生态工业园区的模式.ppt

化工设计第7章化工过程分析,安全工程与生态工业系统,王静康教授,第7章化工过程分析,安全工程与生态工业系统,教材依据,本“化工设计”教材(496页)：是高等教育十五、十二.五国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。,第一节系统可靠性与可靠度分析第二节安全性与损失的预防第三节风险性分析与评估第四节工业系统安全工程第五节化工厂安全设计概述第六节单元操作的绿色环保措施第七节工业生态系统第八节产品生命周期分析与评价,第八节产品生命周期分析与评价,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、可能相互冲突、不可公度的目标函数。多目标优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劣解。1、数学规划法：数学规划法是目前研究应用最多的方法。数学规划法的基本思想是先把多目标问题转化为单一目标的优化问题（寻求非劣解集的方法），然后应用各种决策分析方法得出非劣解（决策分析方法）。2、多目标进化算法：从生成非劣解集的角度来看，求解多目标问题的全局最优实际上是一个NP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,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（SOGA）计算的高效性，部分研究者在处理多目标问题时把目标函数矢量标量化，即把多个目标函数整合成单一的目标函数。,（1）多目标优化问题的表述,多目标综合问题可以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：,式中，p为利润；w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；A、B分别为等式约束和不等式约束中y的系数矩阵；d为一组连续决策变量，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；x为各操作单元的数学模型中的连续性变量。,（2）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：1.多目标数学规划法（mathematicalprogrammingmultiobjectiveoptimizationtechniques）2.基于进化策略的多目标优化法（evolutionaryalgorithms-basedmultiobjectiveoptimizationtechniques）。到目前为止，研究者们共发展了20余种数学规划法和10余种多目标进化优化法，例如：遗传算法（NCGA、NSGA、FFGA、NPGA和SPGA等），线性加权法，逐步宽容约束法，P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，基于模糊模拟、神经元网络和遗传算法的混合智能算法（GeneticAlgorithmsandFuzzyMultiobjectiveOptimizationetc.），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，Iterativeco-evolutionaryalgorithm，Optimizationtechniquebasedonprogressivearticulationofpreferenceinformation，Immunegeneticalgorithms等等。同学们，你们风华正茂,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究发展中，也有待你们去开拓创新！,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。,美国自二十世纪七十年代开始建设生态工业园区，至少有40个社区建立了生态工业园区项目，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。美国布朗斯维尔生态工业园区采用“虚拟”生态工业园区的模式，依托现有企业进行能量与物质的共享，并招募新的工业企业与现有企业互补和增强废物交换。,国际生态工业园区发展趋势:美国生态工业园区,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。,自1995年以来，加拿大开始建设生态工业园区，现有40多个工业园区中有9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；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。印度已在不同工业系统进行了4个工业代谢研究，包括位于它日坡（Tirupur）的棉织品生产中心、位于傲尔（Haora）的铸造厂、位于泰米尔的内迪（Nadu）皮革工业和沙谁州利（Seshasayee）造纸制糖联合体等等。,加拿大部分生态工业园区,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。,近年亚洲生态工业园区也发展迅速，日本先后建成了藤泽生态工业园区和卡克博（Kokubo）生态工业园区及扎幌市(循环再利用工业园区)、北海道(循环再利用和促进副产品交换)、千叶县(能源中心、零排放园)、歧阜市(循环再利用工业联合体)、大牟田市(循环再利用工业园区)、秋田辖区(电子产品循环利用)，莺池市(循环再利用矿业工业园)、北九州城(生态工业园区)和川崎市(循环再利用工业园区)等十个生态工业城项目。泰国正在对28个工业园区进行绿色工业园区试验，并将其中5个建成生态工业园区。我国从1999年己开始循环经济和生态工业园区的试点工作，2001年8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(制糖)建设区；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，并在不断探索以循环经济为特色的生态城市建设模式。,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，保持世界可持续发展的重要战略举措。我国化工界也必须与时俱进，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，走新型工业化道路，为把我国建设成世界制造强国贡献力量！,国际绿色化工竞先发展趋势,世界绿色化工竞先发展趋势,为了实现化学工业的可持续发展，近年来，国际上有关国家政府和化工产业界都高度重视推动化工产业向绿色化方向发展。化学产业尊从绿色化学与化工十二条原则，绿色化包括：1.原料绿色化（选择无毒、无害原料，以及替代性和可再生原料的利用）；2.化学反应绿色化，目标是实现“原子经济反应”；3.反应介质绿色化（采用无毒、无害的催化剂、溶剂和助剂）；4.产品绿色化（生产环境友好的石化产品）；5.能源绿色化。,世界绿色化工竞先发展趋势,1、是原料绿色化。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，为了使原料绿色化，美国Texaco公司研究成功用环氧乙烷、CO2和甲醇为原料，两步法制备碳酸二甲酯（DMC）技术，用碳酸二甲酯苯酚酯交换法可合成碳酸二苯酯（DPC），而碳酸二苯酯是非光气化生产聚碳酸酯的主要原料。近斯Shell公司开发了以CO2、苯酚和环氧丙烷为原料生产丙二醇和碳酸二苯酯，可显著降低生产成本，是典型的绿色工艺技术。,世界绿色化工竞先发展趋势,1、是原料绿色化。碳酸二甲酯已被国际化学品权威机构确认为毒性极低的绿色化学品，它还可以替代光气用于异氰酸酯的绿色生产以及碳酯甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯（亚、仲、叔）等系列绿色合成工艺。又如，为了克服以苯为原料制取己二酸的工艺过程存在流程长、原料苯致癌、副产物多、硝酸等反应介质易腐蚀等诸多问题，美国密执根州立大学开发出了以蔗糖为原料，生物转化生产己二酸的工艺，从而实现了原料与生产过程无毒无害，为此荣获美国“总统绿色化学挑战奖”。,世界绿色化工竞先发展趋势,2、是化学反应绿色化，即实现“原子经济反应”。理想的原子经济性反应应是原料分子中的原子百分之百地转化成产品，不产生副产品和废物。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、是反应介质绿色化。例如，在钛硅分子筛催化剂存在下，利用H2O2作氧化剂直接氧化丙烯生产环氧丙烷是一条工艺简单、反应条件温和、选择性高、无污染的绿色工艺路线。前面提及的巴斯夫公司和陶氏化学联合开发的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。,世界绿色化工竞先发展趋势,4、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。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（PTT）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）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，属环境友好产品。,世界绿色化工竞先发展趋势,4、是产品绿色化，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。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。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。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2Kt/a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，在此基础上建成了世界首套0.02Mt/a的二氧化碳基聚合物装置，实现了工业化生产。,世界绿色化工竞先发展趋势,5、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，开发石化替代原料，发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).生物质资源生产化学品2).非石油原料生产化学品3).二氧化碳为原料生产化学品等方面开展了大量研发和产业化培育工作。1)、是由生物质资源制备化学品。生物质气化可制得富含H2气和CO的合成气，由合成气可生产一系列化学品。生物质还可经预处理，通过微生物或酶将多糖转化为单糖，再经化学或生物技术转化为化学品。目前采用生物资原料已可制取甲醇/二甲醚、乙醇、丙二醇、丙酮、丁醇、丁二烯、丁二醇、丙烯酸等产品。还有一系列品种正在加紧研发中。,世界绿色化工竞先发展趋势,5、开发石化替代原料，发展战略性新兴产业1)例如，马萨诸塞州大学开发一种以纤维素作物为原料利用催化快速热解过程一步法制备苯、甲苯和二甲苯（BTX）的环境友好工艺，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年将有一套小规模生产装置投产。美国Genomatica公司开发出由C5或C6糖类和水为原料制取1.4-丁二醇（BDO）工艺，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。,世界绿色化工竞先发展趋势,上述工艺生产成本较传统工艺大幅降低，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。巴西Braskerm公司目前正在建设一套0.20Mt/a的高密度聚乙烯装置，采用甘蔗衍生的乙醇作原料，该装置将于2011年投入工业生产。该公司还正在与总部在丹麦的工业酶生产商Novozymes公司合作开发由甘蔗大规模生产聚丙烯技术，等等。,世界绿色化工竞先发展趋势,2)、非石油原料生产化学品。埃克森美孚围绕MTO工艺和催化剂开展了大量研发工作，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。国内中国科学院大连化学物理研究所与中国石化洛阳工程公司等单位合作开发的DMTO技术已完成50t/d工业试验，2010年8月8日神华集团公司建设的1.80Mt/a甲醇进料生产0.30Mt/a乙烯和0.30Mt/a丙烯的工业示范装置已成功投产。中国石化上海石化研究院研发了S-MTO技术，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。,世界绿色化工竞先发展趋势,2)、非石油原料生产化学品在MTP工艺技术方面，国外具有代表性的工艺是由德国Lurgi公司开发的技术，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，正在分别建设生产0.46Mt/a丙烯的MTP装置。伊朗Fanavaran公司也与Lurgi公司签订了技术许可协议，计划建设MTP工业装置。国内清华大学开发了流化床型式的MTP工艺，中科院大连化物所开展了实验室研究。中国石化上海石化研究院也正在研发S-MTP技术。此外，国内外对甲烷或甲醇直接转化成烯烃和芳烃的工艺研究也很重视，对甲烷氧化耦联制乙烯（OCM）技术、甲烷脱氢芳构化制芳烃技术、甲醇芳构化技术等开展了大量研究，但这些工艺距工业化应用还有相当的距离。,世界化工业向绿色化方向发展趋势,2)、非石油原料生产化学品近年来合成气制乙二醇技术取得重要突破。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。中国科学院福建物质结构研究所从1982年开始研究CO气相催化合成草酸酯、草酸酯水解制备草酸和草酸酯加氢合成乙二醇的工艺研究，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0.20Mt/a煤制乙二醇项目已全面启动。近年巴斯夫公司正在开发直接由合成气生产烯烃技术，而不需由合成气通过甲醇制烯烃，以减少投资。巴斯夫已将该工艺从实验室推进到小型装置上做试验。,世界绿色化工竞先发展趋势,3)、以二氧化碳为原料生产化学品。为寻找石化工业的替代原料，降低工业排放到环境中的温室气体二氧化碳量，全球的化学家正在致力于将二氧化碳转化成高附加值的化学品的研究。目前全球每年排放的二氧化碳量为24000Mt/a，通过化学利用消耗的二氧化碳仅为115Mt/a。在二氧化碳的化学利用中，生产尿素约消耗二氧化碳90Mt/a，由合成气添加适量二氧化碳生产甲醇消耗约3.0Mt/a，其他的利用途径还包括水杨酸、聚碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和可降解塑料等，消耗的二氧化碳均在万吨级。,世界绿色化工竞先发展趋势,3、以二氧化碳为原料生产化学品。目前，世界有关石化公司正在加快二氧化碳化学利用的研究。例如，日本旭化成公司已将其开发的以CO2为原料生产聚碳酸酯技术推向海外；日本三井化学已开发出以二氧化碳为起始原料的全新的制备甲醇工艺，并已建设100t/a中试；住友化学公司正在与东京大学等单位合作开展以二氧化碳为原料制取脂肪族聚碳酸酯的研发工作。巴斯夫公司正在与哈佛大学合作研究如何在化工工艺中使用二氧化碳，等等。在二氧化碳化学利用的前沿领域，世界正在研究以二氧化碳为原料生产甲酸、二甲醚、聚脲和喹唑啉诱导体以及二氧化碳基聚合物等等。除了将二氧化碳直接作为化学原料外，还可将二氧化碳转化为更通用的化工原料，如一氧化碳、合成气。其中，天然气与二氧化碳转化制合成气是未来二氧化碳利用研究的热点之一。,世界绿色化工竞先发展趋势,4).近年来，国外大型石化公司通过开发实施节能新工艺新技术，采用各种提高燃料效率和节能措施，开展碳捕集研究，在节能减排方面取得了重要进展。例如，巴斯夫公司通过热电联产和生产过程中的能量优化，2008年能效在2002年基础上提高了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。埃克森美孚公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。该公司通过热电联产提高能源使用效率，已在全球30家炼厂、化工厂安装了85套热电联产装备，使炼厂和石化厂减少30%的能耗，并减少外购电力。,世界绿色化工竞先发展趋势,国际石油石化公司在大力推进节能减排的同时，也着力于CO2的捕集与封存技术研究。BP公司率先进行碳捕集研究，开展了投资为2500万美元的碳捕获项目（CCP），资助了一系列有关碳捕获与埋存的研究。挪威国家石油公司预计到2020年其新的碳捕集与封存项目将拥有300万吨的CO2减排能力。据美国化学周刊网站2009年11月30日报道，DOW化学与Denbury石油公司联合实施了二氧化碳捕集项目，Denbury将从DOW化学位于路易斯安那州的环氧乙烷装置捕集二氧化碳，然后通过管道输送至休斯顿附近的Hastings油田，用于提高采收率。又据美国化学周刊2010年1月15日报道，巴斯夫公司与林德公司将联合开拓捕集废气中二氧化碳的技术许可及设备销售，将向客户提供集成式的工程解决方案及二氧化碳捕集整套设备。,世界绿色化工竞先发展趋势,4)利用工艺技术的改进和采用先进控制技术实施节能。例如，DOW化学和BASF公司合作开发的过氧化氢法制环氧丙烷（HPPO）新工艺，使BASF在比利时的0.3Mt/a新装置和一般环氧丙烷装置相比将节能35%。DOW化学公司在生产过程控制中使用了先进控制和优化系统（AC工程技术不断进步推进生产装置向更大型化方向发展;新一代催化剂技术、新的聚合技术、纳米复合技术将催生合成材料新产品，新的替代燃料、替代原料技术和化工新材料技术快速发展，正孕育着战略性新兴产业等等。化工技术创新将继续对世界化工业的发展起重要的推动作用。,世界绿色化工竞先发展趋势,5.能源绿色化在当今世界，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。要加速发展，就必须在保护环境的前提下加快能源建设。下图是对2050年世界能源消耗的估计：,5.能源绿色化:可再生能源有以下八种,1、太阳能：直接来自于太阳辐射。主要是提供热量和电能。2、生物能：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。也可通过燃烧和厌氧发酵获得沼气来取得能量。3、风能：由太阳辐射提供能量，因冷热不均产生气压差异，导致空气水平运动风的形成。主要是通过风力发电机来获得能量。4、水能：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，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。,世界绿色化工竞先发展趋势,5、海洋能：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。潮汐能主要来自于月球、太阳等天体的引力，波浪、洋流的能量主要是受风的影响。主要是通过潮汐的动能来发电。6、地热能：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。7、氢能：通过燃烧或者是燃料电池来获得能量。8、核能：通过核能发电站来取得能量。,世界绿色化工竞先发展趋势,