（化学工程专业论文）环境友好过程优化综合方法和支持工具的研究.pdf

摘要 摘要 化工过程工业是高污染、高资源和能源消耗的基础产业，化工生产造成的环 境影响问题己成为制约化工持续发展的关键因素之一。面对工业可持续发展的严 峻挑战，过程设计应该强调污染预防和废弃物循环利用以及资源和能源节约，使 得化工过程在经济效益最大化的前提下，具备环境友好的性能。过程优化综合为 环境友好的过程设计提供了重要的途径和方法。论文以环境友好过程系统的持续 改善为着眼点 以为z : 业可持续发展开发工具和技术为最终目标， 对以环境和经济 为优化目标的过程综合方法进行了理论研究，开发过程设计支持工具以促进化工 过程的资源、能源、环境污染和经济效益协调统一。 本文在分析环境友好过程系统研究现状的基础上，讨论了环境友好过程系统 工程的理论和方法，建立了研究环境友好过程系统优化综合设计过程框架，并指 出相应的设计方法和关键支持工具。本文主要对过程环境性能评估和多目标优化 两个支持工具进行研究，并提出了环境友好过程优化综合层次协调策略。 过程系统环境性能评估是开发和设计环境友好过程系统的重要环节，对指导 环境友好过程设计中方案选择具有重要作用。本论文对过程系统环境性能进行了 表征和量度， 进而提出面向化工过程的过程环境性能评估体系。建立了由废弃物 影响、资源消耗、能源消耗组成的综合评估指标体系，并提出了系统化的评估实 施程序。鉴于环境性能评估体系的层次特性，采用层次分析法建立了环境友好过 程设计的综合评价模型，研究了量化的评估方法。对过程环境影响指数和过程环 境性能指数两个环境指数进行了定量化描述。 本文开发了具有环境影响评估功能的模块，并将其集成于过程模拟软件。构 建了化合物环境影响数据库，为环境影响的定量化提供数据支持。应用污染物平 衡原理建立了环境评估数学模型，可以用于计算不同流股、设备方案和全过程的 潜在环境影响指数。应用层次分析法求得环境影响类的权重，用于计算综合环境 影响指数。将环境影响评估模块集成于青岛科技大学计算机与化工研究所开发的 商品化化工模拟软件 e c s s化工之星，为环境友好过程优化综合提供了方便而可 靠的平台，实现过程模拟软件的环境性能定量分析功能，生成支持环境决策的环 境性能报告，满足用户考虑环境因素的过程模拟、分析和优化的需要。 环境友好过程优化综合需要进行多个目标之间的权衡分析，以实现经济和环 境性能的协调优化。对于该多目标问题，本文提出了集成逼近于理想解排序法的 多目 标遗传算法策略。将多目标问题求解分为两个阶段来处理:第一阶段为搜索 阶段， 利用多目标遗传算法求取全局p a r e t 。 最优区域内尽可能多的p a r e t o 最优解， 华南理工大学博士学位论文 并保证这些解在 p a r e t o 前沿上均匀分布;第二阶段为决策阶段，根据决策者的先 验信息，对 目标做权衡分析以便获取最佳协调解。 环境友好过程优化综合层次协调策略把优化综合问题分解为宏结构层、协调 层和微结构层三个层次来求解。宏结构为从物质变化、能量利用、环境影响、经 济效益等角度进行分析后得到的多目标模型。在宏结构层实施多目标优化，在微 结构层实施过程建模和模拟，在协调层进行经济和环境目标的评价以及最终方案 的确定。运用相应的方法和支持工具，实现多目标问题协调求解。本论文结合反 应系统实例，对环境友好过程优化进行了实例研究。 关键词:过程工业，过程优化综合，环境性能评估，多目标优化 abs t ract abs t ract o n e v i t a l t a s k o f c h e m i c a l p r o c e s s d e s i g n w i t h s u s t a i n a b i l i t y c o n s i d e r a t i o n s i s t o m a i n t a i n t h e c r i t i c a l b a l a n c e b e t w e e n a h e a l t h y e c o n o m i c g r o w t h a n d a h e a l t h y e n v i r o n m e n t . c h e m i c a l p r o c e s s i n d u s t r i e s p l a y a k e y r o l e o f e n v i r o n me n t a l p r o b l e m a s s o c i a t i n g w i t h e n e r g y c o n s u m p t i o n , n a t u r a l r e s o u r c e s d e p l e t i o n , a n d e n v i r o n m e n t a l p o t e n t i a l i m p a c t s w i t h t h e r e l e a s e s . i t h a s b e c o m e a v i r t u a l o b s t a c l e t o i n d u s t r i a l s u s t a i n a b i l i t y . n o w a d a y s , i t i s w i d e l y r e c o g n i z e d t h a t p r o c e s s d e s i g n r e fl e c t i n g a n i n t e g r a t e d p e r s p e c t i v e a c r o s s a l l t h e e n v i r o n m e n t a l c o n c e r n s w i l l l e a d t o s i g n i f i c a n t e n v i r o n m e n t a l i m p r o v e m e n t . i n s t e a d o f f o c u s i n g o n e c o n o m i c p e r f o r m a n c e o f c h e m i c a l p r o c e s s , d e s i g n e r s i n c o r p o r a t e e n v i r o n m e n t a l c o n c e r n s i n c h e m i c a l p r o c e s s d e s i g n i n t h e c o n t e x t o f e n v i r o n m e n t a l i m p a c t m i n i m i z a t i o n n o w a d a y s . o p t i m a l s y n t h e s i s o f e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y p r o c e s s i s b e c o m i n g a k e y r e s e a r c h i s s u e i n p r o c e s s s y s t e m e n g i n e e r i n g , w h i c h n e e d s t o o l s a n d m e t h o d o l o g i e s f o r s u s t a i n a b i l i t y . s t u d i e s i n t h i s t h e s i s f o c u s o n o p t i m a l s y n t h e s i s o f e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y c h e m i c a l p r o c e s s e s . i n t h i s t h e s i s , s t u d i e s f a l l s i n t o t w o s e c t i o n s . t h e f i r s t s e c t i o n f o c u s e s o n i m p r o v i n g p r o c e s s d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t f o r e n v i r o n m e n t b y u t i l i z i n g t w o s u p p o rt t o o l s , a t o o l f o r p r o c e s s e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t , a n d o n e f o r m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g y . t h e s e c o n d o n e i s t o d e v e l o p a h i e r a r c h i c a l m u l t i o b j e c t i v e c o o p e r a t i v e p r o b l e m s o l v i n g s t r a t e g y . o n t h e p r e m i s e t h a t e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e o f c h e m i c a l p r o c e s s w a s q u a n t i f i e d a s e n v i r o n m e n t a l c o m p a r i s o n m e t r i c s , s c r e e n i n g t h e p r o c e s s a l t e r n a t i v e s o r p r o c e s s s y s t e m o p t i m i z a t i o n u n d e r t h e g u i d e l i n e o f t h e e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t c a n b e i m p l e m e n t e d . t h i s t h e s i s p r o p o s e s a s y s t e m f o r p r o c e s s e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t , w h i c h f a l l s i n t o t h r e e p a r t s , i . e . t h e s y s t e m f o r i n t e g r a t e d e n v i r o n m e n t a l i n d i c e s , t h e h o l i s t i c p r o c e d u r e o f a c h i e v i n g i n t e g r a t e d a s s e s s m e n t , a n d t h e a s s e s s me n t m o d e l a n d m e t h o d b a s e d o n a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s . t h e s y s t e m f o r i n t e g r a t e d e n v i r o n m e n t a l i n d e x f o r c h e m i c a l p r o c e s s e s t h a t c o m b i n e s r e s o u r c e c o n s u m p t i o n , e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d p o t e n t i a l e n v i r o n m e n t a l i m p a c t s a s s o c i a t e d w i t h r e l e a s e s . t h e i d e n t i f i c a t i o n a n d q u a n t i fi c a t i o n o f e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a r e h i g h l i g h t e d . i n o r d e r t o s u p p o rt t h e e n v i r o n m e n t a l d e c i s i o n - m a k i n g e f f i c i e n t l y , t h e m o d u l e f o r p r o c e s s e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t m u s t i n t e g r a t e i n t o p r o c e s s s i m u l a t o r s . t + p h .d . d i s s e r ta ti o n , s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o gy t h i s m o d u l e c o n s i s t s o f e n v i r o n m e n t a l i m p a c t d a t a b a s e , m a t h e m a t i c m o d e l f o r i n d e x c a l c u l a t i n g , a n d m u l t i - c r i t e r i a d e c i s i o n - m a k i n g m e t h o d . b a s e d o n e c s s - c h s t a r , t h e p r o c e s s s i m u l a t o r d e v e l o p e d b y t h e g r o u p o f p r o f e s s o r h a n f a n g y u , t h e m o d u l e i s i n t e g r a t e d i n t o , w h i c h c o u l d f a c i l i t a t e d e s i g n e r s t o r e t r o f i t e x i s t i n g p r o c e s s e s o r t o d e v e l o p e n v i r o n m e n t a l l y fr i e n d l y p r o c e s s e s . o p t i m a l s y n t h e s i s o f e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y p r o c e s s i s v i e w e d a s m u l t i o b j e c t i v e d e c i s i o n - m a k i n g p r o b l e m. i n t h i s t h e s i s , a p o s t e r i o r i t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d . t h i s p r o p o s e d m e t h o d f a l l s i n t o t w o l e v e l s , o n e l e v e l f o r s e a r c h p r o c e d u r e , a n d o n e f o r m u l t i c r i t e r i a d e c i s i o n - m a k i n g a n a l y s i s . t h e p a r e t o - o p t i m a l s e t i s g e n e r a t e d b y m e a n s o f m u l t i o b j e c t i v e g e n e t i c a l g o r i t h m , a t t h e s e a r c h l e v e l . b e s t c o m p r o m i s e s o l u t i o n i s d e t e r m i n e d u s i n g t o p s i s a t t h e d e c i s i o n - m a k i n g l e v e l , i n w h i c h t h e p r e f e r e n c e r e l a t i o n o f t h e d e c i s i o n - m a k e r o v e r t h e o b j e c t i v e s i s a d o p t e d a s t r a d e o f f i n f o r m a t i o n b e t w e e n o b j e c t i v e s . t h e p r o p o s e d f r a m e w o r k i s t o a i d d e c i s i o n - m a k e r i n t r a d e - o f f i n g t h e a l t e r n a t i v e s . t h i s t h e s i s p r e s e n t s a h i e r a r c h i c a l m u l t i o b j e c t i v e c o o p e r a t i v e p r o b l e m s o l v i n g s t r a t e g y . a c c o r d i n g t o o b j e c t i v e a n d s y s t e m d e c o m p o s i t i o n , t h e p r o c e s s s t r u c t u r e i s r e c o n s i d e r e d a s a m a c r o - s t r u c t u r e . t h e n t h e m a t h e m a t i c e x p r e s s i o n s o f mu l t i o b j e c t i v e p r o b l e m a r e p r e s e n t e d . t h e p r o p o s e d s t r a t e g y c o n s i s t s o f t h r e e l a y e r s , n a m e l y , m a c r o - s t r u c t u r e l a y e r , m i c r o s t r u c t u r e l a y e r , a n d c o o p e r a t i v e l a y e r . a ft e r i n t e r a c t i o n a m o n g t h e t h r e e l a y e r s , i t c a n a s s i s t d e s i g n e r s t o o b t a i n t h e o p t i ma l s o l u t i o n p r o g r e s s i v e l y . t h e d e t a i l e d p r o c e d u r e i s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o t h e p r o p o s e d f r a m e w o r k . f i n a l l y , r e a c t i o n s y s t e m i s u s e d a s a c a s e t o i l l u s t r a t e t h e m e t h o d f o r e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y p r o c e s s o p t i m a l s y n t h e s i s . k e y w o r d s : c h e m i c a l p r o c e s s i n d u s t r y , o p t i m a l s y n t h e s i s , e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e a s s e s s m e n t , m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n i v 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已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，均己在文中以明确方 式标明二本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 作 者 签 “ : % -l 日 期:.2w s 年8月叼日 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 密献 ( 请在以上相应方枢内打 “召; ) 科 二 者签名 : 导师签名: 啄 r p rv兰 日 期 : 减， 习 刁习 日 期 : “ ， 年 月 粉日 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 前言 随着工业技术的发展，工业活动在满足人类不断增长的物质需要的同时，也 造成资源和能源的大量消耗以及多方面的环境影响。 当代全球十大环境问题包括: 大气污染、臭氧层破坏、全球变暖、海洋污染、淡水污染和资源紧缺、生物多样 性减少、环境公害、有毒化学品和危险废弃物、土地退化和沙漠化、森林锐减。 其中前八项都直接和化工生产、化学物质污染有关，后两项也间接有关。经济发 展、科技进步和人类生活水平的提高离不开化学制品，但是化学制品的生产、加 工、贮存、运输、使用和废弃处理等各环节都可能产生有害物质，危害生态环境 和人类健康，造成了影响巨大的全球环境问题。而另一方面，环境问题和能源资 源问题的解决， 在很大程度上又要依靠化学和化工技术提供替代产品、 处理技术、 环境友好技术和产品的开发推新。从人类社会可持续发展的角度来看，建立化学 过程工业的可持续发展模式己是势在必行， 用该模式来规范工业生产的环境行为， 从而达到节省资源，减少环境污染，改善环境质量，促进经济持续、健康发展的 目的。 过程工业消耗大量的资源和能源，同时过程工业又是造成环境污染，特别是 化学污染的重要根源。能否将过程设计在最优状态下运行，以便将资源进行最充 分利用，使能源消耗达到最小，以及对环境的污染降到最小，从而实现过程系统 与人类社会以及整个生态协调并存发展是解决上述问题的重大课题。 过程系统工程学科的产生及进一步发展为研究上述课题提供了强有力的技术 科学保证。过程系统工程是化学工程高层次的理论研究，其着眼点在于系统的整 体性能，以系统的最优设计、最优控制、最优操作与最优管理为目标。其中，过 程的最优设计是实现原料利用率高、能量消耗少以及对环境污染小等目标的关键 步骤。优化综合是过程设计中的重要部分。同时考虑环境因素和经济因素的环境 友好过程优化综合为解决环境污染、能源问题和资源耗竭提供了重要的途径和方 法。虽然综合考虑环境因素和经济目标的过程系统工程研究工作己经取得了长足 的进展【 ， ，但是还需进一步研究，比如考虑环境因素的过程综合理论和方法的研 究、关键支持工具的研究和开发等均有待于深入研究。 为此，有必要进一步展开环境友好过程优化综合的研究工作。本论文以环境 友好过程系统的持续改善为着眼点以为可持续发展开发工具和技术为最终目 标，研究过程设计方法和支持工具以促进化工过程的资源、能源、环境污染和经 华南理工大学博士学位论文 济效益协调统一。 1 . 2可持续发展的过程工业 过程工业是实现物质和能源转换的加工工业，包括化学工业、石油炼制工业、 石化工业、能源工业、冶金工业、建材工业、核能工业、生物技术工业以及医药 工业等。这些工业的特点:工业生产使用的原料，主要是自然资源;它的产品主 要用作产品生产工业的原料;生产过程主要是连续生产;原料中的物质在生产过 程中经过了许多化学变化和物理变化;产量的增加主要通过扩大工业生产规模来 实现。这类工业一般污染严重，治理比较困难。 1 9 9 2年，在巴西里约热内卢，联合国环境和发展大会召开，发表 “ 环境和发 展宣言”和 “ 2 1 世纪议程” ，标志着当今世界正步入 “ 环保时代” 。一股 “ 绿色浪 潮”席卷世界各个角落。国际社会经济正朝着信息化、全球化和生态化的方向发 展。从某种意义上来说，可持续发展是工业的可持续发展。人们己经认识到，以 前依靠大量消耗资源、污染环境、粗放经营、不注意质量和效率的工业发展模式 将会受到资源、环境承受能力的衰退和生产成本日益上升的严重困扰，这一对矛 盾将会成为经济进一步发展的绊脚石。工业的可持续发展要求工业生产与其环境 间的协调发展，是实施可持续发展战略的首要任务。作为一个国家的基础工业， 对于发展国民经济起着关键作用的过程工业面临着严峻的考验。 1 9 9 1 年， 由b o o z e , a l l e n 和 h a n i l t o n 三人对2 2 0 家企业主管所进行的一项调 查显示，对生态环境方面的风险和机会的管理和把握是美国企业在 9 0年代和 2 1 世纪初最优先考虑的战略之一。越来越多的企业倾向于以创新的方式来对特环境 问题，同时在创新的工程中，挖掘更多的机遇， ， 。美国的 v i s i o n 2 0 2 o 中提到2 1 世纪制造业面临的最大挑战之一是制造业的环境兼容性 ( e n v i r o n m e n t a l c o m p a t i b i l it y ) ， 并指出未来的 企业若有此能力 将具有竞争 优势。 公众环境意识的增强，本国及国际环境保护法规的加强和资源能源成本的提 高，己经成为制约企业发展的最基本的因素。绿色采购制度的施行，绿色消费观 念的建立，客户供应商的要求和国际贸易绿色堡垒的构筑，己经成为企业在供应 链上成功的新驱动力。银行、财务分析师和投资商对环境风险的重视等，也无一 不是这个时代中环境问题对企业生存和发展的挑战。总之，过程工业面临着严峻 的环境挑战， 同时也是工业企业的一次更大的机遇。 企业具体的应对有如下措施: 改进工艺和降低废弃物处理成本;降低操作成本;提高生产效率;开发绿色产品 和生产技术:开拓现有产品的绿色市场，树立保护环境的声誉;从污染防治中获 益 。 第一章绪论 总之，环境问题将成为一个新而广泛的动力驱使着过程工业朝着可持续方向 发展。 早在 2 0世纪 8 0年代，我国曾明确提出防治环境污染一靠政策，二靠管理， 三靠技术。根据客观经济形势和环境保护工作的实际需要，在继续强化管理的同 时，必须强调依靠科学技术的进步。科技的进步可为可持续发展政策提供条件， 促进可持续发展管理水平的提高，加深人类对人和自然关系的理解，扩大自然资 源的可供应范围和可供应量，提高资源利用效率和经济效益，提供保护生态环境 和控制污染的有效手段川 。 清洁技术、工业生态学、可持续性、生态效益、生命周期评价和分析等环境 管理理念经常见诸于媒体和文献报道。更重要的是这些理念被工业界认可、理解 和应用，并开始达成这样一个共识:环境是现代化学工业绩效的一个重要决定因 素 ( t h e e n v i r o n m e n t i s a n i m p o r t a n t d e t e r m i n a n t o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e m o d e r n c h e m i c a l i n d u s t r y ) 1 13 . s m i t h在其著作中 指出未来的化工过程应该设计成为工业 可持续发展的一个部分， ， 。2 1 世纪过程工业的新模式应该是基于可持续发展战略 上的，将预防和治理污染贯穿于整个工业生产过程链 ( e n t i r e p r o d u c t i o n c h a i n ) , 需要在整个制造链中详细地考虑过程给环境带来的影响，尽量使之不产生或少产 生废弃物，以期对人类和环境不产生或产生最小的负面影响。 如前所述，过程工业是我国工业污染大户，生产造成的环境污染已经成为制 约过程工业可持续发展的关键因素之一。故转变传统发展模式，推行可持续发展 战略与清洁生产，实现经济、环境和社会协调发展，是过程工业刻不容缓的历史 任务。过程工业推行清洁生产模式，必须通过过程系统技术把物质流、能量流以 及信息流集成起来，达到节能、降耗和减污的目的，实现经济效益、环境效益和 社会效益的统一。过程系统技术己为化学工业的发展做出了许多重要的贡献，成 为现代化工设计过程中必不可少的工具。 展望2 1 世纪， 绿色化和可持续发展将是 人类社会发展的主题。作为与工业实践永远紧密相结合的过程系统技术，应该将 生态化的思想贯穿始终(a ) ,所以，有必要从过程系统技术生态化的角度，认识过 程系统技术在过程工业的作用现状和面临的生态化挑战，应该加强考虑环境目标 的过程工程研究来改造现有的系统和构建生态化的工业系统。 1 . 3过程工业的环境保护策略 环境问题日益尖锐化要求人的观念发生转变。从实践的反思中，我们认识到 应从人与自然的协调发展的基础上解决我们所面临的问题，应用系统科学的观点 来审视人和自然的关系，运用系统科学的方法和技术来研究和解决环境问题。 环境问题一般不能依靠单一的学科来研究。在2 0 世纪5 0 年代，首先由生物、 第一章绪论 综合效益。 同主过程系统一样，专门末端处理技术也应该以有利于实现经济、环境和社 会目标为发展前提。因此，环境技术和污染治理有如下三个发展方向: 末端处理过程中的减量化技术 末端处理过程中的资源化技术。废弃物 ( 能)转化利用的途径有两条:第 一条是物料回收，即通过物理的、化学的、生物的途径转化制取新形态的 物质。第二条是能量回收，即从废物处理过程中回收能量，包括热能和电 能。例如，通过有机废物的焚烧处理回收热量，用来进一步发电。 3 .末端处理过程中的无害化技术。 在经过上述两个处理技术之后，有许多废 弃物尚需要合适的技术去处理，即处置技术。在这个过程中，采用绿色技 术对排放物进行无害化处理。 废弃物处理要进行多种方案的技术经济比较，力求技术上先进可行，经济上 合理，有利于实现经济、环境和社会目 标的发展。长期以来废弃物处理系统都是 按传统的经验设计，2 0世纪 6 0年代出现 “ 合理设计”法，采用定量的过程数学 模型和实验决定参数方法进行废弃物处理系统的设计。与此同时，进行各个单元 过程和总系统的最优化设计方法的研究，目 前也有所进展。 废弃物治理流程最优化设计，可以应用数学规划法。首先建立系统的概念模 型和数学模型，确定各模型中有关参数，建立因素之间的定量关系，其次要明确 各单元过程的约束条件和废弃物治理目标，确定评价费用指标，选定并建立目标 函数。 最后选定最优化方法， 找出最优解 i . l i n n i n g e r 提出用线性规划算法来合 成最优的废弃物处理流程5 2 。该方法合成包含所有可能的废弃物治理方案的超结 构。具体步骤如下:第一步评估废物流的特性，定义废弃物处理的目标和有用原 料回收目标，治理任务由废物特性和环境目标共同确定;第二步搜索废弃治理数 据库，选择所有可行的处理单元，每一个单元都应至少能达到一个治理目 标，这 些处理单元都有相应的过程模型、计算残留量的简捷算法和费用模型:第三步， 将上述两步综合得到的处理方案应用于每个废物流，计算每一个治理序列的残留 量。再对残留废物应用上述三步处理，如此循环直至达到治理目标，这些处理单 元组成一个治理序列。 1 . 5 环境友好过程综合方法进展 从近期发表的文献上看，可以从已有的研究工作中总结出以下的方法2 1 ,5 3 , 1 . 5 . 1分层次决策法 该方法将过程设计分成若干个层次，在每一层次中提出若干需要决策的问 华南理工大学博士学位论文 题。这个问题包括物料的选择、流程结构、加工路线等。由于决策的不同或改变 己有的决策，可以产生不同的流程结构。在每一层次上提出若干与污染最小有关 的决策问题，通过合理地决策可以使设计出的过程污染尽量降低。 过程设计固有的层次性使层次设计法成为不可或缺的工具。d o u g l a s将层次 设计法扩展到污染预防领域， 归纳出详尽的污染预防层次结构，以期得到 “ 清洁” 的工艺流程11 . f o n y o 等将该法应用于德国和瑞士的2 6 个装置的过程改造中， 效 果显著15 5 。但由于该法只是定性地探讨问题的求解，不能解决需要定量计算、仔 细比较权衡才能决策的问题。因此，只能用于过程设计的早期概念设计阶段。此 外，该方法不能保证得到问题的最优解。 1 . 5 . 2数学规划方法 数学规划是实现同步设计策略的主要工具，对于定义良好的超级结构求解和 优化甚为有效，成为过程集成研究的热点。尽管这种方法不会全面取代经验规则 方法，但全局优化和基于逻辑 自动生成等发展趋势使其越来越适合复杂系统的求 解。灵敏度分析、参数优化和多目标规划为寻求经济和环境协调优化提供了直接 的工具。 灵敏度分析和参数优化以自然的方式处理环境因素带来的不确定性， 如废物 处理费用的不确定性等5 6 ,5 7 。该方法是把污染指标与过程的净利润紧密加以联系。 采用定量分析的方法来使污染最小的同时，获得最大的净利润。这需要在废弃物 产生最小，净利润最大之间作最优权衡，同时，要包括废弃物的处理费用。郑世 清5 8 在模块模拟器环境上，讨论了多目 标综合和灵敏度问题之间的关系，开发了 适用于模块环境下的多目标综合问题的解算方法。 多目标优化方法解决过程设计的思想使将过程设计问题表述为一个最优化 问题。其中，混合整数非线性规划能够同时求得流程结构及参数而备受学术界的 关注。但是由于问题的复杂性，对于化工过程要建立一个可行的超结构模型是困 难的。同时，由于化工过程的非线性，使得模型的求解算法很困难。混合整数非 线性规划用于解决环境友好过程综合，是将环境因素作为设计目标之一，在目标 函数中增设与污染产生有关项，在约束方程中增列与污染产生有关变量的约束与 限制，使得获得的解能达到污染最小。 1 . 5 . 3夹点分析法 夹点分析法是8 0 年代初产生并发展起来的一种过程集成方法。其所依赖的基 础是通过对过程的系统分析而获得的对过程设计的深层次的认识。其精髓在于通 过对过程的系统分析及认识而确定过程设计所能达到的目标 ( 这些目标可以是能 耗、 设备投资、 原料费用、废弃物等) ， 并将所确定的目标在实际的设计中加以实 第一章绪论 现，从而达到优化设计的目标。 1 . 5 . 4人工智能法 人工智能技术使基于经验规则方法向自动设计的方向发展， 形成基于知识系统 的方法。专家系统是发展较为成熟的一种。目前己经开发出一些用于清洁生产的 软件包，如mi c h i g a n 技术大学主持开发的c p a s ，它是包含多个工具的专家系统 库，如分离技术工具库、废物处理工具库、污染防治设计工具库、原材料和溶剂 选择工具库以及环境风险评价等/5 9 :此外还有新泽西工学院的 e n v i r o n c a d 和 m i t的b a t c h d e s i g n - k i t 6 等 经网络也得到了厂 泛的应用 鉴于环境信息的不确定性和模糊性，模糊逻辑和神 h u a n g 和e d g a r 对此作了全面的 综述 ， ， 。 1 . 5 . 5复合式方法 除上述几大类方法外，还存在生态分析法、网络式热经济学法、可得区法等 专门化方法12 1 。所有这些过程集成方法具有各自的适用范围，同时又具有一定的 互补性。面对经济与环境协调优化这一复杂问题。过程集成不单在于所包含的各 自技术上进一步发展，建立一定的框架将不同方法加以组合也成为必然的发展趋 势。r o s s i t e r等将层次设计法应用于流化催化裂化装置的废物最小化替代方案的 产生阶段，并与夹点技术和费用分析方法结合，建立了过程工业废物最小化的层 次决策模型/6 3 / e s i n g h开发了一个基本框架，成功地应用到考虑燃气排放目 标的 公用工程选择上来6 3 ，该框架包括方案分析、方案筛选和优化 3 个阶段，在优化 阶段建造了一个超级结构并采用 mi n l p法求解。d a n t u s构建了基于过程模拟的 框架，将过程模拟、夹点技术和数学规划等结合起来，较好地解决了简化模型所 带来的问题，同时数学规划法的采用又在一定程度上克服了过分依赖经验规则的 缺陷6 5 。复合式方法的一个显著特点是层次设计和数学规划的同时采用，前者用 于克服概念设计的复杂性， 而后者则可达到同步设计的优点。 1 . 6环境友好过程优化综合的学术进展 在最近 1 0 年来，开发了大量评价、分析和综合环境友好过程系统的重要的系 统化方法。 过程系统工程研究者们在该领域取得了丰硕的理论研究和应用的成果。 自 从1 9 9 1 年， p ri n c e t o n s c i e n t i f i c p u b l i s h i n g 创办一种有关污染预防和清洁 技术的期刊 j o u rn a l o f c l e a n t e c h n o l o g y a n d e n v i r o n m e n t a l s c i e n c e s ) , 随后的 十 余年里，有关污染预防和清洁生产的期刊和专著纷纷出版。 在 1 9 9 8 创刊， s u b h a s k . s i k d a r 和r a v i j a i n 主编由s p r i n g e r 出版了 c l e a n p r o d u c t s a n d p r o c e s s e s ) , 2 0 0 2 年这个期刊与 e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e ri n g a n d p o l i c y 合并成为 c l e a n t e c h n o l o g i e s 华南理工大学博士学位论文 a n d e n v i r o n m e n t a l p o l i c i e s ) .国际著名的期刊 计算机与化学i程于1 9 9 9 年出 了一本专辑 可持续和环境友好过程的设计和运行一d e s i g n a n d o p e r a t i o n s o f s u s t a i n a b l e a n d e n v i r o n m e n t a l l y b e n i g n p r o c e s s e s ) 。由英国皇家化学会主办的国际 性期刊 绿色化学于 1 9 9 9年 1月创刊， 其内容涉及清洁化工生产技术各方面的 研究成果。 在 1 9 9 4 年的第2 0 8 界美国化学会年会上， 举办了题为“ 为环境而设计: 2 1 世 纪的新模式”的专题讨论会，讨论了环境无害化学、环境友好工艺和绿色技术等 问题。 国际有名的计算机辅助工程欧洲会议 ( e s c a p e ) 在 1 9 % 年第6 届会议上， 首次将计算机辅助技术用于对环境问题的考虑列为专题。2 0 0 0年召开的第四届 “ 绿色化学和工程会议”的主题是 “ 可持续发展的技术:由研究到工业应用” 。 从 1 9 9 4年到 2 0 0 2年，根据不完全统计，国外学术界出版 8本对清洁生产研 究相当有影响力的专著【，。 一 ， ， 。1 9 9 4年，e l - h a l w a g i 等合编出版了 p o l l u t i o n p r e v e n t i o n v i a p r o c e s s a n d p r o d u c t m o d i f i c a t i o n s ) ; e l - h a l w a g i 于1 9 9 7 年出 版了 ( p o l l u t i o n p r e v e n t i o n t h r o u g h p r o c e s s i n t e g r a t i o n 一 s y s t e m a t i c d e s i g n t o o l s ) ; wo o d 等于1 9 9 7 年出版了 p o l l u t i o n p r e v e n t i o n s o f t w a r e s y s t e m s h a n d b o o k ) : a l l e n 于1 9 9 7 年出