绿色化学化工与现代化工过程集成

绿色化学化工与现代化工过程集成

鲍颖，王静康，龚俊波

（天津大学化工学院，天津３０００７２）

摘要２ｌ世纪。中国面临着严峻的资源、能源和环境的挑战。只有应用现代过程集成的方法，发展绿色化学化工，才能建立生态工业园区，实现中国和世界的经济与社会可持续发展。

关键词：绿色化学化工现代过程集成可持续发展生态工业园区

１可持续发展的挑战

进入２ｌ世纪以来．人类面临着来自各个方面的严峻挑战：许多资源在过去二百余年的工业化进程中被过度消耗，资源和能源面临危机；大量工业、生活废物的排放使人类赖以生存的环境受到了严重的威胁，污染的治理迫在眉睫；人类自我保健和回归自然意识的增强对健康水平与生活质量（衣、食、住、行、医）提出了更高的要求；人口的快速增长使地球不堪重负，人类必须借助空间技术拓展活动的时空；生态工业园区的建立依赖信息、生命、物质等高科技领域的发展。作为地球大家庭中的一员，中国在面临同样的危机之外，还面临着进入ＷＴＯ的挑战。

一个国家能否发展成为世界强国，不仅仅取决于目前是否具有较高的发展速度，更大程度上还取决于能否持续稳定发展。工程技术发展的永恒目标是造福于人类，实现人类社会的可持续发展。１９９２年，来自１５０个国家的１２０多位国家元首在里约热内卢签署了“２１世纪议程”，正式形成了全世界共同的行动纲领。从此“可持续发展”原则成为各国发展规划／计划遵循的主要原则之一。图１是宏观可持续发展与微观过程关联示意图。由图ｌ可见，可持续发展要求的经济模式为循环经济，城市与产业园区的模式为生态城市与生态产业园区，大化学工业为绿色化学与化工。２绿色化学与化工

在２１世纪，化工科学与技术不仅是我国国民经济支柱及高科技产业的支撑，也是全球经济中强大的传统基础产业之一：发达国家１９９０—１９９９年化学工业ＧＤＰ平均增长率是其全部工业ＧＤＰ平均增长率的２．６９倍。美国化学过程工业是

３８

美国少数具有正的贸易顺差的制造工业之一．它获得的附加值占美国全部制造业的１／３。据联邦政府统计，在近六年中对于化工Ｒ＆Ｄ的投入，每ｌ美元可获得２美元的收益，即税后年收益率＞１７％。根据英国化工协会对全球化学品的统计和预测，２０１０年将达到２．０４万亿美元，是２０００年的１．４２倍。可见，化学工业在２１世纪必将持续高速发展。

绿色化学与化工定义为实现资源的高效率的利用，减少与消除有害物质对人类健康与环境的威胁所作的化学过程与产品的设计、开发和生产。绿色化学化工作为应对２１世纪挑战的关键技术与基础，已成为２１世纪国际科技研究前沿热点。如图２及图３所示，现代绿色化学化工强调的是多尺度研发。学科交叉与融合，实现绿色的过程集成，向建立生态工业园区目标迈进。３生态工业园区与过程集成

生态工业园区长远目标是达到资源利用的原子经济性及无环境影响的零排放。实现的路径是应用系统工程的方法进行工业区大系统的物流、能流、信息流及资金流的多目标优化，这又必须由子系统如产业内和产业间的优化过程集成起步，目前这已成为国际研究的前沿。３．１产业内部的过程集成３．１．１过程集成方法

３．１．１．１传统过程集成这是指将已成熟的单元操作过程集成起来．组成一个最好的流程以满足

作者简介：鲍颖（１卅），女，２００３年毕业于天津大学获得

博士学位，现为在站博士后．主要研究方向为工业结晶，已发表论文７篇。

图１宏观可持续发展与微观过程关联示意图

用，后来又推广到减少排废上。

时间尺度月

Ｅｌ—Ｉ－ｈｌｗａｇｉ和Ｍａｎｏｕｓｉｏｕｔｈａｋｉｓ最早发现传质与传热网络的类似。把用于换热器网络的夹点技术推广到质交换网络中来。质交换器指的是任何逆向直接接触的传质操作，如吸收、吸附、液一液萃取、离子交换、浸取、汽提等。Ｗａｎｇ和Ｓｍｉｔｈ在质交换网络分析的基础上，提出了废水最小化的夹点设计方法，用这种方法可以算出目标值一新鲜水最小需要量。Ｄｈｏｌｅ等人接着提出商标为ＷａｔｅｒＰｉｎｃｈ的方法。ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司推出了相应的节水软件包。

此外，还有基于Ｅｘｅｒｇｙ一炀分析的方法：Ｂａｋｓｈｉ提出了利用生态积累Ｅｘｅｒｇｙ消耗ＥＣＥＣ（Ｅ．

ｃｏｌｏｇｉｃａｌＣｕｍｕｌａｔｉｖｅＥｘｅｒｇｙ

１ｎｍ

１ｔｔｍ

ｌｍｍ

周

天小时分钟秒毫秒

纳秒

Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）进行分析的

ｌｍ１００ｍｌｋｒａ

方法。

①以知识为基础的方法。

图２现代绿色化学化工多尺度集成发展示意图

这里的“以知识为基础”，包括传统意义上的人工智能，而且包括直观推断法及层次设计法等。

关于过程工业中废物最小化的直观推断知识，已由Ｓｍｉｔｈ，Ｒｏｓｓｉｔｅｒ和Ｋｏｈｌｂｒａｎｄ等给予了很好的总结评述。专家系统把前人积累的知识整理成直观推断法则，然后放人计算机中，再经过推理过程，合成绿色化工过程。Ｅｄｓａｒ和Ｈｕａｎｇ指出

３９

目标函数的要求。这种过程集成从２０世纪８０年代初由换热器网络能量回收（ＨＥＮ）研究开始兴起。它采用系统工程的方法，基于热力学的原理，在分析一个工艺过程的热流及能量回收系统的基础上，利用温度一焓图来识别过程集成的机会，简明易用。因此在２０世纪８０年代至９０年代在过程工业的节能降耗方面得到很好地推广应

传统的常规艰流程（１１个装置设备）现代的集约理流程

（１个装置）

图３现代绿色化学化工集约型发展趋势示意图

生成废物最小化替代方案时采用专家系统的理由：ａ．把环境目标联合到过程设计中去是一项需要多学科知识的任务；ｂ．生成废物最小化替代方案严重依赖经验，生成废物过程的定量描述常常没有；ｃ．现有的过程影响环境的信息是不确定的、不准确的、不完整的、定性的；ｄ．大量防止污染环境的法规和政策规定可能是表示为法则。Ｂａｍｉｃｋｉ和Ｆａｉｒ提出分离系统合成的专家系统。层次分析设计法过去集中于优化投资和操作成本之间的权衡，现今则集中于经济效益和减少排放之间的权衡，其目标是生成资源节约或有效益的再循环的新流程方案。

②模拟优化方法。

模拟和优化方法包涵了多个步骤，当前比较成熟的是美国环境保护总署ＥＰＡ属下的国家风险管理研究所（ＮＲＭＲＬ）开发的ＷＡＲ方法；识别各种可能的替代方案；建构超结构表达式；用适当的流程模拟软件来计算物料平衡及ＰＥＩ平衡；应当指出，现在可以直接用于环境影响指标计算的模拟软件尚不多见，通常是混合整数非线性规划ＭⅣＬＰ问题。

Ｋｈａｎ等提出一套称为ＧｒｅｅｎＰｗ的绿色过程初步设计的方法，基于ＷＡＲ模拟模式，用生命周期ＩＥＡ法与多目标优化相结合。找寻优化方案。但考虑到风险评估的不确定性，引入了模糊数学

４０

方法。

Ｉ鱼鱼望璺丝壅Ｉ——Ｉ查塑竺！盟鲨塑垦ｌ——ｌ墼堕丝坌堑ｌ

图４模拟优化法的步骤框图

③复合方法。

Ｒｏｓｓｉｔｅｒ等将基于知识的方法与夹点技术结合，提出了废物最小化的层次决策模型。Ｄａｎｔｕｓ提出一个同时达到排废最小和经纪最优的流程评价框架。Ｄｕｎｎ和Ｂｕｓｈ提出一个ＣＬＥＡＮＥＲ“低排放与网络能量回收结合（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ

ａｎｄＮｅｔｗｏｒｋＥｎｅｒｇｙ

ＬｏｗｅｒＥｍｉｓｓｉｏｎ

Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）”的清洁生产设计策

略。Ｓｏｌｕｔｉａ公司已采用这个方法在几个现场和１５０多个设计中使用，在节能节水方面取得显著效益。Ｄａｉｃｈｅｎｄｔ和Ｇｒｏｓｓｍａｎｎ开发了一种将Ｄｏｕ－

幽的层次分解与数学规划法相结合的复合法。

３．１．１．２深度过程集成

把过程看成是建立在

“三传一反”基础上的集成。这种思路使我们可以不仅合成新流程，而且单元操作的耦合可以创造

新的效率高得多的单元操作。

单元操作的耦合成为一种新型单元，向高效及微型化发展这也是绿色化学与化工发展的前沿，已成功的案例有：从２０世纪９０年代初由催化精馏、吸咐精馏、反应结晶、精馏结晶、超临界结晶等开始，现已发展到耦合度高的如反应溶析萃取冷却结晶、反应萃取精馏等。２．１１个单元耦合单元过程。均已在化工与精细化工产品生产实施成功，其一个独立生产装置即可达到多功能耦合的目标，设备简化，体积向小型化发展。反应精馏就是一个很好的例子，它使原来一个反应器后面跟随很长的分离塔序列的流程大大简化，设备个数减少，原料使用率提高。例如，生产醋酸甲酯，传统需要７个工序，而用反应精馏则变成一步完成，不但降低了投资，而且节能

改善过程操作

７０％，操作性也得到改善。Ｗｅｓｔｅｒｂｅｒｇ开发了图解法解决反应精馏的设计问题。

Ｍｅｈｔａ和Ｋａｋｏｓｓｉｓ则提出一种新的反应器系统设计方法，它立足于通用反应器及相互连接的流股网络构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能安排的基础上，找寻最优化的结构。这种方法的优势可用以下案例来显示：丁酸氯化时生成ａ一氯丁酸（ＭＢＡ）和无用副产物ａ—ａ二氯丁酸（ＤＢＡ）的反应器，目标是使ＭＢＡ的转化率最大化。用常规反应器最大转化率不超过７３．８％，而用网络超结构模型模拟的新反应器，转化率可达

到９６．９％。

３．１．２过程集成的应用所示。

－产品高选择性・高转化率

－使用环境友好溶剂

－用－Ⅱ再生资源代替不可再生资源・副产品再生循环利用－氢气资源利用与管理

・有毒物质为较少毒性物质让路

过程集成在企业内部

可持续发展的应用，可以分为几个方面，如图５

改善自然资源的有效利用

改进能量利用效率

二．妊。。。。；。，。厂：１而磊丽面夏再——————————］

桫撇微唰讹＜；奎避鲞釜堕

图５过程集成应用的各个方面

Ｉ

３．１．２．１改善原料可持续利用的过程集成

①用可再生资源代替不可再生资源。可再生资源占化学工业原料总消耗量的比例当前还不高。今后以可再生原料生产化学品的过程综合应该成为科学研究的重点。

例如，荷兰ＤｅｌｆＩ大学提出了“甲醇生产链的筛选工具”，他们比较了以天然气为原料和以生物质（澳大利亚桉树）为原料的生产流程，结果证明：如果天然气路线成本为１００，则生物质为１３５。但ｃ０２／ｓ０２排放，如天然气为１００，生物质的Ｃ０２则为一２６７，ｓ０２为３５，从而证实只要天然气价格上涨，可再生资源就有很大优势竞争力。

②氢夹点分析。

由于环保要求越来越高，这使氢成为紧缺资源，在炼油厂的许多平衡中Ｈ２平衡成为现代炼油厂最重要的技术经济平衡。将用于换热器网络分析的夹点技术转移到氢平衡分析可以使新炼油

厂设计用氢量减少３５％，使氢气压缩机轴功率减少４６％。ＬｉｎｎｈｏｆｆＭａｒｃｈ咨询公司在日本做的氢夹点项目表明：如果不追加投资，仅改变操作，可以使氢压缩机功耗下降１２％；如果追加少量投资，可以使氢压缩机功耗下降１７％。

③基于溶剂的分离系统设计。

当要分离有共沸性质的混合物时就需要添加溶剂来打破共沸限制。Ｗｉｄａｇｄｏ和Ｓｅｉｄｅｒ对共沸精馏做了很全面的总结。Ｐｉｓｔｉｋｏｐｏｕｌｏｓ和Ｓｔｅｆａｎｉｓ等人对如何选择溶剂以使环境影响最小提出了系统的方法。ＵＭＩＳＴ开发了一套来进行共沸精馏序列优化集成，使能耗下降，溶剂用量减少。

④利用微化工厂来规避风险、提高效率。剧毒化学品的现场制造和立即使用，可以消除运输、仓储等一系列中间环节带来的风险，提高安全性。这种用Ｍｉｃｒｏ—ｃｈｅｍｉｃａｌＰｌａｎｔ现场制造剧毒化学品的装置已经商品化，例如，用ＣＨ４和

４１

ＮＨ３生成ＨＣＮ，可以在１００００Ｃ高温下的微反应器中生成。由于这种微化工厂的设备内的通道小到５ｎｒｎ。５００ｔａｎ。这种纳米级的系统中流体的传热、传质及化学反应的规律均与常规系统差别很大。杨友麒和成思危曾提出“纳米过程系统工程”的概念。最近Ｈａｓｅｂｅ和Ｈｅｓｓｅｌ对这类过程系统的设计和应用做了很好的综述。３．１．２．２提高能量利用效率

①复杂精馏塔的集成。

因为化学工业能耗中有４３％用于分离，分离设备投资占总投资的４０％一７０％，而分离中精馏用能又占其中９５％，因此，如何通过集成减少精馏过程耗能就自然成为研究重点。复杂精馏包括预精馏，侧线精馏，侧线汽提和完全热耦化的Ｐｅｄｙｕｋ精馏ｏ

ＢＡＳＦ公司首次将其用于大型工业设备上，到现在已有３０多座大型塔投入运行，证明确实可节能３０％，又节省投资３０％。另外，Ｂｒｕｇｇｅ．Ｉｎａｎｎ和Ｍａｒｑｕａｒｄｔ提出了多目标筛选常规和热耦精馏各种替代方案的方法。

②换热器网络的集成（加１Ｎ问题）。

自从Ｕｍｅｄａ和Ｌｉｎｎｈｏｆｆ各自独立地发现利用组合曲线来集成换热器网络以来，２０世纪８０年代这种ＨＥＮ应用已成为炼油、化工厂能量回收网络的常规设计方法。９０年代英国曼徼斯特大学Ｚｈｕ等进一步提出了“模块分解”新策略，使在每一个模块中的流股有相似的特征，而在每个模块内可以建立由所有可能匹配组成的超结构模型，

这就使数学模型的维数大幅下降，便利于ＨＥＮ自

动化合成。

③工厂公用工程及联产系统的节能。全厂夹点分析（Ｔｏｔａｌ—ｓｉｔｅ

Ｐｉｎｃｈ

Ａｎａｌｙｓｉｓ）就是

把公用工程与所有工艺装置联合起来进行整体分析，得到蒸汽、燃料、冷却水、排放及联产的优化目标值。Ｍａｋｗａｎａ等提出一套新的老厂改造的全厂夹点分析方法，产生的方案更加现实可行。①水网络系统的集成。

水作为一种低成本不受限制的资源时代已结束，水网络设计的目标是最大限度地使水多次回用再排放，从而使新鲜水取用量最小，这是一个典型质量交换网络问题。在上世纪９０年代开始用“水夹点”技术来解决这个问题已取得明显效益，

４２

ＬｉｎｎｈｏｆｆＭａｒｃｈ咨询公司根据他们做过约３０多个节水项目的经验，报道称：对于炼油厂可以有１０％一３０％的节水潜力；对食品工业为３０％～４０％；而对精细化工厂可达到６０％。

②反应器网络的集成。

可达域（ＡｔｔａｉｎａｂｌｅＲｅｇｉｏｎ）方法到１９９７年Ｇｌａｓｓｅｒ等人才真正全面研究了这种方法的几何特性和反应器结构的关系。用这种方法可以研究如何使反应器系统的有用产品收率达到最大，开始这种反应器网络只能由活塞流反应器、全混搅拌槽（ＣＳＴＲ）及混合器组成，后来扩展到包括分离器及循环流的系统。

③减少有机挥发物的排放。

Ｓｈｏｎｎａｒｄ等开发了一套环境危害和风险评价工具ＥＦｌＲＡＴ，用于从尾气中回收有机挥发物过程的分离技术的选择和操作参数的优化。３．２生态工业园区需要企业间过程集成

过程集成的研究，已经向企业间生态工业过程集成发展。

３．２．１企业聚集模式

３．２．１．１多联产系统（ＣｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）

以

煤气化为核心的多联产系统是针对面临的能源需求增长、液体燃料短缺、环境污染严重等一系列问题，提出的一条解决能源领域可持续发展的重要途径。其思路在于打破行业界限，以煤气化为核心，结合能源、化工、冶金等原本各自独立的生产过程，利用合成气生产电、热、冷、燃料、化学品等多种下游产品。通过生产过程的有机耦合与优化，使各个产品的工艺流程、设备得到简化，投资和运行成本得以降低，从而达到总体效

益最优及污染最小的效果。如大型的脱Ｃ热、

电、甲醇、合成气四联产系统与单独生产甲醇、合成气或进行ＩＧＣＣ发电、供热的分产系统相比，投资有可能下降约３０％，煤耗量下降２０％以上。

目前，多联产系统已经受到各国的重视，如美国的Ｖｉｓｉｏｎ２１能源系统、欧洲ｓｈｅｕ公司提出的ＳｙｎｇａｓＰａｒｋ多联产系统的研究计划。对于以煤为主要能源的中国来说，发展以煤气化为核心的多联产系统是煤炭利用的理想方案，中国在９７３，８６３项目中均立项予以支持。

３．２．１．２

生态工业园（Ｅｃｏ－Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｉ

Ｐａｒｋｓ－

ＥＩＰｓ）多联产系统的应用仅是若干生产过程的简单集成，而且主要是围绕煤气化为核心来建设

３．１．２．３减少排放及废物最小化

的，无法实现真正意义上的废物零排放。目前，有可能从根本上解决资源、能源和环境的可持续发展问题。生态工业园的建设是重要的发展模式。

生态工业园区是依据循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种新型工业组织形态。美国可持续发展总统委员会定义生态工业园为一个有计划的物质和能量交换的工业系统，寻求能源和原材料消耗的最小化、废物产生的最小化．并力图建立可持续的经济、生态和社会关系。

生态工业园是传统工业园发展、进化而来的，在借鉴传统工业园区集聚效应、管理经验的基础上，生态工业园通过废物的交换、信息的交流、管理的配合实现了企业间经济、社会与自然环境之间的网络良性互动，而传统工业园无法实现。目前，许多国家都在进行生态工业园的规划建设，在已建成的生态工业园区中丹麦卡伦堡工业园最具代表性；我国也在积极规划和建设生态工业园，目前，中国还有１２个已获国家环保总局批准的国家生态工业示范园区。

目前国内外在生态工业方面的研究主要集中在以下几个方面：（１）可减轻工业对环境影响的具体技术措施；（２）对整个工业生态过程进行分析、监测和评价的方法；（３）可促进生态工业实现的制度上的措施，以使生态工业的理念贯穿整个生产和生活过程。

３．２．２企业间过程集成分析方法

３．２．２．１工业代谢分析（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭｅｔａｂｏｌｉｓｍ，简称ＩＭ）

１９８８年，Ａｙｒｅｓ等人对经济运行中原

料与能源流动对环境的影响进行创新性的研究提出了“工业代谢”的概念，通常采用的方法有“供给链网”分析和物料平衡核算。因此，在本质上，工业代谢是把原材料和能源以及劳动在一种（或多或少）稳态条件下转化为最终产品和废物的所有物理过程完整集合。与以往的系统分析方法的不同之处在于，它以环境为最终的考察目标，并力求找出造成污染的主要原因。通过这种分析，可以为公众或是企业的决策者提供一幅详细的物流图，并从中可以看出某一地区或企业所具有可持续发展的潜力。

近来，对于ｍ已经开展了一系列研究工作。

耵Ⅵ应用的成功与否取决于能否获取适当的数据和对代谢过程了解的深度。这些工作量是相当大

的。珊包含了生命周期的概念，与生命周期评价（ＬＣ．Ａ）不同在于，ｍ强调描述被研究对象的代谢

过程（物、能的流动、变化），并不关注其对环境的影响，与ＬＣＡ的清单分析阶段相当。３．２．２．２投入产出分析（Ｉｎｐｕｔ—ＯｕｔｐｕｔＡｎａｙｓ缸。

简称ＩＯＡ）

投入产出分析相对物质代谢分析加

强了对物流网络结构深层次的挖掘和分析。投入产出分析通过平衡方程，借助数学模型分析初始投入、中间投入、总投入、中间产品、最终产品、总产出之间的关系，模型核心是Ｌｅｏｎｔｉｅｆ逆矩阵。它反映了其中各个流量的来源和去向。

由于ＩｏＡ对构成整个经济结构的个体相互关系的关注，使得它成为工业生态学一个重要的分析方法，应用到对各种不同尺度、不同拓扑结构的工业经济系统的分析中。Ｓａ／ｌｇｗｏｎ将生命周期

评价方法（ｍ～）引入投入产出分析模型，提出了

一种生态一经济模型，Ｊｏｄｉｓｈ也进行了类似研究。

１０Ａ可以把经济、环境问题结合起来，应用它分析现有系统，提出改进方案或对不同的系统规划方案进行比较选优。Ａｌｂｉｎｏ连续发表有关投入产出分析模型在意大利工业园区应用研究的论文；Ｏｌｓｅｎ也应用经验投入产出模型研究了丹麦宏观经济模型中工业聚集度问题。

３．２．２．３柔性分析柔性是指系统从一种状态过渡到另一种状态情况下，灵活调节满足目标要求的能力。柔性分析就是分析系统柔性大小，判断系统变量是否满足柔性要求以及优化增大系统柔性。

最初柔性分析是用来解决化工过程在操作运行时，由于不确定因素的影响导致化工过程不能处于最佳状态的问题。迄今为止，这方面的研究基本上还处于理论研究阶段，实际应用很少，而且主要在换热网络、精馏塔设计等方面，其他领域甚少。

今后柔性分析要基于在方法上更趋实用化；柔性分析应与灵敏度分析相结合，综合优化过程系统；集成应用人工智能、数学规划等发展一套普遍使用的柔性分析方法；并加紧开发有关的软件系统。

３．２．２．４热力学分析方法——炀分析生态学家

ｏｄｕｍ于２０世纪８０年代首创把热力学分析方法运用于自然生态系统及国民经济系统，提出炀（Ｅ．ｍｅｒｇｙ）分析理论。炀为任何资源、商品或劳务在

４３

形成过程中直接或间接使用的太阳能。ｏｄｕｍ等利用炀定义出的一系列新的反应系统效益的指标，如炀投资率、炀产出率、环境的负荷率、系统可持续发展指数等。Ｂａｋｓｈｉ提出了一个把工业生产系统与生态系统流一起来进行热力学分析的框架方法。

与传统的衡量工业生态系统资源和能源转化效率指标相比，基于炀的评价指标体系更能体现生态工业所追求的环境与经济协调发展的目标。３．２．２．５生命周期分析方法（Ｌｉｆｅ

ＣｙｃｌｅＡｎａｌｙｓｉｓ

简称ＬＣＡ）ｌＥＡ通过识别和量化所用的能量、原材料以及废物排放来评价与产品及其行动有关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用以及排放物对环境的影响，并对改善环境的各种方案做出评估。评价包括产品的整个生命周期，即从获取原材料、生产、使用直至最终处置的全过程。

ＬＣＡ已被纳入即将全面推行的ＩＳＯ１４０００环境管理体系，将成为２１世纪最有效的环境管理工具之一。根据ＩＳＯ１４０４０的规定，生命周期评价包括目的与范围确定、清单分析、影响评价和生命周期解释４个阶段。目前，已经开展了很多ＬＣＡ方法的研究。

目前，ＬＣＡ发展面对的挑战主要是数据的缺乏，研究边界的确定，环境因素比较的无目标性及无量化基础等。这些也是工业生态系统研究面临的问题。

３．２．２．６新的交换网络分析方法

２０世纪过程

系统工程的一项重要成果是《质量和热量交换网络分析》，目前国际上已开发了一些新的质量交换网络工具软件，用来识别废水回用和其它“质量交换体”跨过程边界交换的机会。

①ＤＩＭＥ工业材料交换软件包（Ｄｙｎａｍｉｃ

Ｉｎｄｕｓ—

ｔｒａｉｌＭａｔｅｒｉａｌｓ

Ｅｘｃｈａｎｇｅ）：由美国Ｂｅｃｈｔｅｌ（现Ｎｅｘ．

ａｎｔ）工程公司与能源部环境工程实验室联合开发，用来辅助工业副产品协调利用的机会识别及分析；

②ＤＩＥＴ设计工业生态系统工具（Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ

Ｉｎ．

ｄｕｓｔｒｉａｌＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓ

７Ｍ）：包括设备协调数据库（识

别非产品输出的潜在匹配）；多目标优化模型（允许对匹配进行环境、经济和社会多目标优化计算）；现实性筛选等模块的生态工业园区设计工具雏形；

４４

③利用地理信息系统ＧＩｓ设计工业废料交换：因为工业废料交换利用的一大难题是废料运输。德州大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆ

Ｔｅｘａｓ，Ａｕｓｔｉｎ）利用ＧＩＳ

研究了２０个不同工业设施的水网络，优化配置后总新鲜水用量可以下降９０％，水成本下降

２０％。

３．３可持续发展过程集成的多目标优化及其应用

可持续发展的目标包括社会、经济ｊ资源和环境多个可持续发展目标，对过程工业可持续发展进行优化。就必须同时考虑上述多个目标的优化。目前已经发展了许多多目标方法和算法，基本上可以分为三类：启发式（ｈｅｕｒｉｓｔｉｃｓ）方法，数学规划法和演化（ｍｅｔａｈｅｕｒｉｓｔｉｃ）算法。

启发式方法是一种传统方法，并不确切求解任何最优化问题，而是通过一套筛选规则找到问题的解。在化学过程设计领域，Ｄｏｕｇｌａｓ通过在过程发展的不同阶段设定规则，开发了一种用于层次过程合成的启发式优化方法。目前，相关软件是以专家系统方式来设计的。启发式方法能够为演化算法快速可靠的找到一个好的初始解。

数学规划方法优势也称之为精确求解方法，对于多目标问题的求解，如合成和设计问题，计划和排序问题等。其任务主要是求解混和整数非线性规划（Ｍ矾ＬＰ）问题。化学工程师对于ＭＩＮＬＰ问题的求解做出了突出贡献。目前，有四种方法可以求解ＭＩＮＬＰ问题：分枝定界法（Ｂｒａｎｃｈ＆

Ｂｏｕｎｄ，ＢＢ），普适化Ｂｅｎｄｅｒｓ分解算法（Ｇｅｎｅｒａｌ．

ｉｚｅｄ

Ｂｅｎｄｅｒｓ

Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＧＢＤ）。外部近似法

（ＯｕｔｅｒＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ，ＯＡ）以及扩展切割面方法（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ

Ｃｕｔｔｉｎｇ

Ｐｌａｎｅ，ＥＣＰ）。

第三类多目标优化方法是遗传和进化算法，它是基于一个或几个初始解，然后改进以求最优。多目标遗传和进化算法目前已经是求解多目标最优化问题的主要方法，这不仅是因为它能为寻找多重ｐａｒｅｔｏ最优解进行交互式大空间搜索，而这很少有其它方法可以实现，而且还在于它具

有迭代速度快、精度高、易于处理连续方程和组合最优化问题、不需求导差分、一次可以找到多个解以及不易受Ｐａｒｅｔｏ前沿尖锐性和不连续性的影响等优点。ＣｏｅｌｌｏＣｏｅｌｌｏ综述了各种多目标遗传和进化算法以及他们的应用。

演化算法中最普通的遗传算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ

Ａｌｓｏ—

ｆｉｔｈｍ，ＧＡ）是通过交互组合形成解集。然后根据目标方程值随机突变进行改进，形成“自然”选择，优胜劣汰。目前，对于遗传算法的研究已经获得了很多进展，这其中包括蚁群算法（Ａｎｔ

ＣｏｌｏｎｙＳｗａｒｍ

４结论

新世纪里，中国面ｌ临着比其他国家更为严峻的资源、能源和环境的挑战：占世界２１％人口的中国，地球资源的人均占有量有限，其中国土７．１％，耕地７．１％，水资源７％，天然气１．２％，石油２．３４％。煤１０．９ｒ７％。所以必须发展绿色化学化工才能实现世界与中国的社会和经济可持续发展。

参考文献

１

Ｋｈａｎ

Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＡＣＡ）和粒数群算法（ＰａｒｔｉｃｌｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ。ＰＳＯ）的发展。另一种演化算

法是Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｅｋ开发的模拟淬火算法（ＳｉｍｕｌａｔｅｄＡｎｎｅａｌｉｎｇ，ｓｎ）。模拟淬火算法能够处理非连续性方程和差分变量，而确定性优化方法无法实现，因此使得ＳＡ算法成为单目标和多目标优化问题的重要工具。第三种演化算法是Ｔａｂｕ搜索方法（ＴａｂｕＳｅａｒｃｈ，ａｓ）。巧通过使用适合的记忆方法避免陷入局部最优。目前，在过程系统工程方

ＦＩ，删蛐腿，＆谢ｄ．ＧｌＭｌＰＩ＇ｏ：ａＩ删ｍｅｔｈⅨｌｏｌｏｇｙ

ｇｒｅｅｎｅｒ

ｃｌｅａｎｅｓｔａｎｄ

ｐｎｘｘｍ蛳．Ｊ．１ｘｍ

ｆｏｒ

ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ

ｉｎｔｈｅ

ｐｒｏｃｅｓｓ

ｉｎｄｕｓｔｒｉ∞，２００２．１４：３０７—３２８

２

ＤｕｎｎＥＢ

ＲＦ，Ｂｕｓｈ

ＧＥ．Ｕ她Ｐｔｃｃｅ蛆ｈｔｃｇｒａ沛Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ口ＥＡＮ・

ｐｒｏｏ№ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．Ｃｏｍｐ．

面的应用还很少。Ｇａｖｉｎ认为巧方法特别适合作

为黑箱模型求解多重最优排序问题。

多目标优化问题本身是相当复杂的。每种多目标算法都各有其优缺点，因此对于特定问题需要比较不同的算法选出最可行的算法。不同算法的比较应该考虑以下几个问题：不受支配（ｎｏｎ—ｄｏｍｉｎａｔｅｄ）解集与真正的Ｐａｒｅｔｏ解集距离最小化；Ｐａｒｅｔｏ解集中的解良好分散在可行域中；得到的不受支配解集（ｎｏｎ—ｄｏｍｉｎａｔｅｄｆｒｏｎｔ）的范围应该最小化；能够在一定时间内完成迭代。目前，这些问题可以分别采用定量矩阵、统计方法以及Ｐａｒｅｔｏ解集的可视化技术进行分析。

ＰＩＩ诚Ｉｄｉ伽，Ｊ．Ｃｌｅａｎｈｏｃｈ｜ｃｔ岫，２００ｌ，（９）：ｌ一２３

３

Ｗｅｓｔｅｔｂｅｒｇ

Ａ．Ｒｍ由珥腻加ｄｌ商和ａｎｄ

＆Ｏｌｅｍ．ｇｎｇ．２００４，２８：４４６—４５８

４杨友麒，成思危．现代过程系统工程，第三章：绿色过程系统工

程，北京：化学工业出版社，２００３

５

Ｆｅｉｎ／∞，ｒｇＭ．Ｔｏｗａｒｄ

ａ

ｔｈｅｏ，Ｓ

０ｆ岬ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．Ｉｎｄ．Ｅｌｌｇ．Ｏｌｅｍ．

ｒｅｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ

ｖｉａ

Ｒｅｓ．２００２．４ｌ：３５５１—３５６１

６‰ｌｌｇＬＱ，ｚＩ暇唱ＳＱ。Ｈａｎ

ｗａ瞳ｅｉｎ

ＦＹ．ＴｈｅＳｔｕｄｙ∞ｔｈｅＭｉｎｉ商ａ击∞ｄｔｈｅ

ａｔｔａｉｎａｂｌｅ

ｍｇｉａⅡ

ｔｈｅ

ｒｅａｅｔｔｌｒ—ｓｅｐａｒａｔｏｒ

ｍｅｔｈｏｄ．阳∞ｅｄｉｎ伊ｏｆⅢＰＩ．一２００５，Ｂｅｉｊｉｒ，９２００５

７倪维斗，李政。薛元．以煤气化为核心的多联产能源系统一资

源／能源／环境整体优化与可持续发展．中国工程科学，２０００，８：

５９＿６８

８龚俊波。王静康，杨友麒．可持续发展与过程集成．天津大学博

士后论文。天津大学化工学院．２００５

ＧＲＥＥＮ

ＣＨＥＭＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＭＯＤＥＲＮＰＲｏＣＥＳＳＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ

ＢａｏＹｉＩｌｇ，Ｗａｎｇ

ＡＮＤ

Ｊｉ．ｇｈｎｇ，ＧｏｎｇＪｕｎｂｏ

（＆ｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｆｉｎ３０００７２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｔｈｅ２１ｔｈｃｅｎｔｍｙ，Ｃｈｉｎａｉｓｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ

ｓｅｖｅｒｅ

ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｎａｔｕｒｅＨ嘱ｏｌＪＩｃｅ．ａ衄．ｒ．

ｇＹａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｅｃｏｎｏｍｙｐｒｏｓｐｅｒｉｔｙａｎｄｓｏｃｉａｌｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎｉｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅ

ｗｏｒｌｄ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙ

ｔｏ

ｔＯ

ｄｅｖｅｌｏｐｇｒｅｅｎｃｈｅｍｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｗｉｔｈｍｏｄｅｒｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄ

ｂｕｉｌｄｅｃｏ—ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐａｒｌ【ｓ．

Ｋｅｙ

Ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅｅｎ

ｃｈｅｍｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｍｏｄｅｒｎ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｅｃｏ—ｉＩＩ—

ｄｕｓｔｒｉａｌ

ｐａｄ【８

４５

绿色化学化工与现代化工过程集成

作者：作者单位：

鲍颖， 王静康， 龚俊波

天津大学化工学院,天津 300072

本文读者也读过(7条)

1. 王静康. 鲍颖 绿色化学科学与工程及生态工业建设进展[会议论文]-20072. 詹益兴 绿色化学化工[会议论文]-2004

3. 胡力玫. 李伯玉. 李志良 绿色化学化工的科研与开发[期刊论文]-中国西部科技2003(5)4. 张霞. 张利. ZAHNG Xia. ZHANG Li 生活中的几种有机反应趣闻[期刊论文]-化学教育2007,28(9)

5. 张克武. 张宇英. ZHANG Ke-wu. ZHANG Yu-ying 用前沿基础研究中的重大成就振兴老工业基地--论发展化学化工数据应用软件产业的可行性[期刊论文]-黑龙江大学自然科学学报2005,22(1)6. 吴重光 现代化工仿真训练工厂[会议论文]-2007

7. 章馨元 浅谈绿色化学化工目前的进展[期刊论文]-科学与财富2010(9)

引证文献(1条)

1. 王昭宏 乙酰丙酸合成5-氨基乙酰丙酸路线的优化研究[学位论文]硕士 2010

引用本文格式：鲍颖. 王静康. 龚俊波 绿色化学化工与现代化工过程集成[会议论文] 2005