（化学工程专业论文）化工产品生命周期环境经济性能集成评价.pdf

摘要 摘要 随着环境污染问题的不断恶化，政府、企业与个人对于环境保护的意识也不断 增强，再加上各种绿色贸易壁垒的出现，绿色产品开始不断涌现，进而逐步取代传 统的同类产品。相应的有关环境友好产品的研究已逐步成为企业和学术界共同关注 的热点之一，本文以化工产品为主要研究对象，从绿色产品的生命周期环境性能评 价与产品的经济性能评价相结合的角度切入，较为深入的研究了化工产品全生命周 期环境经济性能集成评价的理论与方法。 文章首先对当前产品生命周期评价方法的现状进行分析，在综合国内外研究的 基础上，结合生命周期评价的理论框架，对生命周期环境影响评价进一步完善。对 目前引起人类重视的八种环境影响类别：温室效应( g w p ) 、臭氧层消耗( 0 d p ) 、 光化学烟雾( p o c p ) 、酸雨( a p ) 、人体毒性( h t p ) 、富营养化( e p ) 、生态 毒性( e t p ) 、资源消耗( r d p ) 进行深入分析。建立了化工产品生命周期环境性 能指标评价模型。克服了一般l c a 方法在设计应用过程中暴露出的不足，有效地解 决化工产品设计环境影响评估问题。针对产品生命周期评价中对经济性能的考虑不 足之处，本文从研究传统的产品技术经济入手，结合生命周期成本分析的理念并进 行拓展，把化工产品生命周期成本分为上游成本和下游成本，对各个阶段成本的关 系进行分析，建立了化工产品生命周期经济性能评价模型。 对化工产品生命周期系统来说，无论是分析其环境性能的生命周期评价方法还 是分析经济性能的生命周期成本分析，清单分析中的数据集成和共享是非常重要的。 但是由于整个生命周期过程中数据结构复杂，一直是制约着对于产品生命周期系统 分析的瓶颈所在，本文在s t e p 和x m l 基础上，提出了信息集成理论框架，从而 有效地解决了产品生命周期不同阶段中不同类型数据库之间、不同子系统之间数据 交流和共享问题，实现了不同阶段信息协调一致，为整个产品生命周期决策的全面 性和有效性奠定了基础。 经济和环境两种性能是化工产品生命周期设计中的两个相互制约的设计准则。 文章分析了多准则决策的特征，采用层次分析法的思想，建立了组合的二阶层次结 构模型。以生命周期评价和生命周期成本分析的量化结果为依据，确立层次模型中 的标度，从而把定量分析和定性分析有机地结合起来。在确定一阶准则的权重时， 引入相对优先度和动态变权概念，系统地分析了产品生命周期的经济和环境的性能 制约关系，对生命周期评价和生命周期成本分析两种工具进行集成，提出化工产品 生命周期环境影响和经济性能综合评价的决策理论和方法。这样避免了多目标求解 的难题的同时也为决策者提供了正确的选择。 华南理工大学博士学位论文 文章最后以化学气相沉积反应腔清洗剂的设计作为案椤i ，对不同产品方案的环 境影喻和经济性能进行综合评估，为实际生产做出合理决策提供了理论依据。 关键诃：生命周期评价；生命厨期成本分析；生命周期设计：系统集成；层次分析 法；多准则决策 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew o r s ee n v i m n m e n tp o l l u t i o n ，t h eg o v e m m e n t ，e n t e r p r i s ea n dp e o p l eo ft h e w o r l db e c 锄et ob em o f e 锄dm o r ec o n s c i o u sa b o u tt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，b e s i d e s t h i s ，t h eg r e e nt r a d et a r i f fp r o t e c t i o nb e g i nt os h o wu pb e t w e e nt h ec o u m r i e s ，a l lo ft h e s e h a v el e dt om ec o m i n g f o r mo ft h eg r e e np r o d u c t ，锄dn o wt h e s en e wt y p ep r o d u c t s g r a d u a l l yt a k et h ep l a c eo f 蛇t r a d i t i o n a lp r o d u c t s s ot h er e l a t i v er e s e a r c ha b o u tm e g r e e np m d u c tb e c o m eo n eo ft h ec o n c e m i n gf o c u s e so ft h eg o v e m m e n t ，e m e r p r i s e 锄d a c a d e m i a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec h e m i c a lp r o d u c t sa r es e l e c t e da st h em a i nr e s e a r c h o b j e c t ，b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fi n t e g r a t i o no ft l l e e n v i r o m e n tp e r f o m a n c e a s s e s s m e n ta n dt h ee c o n o m i cp e r f o m a i l c ea s s e s s m e n t ，ar e s e a r c ha b o u tt h et h e o r i e s 觚d m e t h o d so fe n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i ca s s e s s m e n “sp r o c e e d e d s t a t eo ft h ea r to ft l l er e s e a r c ho nt h el i f ec y c l ea s s e s s m e n ti si n t r o d u c e d b a s e do n t h et h e o r e t i cf 锄e w o r ko fl c a ，s o m ei m p a c tc a t e g o r i e sw h i c hg r e a t l yc a u s ep e o p l e s a t t e r l t i o na r es y s t e m i c a l l ya n a l y z e da n ds t u d i e d ，s u c ha sg r e e nw a mp o t e n t i a l ( g w p ) ， o z o n ed e p l e t i o n p o t e n t i a l ( o d p ) ，p h o t o c h e m i c a lo x i d e n c r e a t i o n p o t e n t i a l ( p o c p ) ， a c i d i 矗c a t i o np o t e m i a l ( a p ) ，h 砌a nt o x i c i t yp o t e n t i a l ( h t p ) ，e u t r o p h i c a t i o np o t e n t i a l ( e p ) ， e c o t o x i c i t yp o t e n t i a l ( e t p ) a l l dr e s o u r c ed e p l e t i o np o t e n t i a l ( r d p ) a f t e rt h e n ，t h em o d e l o fe n v i r o n m e n ti i n p a c ta s s e s s m e n to fc h e m i c a lp r o d u c t s ，w i t he i g h ta s s e s s m e n ti n d e x e s ， i sp r o p o s e d u s i n gt h i sm o d e l t h es h o n c o m i n g sw h i c h 印p e a rd u r i n gt h ea p p l y i n gt h e g e n e r a ll c ai nt h ec h e m i c a lp r o d u c td e s i g nc a nb eo v e r c o m e d f o rt h ee c o n o m i c p e r f o r m a n c eo fp r o d u c t ，t h ew o r kf i r s t l y s t u d i e sm er e l e v a n tp e r f b 肌a n c eo ft h e t r a d i t i o n a lp r o d u c t s ，t h e ni n c o r p o r a t e s 孤di m p r o v e st h ei d e ao fl i f ec y c l ec o s ta n a l y s i s ， m a ti s ，t h ec o s to fp r o d u c tl i f ec y c l ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，u p - s t r e a mc o s ta i l d d o w n s t r e a mc o s t i nt h ew h o l el i f ec y c l eo fc h e m i c a lp r o d u c t s ，t h em o d e lo fl i f cc y c l e c o s t i n ga n a l y s i si sc r e a t e d ，w h i c ha l l a l y z e st h ec o s ti ne v e r yp h a s eo f p r o d u c t s i nt h ec o u r s eo fi m p l e m e n t i n gl c aa n dl c c ，i n v e n t o r ya n a l y s i si s a b s 0 1 u t e l y n e c e s s a r yi no r d e rt or e a l i z et h ei n f o m a t i o ni n t e g r a t i o n ，t h ed a t am u s tb ei n t e g r a t e df i r s t f o rt h ep r o d u c tl i f ec y c l es y s t e m s ，i n t c g r a t i n gt h ed a t ai sd i m c u l t t h et h e s i sp r o p o s e da d a t am o d e lb a s e do n 订la ds t e p t h em e t h o dc a j ls o l v et h ea b o v ep r o b l e m t h e m o d e li su s e dt oc o n s t i t u t et h ed a t am o d e l e c o n o m i c a la n de n v i r o 衄e n t a lp e r f o h l l a n c e sa r ec o n n i c t i n gc r i t e r i a si nc h e m i c a l p r o d u c t l i f e c y c l ed e s i g n t h ec o n s i d e r a t i o no fm et w or e q u i r e m e n t sl e a d st oa l l i m u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o ns i t 嘲t i o n 谢t hr e g a r dt 0t h es e l e c t i o no fa 1 1o p t i m a lp r o d u c t s y s t e mi m p r o v e m e n tc o n c e p t i nt h i sw a y ，t h ed i f j e i c u l t yo ft h er e s o l “n gm u l t i o b j e c t i v e p r o g r 椭i sa v o i d e d a m l y t i ch i e r 缸c h yp r o c e s sm e t h o di sa d o p t e dt od e a lw i t ht h e m u l t i - a t t r i b u t ep r o b i e m at v m l e v e lm o d e li sm a d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t 行o ml i f e c y c ea s s e s 叫l e n ta i l dl i f ec 弘l ec o s t i n ga a l y s i s ，t h ef a c t o r ss c a l ei se s t a b l i s h e d s ot h a t q u a 圭i t a t i v ea n dq n a n t i t a t i v ea n a l y s i si st i e di n w h e nt h ew e i g h to ff i r s tl e v e lc r i t e r i ai s f i x e d ，t h ec o n c e p t so fp r i o f i t i e sa n dd y n a m i cw e i g h ta r ei n t r o d u c e d t h ei n t e m a l r e l a t i o n sb e t w e e ne c o n o m i c a la n de n v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t a r ec o n s i d e 陀d s y s t e m i c a h y l c aa n dl c c a r ei n t e g r a t e db ya h p am u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o n - m a k i n g m e t h o d o o g y f o ri n t e g r a t e d 嬲s e s s m e n to fc h e m i c a l p r o d u c tl i f ec y c l ed e s i g n i s p r o p o s e d t h ep f o p o s e dm e m o d o l o g yi sa p p l i e dt oe v a l u a t ea n ds e l e c tc h a m b e rc l e a i l i n gi nt h e s e m i c d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s d i f 诧r e n ts e l e c t e ds c e n a r i o sa r ea s s e s s e df r o m e c o n o m i c a la “e n v i r o 衄e n t a lp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot l l er e s u l t ，w ec 趾m a k ea r e a s o n a b l ed e c i s i o n k e y w o r d s ：l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；l i f ec y c l ec o s t ；l i f ec y c l ed e s i g n ；s y s t e mi n t e g r a t i o n ； 鼢a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；m m t i a t t r i b u t cd e c i s i o n - m a k i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 一，1 作者签名：隰烈纵 日期：碡石月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 晦石月口日 日期：如4 年乡月d 日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着工业技术的发展，作为国民经济支柱之一的化学工业，在满足人们日益 增长的物质需要的同时，也对自然环境造成了极大的破坏，如造成温室效应、酸 雨、粉尘、水污染等。我国经济要持续健康稳定发展，传统的单一的经济目标的 化工生产模式已经不适应时代发展的需求，必须以“经济”和“环境”的双重优 化为目标，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力 资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。这表明从产品的开发源头开始考虑环 境影响问题，以开发对人类和环境友好、节约资源的化工产品及其过程为目标， 将成为目前化学工程研究拓展和深化的重要问题。如何充分有效地利用原材料和 能源，生产出高质量、高功能、多品种、低污染的化工产品，来满足生产和生活 的需要，就成为我国经济转型期化学工程发展的主要目标之一。 1 2 现代化学工程研究的发展趋势 1 2 1 化工系统工程的主要研究范畴 系统工程是一门研究系统的组织、协调、控制与管理的工程技术，它是在系 统理论的基础上发展起来的( 王慧炯，1 9 8 4 ) 。通过运用信息论、控制论、应用数学 以及计算机技术，对系统整体进行定量的考察，着重研究组成系统的各单元相互 之间的关系，各个单元对系统整体的作用，用数学模型描述系统的特性，对系统 进行数学模拟、研究使系统实现最优化的学科。系统工程的任务是从系统整体出 发，组织管理系统的规划、设计等，设计一个总体最优方案，并以最佳方式完成 规定任务，系统工程的基本思想是最优化。 化工系统工程是系统工程和化学工程相结合的产物( 杨冀宏，1 9 8 9 ) 。一方面， 它对化工流程中化学反应、分离过程、能量交换过程等各单元过程追求集成和优 化，寻求最佳的技术经济目标；另一方面，它采用数学模拟和物理模拟相结合的 方法，从信息、任务和方法等多种角度的集成对过程系统进行最优设计，实旅最 优操作、最优控制，实现过程系统的综合整体优化。经过多年的发展，过程系统 工程学科在学术和工业应用方面都取得很大进展。在学术研究层面上，1 9 8 2 年， 在日本京都召开了第一届国际过程系统工程学术会议一一p s e 8 2 ，它标志着过程 系统工程作为一门独立的学科开始取得了国际的公认。过程系统工程在我国的研 华南理工大学博士学位论文 究和应甩是从1 9 7 3 年开始起步的，许多高等院校和化工设计研究院在这方面作了 不少工作，在国内矽 发表了许多椐关论文，在化工企业中也取得了很大效益。2 0 0 3 年，第八届过程系统工程学术会议在我国昆明召开，我国许多的科研工作者在会 上展示了近年来取得的成绩，通过大会的交流说明了我国过程系统工程研究的的 学术研究接近国际水平，甚至在某些方面还走在国际前列。在工业企业层面上， 过程系统工程的任务是针对某个生产项目，开发一个成本最低、利润最大、效率 最高的过程。印基本日标是经济，同时考虑安全和可能的控制等因素的影响。在 该过程中，其重点是大规模、大尺度的 旨b 造。过程通常是连续的，过程设计的生 命周期一般为十几年。过程设计是对热力学、传递过程、单元操作等技术概念在 深层次上的综合。通常科用系统工程理论分析过程中的不同替代方案，对系统进 干亍热集成，这些分析涉及到热量和物料的平衡，并最终通过对设备、公用工程、 原材料和产品进行价格估计以完成简单的经济分析。经过多年的发展和完善，针 对过程模拟和优化开发出一系列软件工具如：a s p e n p l u s ，p r o i i ，s u p e r p r 0 ，h y s y s 等，为化工企业减少成本提高经济效益做出了显著的贡献。我国过程系统工程研 究在工业应用方面虽然也取得很多成果，但是和发达国家还有很大差距。 1 2 2 产品工程的提出 从以石油化工为代表的大型化学工程企业的发展来看，传统的化学工业的研 究日益成熟，市场的竞争日益激烈，但企业的规模化、重组、优化改造的潜力逐 步减小。随着人类利用自然资源逐步深入和人们生活需求的提高，化学工业将由 初级加工向深度加工发展，由一般的基础化工向精细化工发展，由主要生产大批 量、通用的基础材料逐步向生产小批量多品种的专业产品发展。于是产品的规模 生产不再是主要问题，而质量的提高与品种的开发，有效地利用原材料和燃料， 生产出高质量、高功能、多品种、低污染的系列化专用化学产品，来满足生产和 生活的需要，就成为亟待解决的主要问题了( 钱宇，2 0 0 4 ) 。 化工产品的专用化趋势促使过程系统工程的研究及其应用由过程向产品扩 展，即满足用户特定需求来设计并生产特定的产品或者设计可替代产品。麻省理 工学院原化工系主任j a m e sw e i 教授提出( w i i ，2 0 0 2 ) ：化学工程学科将经历第三 个里程碑。在最初期，化工产品的生产以经验为主，没有系统的科学基础。而到 了2 0 世纪初单元操作成为整个化学工程的基础，化学工程进入了第一个里程碑； 5 0 6 0 年代是以传递现象和反应为代表标志化工进入第二个里程碑；2 0 世纪末至 2 1 世纪初贝口将以“p r o d u c te n g i n e e r i n g ”进入第三个里程碑。当今化学工程研究 不再局限于解决如何制造“h o wt om a k e ”，而且要掌握制造什么“w h a tt om a k e ”。 虽然这种提法在学术界仍有争议，但是产品工程将成为化学工程学科发展的新的 2 第一章绪论 动力，为化学工业提供新的经济增长点是毫无疑问的。概括的说，产品工程是将 消费者的需求转化成消费产品的过程，它所要回答的问题是生产何种产品以及如 何生产该种产品以满足性能、经济、环境和市场诸方面的要求。与传统的基础化 学产品的生产相比，现代化工生产在生产之前要根据市场的信息、客户的性能要 求确定出要生产什么。过去，化学工程人员通常是将化学家实验室的结果，根据 现有的合成工艺进行放大，实现大规模、低成本的安全生产。而现在的趋势是工 程人员应该从最开始就参与到产品的需求识别和设计开发过程中。 产品工程是以产品为中心的工程学科，它是建立在具有清晰结构的知识体系 的过程工程基础之上的，涉及到消费者需求、产品设计和适应专用化学品的等内 容r 钱宇，2 0 0 3 ) 。我们首先需要寻找有用的工具和方法，来适应产品的发明和不断 创新。如果说过程工程需要以单元操作为基础进行过程工厂的设计，那么产品工 程则是基于产品的功能和性质关系的产品设计。 1 2 3 过程设计和产品设计的联系 具有复杂分子结构的产品和制造技术主要是通过实验开发的，开发过程耗费 大量人力物力和时间。产品配方和生产工艺都被各个公司专利保护或严格保密。 而专利技术的实旖迫于有效期的压力，往往工程研究和工业设计粗糙，没有系统 化的理论和方法可以借鉴。这对化学工程研究者提出了新的挑战：如何根据市场 的需求。通过系统的、科学的方法加快产品开发过程，成为了产品工程的核心任 务。 英国剑桥大学c u s s l e r 总结了产品设计一般过程，采用了四个步骤( c u s s l e ra n d w e i 2 0 0 3 ) 来描述：产品设计最初的重要步骤是从市场及客户需求中识别出什么样 的新产品能满足客户特定需要，它应当具备什么样的性质；在明确了新产品的性 质和功能要求后，下一步就是运用各种手段产生满足需求的多种方案：第三步就 是在各种替代方案中选择最优者；第四步才是传统意义上的制造过程设计。具有 高附加值的化学产品，需专门设计，通过反应，使产品具有特定的功能( w e i ，2 0 0 2 ) 。 商业化学品，专用化学品和用途广泛、具有很强竞争力的通用化学品的产品设计 应精选有生命力的产品，寻找市场机会，寻求可行的解决方案，以全局性的方法 确定制造工艺。产品设计来自需求、灵感、抉择和制造。化工技术具有通用性， 教学中越来越重视化工产品的设计，重点是设计速度，其次是设计的严密性。图 1 1 描述了整个产品设计过程： 华南理工大学博士学位论文 l 。i ：、，ji 。 产品定义 产品设计 过程设计 图1 一l 产品设计的步骤 f i g 1 一lp r o c e d u r e0 fp r o d u c td e s i g n 产品工程中的过程设计与传统的过程设计存在着很大的差异，产品设计中关 键的一步是需要决定所生产的产品是什么。首先如何设计替代产品来满足这种需 求，其次是应如何评价所开发的产品的价值。产品设计的目标不是生产的高效往， 不是以数量取胜，而是以质量取胜，以产品的功能符合需求为目标。产品设计与 过程设计的比较如表1 1 所示( w i n t e h n a n t e l ，1 9 9 9 ) ： 表1 1 产品设计与过程设计的比较 t a b l el lc o m p a r a t i o nb e t w e e np r o d u c td e s i g na n dp r o c e s sd e s g n 从表1 1 中可以看出，产品设计中产品的生产是小规模的；产品周期短，需 要不断地推出新产品以保证竞争优势；并且要求产品上市快，对市场反应敏捷。 但由于规模不大，所以能量消耗不是主要的矛盾；其次使用的生产设备是间歇的， 可以根据不同的产品配方和生产流程对现有设备进行重组，以一种多用途、多功 能的设备生产不回品种和系列的产品。所采用的软件通常是计算机辅助的分子设 计工具。 另外，产品设计和过程设计又是相互联系的。产品决定过程的构成，过程决 4 喾l 一 一l，叫ii；哥番 第一章绪论 定产品的品质和价格。现代化学工业的发展需要将这二者有机地结合起来，以产 品创新拉动产业创新，以过程创新支持产业创新，实现化学工业的可持续发展( 刘 诤，2 0 0 3 ) 。 化学产品工程的发展前景是美好的，但是同时也充满和挑战。主要表现在以 下几个方面。 克服产品工程研究形成的孤岛，提高产品设计的技术水平。最终缩短新 产品的开发周期，提高产品质量。 提倡多学科交叉合作，并向生物、材料、制药等新兴学科和产业靠拢。 采用先进测量和分析手段，基于物理化学数据库、计算技术、分子尺度 和介观尺度的模拟。 产品工程和过程工程的集成策略，产品的全生命周期的集成研究 ( w e i d e n h a u p t ，19 9 7 ) 。 1 3 考虑环境意识的化工生产 化学工业在二十世纪得到蓬勃发展并取得辉煌成就。如：1 9 2 1 年热裂解制造 乙烯成功；1 9 4 0 年前后催化裂化技术的出现，创造了石油化学工业的辉煌。而到 了2 0 世纪的七、八十年代，又出现新的挑战：化学工业在为人类做出巨大贡献的 同时，却对自然环境造成极大的破坏，对人类的生存安全构成威胁。社会开始关 注过程工业对环境的影响。我们不仅需要产品能满足我们的需要，而且需要生产 过程产品的本身对环境应该是友好的。解决环境污染的根本出路在于源头治理。 2 0 世纪9 0 年代出现的绿色化学和绿色化工正是希望把化学类型的产业向节约资 源、环境友好的方向发展( 王静康，2 0 0 4 ) 。 环境友好的需求是不断对现有的工业化学品进行重新定位并加以淘汰，用对 环境造成污染小，对人体健康无害的化合物去取代它们( s h e r m a n ，c h i ne ta 1 ， 1 9 9 8 ) 。例如制冷剂中的c f c 、农药中的六六六，燃料中的四乙基铅等，已被列为 淘汰化学品；2 l 世纪清洁燃料对含硫要求更为苛刻。这种从环境或健康要求开发 来新产品以取代老一代环境不友好的产品的趋势，在2 1 世纪会交得更加明显。 化工生产不断发展，然而其对环境污染造成的后果却越来越严重。先前那种 单纯追求经济利益而采取的先污染、再治理的生产方式显然是不能适应社会的可 持续发展的需求( 梁文平，2 0 0 0 ) 。随着人们生活水平的不断提高，环境意识也愈来 愈提高了。从6 0 年代到现在对环境关注程度具有一个明显的演变过程( 杨友麒， 2 0 0 4 、。 华南理工大学博士学位论文 图1 2 过程综合中环境因素的关注程度演变 f i g 1 - 2p r o g s so fe n v j r o n m e n t a lc o n s i d e r a t i o ni np r o c e s ss y n t h e s j s 从图1 2 可以看出在过程设计过程中，对环境的考虑愈来愈提前。2 0 世纪6 0 年代往往工厂建成后才考虑如何治理污染；8 0 年代则在工厂设计时必须考虑三废 处理设施，但这种考虑并没有放到工艺设计之内；到2 l 世纪在科研开发阶段就要 考虑环境影响，而绿色化学则要求从产品到原料均应力争“绿色化”。系统分析边 界在不断扩大。最初步的层次是将废物的回收、再循环和再利用纳入到过程综合 6 第一章绪论 范围之中；其次，把不同工艺过程之间的能量及物质集成统一考虑，也就是综合 集成。从社会的发展角度，化学工程实旌可持续发展将是必然的趋势。可持续发 展是人类强调社会、经济及人口发展与资源、环境保护之间协调的发展理念。其 基本涵义是人类社会的发展、经济及人口的增长必须控制在自然资源和环境容量 能够支撑和允许的范围内。可持续发展的要求对过程系统工程提出了全面的挑战， 要求从设计、操作、优化控制乃至使用、废弃处理等各个方面都要考虑环境友好 性。可以预料，2 1 世纪初必然是具有环境意识的过程系统工程发展的时代( b a k s h i a n df i k s e l ，2 0 0 3 ) 。为了响应可持续发展战略，在化工相关研究领域中，涌现了众 多从微观到宏观不同层次上的设计理论和方法。 1 3 1 微观层次系统的可持续发展原理一一原子经济反应 化工生产的核心是化学反应。运用现代化学的原理和方法，来减少或消除化 学产品的设计、生产和应用中有毒物质的使用和产生，研究和开发对环境没有或 尽可能少的副作用，且技术路线可行和经济效益明显的化学产品和过程，这是从 源头上实现污染预防的科学手段。 近l o 多年来，原子经济性反应的研究呈现蓬勃发展的态势，美国在这方面取 得了显著的成绩。1 9 9 1 年美国斯坦福大学的教授b m n o s t 首次提出了反应的“原 子经济性”( a t o me c o n o m y ) 的概念，并因此获得1 9 9 8 年美国“总统绿色化学挑 战奖”中的学术奖( 陆熙炎，1 9 9 8 ) 。原子经济性的目的是在设计化学反应时使得原 料分子中的原子最大限度地或全部变成最终希望的产品中的原子( m a r t e e l ，d a v i e s e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。理想原子经济反应是指原料分子中的原予百分之百地转化为产物， 不产生副产物或废物，实现废物的零排放( z h a n g ，l ie ta 1 ，1 9 9 9 ) 。1 9 9 2 年美国环 保署对六项化学合成方法的改进进行了奖励。这些合成方法从不同角度出发，考 虑了要减少对人类健康和环境污染造成的不良影响r g o e h l ，1 9 9 7 ) 。1 9 9 4 年，美国 环保署和发展办与自然科学基金会成立了新科学成果研究小组，该小组每年召开 可持续环境工艺的专题研讨会( f a i r l e y ，1 9 9 8 ) 。1 9 9 5 年3 月1 6 日美国总统克林顿 设立了总统绿色化学挑战奖，下设五个奖项：更新合成路线奖；更新溶剂、反应 条件奖；设计更安全化学品奖；小企业奖和学术奖( w i l l i a m s o na n da n a s t a s ，1 9 9 7 ) 。 这些奖项意在推动社会各界合作进行化学防止污染和工业生态学研究，鼓励支持 重大的创新的科学技术突破，从根本上减少乃至杜绝化学污染源。1 9 9 7 年美国国 家科学院举办了第一届绿色化学与工程会议，展示了有关绿色化学的重大研究成 果，包括生物催化、超临界流体中的反应、流程和反应器设计及“2 0 2 0 年技术展 望”等( b r e e n ，a n a s t a se ta 1 ，1 9 9 8 ；s h e r m a n ，c h i n e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。到1 9 9 9 年，绿色 化学的发展进入一个相对完善的阶段，世界第一本相关的学术杂志g r e e n 7 华南理工大学博士学位论文 c h e m i s t r y 诞生了，欧洲的研究也掀起高潮，英国出版了题名为t h e o r ya n d a p p l i c 砒i o n o f g r e e nc h e m i s t r y 附学术专著( p e r e z ，s e s t e l oe ta 1 ，2 0 0 1 ) 。同年，美 国的第三届绿色化学和工程会议的主题定为“向工业进军”，讨论现代工业如何有 效利用资源，应用绿色化学科研成果等问题( t r o s t ，t o s t ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 目前，我国对这方面的研究也是非常的重视并付诸行动，1 9 9 5 年，中国科学 院化学部确定了绿色化学与技术的院士咨询课题，并建议国家科技部组织调 研，将绿色化学与技术研究工作列入九五基础研究规划，并于1 9 9 6 年召开了“工 业生产中绿色化学与技术”专题研讨会就工业生产中的污染防治问题进行了交流 讨论。1 9 9 7 年，中国科技大学绿色科技与开发中心就绿色化学举行了专题讨论会， 出版了“当前绿色化学科技中的一些重大问题”论文集。同年，香山会议以绿色 化学为主题召开了第7 2 次学术讨论会，以“可持续发展问题对科学的挑战一一绿 色化学”为主要议题，分析了绿色化学在可持续发展中的重要地位。张存浩、王 大珩、闵恩泽、朱清时4 位院士在会上作了精彩的报告并指出发展绿色科技才能 从根本上解决环境污染问题，实现可持续发展，这是科技工作者的重大使命。科 学界已经越来越广泛地认识狲，我们正面临可持续发展问题的深刻挑战，必须从 节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革现有的科学技术，并发展新的可持 续发展的科学技术。绿色化学是更高层次的化学，以“原子经济性”为基本原则， 即在获取新物质的过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，不仅充分利用 资源而且不产生污染( 梁祖义，2 0 0 3 ) 。绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料 和能源，在各个环节都净化秘无污染的反应途径和工艺。绿色化学不仅给传统的 化学工业带来革命性的变化，而且将推进绿色能源工业、绿色农业的建立和发展 ( 梁文平，2 伽o ) 。中国科技大学是我国绿色化学的主要研究基地之一。2 0 0 4 年，华 南理工大学也在这方面有了一定探索研究并取得一定成绩( 纪红兵，2 0 0 3 ；钱宇， 2 0 0 4 ) 。纪红兵等人认为通过运用系统工程的方法论，建立用于氧化反应中催化技 术、绿色氧化剂技术、绿色溶剂技术、强化及耦合技术的绿色过程集成技术，以 顺利实现清洁氧化。 针对这一趋势，产品工程和绿色化学的结合是必然的结果。传统上，化学家 在开发化学物质合成方法时，由于不考虑实际的生产过程，而主要考虑实际应用 效果稻经济方面的首要考虑因素，往往忽略了废物的产生和处理问题。所以许多 现有的化工过程或化学品，虽具有满意的经济效益，却对人类的健康及环境造成 了极大的负面影喻，有的甚至面临被淘汰。根据前面所述的产品工程的概念，我 们可通过利用一系列的原理与方法来降低或除去化学产品制造和应用中的有害物 质的使用和产生，使所设计的化学产品或过程更加环境友好。这种方法是基于物 质的化学结构厨其毒性具有内在的联系，因此可以设计或重组化学物质的分子结 构，使其具备所需的特性有避免或减少有毒基团的使用与产生，同时追求高选择 第一章绪论 性化学反应，减少副产品，甚至达到原子经济( a t o me c o n o m i c ) 、实现零排放( z e r o e m i s s i o n ) 。 1 3 1 2 提高化学反应原子经济性的途径 绿色化学的核心是实现原子经济反应，但在目前的条件下还不可能将所有的 化学反应的原子经济性都提高到1 0 0 。因此，不断寻找新的途径来提高反应过 程的原子利用率，或不断提高传统的化学反应过程反应的选择性，仍然是十分重 要的任务。这就要求开展从包括新合成原料、新催化材料到新合成加工途径、新 反应器设计等化学工程的研究，以及各学科交叉的结合，由知识创新到技术刨新， 来不断实现化学合成过程的绿色化( s h e i d o n ，1 9 9 9 ) 。 采用新合成原料是提高反应的原子经济性的一种手段( l e i t n e r ，1 9 9 9 ) 。甲基丙 烯酸甲酯的生产就是一个很好的例子。甲基丙烯酸甲酯( 简称m m a ) 是一种重 要的有机化工原料。其聚合物一一聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，常被用作 耐磨材料、路标、建筑材料等。当前，工业生产m m a 主要采用丙酮一氰醇法 ( a c h ) ，该方法是英国帝国化学公司( i c i ) 于1 9 3 2 年首次实现工业化的。在美 国和西欧生产m m a 的主要地区中，a c h 法始终处于主导地位。但丙酮一氰醇法 使用了剧毒的h c n 和腐蚀性的硫酸，对环境造成了很大的危害，产品的原子经 济性只有4 7 。1 9 9 6 年，壳牌公司开发了用均相钯催化体系一步制得m m a ，原 料全部转化为产品，反应的原子经济性达到百分之百。 在这方面，产品工程的研究领域包括原料和试剂的选择，绿色溶剂的设计和 使用，产品的绿色化，以及催化剂和与合成转换的选择。比如对于产品的设计， 我们需要对化学品的分子结构进行分析，确定危害性的作用机理( p o l i a k o f f ， g e o r g ee ta 1 ，1 9 9 9 ) 。然后根据这个信息，我们就可以通过设计使该分子的危害性 降至最低而保留其功效。 开发新催化材料也可以提高原子经济性。据统计，8 0 以上的化学品都是通 过催化反应制备的，催化剂在当今化工生产中占有极为重要的地位，而新催化材 料是创造发明新催化剂的源泉，也是开发绿色化工技术的重要基础。通过新催化 剂的开发形成新工艺新技术，可最终提高反应的原子经济性。例如，新型催化材 料钛硅分子筛的开发，使由丙烯环氧化生产环氧丙烷过程的原子经济性得到显著 提高。另外，新的反应途径也可以提高反应的原子经济性。在精细化工生产中， 有些化合物往往需要多步合成才能得到，尽管有时单步反应的收率较高，但整个 反应的原子经济性却不甚理想。若改变反应途径，简化合成步骤，就能大大提高 反应的原子经济性。布洛芬的生产就是一个很好的例子。 另外，许多化学品的危害作用机理是未知的，在这种情况下，可利用结构活 9 华南理工大学博士学位论文 性相关信息来设计更安全的化学品。提高产品的可降解性和可循环利用，产品在 使用后不残留于环境中，而能降解成无毒、不持续存在的小分子物质；或者可作 为其它过程的原料而被加以利用。因此，设计绿色化学品不仅要考虑该化学品在 制造和使用时的危害性，还应考虑其使用后处置所带来的危害性，即要进行产品 整个生命厨勰的全面考虑( 郑小平，2 0 0 4 ) 。 最后，可以通过集成原子节约反应路径来提高其经济性，反应过程是化工过 程的核心，同时也是废物产生的主要根源所在。根据预期的产品和可能的原料， 通过反应路径系统综合获得经济效益高、对环境友好的反应系统对于提高流程整 体经济和环境性能至关重要( l e i 协e r ，1 9 9 9 ) 。其关键是反应路径集成的建模和求解 方法。 1 3 2 中观层次系统的可持续发展原理一一清洁生产 1 3 2 1 清洁生产的定义与内涵 清洁生产的概念最早可追溯到1 9 7 6 年，欧共体在巴黎举行的“无废工艺和无 废生产国际研讨会”上提出“消除造成污染的根源”的思想。国际公认和u m e p 关于清洁生产的定义：清洁生产是一种新的创造性思想。该思想将整体预防的环 境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效率和减少人类及环境 的风险。 清洁生产是一种预防性的集成策略，通过从源头减少污染和资源的循环利用 实现废物最小化目标，己成为可持续发展战略的有效模式，并逐渐成为工业活动 和人类行为的指导