洁工业、固体和液体废物的再循环等多种行业，形成了各自的特色。液体废物的再循环等多种行业，形成了各自的特色。美国美国布朗斯维尔生态工业园区布朗斯维尔生态工业园区采用采用“虚拟虚拟”生生态工业园区的模式，依托现有企业进行能量与态工业园区的模式，依托现有企业进行能量与物质的共享，物质的共享，并招募新的工业企业与现有企业互补并招募新的工业企业与现有企业互补和增强废物交换和增强废物交换。化工过程设计概论序号序号E E，P P项目项目地址地址涉及行业特点涉及行业特点1 1查尔斯角查尔斯角弗古尼亚弗古尼亚农业、海产品及海水养殖、旅
11、游艺术品，高新农业、海产品及海水养殖、旅游艺术品，高新技术产品技术产品2 2费尔菲尔德费尔菲尔德马里兰马里兰石化、有机化学品、废物再利用、环境技术石化、有机化学品、废物再利用、环境技术3 3布朗斯维尔布朗斯维尔得克萨斯得克萨斯炼油、沥青、化工、纺织、车罩部件、热电、污炼油、沥青、化工、纺织、车罩部件、热电、污水处理、溶剂回收水处理、溶剂回收4 4河岸河岸佛蒙特佛蒙特生态农业，生物能源，废物处理生态农业，生物能源，废物处理5 5绿色协会绿色协会明尼苏达明尼苏达绿色产业孵化器、废物再利用绿色产业孵化器、废物再利用6 6普拉兹堡普拉兹堡纽约纽约军事设施再开发、资源和废物管理军事设施再开发、资源和废物
12、管理7 7东海岸东海岸加利福尼亚加利福尼亚资源再生、自然美化、提高能源效率资源再生、自然美化、提高能源效率8 8特灵顿特灵顿新泽西新泽西现有工业区的再开发，清洁工业现有工业区的再开发，清洁工业9 9沙为昂沙为昂 亚利桑那亚利桑那商工一体化开发；环境，自然特色商工一体化开发；环境，自然特色1010富兰克林富兰克林卡罗莱纳卡罗莱纳可更新能源与环境技术的商贸联合体可更新能源与环境技术的商贸联合体国际生态工业园区发展趋势国际生态工业园区发展趋势: : 美国生态工业园区美国生态工业园区化工过程设计概论到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的
13、社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。自自19951995年以来，加拿大开始建设生态工业园区，现有年以来，加拿大开始建设生态工业园区，现有4040多多个工业园区个工业园区中有中有9 9个被认为具备生态工业发展的可能性个被认为具备生态工业发展的可能性，其中涉及的核心工业组合有造纸厂、包装业、副产蒸汽；其中涉及的核心工业组合有造纸厂、包装业、副产蒸汽；聚氯乙烯、苯乙烯、发电、生物燃料；钢铁厂、造纸厂、聚氯乙烯、苯乙烯、发电、生物燃料；钢铁厂、造纸厂、刨花板厂、发电；炼油、化工、热电联产、水泥厂等。刨花板厂、发电；炼油、化工、热电联产、水泥厂等。印度
14、已在不同工业系统进行了印度已在不同工业系统进行了4 4个工业代谢研究个工业代谢研究，包括位包括位于它日坡（于它日坡（TirupurTirupur）的棉织品生产中心、位于傲尔）的棉织品生产中心、位于傲尔（HaoraHaora）的铸造厂、位于泰米尔的内迪（）的铸造厂、位于泰米尔的内迪（NaduNadu）皮革工）皮革工业和沙谁州利（业和沙谁州利（SeshasayeeSeshasayee）造纸制糖联合体等等。）造纸制糖联合体等等。化工过程设计概论加拿大部分生态工业园区加拿大部分生态工业园区序序号号生生态工工业区名称区名称园址园址主要生主要生产企企业1伏特伏特萨斯喀斯喀彻温温(FortSaskatche
15、wan)萨斯克斯克(Sask)化学品，聚化学品，聚氯乙乙烯、苯乙、苯乙烯、电力、生物燃料等力、生物燃料等2康沃康沃尔尔(Cornwall)安大略湖安大略湖(Ontario)热电联产、造、造纸、化工、化工、电力力设备和水泥等和水泥等3比勘克比勘克(BecancouE)魁北克魁北克(Quebec)氯碱碱盐酸、双氧水、酸、双氧水、烷基苯磺酸基苯磺酸盐等化工等化工4东蒙特利蒙特利尔尔(MontrealEast)魁北克魁北克(Quebec)炼油石化、工油石化、工业气体，石膏板、冶金等气体，石膏板、冶金等5圣圣乔尔尔(SaintJohn)新布新布伦瑞克瑞克(NewBrunswick)电力、造力、造纸，炼油
16、、油、酿酒、制糖等酒、制糖等化工过程设计概论到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的到目前为止，鉴于生态工业园具有突出的环境保护及显著的社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。社会经济效益，己受到世界先进国家的广泛重视。近年亚洲生态工业园区也发展迅速，日本近年亚洲生态工业园区也发展迅速，日本先后建成了先后建成了藤泽生态工业园区藤泽生态工业园区和卡克博（和卡克博（KokuboKokubo）生态工业园区及扎幌市）生态工业园区及扎幌市( (循环再利用工业园区循环再利用工业园区) )、北海道、北海道( (循环再利用和促进副产品交换循环再利用和促进副产品交换) )、千叶县、千叶县( (能
17、源中心、零排放园能源中心、零排放园) )、歧阜市、歧阜市( (循循环再利用工业联合体环再利用工业联合体) )、大牟田市、大牟田市( (循环再利用工业园区循环再利用工业园区) )、秋田辖区、秋田辖区( (电子产电子产品循环利用品循环利用) )，莺池市，莺池市( (循环再利用矿业工业园循环再利用矿业工业园) )、北九州城、北九州城( (生态工业园区生态工业园区) )和和川崎市川崎市( (循环再利用工业园区循环再利用工业园区) )等十个生态工业城项目等十个生态工业城项目。泰国正在对泰国正在对2828个工业园区进行绿色工业园区试验个工业园区进行绿色工业园区试验，并将其中并将其中5 5个建成生态个建成生
18、态工业园区工业园区。我国从我国从19991999年己开始循环经济和生态工业园区的试点工作年己开始循环经济和生态工业园区的试点工作，20012001年年8 8月广西贵港正式被国家环境保护总局确认为第一月广西贵港正式被国家环境保护总局确认为第一个国家生态工业个国家生态工业( (制糖制糖) )建设区；建设区；目前国家环保局按照循环目前国家环保局按照循环经济理念，率先领导与创建我国各省市生态工业示范园区经济理念，率先领导与创建我国各省市生态工业示范园区，并在不断探索以循环经济为特色的生态城市建设模式。并在不断探索以循环经济为特色的生态城市建设模式。 化工过程设计概论建设生态工业园区是世界应对全球资源、
19、建设生态工业园区是世界应对全球资源、能源与环境危机的挑战，保持世界可持续能源与环境危机的挑战，保持世界可持续发展的重要战略举措发展的重要战略举措。我国化工界也必须。我国化工界也必须与时俱进，与时俱进，开拓创新，参与设计并建设好开拓创新，参与设计并建设好具有中国特色的一大批生态工业园区，具有中国特色的一大批生态工业园区，走走新型工业化道路，为把我国建设成世界制新型工业化道路，为把我国建设成世界制造强国贡献力量！造强国贡献力量！化工过程设计概论 国际绿色化工竞先发展趋势国际绿色化工竞先发展趋势化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势为为了了实实现现化化学学工工业业的的可可持持续续发
20、发展展，近近年年来来，国国际际上上有有关关国国家家政政府府和化工产业界都高度重视和化工产业界都高度重视推动化工产业推动化工产业向绿色化方向发展。向绿色化方向发展。化学产业化学产业尊从尊从绿色化学与化工十二条原则绿色化学与化工十二条原则，绿色化包括：绿色化包括：1.1.原原料料绿绿色色化化（选选择择无无毒毒、无无害害原原料料，以以及及替替代代性性和和可可再再生生原原料料的利用的利用）；）；2.2.化学反应绿色化，化学反应绿色化，目标是实现目标是实现“原子经济反应原子经济反应”；3.3.反反应应介介质质绿绿色色化化（采采用用无无毒毒、无无害害的的催催化化剂剂、溶溶剂剂和和助助剂剂）；4.4.产品绿
21、色化（产品绿色化（生产环境友好的石化产品生产环境友好的石化产品） ； 5.5.能源绿色化。能源绿色化。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势1 1、是是原原料料绿绿色色化化。例如，目前生产聚碳酸酯的主要工艺技术需用剧毒的光气做原料，为为了了使使原原料料绿绿色色化化，美美国国TexacoTexaco公公司司研研究究成成功功用用环环氧氧乙乙烷烷、COCO2 2和和甲甲醇醇为为原原料料，两两步步法法制制备备碳碳酸酸二二甲甲酯酯（DMCDMC）技技术术，用用碳碳酸酸二二甲甲酯酯苯苯酚酚酯酯交交换换法法可可合合成成碳碳酸酸二二苯苯酯酯（DPCDPC），而而碳碳酸酸二二苯苯酯是非光气化
22、生产聚碳酸酯的主要原料。酯是非光气化生产聚碳酸酯的主要原料。近近斯斯ShellShell公公司司开开发发了了以以COCO2 2、苯苯酚酚和和环环氧氧丙丙烷烷为为原原料料生生产产丙丙二二醇醇和和碳碳酸二苯酯，酸二苯酯，可显著降低生产成本，是典型的绿色工艺技术。是典型的绿色工艺技术。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势1 1、是原料绿色化。、是原料绿色化。碳碳酸酸二二甲甲酯酯已已被被国国际际化化学学品品权权威威机机构构确确认认为为毒毒性性极极低低的的绿绿色色化化学学品品，它它还还可可以以替替代代光光气气用用于于异异氰氰酸酸酯酯的的绿绿色色生生产产以以及及碳碳酯酯甲甲乙乙酯酯、
23、碳碳酸酸二二乙酯、碳酸二丁酯（亚、仲、叔）等系列绿色合成工艺。乙酯、碳酸二丁酯（亚、仲、叔）等系列绿色合成工艺。又又如如，为为了了克克服服以以苯苯为为原原料料制制取取己己二二酸酸的的工工艺艺过过程程存存在在流流程程长长、原原料料苯苯致致癌癌、副副产产物物多多、硝硝酸酸等等反反应应介介质质易易腐腐蚀蚀等等诸诸多多问问题题，美美国国密密执执根根州州立立大大学学开开发发出出了了以以蔗蔗糖糖为为原原料料，生生物物转转化化生生产产己己二二酸酸的的工工艺艺，从从而而实实现现了了原原料料与与生生产产过过程程无无毒毒无无害害，为为此此荣荣获获美美国国“总总统统绿绿色色化化学学挑挑战战奖奖”。化工过程设计概论世
24、界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势2 2、是是化化学学反反应应绿绿色色化化，即即实实现现“原原子子经经济济反反应应”。理理想想的的原原子子经经济济性性反反应应应应是是原原料料分分子子中中的的原原子子百百分分之之百百地地转转化化成成产产品品，不不产产生生副副产产品品和和废废物物。如乙烯、丙烯、长链-烯烃与苯合成乙苯、异丙苯、长链烷基苯，乙烯聚合生产聚乙烯、丙烯聚合生产聚丙烯，对苯二甲酸和乙二醇聚合生产聚酯以及杜邦公司从丁二烯和HCN合成己二腈、用甲醇羰化制醋酸等都是原子经济反应，提高了资源利用率。3 3、是是反反应应介介质质绿绿色色化化。例如，在在钛钛硅硅分分子子筛筛催催化化剂剂存存在在下下
25、，利利用用H H2 2O O2 2作作氧氧化化剂剂直直接接氧氧化化丙丙烯烯生生产产环环氧氧丙丙烷烷是是一一条条工工艺艺简简单单、反反应应条条件温和、选择性高、无污染的绿色工艺路线件温和、选择性高、无污染的绿色工艺路线。前面提及的巴巴斯斯夫夫公公司司和和陶陶氏氏化化学学联合开发的H2O2氧化丙烯生产环氧丙烷（HPPO）新技术，即是反应介质绿色化的典型工艺即是反应介质绿色化的典型工艺。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势4 4、是产品绿色化，生产环境友好的石化产品。、是产品绿色化，生产环境友好的石化产品。例如，利用生物质转化可生产聚酯系列产品例如，利用生物质转化可生产聚酯系列
26、产品。目前利用天然生物质制备聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、聚对苯二甲酸丁二酯-丁二酸丁二酯（PBTS）等聚酯产品以及主要原料乙二醇（EG）、1.3-丙二醇（PDO）、1.4-丁二醇（BD）等已得到工业化开发和应用。PLA、PBS、PBTS等生物基聚酯产品具有可降解性，最终可成为有机肥料。采用生物基原料合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯（采用生物基原料合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTTPTT）、聚对苯二甲）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（酸丁二醇酯（PBTPBT）等产品与常规聚酯产品一样具有可回收性。生物）等产品与常规聚酯产品一样具有可回收性。生物基聚酯的生产具有成本低、污染少、能耗低等优点，属环
27、境友好产品基聚酯的生产具有成本低、污染少、能耗低等优点，属环境友好产品。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势4 4、是产品绿色化、是产品绿色化，生产环境友好的石化产品。，生产环境友好的石化产品。又如，二氧化碳和环氧化合物共聚制备脂肪族聚碳酸酯不仅具有光降二氧化碳和环氧化合物共聚制备脂肪族聚碳酸酯不仅具有光降解和生物降解性，同时还具有优良的阻氧气和水的性能，具有良好的解和生物降解性，同时还具有优良的阻氧气和水的性能，具有良好的物理改性和化学修饰能力物理改性和化学修饰能力。可用作工程塑料、一次性医药和食品包装可用作工程塑料、一次性医药和食品包装材料、胶黏剂以及复合材料等。这种
28、产品不仅实现了二氧化碳的资源材料、胶黏剂以及复合材料等。这种产品不仅实现了二氧化碳的资源化利用，而且不对环境造成污染。化利用，而且不对环境造成污染。国内外在二氧化碳基聚合物研发方面开展了大量工作，我国在工业化国内外在二氧化碳基聚合物研发方面开展了大量工作，我国在工业化生产方面处于领先地位。生产方面处于领先地位。例如，中科院广州化学研究所与江苏玉华金例如，中科院广州化学研究所与江苏玉华金龙科技集团合作进行了龙科技集团合作进行了2Kt/a2Kt/a二氧化碳基聚合物中试，得到脂肪酸聚二氧化碳基聚合物中试，得到脂肪酸聚碳酯多元醇及聚氨酯泡沫塑料碳酯多元醇及聚氨酯泡沫塑料，在此基础上建成了世界首套在此基
29、础上建成了世界首套0.02Mt/a0.02Mt/a的二氧化碳基聚合物装置，实现了工业化生产。的二氧化碳基聚合物装置，实现了工业化生产。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势5 5、开发石化替代原料，发展战略性新兴产业开发石化替代原料，发展战略性新兴产业在油价高企、石油资源日益紧缺的背景下，开开发发石石化化替替代代原原料料，发发展战略性新兴产业成了业界关注的热点。展战略性新兴产业成了业界关注的热点。为此，近年来国内外围绕1).1).生生物物质质资资源源生生产产化化学学品品 2).2).非非石石油油原原料料生生产产化化学学品品 3).3).二二氧氧化化碳碳为原料生产化学品为原料
30、生产化学品 等方面开展了大量研发和产业化培育工作。等方面开展了大量研发和产业化培育工作。1)1)、是是由由生生物物质质资资源源制制备备化化学学品品。生生物物质质气气化化可可制制得得富富含含H H2 2气气和和COCO的的合合成成气气，由由合合成成气气可可生生产产一一系系列列化化学学品品。生生物物质质还还可可经经预预处处理理，通通过过微微生生物物或或酶酶将将多多糖糖转转化化为为单单糖糖，再再经经化化学学或或生生物物技技术术转转化化为为化化学学品品。目目前前采采用用生生物物资资原原料料已已可可制制取取甲甲醇醇/ /二二甲甲醚醚、乙乙醇醇、丙丙二二醇醇、丙丙酮酮、丁丁醇醇、丁丁二二烯烯、丁丁二二醇醇
31、、丙丙烯烯酸酸等等产产品品。还还有有一一系系列列品品种种正正在加紧研发中。在加紧研发中。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势5 5、开发开发石化替代原料石化替代原料，发展战略性新兴产业，发展战略性新兴产业1)例如，马马萨萨诸诸塞塞州州大大学学开开发发一一种种以以纤纤维维素素作作物物为为原原料料利利用用催催化化快快速速热热解解过过程程一一步步法法制制备备苯苯、甲甲苯苯和和二二甲甲苯苯（BTXBTX）的的环环境境友友好好工工艺艺，该工艺不需要水和氢气，避免了废液产生，当原油价格为50-60美元/桶时，这种工艺比石油衍生的BTX更具有成本竞争力，目前正在中试阶段，预计2014年
32、将有一套小规模生产装置投产。美美国国GenomaticaGenomatica公公司司开开发发出出由由C5C5或或C6C6糖糖类类和和水水为为原原料料制制取取1.4-1.4-丁丁二二醇醇（BDOBDO）工工艺艺，该工艺为以木屑、废纸、农业废物等木质纤维素为原料的第二代BDO生产工艺提供了新途径。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势上上述述工工艺艺生生产产成成本本较较传传统统工工艺艺大大幅幅降降低低，BDO实验厂2010年投产。Genomatica公司在开发出1.4-丁二醇工艺的基础上，又开发出将糖和水转化成甲乙酮（MEK）的新型生物产品制造工艺，该工艺可采用与乙醇生产相同的
33、设备和工艺，装置仅需极少投资便可生产出比乙醇具有更高市场价值的MEK产品。巴巴西西BraskermBraskerm公公司司目目前前正正在在建建设设一一套套0.20Mt/a0.20Mt/a的的高高密密度度聚聚乙乙烯烯装装置置，采采用用甘甘蔗蔗衍衍生生的的乙乙醇醇作作原原料料，该该装装置置将将于于20112011年年投投入入工工业业生生产产。该该公公司司还还正正在在与与总总部部在在丹丹麦麦的的工工业业酶酶生生产产商商NovozymesNovozymes公公司司合合作作开开发发由由甘甘蔗大规模生产聚丙烯技术，等等。蔗大规模生产聚丙烯技术，等等。化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势
34、2)2)、非石油原料非石油原料生产化学品生产化学品。埃埃克克森森美美孚孚围围绕绕MTOMTO工工艺艺和和催催化化剂剂开开展展了了大大量量研研发发工工作作，并完成了中试，但仅作为技术储备，从未见其工业化计划的报道。国国内内中中国国科科学学院院大大连连化化学学物物理理研研究究所所与与中中国国石石化化洛洛阳阳工工程程公公司司等单位合作开发的DMTO技术已完成50t/d工业试验，20102010年年8 8月月8 8日日神神华华集集团团公公司司建建设设的的1.80Mt/a1.80Mt/a甲甲醇醇进进料料生生产产0.30Mt/a0.30Mt/a乙乙烯烯和和0.30Mt/a0.30Mt/a丙丙烯烯的的工工业
35、示范装置已成功投产。业示范装置已成功投产。中中国国石石化化上上海海石石化化研研究究院院研研发发了了S-MTOS-MTO技技术术，在燕山石化完成了0.36Mt/a甲醇制烯烃中试，目前正在进行0.6Mt/aMTO工业示范装置建设工作。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势2)2)、非石油原料非石油原料生产化学品生产化学品在在MTPMTP工工艺艺技技术术方方面面，国外具有代表性的工艺是由由德德国国LurgiLurgi公公司司开开发发的的技技术术，该工艺采用改性ZSM分子筛作催化剂，已完成中试。我国大唐国际发电股份公司和神华宁煤集团公司均引进了Lurgi公司MTP技术，正在分别建设
36、生产0.46Mt/a丙烯的MTP装置。伊伊朗朗FanavaranFanavaran公公司司也与Lurgi公司签订了技术许可协议，计划建设MTP工业装置。国国内内清清华华大大学学开开发发了了流流化化床床型型式式的的MTPMTP工工艺艺，中中科科院院大大连连化化物物所所开开展展了实验室研究了实验室研究。中国石化上海石化研究院也正在研发S-MTP技术。此外，国国内内外外对对甲甲烷烷或或甲甲醇醇直直接接转转化化成成烯烯烃烃和和芳芳烃烃的的工工艺艺研研究究也也很很重重视视，对对甲甲烷烷氧氧化化耦耦联联制制乙乙烯烯（OCMOCM）技技术术、甲甲烷烷脱脱氢氢芳芳构构化化制制芳芳烃烃技技术术、甲甲醇醇芳芳构构
37、化化技技术术等等开开展展了了大大量量研研究究，但这些工艺距工业化应用还有相当的距离。 化工过程设计概论世界化工业世界化工业向绿色化方向发展趋势趋势2)2)、非石油原料非石油原料生产化学品生产化学品近近年年来来合合成成气气制制乙乙二二醇醇技技术术取取得得重重要要突突破破。长期以来，国外在合成气制乙二醇技术研究方面曾进行过多条路线的研究，但均未实现工业应用。中中国国科科学学院院福福建建物物质质结结构构研研究究所所从从19821982年年开开始始研研究究COCO气气相相催催化化合合成成草草酸酸酯酯、草草酸酸酯酯水水解解制制备备草草酸酸和和草草酸酸酯酯加加氢氢合合成成乙乙二二醇醇的的工工艺艺研研究究，
38、2006年该所与上海金煤化工新技术公司、江苏丹化集团合作进行300t/a草酸二甲酯和100t/a乙二醇中试及万吨级合成气制乙二醇工业试验。在工业试验成功的基础上，在内蒙通辽建成了0.20Mt/a煤制乙二醇工业示范装置，并于2009年12月7日投运成功。此外，中原大化中原大化0.20Mt/a0.20Mt/a煤制乙二醇项目已全面启动。煤制乙二醇项目已全面启动。近近年年巴巴斯斯夫夫公公司司正正在在开开发发直直接接由由合合成成气气生生产产烯烯烃烃技技术术，而而不不需需由由合合成成气气通通过过甲甲醇醇制制烯烯烃烃，以以减减少少投投资资。巴巴斯斯夫夫已已将将该该工工艺艺从从实实验验室室推推进进到到小小型型
39、装装置置上做试验。上做试验。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势3)3)、以二氧化碳以二氧化碳为原料生产化学品。为原料生产化学品。为为寻寻找找石石化化工工业业的的替替代代原原料料，降降低低工工业业排排放放到到环环境境中中的的温温室室气气体体二二氧氧化化碳碳量量，全全球球的的化化学学家家正正在在致致力力于于将将二二氧氧化化碳碳转转化化成成高高附附加加值值的的化化学学品品的的研研究究。目目前前全全球球每每年年排排放放的的二二氧氧化化碳碳量量为为24000Mt/a24000Mt/a，通通过过化化学学利用消耗的二氧化碳仅为利用消耗的二氧化碳仅为115Mt/a115Mt/a。在在二
40、二氧氧化化碳碳的的化化学学利利用用中中，生生产产尿尿素素约约消消耗耗二二氧氧化化碳碳90Mt/a90Mt/a，由由合合成成气气添添加加适适量量二二氧氧化化碳碳生生产产甲甲醇醇消消耗耗约约3.0Mt/a3.0Mt/a，其他的利用途径还还包包括括水水杨杨酸酸、聚聚碳碳酸酸丙丙烯烯酯酯、碳碳酸酸二二甲甲酯酯和和可可降降解解塑塑料料等等，消消耗耗的的二二氧氧化碳均在万吨级。化碳均在万吨级。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势3 3、以二氧化碳以二氧化碳为原料生产化学品。为原料生产化学品。目前，世世界界有有关关石石化化公公司司正正在在加加快快二二氧氧化化碳碳化化学学利利用用的的研研
41、究究。例例如如，日日本本旭旭化化成成公公司司已已将将其其开开发发的的以以COCO2 2为为原原料料生生产产聚聚碳碳酸酸酯酯技技术术推推向向海海外外；日日本本三三井井化化学学已已开开发发出出以以二二氧氧化化碳碳为为起起始始原原料料的的全全新新的的制制备备甲甲醇醇工工艺艺，并并已已建建设设100t/a100t/a中试；中试；住住友友化化学学公公司司正正在在与与东东京京大大学学等等单单位位合合作作开开展展以以二二氧氧化化碳碳为为原原料料制制取取脂脂肪肪族族聚聚碳碳酸酸酯酯的的研研发发工工作作。巴巴斯斯夫夫公公司司正正在在与与哈哈佛佛大大学学合合作作研究如何在化工工艺中使用二氧化碳，等等。在在二二氧氧
42、化化碳碳化化学学利利用用的的前前沿沿领领域域，世世界界正正在在研研究究以以二二氧氧化化碳碳为为原原料料生生产产甲甲酸酸、二甲醚、聚脲和喹唑啉诱导体以及二氧化碳基聚合物二甲醚、聚脲和喹唑啉诱导体以及二氧化碳基聚合物等等。除除了了将将二二氧氧化化碳碳直直接接作作为为化化学学原原料料外外，还还可可将将二二氧氧化化碳碳转转化化为为更更通通用用的的化化工工原原料料，如如一一氧氧化化碳碳、合合成成气气。其其中中，天天然然气气与与二二氧氧化化碳碳转转化化制制合合成成气气是是未未来来二氧化碳利用研究的热点之一。二氧化碳利用研究的热点之一。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势4).4).近
43、年来，国国外外大大型型石石化化公公司司通通过过开开发发实实施施节节能能新新工工艺艺新新技技术术，采采用用各各种种提提高高燃燃料料效效率率和和节节能能措措施施，开开展展碳碳捕捕集集研研究究，在在节节能能减减排排方方面面取得了重要进展。取得了重要进展。例例如如，巴巴斯斯夫夫公公司司通过热电联产和生产过程中的能量优化，20082008年年能能效效在在20022002年年基基础础上上提提高高了了25%25%。巴斯夫对路得希港地区的17套装置实施上门解决方案，为其提供能源和原材料消耗的实时数据，自2006年以来使这些装置每年降低成本超过150万欧元，其中降低能源消耗的成本占主要组成部分。埃埃克克森森美美
44、孚孚公公司司通过全球能源管理系统的实施，每年节约的能源量可供100万欧洲家庭使用，减排量相当于100万辆汽车的排放量。该该公公司司通通过过热热电电联联产产提提高高能能源源使使用用效效率率，已已在在全全球球3030家家炼炼厂厂、化化工工厂厂安安装装了了8585套套热热电电联联产产装装备备，使使炼炼厂厂和和石石化化厂厂减减少少30%30%的的能能耗耗，并并减减少少外外购购电电力。力。化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势国国际际石石油油石石化化公公司司在在大大力力推推进进节节能能减减排排的的同同时时，也也着着力力于于COCO2 2的的捕捕集集与与封封存存技技术术研研究究。BPBP
45、公公司司率率先先进进行行碳碳捕捕集集研研究究，开开展展了了投投资资为为25002500万万美美元的碳捕获项目（元的碳捕获项目（CCPCCP），），资助了一系列有关碳捕获与埋存的研究。挪挪威威国国家家石石油油公公司司预预计计到到20202020年年其其新新的的碳碳捕捕集集与与封封存存项项目目将将拥拥有有300300万吨的万吨的COCO2 2减排能力。减排能力。据美国化学周刊网站2009年11月30日报道，DOWDOW化化学学与与DenburyDenbury石石油油公公司司联联合合实实施施了了二二氧氧化化碳碳捕捕集集项项目目，DenburyDenbury将将从从DOWDOW化化学学位位于于路路易易
46、斯斯安安那那州州的的环环氧氧乙乙烷烷装装置置捕捕集集二二氧氧化化碳碳，然然后后通通过过管管道道输输送送至至休休斯斯顿顿附近的附近的HastingsHastings油田，用于提高采收率。油田，用于提高采收率。又又据据美美国国化化学学周周刊刊20102010年年1 1月月1515日日报报道道，巴巴斯斯夫夫公公司司与与林林德德公公司司将将联联合合开开拓拓捕捕集集废废气气中中二二氧氧化化碳碳的的技技术术许许可可及及设设备备销销售售，将将向向客客户户提提供集成式的工程解决方案及二氧化碳捕集整套设备。供集成式的工程解决方案及二氧化碳捕集整套设备。 化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势4
47、)4)利用利用工艺技术的改进工艺技术的改进和和采用先进控制技术采用先进控制技术实施节能实施节能。例例如如，DOWDOW化化学学和和BASFBASF公公司司合合作作开开发发的的过过氧氧化化氢氢法法制制环环氧氧丙丙烷烷（HPPOHPPO）新新工工艺艺，使使BASFBASF在在比比利利时时的的0.3Mt/a0.3Mt/a新新装装置置和和一一般般环环氧氧丙丙烷烷装置相比将节能装置相比将节能35%35%。DOWDOW化化学学公公司司在在生生产产过过程程控控制制中中使使用用了了先先进进控控制制和和优优化化系系统统（AC&OAC&O），使装置生产能力提高了使装置生产能力提高了3%-5%3%-5%，而能耗却降
48、低了，而能耗却降低了4%-6%4%-6%。CelaneseCelanese公公司司通通过过醋醋酸酸和和醋醋酸酸乙乙烯烯工工艺艺改改进进，使使近近两两年年的的能能耗耗节节省省10-20%10-20%。化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势 绿色化工技术创新绿色化工技术创新仍是世界化工业不断发展的仍是世界化工业不断发展的推动力推动力近近年年来来，石石化化技技术术仍仍不不断断发发展展。以以蒸蒸汽汽裂裂解解制制乙乙烯烯为为代代表表的的传传统统工工艺艺技技术术持持续续改改进进和和优优化化，清清洁洁生生产产、绿绿色色产产品品和和节节能能减减排排技技术术受受到到高高度度重视重视;工程技术不
49、断进步推进生产装置向更大型化方向发展工程技术不断进步推进生产装置向更大型化方向发展;新新一一代代催催化化剂剂技技术术、新新的的聚聚合合技技术术、纳纳米米复复合合技技术术将将催催生生合合成成材材料料新新产产品品，新新的的替替代代燃燃料料、替替代代原原料料技技术术和和化化工工新新材材料料技技术术快快速速发发展展，正正孕孕育育着着战战略略性性新新兴兴产产业业等等等等。化化工工技技术术创创新新将将继继续续对对世世界界化化工工业业的的发发展起重要的推动作用。展起重要的推动作用。化工过程设计概论世界世界绿色化工竞先化工竞先发展趋势趋势5.5.能源绿色化能源绿色化在当今世界，在当今世界，发展面临着前所未有的
50、良好机遇和严重挑战发展面临着前所未有的良好机遇和严重挑战，能源短缺、资源，能源短缺、资源枯竭、环境污染等问题已严重影响人们的生活和制约社会的发展。面临着环枯竭、环境污染等问题已严重影响人们的生活和制约社会的发展。面临着环境保护与能源短缺双重压力。境保护与能源短缺双重压力。要加速发展，就必须在保护环境的前提下加快要加速发展，就必须在保护环境的前提下加快能源建设。能源建设。 下图是对下图是对2050年世界能源消耗的估计：年世界能源消耗的估计：化工过程设计概论5.5.能源绿色化能源绿色化: :可再生能源有以下八种可再生能源有以下八种1、太阳能太阳能：直接来自于太阳辐射。主要是提供热量和电能。直接来自
51、于太阳辐射。主要是提供热量和电能。2、生物能生物能：由绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能，由绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能，储存在体内，可沿食物链单向流动，最终转化为热能散失掉。储存在体内，可沿食物链单向流动，最终转化为热能散失掉。也可通过燃烧和厌氧发酵获得沼气来取得能量。也可通过燃烧和厌氧发酵获得沼气来取得能量。3、风能风能：由太阳辐射提供能量，因冷热不均产生气压差异，导由太阳辐射提供能量，因冷热不均产生气压差异，导致空气水平运动致空气水平运动风的形成。主要是通过风力发电机来获得风的形成。主要是通过风力发电机来获得能量。能量。4、水能水能：由太阳辐射提供能量，产生水循环，
52、来自海洋的暖湿由太阳辐射提供能量，产生水循环，来自海洋的暖湿空气，受热上升，太阳能转化为势能，当在高山上形成降水后，空气，受热上升，太阳能转化为势能，当在高山上形成降水后，水往低处流，势能转化为动能，就是水能。主要是通过水力发水往低处流，势能转化为动能，就是水能。主要是通过水力发电机来获得能量。电机来获得能量。世界世界绿色绿色化工竞先化工竞先发展发展趋势趋势化工过程设计概论5、海洋能海洋能：包括潮汐、波浪、洋流等海水运动蕴包括潮汐、波浪、洋流等海水运动蕴藏的能量，也是取之不尽用之不竭的。潮汐能主藏的能量，也是取之不尽用之不竭的。潮汐能主要来自于月球、太阳等天体的引力，波浪、洋流要来自于月球、太
53、阳等天体的引力，波浪、洋流的能量主要是受风的影响。主要是通过潮汐的动的能量主要是受风的影响。主要是通过潮汐的动能来发电。能来发电。6、地热能、地热能：来自于地球内部放射性元素的衰变。来自于地球内部放射性元素的衰变。可以用于地热发电和供暖可以用于地热发电和供暖。7、氢能氢能：通过燃烧或者是燃料电池来获得能量。通过燃烧或者是燃料电池来获得能量。8、核能、核能：通过核能发电站来取得能量。通过核能发电站来取得能量。 世界绿色化工竞先发展趋势开发洁净可再生能源开发洁净可再生能源已成为我国已成为我国紧迫的课题紧迫的课题。化工过程设计概论开发洁净可再生能源开发洁净可再生能源已成为我国已成为我国紧迫的课题。紧
54、迫的课题。我国是能源消耗大国我国是能源消耗大国，2000年一次能源消费量为年一次能源消费量为75亿吨油当量亿吨油当量，仅次于美国成为世界第二人能源消费国，仅次于美国成为世界第二人能源消费国，到本世纪中叶我国全面达到到本世纪中叶我国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量多亿吨油当量。然而目前我然而目前我国人均一次能源的消费量不到美国的国人均一次能源的消费量不到美国的118，仅为世界平均水平的，仅为世界平均水平的13。与世界一次能源构成不同的是我国以煤为主，与世界一次能源构成不同的是我国以煤为主，煤占一次能源的比例为煤占一次能源的比例为63.6
55、，由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生存环境带来存环境带来严重的污染。严重的污染。另一方面我国人均能源资源严重不足，另一方面我国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水人均石油储量不到世界平均水平的平的110，人均煤炭储量仅为世界平均值的，人均煤炭储量仅为世界平均值的12。预计到预计到2010年，年，我国石油供需缺口我国石油供需缺口 1亿吨，天然气缺口亿吨，天然气缺口 400亿立方米。亿立方米。因此，开发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。因此，开发洁净可再生能源已成为紧迫的课题。世界世界绿色绿色化工竞先化工竞先发展发展趋
56、势趋势化工过程设计概论1 1、绿色化学与化工绿色化学与化工是造福于人类，实现人类社是造福于人类，实现人类社会的可持续发展的基础科学与技术会的可持续发展的基础科学与技术保证保证。2 2、发挥中国的人才优势发挥中国的人才优势, ,发展绿色化学化工，发展绿色化学化工，加加速建设生态化速建设生态化工园区工园区基地，实现跨越式发展，基地，实现跨越式发展，在新世纪必将为中国社会与经济的可持续发在新世纪必将为中国社会与经济的可持续发展再创辉煌！展再创辉煌！3 3、提升我国化工设计水平，、提升我国化工设计水平，加强中国产学研合加强中国产学研合作优势，作优势，为把我国建成高端制造大国，创新为把我国建成高端制造大
57、国，创新型强国、努力奋斗！型强国、努力奋斗！ 总总 结结化工过程设计概论今天课现在结束，课下作业：课下作业：1.1.單元操作的绿色环保措施單元操作的绿色环保措施包括那些内容？包括那些内容？2.2.试述生态化试述生态化工园区工园区的的主要原则主要原则？有不清楚的问题，可课下答疑。请同学们请同学们提前提前完成作业，在完成作业，在习题课习题课上进行讨论。上进行讨论。化工过程设计概论化工过程设计概论化工过程设计概论课下作业课下作业1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容那些内容？2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势简述化工过程系统工程模拟
58、软件主要发展趋势参考文献：参考文献：David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engineering: Environmentally Conscious Design of Chemical Processes, Prentice Hall PTR, Indiana,USA.,20012. Edited By: D J H CLARK, Handbook of Green Chemistry and Technology, Blackwell Publishing, Oxford, UK., 2002请同学们请同学们提前提前完成作业，在完成作业，在习题课习题课上进行讨论。上进行讨论。化工过程设计概论
