綠色化工

由於環境污染和資源匱乏等問題日趨嚴重，“可持續發展”成為21世紀經濟和社會發展的重要戰略。可持續發展是把生態、經濟、社會統一為不可分割的整體，能動地調控自然-經濟-社會複合系統，使人類在不超越資源與環境承載能力的條件下，促進經濟發展，同時保持資源持續和提高生活質量。就化學工業而言，可持續發展的涵義應該是儘可能降低工業本身對自然和社會環境的影響。化工生產是一類排污量非常大的行業，特別是由於其投資規模一般都比較大，改造和重建相對滯后，目前許多生產過程仍沿用幾十年前發展起來的技術，原料和能源利用率較低，環境污染極為嚴重，企業不得不為此承擔巨額費用。因此，近年來就如何實現化工生產綠色化方面的研究正方興未艾。化工過程設計可用“洋蔥模型”表示，反應器是化工過程的心臟，通常設計是先從反應器開始的，反應器的設計提出了分離問題，即分離系統的設計緊隨反應器設計之後，該兩者規定了過程的加熱和冷卻負荷，所以第三個要考慮的是熱回收網路設計，過程中回收的熱負荷尚不滿足要求，就需要外部的公用工程，即第四個要考慮的是公用工程系統的選擇和設計。在化工過程中，以上各階段都有機會產生廢料，其中反應和分離在很大程度上決定了能否有效地減少或完全消除那些對環境有害的排放物或需作進一步處理的物流。換熱器網路和公用工程子系統除確保能量消耗最少外，本身還要產生廢氣、廢液和廢渣。因此，要真正實現化工生產的綠色化，一方面要從源頭上盡量減少甚至杜絕污染，實現廢物的零排放，這是綠色化學的研究範疇；另一方面，由於綠色化學還有相當的路要走，必須從工藝和設備兩方面著<手，大力研究與開發從整個工程鏈中減少或消除污染的綠色工程技術，並在此基礎上進行過程系統綜合，降低能耗，實現廢物最小化和環境影響最小化。綠色化學技術綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學和清潔化學，它是一門從源頭上阻止環境污染的新興<科學。其研究工作主要是圍繞化學反應、原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化展開的。綠色化學的研究與開發綠色化學技術中最理想的是採用“原子經濟”反應，實現反應的綠色化，即原料分子中的每一原子都轉化成產品，不產生任何廢物和副產物，實現廢物的“零排放”。這方面的研究已取得了一定的成果，如enichem公司採用鈦硅分子篩催化劑，將環己酮、氨和過氧化氫反應直接合成環己酮肟，轉化率高達99.9%，基本上實現了原子經濟反應，並已工業化；四川聯合大學研究成功的尿素氮磷複合肥料生產新工藝，做到了無廢料排放。圍繞反應綠色化展開的其他相關技術是用無毒、無害和可再生資源為原料替代劇毒、造成嚴重污染的原料；採用環境友好催化劑和無毒、無害的溶劑減少對設備的腐蝕，同時減少對人體的危害和環境的影響。綠色化學技術從三廢控制等級來說，它屬於防污的優先順序，標誌著防污工作由被動轉向主動，因此與傳統的“末端治理”相比具有更深遠的意義。但是，要真正實現廢物的“零排放”是非常困難的，當前的“原子經濟”反應所取得的成果與綠色目標還有相當的距離。綠色化學工程本文提出的“綠色化學工程”概念和思路，既不同於以上理想的“原子經濟”，也有別於傳統的環境保護即“末端治理”，而是更多地側重於工程觀點的實現和全過程的優化，在整個化學過程工程鏈中應用工程化的思想、理論和方法來實現“綠色化工”的目標，也就是主動地將對象過程對整個環境和社會的影響降低到最小。單元操作綠色化把反應產物轉化為目標產物需要多個單元操作共同完成，實現其中各個環節的綠色化是保證整個生產綠色的基礎。特別是分離過程，它在化工生產中的投資和能耗都佔有相當的比重，在現代高新科技中其應用涉及到生物技術、能源與資源利用、新材料合成、環境保護等多個領域。為此，一方面需改進和發展常規分離技術，如蒸餾、吸收、萃取、吸附、結晶等，例如在煉油和石化工業中，採用新型填料和塔板減小塔的壓降，提高塔的分離能力；對於沸點差小的難分離組分，開發萃取精餾、吸收和吸附與精餾結合的方法等，這些措施都在一定程度上降低了能耗。另一方面必須開發新型分離過程，如膜分離、泡沫分離、超臨界萃取等。例如用萃取法和離子交換法取代傳統鈣鹽法提取檸檬酸，不僅成本低，而且基本上不產生污染。過程系統綜合過程綜合是化工系統工程的核心內容，指的是：按照規定的系統特性，尋求所需的系統結構及其各子系統的性能，並使系統按規定的目標進行最優運轉。它是化學工程、系統工程和計算機科學的交叉學科，興起於20世紀70年代。傳統的過程系統集成側重於以總費用最小為目標，特別是投資費用和操作費用間的匹配，其中控制操作費用是減少能耗和廢物排放的重要途徑，典型的有夾點分析法和數學規劃法。近年來，由於環境問題日益得到重視，過程綜合還必須考慮到廢物排放控制方面的因素，因此，綜合目標從考慮能耗和總費用間的匹配轉到考慮能耗、總費用和環境污染三者的統一上來，即發展成為環境影響最小化的過程系統綜合。夾點分析法夾點分析起源於英國學者Linnhoff於70年代提出的夾點設計法，它是以熱力學為基礎，從宏觀角度分析過程系統中能量流沿溫度的分佈，從中了解系統用能的“瓶頸”所在，並給以“解瓶頸”的一種過程系統節能技術。從80年代起開始在工業上得到了廣泛應用，取得了很大的經濟效益和社會效益。目前報道的有關應用研究主要包括以下幾個方面：考慮流體壓降的換熱網路優化；多種基礎方案的設計；精餾塔的剖面分析；低溫過程的能量集成；間歇過程的能量集成；水和廢水量的最小化問題；總工地的能量集成；排放標準的設定。數學規劃法將數學規劃法應用於化工裝置的全系統調優中，就是將化工裝置的整個系統根據實際情況用數學語言描述成優化目標和約束條件兩部分，然後用數學的解題方法來得到化工系統的最優或接近最優的流程結構及操作條件，簡言之，就是將問題轉化為一個總費用函數的最小值。年代的數學規劃法主要採用混合整數線性模型即用轉運模型確定最小公用工程用量，用混合整數線性規劃法確定最少換熱單元數。90年代后，超結構模型成為一種新的研究熱點，即先建立一包含所有可能流程的結構模型，再用混合整數非線性規劃法求解。在目標函數的確立方面，如何對環境影響因素進行量化成為新的難點。數學規劃法的優點是能將反應、分離、公用工程及換熱網路各部分同時優化，並綜合環境影響因素，得到數學上的最優解。但是，對於規模較大，設備單元較多的裝置，由於會出現組合爆炸現象，使得該方法在實際應用中也有一定的限制。隨著人工智慧技術的發展，這方面的研究正向專家系統方向發展。近年來出現了許多功能強大的過程模擬軟體，在對整個系統分析基礎上進行模擬、判別是實現過程綜合的另一有效途徑。在過程系統綜合方面，必須把化工過程放到自然經濟社會的大平台上進行評價，由於目前的環境評價體系尚不成熟，今後在如何選擇評價指標、建立合理的過程系統評價方法，使過程系統朝著更有利於可持續發展方向進行將是一個非常重要的課題。