绿色化学与化工导论.ppt

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1、绿色化学与化工导论,20世纪化学工业为衣、食、住、行、保健和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物质，也带来了不同程度的环境污染21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力推动经济和社会的可持续发展，保障子孙后代的美满幸福生活,开设本课程的目的,环境污染、能源枯竭等问题是当前人们最为关心的热门话题之一,传统化学、化工面临着人类可持续发展要求的严重体挑战，而绿色化学化工的兴起和发展,既可以从根本上保护环境,又可以进一步促进化学工业生产发展,因此化学工业的出路在于大力开发和应用基于绿色化学原理产生和发展起来的绿色化学化工技术。,通过本课程的学习，掌握绿色化学与化工的基本概念、基本原理，了解化学、化工生产中的

2、资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展间的关系。达到开阔视野，拓宽知识面，便于从整体上认识化学学科，树立既保护环境又推动工业生产发展的新观念。同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研究进展以及国内外发展状况，为成为知识渊博、研究方向明确的高素质人才打下基础。,本课程为考查课，总学时数为34学时。自学课程：主要以自学为主，辅导两次。目的培养自学能力。自学内容：按大纲要求，结合教材及有关参考资料自学，做好自学笔记。考核形式：自学笔记40%，小论文或读书报告30%，期终考查30%。,课程性质及要求,教材及参考书,1、李德华绿色化学化工导论北京：科学技术出版社，20052、闵恩渍.吴巍 编著.绿色化

3、学与化工.北京：化学工业出版社,200043、仲崇立.绿色化学导论.北京：化学工业出版社,20004、贡长生、张克立.绿色化学化工实用技术.北京：化学工业出版社,20025、沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京：中国环境科学出版社,20046、顾国维、何澄.绿色技术及其应用.上海：同济大学出版社,19997、P.T.阿纳斯塔斯，J.C.沃纳.李朝军,王东.绿色化学理论与应用.北京：科学出版社,2002,教学内容及要求,第一章 绪论：从环境问题的产生与发展，了解绿色化学的产生、发展、重要性；掌握绿色化学的定义和特点。第二章 绿色化学原理：掌握绿色化学的12条基本原则；掌握原子经济性反应及绿色化

4、学手段；第三章 化学工业的可持续发展：了解可持续发展与化工清洁生产的关系；掌握化工可持续发展的有效途径是必须采用绿色技术。第四章 工业生态学原理：了解工业生态学发展史及几个基本概念；熟悉工业生态学的三大研究方法（工业代谢、生命周期评价、区域产业生态系统建设）；掌握循环经济和生态工业的重要性。,第五章 绿色化学化工技术：了解能源、分类及各种能源技术；了解材料的分类并掌握各类新型材料的特点；掌握催化技术；熟悉生物技术及分离技术（微波技术、膜技术、超声技术）。第六章 绿色无机化学工艺：熟悉几种无机化学工业生产（磷铵生产、铬盐生产、氯碱生产等）的绿色化。第七章 绿色有机化学工艺：以乙苯脱氢制苯乙烯、环

5、氧丙烷绿色生产工艺、醋酸生产的绿色化为例熟悉几种有机化学工业生产的绿色化。第八章 制药工业绿色化：熟悉各种制药工业（化学制药、中草药制药、生物制药）的绿色化。,绿色化学又称环境无害化学，由此发展的技术称环境友好技术或洁净技术：即利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中即消除或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有毒有害物质的使用和产生，设计研究没有或只有尽可能少的环境负作用、在技术上和经济上可行的产品和化学过程。,第一章 绪论,一、什么是绿色化学,迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的。近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业用

6、于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用.需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。,二、绿色化学的重要性,从科学观点看化学科学基础的创新从环境观点看从源头上消除污染从经济观点看合理利用资源和能源，降低生产成本 符合经济和社会可持续发展的要求,三、各国政府推动绿色化学的措施,美国,1990年美国颁布了污染防治条例，将 污染的防治定为国策1995年美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其目标为:至2

7、020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一25%；宣布设立“总统绿色化学挑战奖”；2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。在美国2003年公布的21世纪化学化工发展战略中，再次强调了绿色化学化工的重要性。,日本,制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划，设立“为地球创新技术的研究院”,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世纪世界科技研究前沿热点：,欧盟各国,英国皇家化学会主办的国际性杂志绿色化学1999年1月创刊；2000年设立“Jerwood Salters环境奖”德国 1991年制订“为环境而研究的计划”荷兰 制订“清洁生产手

8、册”澳大利亚也创建了绿色化学期刊；,中国 制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于1993年世界环境和发展大会之后，编制了中国21世纪议程郑重声明走可持续发展道路的决心。1995年中国科学院化学部组织了绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径院士咨询活动 1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好石油化工催化化学与反应工程 1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发展问题对科学的挑战绿色化学 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会 1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题”2000年科技部国家重点基础研究发展规划项目立项石油炼制和基本有机化学

9、品合成的绿色化学,(1)对我国的环境至关更要的一些工业，如煤炭，石油，化工，造纸，制革，酿造和制药中的绿色化学开展基础研究；(2)在原子经济性和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题，即绿色合成和绿色催化等；(3)综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程，如生物煤炭脱硫，微生物造纸，新生物煤炭脱硫和新生物质能源等；(4)研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生产一般分子(特别是无机小分于)和特殊功能的纳米粒子。,我国把绿色化学列入重点支持的更大基础领域，确定如下具体目标：,绿色化学的目标能实现吗?回答是肯定的。因为这是人类社会的共同愿望。但最终杜绝化学污染源，无疑在技

10、术上、经济上都极为困难，它需要我们更新观念、改革化工设备和工艺。过去，化学科学只强调化合物的功能、化学反应的效率较少研究不利的有毒作用。新任美国化学会会长在2000年1月发表的就职报告中指出，更安全的化学是化学家在21世纪化学学习的首要领域，科学技术是靠人才来推动的当新代化学家的绿色化学意识提高时，绿色化工的理论和成果将充分地发展。近几年，绿色化学这一预防化学污染的新观点逐步被人们认识、接受。美国科学基金会和许多化工企业已提供专门基金资助绿色化学的研究。美国白宫继提出信息高速公路计划后，1995年，美国专设了总统绿色化学挑战奖，奖励有更大突破的绿色化学成果。,四、绿色化学的可行性,一、绿色化学

11、的主要特点,1、化学反应的原子经济性。2、化学反应的清洁性3、化学工艺的循环性和闭路性。4、化学反应技术的可持续性5、化工生产的可持续性,第二章绿色化学原理,二、绿色化学的主要内容,1.预防（prevention)：防止废物产生优于废物产生后再处理或清理2.原子经济性（atom economy）：应设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中3.低毒化学合成（iess hazardous chemical synthesis）：只要可行，应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性。4.设计安全化学品(designing safer chemic

12、als):应设计化工产品使其保留功效，但降低毒性,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,5.安全的溶剂和助剂（ater solvents and auxiliaries）：应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂、分离剂），如用时应是无毒的6.能量效率设计(design for energy efficiency):应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源。如有可能合成应在常温和常压下进行7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，而不是将耗竭的8.减少衍生物(reduce derivatives):应尽可能避免不

13、必要的衍生化（阻断基团，保护脱保护，物理和化学过程的暂时修饰）因为这些步骤需要添加试剂并可能产生废物,9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选择性）优于化学计量试剂10.降解设计(design for degradation):应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留，并降解为无毒的物质11.防止污染的快速分析(real-time analysis for pollution prevention):分析方法须进一步发展，以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成12.本身安全、能防止意外事故的化学(inherently safer chemistry for acc

14、ident prevention):在化学转换过程中，所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火灾,第三章、化学工业的可持续发展,-1987年我们共同的未来一书发表，提出了“可持续发展”最经典的定义：“满足当前的需要但不损及后代满足他们自己的需要”。(“代间不平等”问题)-美国环保总署的国家风险管理研究室NRMRL将“可持续性”表述为：“当我们为了人类健康和环境去持久地保持或改进物质和社会条件，在不超出支持它们的生态承载能力的条件下所追求的目标。”,一、什么叫“可持续发展”？,联合国关于可持续发展的三次会议：1、联合国人类环境会议（1972，瑞典，113国

15、家参加，发表“关于人类环境的斯德哥尔摩宣言”及“人类环境计划”）2、联合国环境及发展会议（1992，巴西，178国参加，发表“关于环境与发展的里约热内炉宣言”等5项公约等）3、可持续发展的世界首脑会议（2002，南非，191国家参加，发表“关于可持续发展的约翰内斯堡宣言”及“可持续发展世界首脑会议实施兴计划”）,二、可持续发展的定义与历史沿革,（1）面临世界资源的挑战地球资源年耗尽,世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的年地球生态报告显示，若按目前的速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源会在年耗尽。,（2）地球正在失去自我清洁的能力,年来，一种能够清洁空气的关键自由基分子在世界范围内逐

16、渐减少，它的浓度平均下降，至今尚不清楚它下降的原因和周期，它将对地球的健康构成巨大的威胁。它是地球的防污染剂，它的减少将使烟尘越来越浓，导致破坏保护地球的臭氧层。,三、可持续发展的战略需求（世界形势）,能源供应无疑是可持续发展的头等大事。据EIA2001公布:预计今后50年安定人口增长50%，而随着人均收入提高，相应人均能源会不断增加。所以估计今后20年总能耗会增加50%。如何经济地满足这种能耗需求增长，又不显著增加环境成本就是一个挑战。多数专家认为：2050年内，主要还是靠化石燃料（石油，天燃气及煤炭）。,可再生能：太阳能、风能、水利发电、生物能,2000年世界能耗构成,能源问题.,如温室气

17、体排放，臭氧层破坏等,过去10年里全球水文气象灾害数量增加了一倍。若化石燃料不加限制地消耗下去，2030年CO2浓度可达到550 ppm,到2050年气温会上升1.54.5。那时生态灾难又会比现在上升几倍？,（3）全球环境处于危险的十字路口,全球的生态系统正在向危险的临界值接近，环境的恶化导致自然灾害，近十年中导致世界亿美元的损失，过分对矿物燃料的使用，使气温变暖，北极冰盖已减少4，继续变暖会导致水资源的极度缺乏，食品的减少，和诸如疟疾、登革热之类致命的疾病广为扩散。,经济形势之一：中国经济高速发展,近20年（19852005年）中国经济高速发展。2002年国内GDP总量超过10万亿元，人均G

18、DP超过1000美元；2005年国内GDP达到20万亿元，人均GDP超过1500美元。,1949198637年,1986199610年,199620015年,200120032年,5000万吨,中国经济的高速发展，带动了钢铁、建筑、汽车等各行各业的加速发展。,100万辆,四、可持续发展的战略需求（中国形势）,资料来源：瑞士洛桑国际管理开发研究院，世界竞争力年鉴（2003）,一些工业国家的工业生产率比较,各国工业化程度,经济形势之二：重工业是中国经济发展的主要支柱,材料工业是国内经济发展的物质基础，如钢产量伴随着GDP同步增长；2006年我国钢产量达到4.18亿吨，占世界钢产量的33.7%；水泥

19、产量达到12.4亿吨，占世界产量的50%；重工业一般是资金密集、劳动力密集的高能耗、高污染产业。,国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势,2005年：世界钢产量11.3亿吨2006年：世界钢产量12.4亿吨,我国钢产量在世界上的地位,万吨,国内水泥产量的发展,我国经济增长的主导是重工业，1985年至2005年间，重工业产值占国内工业总产值的比例波动在5070%。,我国以重工业作为经济发展的主要支柱，是造成单位GDP能耗高、污染严重的主要原因。,一些国家能源使用率比较,资料来源：瑞士洛桑国际管理开发研究院，世界竞争力年鉴（1998），世界竞争力年鉴（2002）,经济形势之三：中国经济发展进入

20、转型期,世界各国人均GDP达到1000-3000美元是重要的经济转型期，也是战略机遇期；经济转型期的重要标志是发展中国家转为发达国家，工业化社会转为信息化社会；转型期的主要社会矛盾是经济高速发展与资源环境的制约；欧、美经历这一发展阶段的时间长达1219年；日、韩国用78年实现转型；而墨西哥、巴西、菲律宾、泰国、马来西亚等国长期未能实现转型，经济陷入停滞不前。,我国经济发展与GDP增长趋势,为了尽快实现中国经济转型，必须坚持节能减排、建设节约型社会的基本国策，进一步降低能源、资源消耗，改善社会环境。,中国的环境污染非常严重,大气污染：一级标准城市只占多个城市中的不到工业污染：中国流行病的是由于水

21、污染传播。固体废弃物严重：以速度增长，存储量已达.亿吨，占地5.17万顷。.,我国化学工业经济增长 很大程度建立在大量消耗能源及原材料的基础上，有时以牺牲环境为代价。我国化学工业总产值居世界第三位，但人均化工产值仅为世界平均的1/4；我国化学工业总能耗为美、加、墨三国之和的4.1倍，。但产值相当三国之和的23.8%.化工废水排放量占全国工业部门的17.5%，名列第1位；化工废气排放量占第4位，固体废物排放占第5位，但危险废物占60%，为第1位。万元产值水耗为美国的3.5倍。而万元产值的污染物排放强度是美国的近百倍。,可持续发展面临的问题之一资源缺乏,社会转型期是重要战略机遇期，也是各种矛盾凸显

22、期，随着经济快速增长和人口不断增加，资源约束矛盾日益突出，环境形势更加严峻。,主要国家的铁矿石储量与钢产量,从资源禀赋看，我国是总量上的大国，人均上的贫国。人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，人均耕地占有量不到世界平均水平的40%，45种矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半，石油、天然气人均占有储量为世界平均水平的7%和4.5%，铁矿石、铜和铝土矿储量分别为世界平均水平的1/6、1/6和1/9。,随着经济发展，GDP增长与资源消耗呈线性正比关系。这意味着今后国内经济的发展需要大量的资源。因此，国内资源缺乏将是束缚我国经济高速发展的重要制约因素。,我国的能源及水资源现状,我国是一个

23、公认的能源短缺而又贫水的国家!,可持续发展面临的问题之二大气环境污染严重,全国527个市（县）中，出现酸雨的城市有298个，占统计城市的56.5%，有些地区的酸雨频率达到100%。据测算，大气污染造成的经济损失已经占到GDP的23%，中国的大气污染的形势不容乐观。,40%国土受酸雨威胁,温室效应气体排放居亚洲之首,二氧化硫排放逐年增加,2003年七大水系各种水质类别所占比例,我国人均水资源不足世界平均值的1/4，而且水质受到较严重的污染。目前，全国60%的城市存在不同程度的缺水，108各城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有30%人口得不到安全饮用水。,2003年我国生活垃圾清运量达1.5亿吨

24、，年均增长7-10，处理率远远达不到要求，垃圾围城现象普遍。,可持续发展面临的问题之三水质污染、固体废弃物泛滥,可持续发展面临的问题之四人居环境受到严重威胁,全国主要城市空气污染综合指数,电厂对大气污染,北京遭遇的沙尘暴,太湖污染,全球CO2排放量从2001年的249亿吨增加到2005的292亿吨，同期美国从63亿吨升到65亿吨，中国从28亿吨猛增至53亿吨。2006年，全世界的CO2排放量突破300亿吨；据联合国能源署估测，2002年中国排放CO2总量已经达到40.8亿吨，是十年前的1.53倍，折合人均3.2吨，美国人均19.4吨，德国10.2吨；,节能减排的压力与困难来自国外的压力,炭燃烧

25、生成CO2(约占总量的80%)是产生温室效应的主要因素，CO2阻挡太阳光辐射造成全球气温上升、环境恶化和自然灾害频繁发生。全球必须共同抑制CO2的排放量。,中国已签署京都议定书，作为发展中国家暂不承诺CO2减排指标，但发达国家普遍认为中国不承担控制温室气体排放的义务，仍不能减少空气污染和温室气体的危害。,结论：中国环境污染与温室气体排放已引进全世界的高度关注，必须尽快采取节能减排措施减少环境污染和温室气体排放量。,五、可持续发展研讨内容,1.“可持续发展”及其现存问题2.国际绿色工程发展动态3.可持续发展的工程技术和评价体系4.中国面临资源、能源和环境更严峻的挑战5.树立和落实科学发展观,全面

26、建设小康社会的奋斗目标,加快推进社会主义现代化,国策：“可持续发展”。廿一世纪人类的进步,已进入了可持续发展的阶段，其产业系统是工业生态系统，发展的经济模式就是循环经济。“可持续发展与生态工业”其科学与技术基础是绿色化学科学与工程,社会对环境响应的四个发展阶段,国际社会可持续发展思想的历史沿革,21世纪可持续发展的系统与园区的模式是生态工业系统与生态工业园区。应用系统工程的方法，去分析、研究、设计与规划化工园区大系统中的基本流：物流、能量流、资金流与信息流，以达到环境友好、资源、能源与资金最优化利用目标。-生态工业园区,第4章 工业生态学原理,循环经济是仿照自然生态系统，在生产、流通和消费等全

27、社会范围内,通过物质循环、废物最小化、工艺替代和产品共生等方式，组织成一个“资源产品再生资源”的物质反复循环流动的过程，达到资源、能源的高效利用，对环境影响最小的的经济模式，本质上是一种生态经济。3R原则，即减量化（reducing）、再利用（reusing）再循环（recycling），是实现循环经济的重要行为原则。,一、循环经济,绿色GDP与可持续发展,二、生态工业园区及其大系统过程集成,生态工业园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区域型新型工业组织形式，通过模拟自然系统建立产业系统中“生产者消费者分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用。即生态园内企业模拟

28、自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。,1、丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态工业园区是丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区，该园区以一个炼油厂、一个硫酸厂、一个制药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一个石膏板厂组成了一个工业网为核心，其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场，通过贸易方式把其它企业的废弃物或副产品作为本企业的生产原料，建立工业园区代谢生态链关系，它们彼此交换能量和物质流。如图所示:,丹麦Kalundborg的工业网络图,鱼 塘,壁板厂,街区供热,水

29、泥和铺路,农药厂,硫,淤泥肥料,粉煤灰,废热,淡水湖泊,制药厂,硫酸厂,2.炼油厂,温室,1.燃煤电厂,废热,石膏,废热,烟气,冷却水,蒸汽,蒸汽,1.燃煤电厂位于这个工业生态系统的中心，对热能进行了多级使用，对副产品和废物进行了综合利用。电厂向炼油厂和制药厂供应发电过程中产生的蒸汽，使炼油厂和制药厂获得了生产所需的热能；通过地下管道向卡伦堡全镇居民供热、加热温室并给养鱼厂供暖，由此关闭了镇上3500个燃烧油渣的炉子，减少了大量的烟尘排放。,将除尘脱硫的副产品工业石膏，全部供应附近的一家石膏板厂作原料。同时，还将料煤灰出售，供铺路和生产水泥之用。2.炼油厂和制药厂也进行了综合利用。药厂处理的淤

30、泥被送到附近的农场作为肥料。炼油厂产生的火焰气通过管道供石膏厂用于石膏板生产的干燥使用，又减少了火焰气的排空。一座车间进行酸气脱硫，生产的稀硫酸供给附近的一家硫酸厂；炼油厂的脱硫气则供给电厂燃烧。,分析Kaluindbory的物质和能量的交换，发现有趣的特征：,*1.这种能量交换有更显著的能效 例如：电厂发电过程产生的废热和蒸汽，可送往炼油厂、温室、渔场及居民区供热系统进行利用。如果能找到废蒸汽的利用市场，那么90%以上的从工厂燃煤产生的热量能够被利用，唯一的损失便是烟囱排气所损失的能量。与此相比，典型的美国煤-火力发电厂利用燃煤产生的热量效率约仅为40%。,*2.物料和能量交换能为参与者提供

31、经济效益 在某些情况下，例如电厂把硫酸钙卖给石膏板生产厂，直接的经济效益并不能完全收回成本,此时的交换是由相应的法规驱动的（比如需要净化电厂烟囱尾气以除去SO2）,这些交换可避免废物掩埋或处理洗涤器废物的其他方式，故而使成本降低。而在其他情况下，例如炼油厂使用电厂的废热，这些交换是自给自足的。,3.卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环利用。炼油厂的废水通过生物净化处理，通过管道向发电厂输送，每年输送电厂70万立方米的冷却水。整个工业园区由干进行水的循环使用，每年减少25%的需水量。最终实现了园区的“污染零排放”。通过各个成员间的物质和能量交换，实现了物质的部分循环和能源的逐级利用，获得了良好的

32、经济和环境效益。,钢厂,水泥厂,汽车粉碎机,塑料和金属分离,金属回收,能量回收,塑料回收,能量,美国北德克萨斯州的工业生态园内的物质流,EAF,Fe,灰尘,ASR,2、美国北德克萨斯州的一个生态工业园,美国北德克萨斯州的一个生态工业园,在美国北德克萨斯州的一个生态工业园的中心便是一个钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料。从废汽车中得到的钢，被送到电弧炉中，制成各种各样的钢铁产品。炉子同时产生大量的电弧炉（EAF）灰尘，其中包含大量锌、铅或其他金属。在北德克萨斯州工业园，EAF灰尘被送到需要痕量金属（Cu,S,Mn,Cr,Ni,Zn,Pb或其他金属）的水泥窑中。汽车粉碎后的残余物被燃烧以回收能量，

33、或者将一些塑料从残余物中分离出来。,美国部分生态工业园区,加拿大部分生态工业园区,三、生态工业群-园区生态工业模式,原子经济性+零排放循环经济+环境友好,1,2,3,4,5,6,生态工业园区为大系统（网），生态工业群（链）为工业园区的一级子系统，企业为二级子系统（点）。,将各个生产子系统内部及之间的物料流、能量流与资金流形成网络，尽可能地使一个过程的副产品或三废物流成为另一过程的原料流，使一个过程的废热流（剩余有效能流）成为另一过程的热源流，籍以实现系统内多个生产过程内及过程其间从原料、中间产品、到三废的物质流循环，以及不同能阶的有效能能量流循环。进一步将源头的能源与环境系统包括在内，进而实现

34、资源、能源、投资的高效的优化利用，必须重视与实现大系统过程的优化。,生态工业园区的网络集成与优化,绿色工程建立生态工业是依据生态经济学原理，以节约资源、能源、清洁生产和废弃物多层次循环利用（即节能、降耗、减排原则）等为特征，以现代科学技术为依托，运用生态规律、经济规律和系统工程的方法经营和管理的一种综合工业发展模式。工业生态学的核心是如何实现循环经济与环境友好理念，实现再生资源的利用,即用化学方法改变和回收利用废物，将废物转化为原料，进而达到资源与能源高效利用的目标。,四、绿色工业生态系统,过程集成是实现绿色化工目标的核心技术,1、夹点分析（资源、能源节约型）基于热力学原理的集成换热器网络的夹

35、点技术推广到传质交换网络中来。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、液液萃取、离子交换、浸取、汽提，氢夹点分析等。这种质交换网络分析的目的是设计污染杂质的回收网络，以减少污染。废水最小化的夹点设计方法。,第5章 绿色化工及技术,绿色化学与化工：热交换网络的建立仍是世界化工节能的主要技术,现代的集约型流程（1个装置）,传统的常规型流程（11个装置设备）,绿色化学与化工：由传统流程向集约型耦合过程发展,3R,2、深度过程集成：网络超结构模型模拟,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。用可再生资源代替不可再生资源

36、 氢夹点分析 基于溶剂的分离系统设计 利用微化工厂来规避风险、提高效率工厂公用工程及联产系统的节能,环氧乙烷,草酸（媒染剂、除锈剂、漂白剂）,墨水、染料、皮革,二醋酸乙二醇酯（溶剂）,反应分离与聚合,醇酸树脂、涤纶,二甘醇,乙二醇,三甘醇,水合,脱水,氧化,医药、化妆品等,醋酸,绿色石油化工的生产链如环氧乙烷的深度加工，及再生资源的循环利用,乙烯,石油,醇解或水解,单体,.,.,.,.,.,绿色石油化工的生产链与资源的循环利用,绿色化学与化工：生物质“循环利用”的绿色过程示意图,生物质(例如玉米等),葡萄糖液,细菌和酵母二步转化,肥 料,特 种 精 馏,浓缩与分离(膜、超临界等),产品b,肥

37、料,土 壤,聚 合,生物降解,产品a,精制（结晶等）,绿色产品c,催化反应,绿色产品d,绿色产品e,离子交换等,一氯丁酸（MBA）和无用副产物二氯丁酸（DBA）的反应器，目标是使MBA的转化率最大化。这个问题的难处在于：第一、气液两相反应器；第二、反应及其动力学均很复杂。用常规反应器：逆流填充床，搅拌槽反应器和鼓泡塔三种，结果证明最大转化率不超过 73.8%。而用网络超结构模型模拟设计的新反应器，转化率可达到 96.9%。,丁酸氯化时生成案例,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4070%，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

38、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Petlyuk精馏,可以大幅度降低能耗。,复杂精馏塔的集成案例：,这种用Micro-chemical Plant现场制造剧毒化学品的装置已经商品化，例如，用CH4和 NH3生成HCN，可以在1000C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5nm-500m,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。,利用微化工厂来规避风险、提高效率：,国际化学工业产品结构发展态势,原料基本化工精细化工 功能产品 生产链链式结构基本化工：规模效益（资源利用率的提高）信息化程度（自动化程度）的提高 能耗的降低精

39、细化工(包括功能产品):产品结构的及时调整 多产品车间的建立柔性生产线,根据2000年全球统计数据，在美、英、日、德等国的大化工行业的GDP中精细化学品及功能产品占79%。,石油化工一体化：,合理生产链及其优化与产品结构的及时调整,世纪末期，美国商业部作了一项统计，以石油作基准计算，如果作为燃料烧掉价值为1的话，若把它全部分离为“基本原料”，则价值增至2，若合成出“通用化学品”将增值至4，进一步制成“精细化学品”将增值至8，最终制成“专用化学品”增值至106，其价值比值为1:2:4:8:106。国际制造业业竞争焦点：我国必须向精品高端制造强国前进。,能源消耗大,环境污染严重,资源效率低,比世界

40、先进水平高35200%,年粉尘排放 500万吨CO2气体排放超过 7亿吨,年消耗矿资源100亿吨,建材工业存在的突出问题,国内外建材行业能源、资源消耗和污染物排放状况对比,我国近五年建材行业状况,能源消耗大,环境污染严重,资源效率低,能源消费量约占全国总能源量的16.4%占全国工业能源消费总量26.5%,工业废气排放占全国工业“三废”排放量第4位工业固体废弃物排放全国工业“三废”排放量第4位,工业废水排放占全国工业“三废”排放量第1位,化工行业存在的突出问题,化工行业万元GDP能耗（吨标煤）,石油与化学工业能耗高、三废排放量大，与国家“十一五”规划节能减排指标存在很大差距(高出2.49倍）,*

41、2005年统计数据,材料工业与国际先进水平的差距,结论:依据现有数据比较，我国钢铁、化工、建材等基础原材料产业主要产品的单位能耗均比国际先进水平高。吨钢综合能耗高21%；水泥综合能耗比发达国家先进水平高3040%；在化工产品中，一般产品的单位能耗比发达国家高2030%，有些产品甚至高出40%，如大型合成氨综合能耗比国外高出31.2%。,“十五”期间钢铁、有色、电力、石化、建材、化工等六大高耗能行业增长20.1%，重工业同比增长19.5%，增速比轻工业快3.1个百分点，产业结构趋于重型化的格局没有改变。淘汰落后产能工作难度加大。部分地区电力、钢铁、有色、水泥、建材等淘汰落后产能进展缓慢。突发环境

42、事件时有发生。,结论：严格控制钢铁、有色、建材等行业经济过热，加速淘汰落后产能对节能减排的贡献十分巨大。,淘汰落后,建设节约型社会,多元化水源管理,循环用水与阶梯用水,发展高新技术，转变增长方式城市和重点耗水行业综合节水技术集成,攻关目标：污水零排放，吨钢新水耗量3.84m3，水重复利用率97.5%。技术关键：多元化水源管理，海水淡化与中水回用；循环用水技术，提高循环倍率；阶梯用水工艺；废水净化与处理技术。,钢铁行业综合节水系统集成,发展高新技术，转变增长方式建筑材料绿色制造关键技术与装备,通过攻关，使建材行业的主导产业：节能2045%节约资源1550%减少排放1545%产品质量达到或超过国际

43、先进水平,建设10余条示范生产线。,节能（标煤）1500万吨 节电 130亿度减少石灰石用量 6000万吨 节地 8000亩利用固体废弃物 2.05亿吨 节陶土 1000万吨减少CO2 排放 7000万吨 减少NOx 等20万吨综合节能25%以上!,项目成果按产量计应用二分之一（其中新型墙体材料替代20%的粘土砖）,每年产生节能减排效果：,发展高新技术，转变增长方式化工行业节能减排的技术途径,由多个反应和分离过程组合而成,工艺过程,行业规模居世界第三位，产品种类繁多、齐全，但96是中小企业，工艺技术落后，高能耗，高污染问题严重,行业特点,原料,纯化分离过程,化学反应过程,产物分离过程,产品,“

44、三废”,三废处理,排放,过程能耗：反应过程占3040，分离过程占6070“三废源”：100由反应过程产生过程核心：反应过程,化工反应过程强化技术 化工分离过程强化技术,“节能减排”关键技术,从“末端治理”扩展到“源头”，从企业内扩展到企业外,分析手段：物流分析产品生命周期分析,绿色化学的方向,1、无毒、无害的原料2、在无毒、无害的反应条件下进行3、原子经济性“4、产品应是环境友好的5、“闭路循环”之路,常用的许多化学、化工原料，如：氰氢酸、丙烯氰、甲醛、环氧乙烷、光气、卤代芳烃、稠环芳烃等都具有毒性，对环境有很大的危害。清洁原料的战略任务是用生物质作化工原料。,1、无毒、无害的原料,在代替剧毒

45、的光气作原料生产有机化工原料方面。Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术关于代替剧毒氢氰酸原料，Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发。经过催化蜕氢，开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺，改变了过去的拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。并因此获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。,石油与煤：早期人类主要利用植物等生物质，如用植物染料染布，从植物中提取 药用成分。但150年前人类发现了煤、石油等化石 类原料，并致力于开发利用这些原料。目 前石油化工和煤化工已成为各国的基础产业。然而石油和煤资源有限，在利用过程中 还产生污染，其缺点

46、已逐渐突现出来。因此迫切需要寻找新的、清洁的原料，在这些 新原料中，最引起人们注意的是生物质。,绿色植物通过光合作用直接产生或间接衍生的所有物质即为生物质。,如：植物，地球上储量约2亿亿吨，年再生速度1640吨。其主要成分为：淀粉（由葡萄糖经a-1,4化学键相连）和纤维素（由葡萄糖经b-1,4化学键相连）。,生物质中最值得利用的是木质纤维素，其优点是（1）由可降解的葡萄糖组成；（2）生物圈中最丰富的有机物。然而在实际应用时却遇到许多困难，其应用中的主要难点为：（1）多处于结晶态；（2）采用b-1,4化学键；（3）与木质素连结在一起。,生物质,利用可再生资源生产大宗有机化工产品方兴未艾,以植物为

47、主的生物质资源是一个可再生的巨大资源宝库，利用可再生资源可以消除污染，用之不竭，实现可持续发展开发生物催化技术是关键,国外生物技术生产大宗化工产品已取得突破,Du Pont和 Genecor International等合作建成由玉米生产1，3丙二醇(PDO)装置，成本比化学法低15 CargillDOW公司正在建设一个14万t/a的聚乳酸工厂，用于生产塑料、纤维 Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯开始来制取作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。另外,Gfoss首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。具优越性在于聚合物

48、原料单体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合方法Gross的聚合物还具有生物降解功能,从生物质原料所制产品的目标,美国国家研究委员会（National Research Council),利用可再生资源生产大宗有机化工产品的研究,可再生植物原料中现在使用的葡萄糖，正在开发低成本的蔗糖，最后使用木质素纤维生物催化、化学法的组合组织多学科合作，加强研究,2、在无毒、无害的反应条件下进行,挥发性有机溶剂有广泛用途涂料和油漆的溶剂泡沫塑料的发泡剂微电子器件等的精密清洗服装干洗的清洗剂化工生产过程中作为溶剂挥发性有机溶剂对环境的危害形成光化学烟雾引起和加剧多种呼吸系统疾病，增加癌症发病率导致谷物

49、减产、橡胶硬化等，每年造成大量损失二氟二氯甲烷等破坏地球大气中的臭氧层,*无溶剂反应：从理论上讲，无溶剂，则不会有溶剂的毒害。然而许多反应需要溶剂参与传热或传质等，无溶剂对反应非常不利。*以水为溶剂：水对环境无害。但有些反应物不溶于水，且废弃的水会对人类生活产生影响。况且，人类面临淡水供给危机，这种做法无异于雪上加霜。*以超临界流体为溶剂：这是非常有前途的方法，如采用超临界二氧化碳，可溶解多种反应物，并能促进许多反应的发生。超临界二氧化碳具有无毒，不可燃，价廉等优点，已得到了广泛应用。,用无毒无害的溶剂：,研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂，但由

50、于其溶解度有限，限制了它的应用，而且还要注意废水是否会造成污染。在有机溶剂/水相界面反应中。一般采用毒性较小的溶剂(甲苯)代替原有毒性较大的溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、醋酸等。采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向，如用微波来促进固、固相有机反应。,超临界二氧化碳溶剂的优点,二氧化碳在常温下是气体，无色、无味、不燃烧、化学性质稳定不会形成光化学烟雾，也不会破坏臭氧层来源丰富，价格低廉超临界二氧化碳可很好地溶解一般有机化合物,超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度。因而有常规液态溶剂的溶解度;在相