1、化工过程设计概论第第7 7章章 化工化工过程分析过程分析,安全工程安全工程与与生态生态工业工业系统系统化工过程设计概论第第7 7章章 化工化工过程分析过程分析,安全工程与安全工程与生态工业系统生态工业系统 第一节第一节 系统可靠性与可靠度分析系统可靠性与可靠度分析 第二节第二节 安全性与损失的预防安全性与损失的预防 第第三三节节 风险性分析与评估风险性分析与评估 第四节第四节 工业系统安全工程工业系统安全工程 第五节第五节 化工厂安全设计概述化工厂安全设计概述 第六节第六节 单元操作的绿色环保措施单元操作的绿色环保措施 第七节第七节 工业生态系统工业生态系统 第八节第八节 产品生命周期分析与评
2、价产品生命周期分析与评价化工过程设计概论第七节第七节 工业生态系统工业生态系统化工过程设计概论工业生态系统工业生态系统 序：序：工业生工业生态态学学中的中的化工生产中的物料流化工生产中的物料流 化学生产工业是由彼此关联的过程组成的复杂网化学生产工业是由彼此关联的过程组成的复杂网络。络。一个独立的过程必须依靠其他化学品生产过一个独立的过程必须依靠其他化学品生产过程提供原材料或应用其产品。以生产苯乙烯为例程提供原材料或应用其产品。以生产苯乙烯为例，苯乙烯的生产以其他过程生产的乙烯和苯作为，苯乙烯的生产以其他过程生产的乙烯和苯作为原料。苯乙烯并不是作为消费产品销售，而是作原料。苯乙烯并不是作为消费产
3、品销售，而是作为聚苯乙烯生产的原材料。为聚苯乙烯生产的原材料。事实上，事实上，大部分化学品生产过程并不唯一，这更大部分化学品生产过程并不唯一，这更增加了复杂性。通常有多种路径可以生产产品增加了复杂性。通常有多种路径可以生产产品。化工过程设计概论化工合成中存在多种合成路径化工合成中存在多种合成路径 作为化工合成中存在多种合成路径的一个作为化工合成中存在多种合成路径的一个相对简单的例子，再来分析苯乙烯。相对简单的例子，再来分析苯乙烯。苯乙苯乙烯由乙烯和苯生产，但是乙烯的来源可能烯由乙烯和苯生产，但是乙烯的来源可能是石脑油或炼厂气是石脑油或炼厂气；苯可能由以下途径制苯可能由以下途径制得：环己烷脱氢、
4、甲苯的脱烷基化、或从得：环己烷脱氢、甲苯的脱烷基化、或从原油中分离而来。原油中分离而来。这些选择提供了由原料到苯乙烯的多种合这些选择提供了由原料到苯乙烯的多种合成路径，每一条路径都涉及到原料需求、成路径，每一条路径都涉及到原料需求、能量需求、用水、排放及废物产生量。能量需求、用水、排放及废物产生量。化工过程设计概论选择环境最友好和最经济的路线选择环境最友好和最经济的路线 选择环境最友好和最经济的路线是一件困选择环境最友好和最经济的路线是一件困难的事情。考虑整个化学品供应链时则更难的事情。考虑整个化学品供应链时则更加困难。加困难。例如，在甲醇生产中，甲醇用一氧化碳制例如，在甲醇生产中，甲醇用一氧
5、化碳制得。一氧化碳由另一过程的现有废物部分氧得。一氧化碳由另一过程的现有废物部分氧化制得。另一方面，把化制得。另一方面，把COCO转变成甲醇需要能转变成甲醇需要能量密集型原料量密集型原料H H2 2。评价一个化学品生产的环境特征应当考察评价一个化学品生产的环境特征应当考察整个化学品的原料供应链，但是实际检验这整个化学品的原料供应链，但是实际检验这些供应链需要化学生产工业物质流的综合、些供应链需要化学生产工业物质流的综合、集成模型。集成模型。化工过程设计概论“工业生态学工业生态学”“工业生态学工业生态学”这个词语唤起了很多的想象和强烈的反映这个词语唤起了很多的想象和强烈的反映，积极的和消极的兼而
6、有之。，积极的和消极的兼而有之。对于有些人，这个短语会引起对模拟大自然生态系统的质对于有些人，这个短语会引起对模拟大自然生态系统的质量守恒特性的工业系统的想象，自然生态系统和工业体系量守恒特性的工业系统的想象，自然生态系统和工业体系的演变发展有许多类似之处。的演变发展有许多类似之处。数十亿年前，地球的生命消耗着这颗行星的物质储备并改数十亿年前，地球的生命消耗着这颗行星的物质储备并改变了大气的组成。我们的自然生态系统朝着复杂的质量平变了大气的组成。我们的自然生态系统朝着复杂的质量平衡网络缓慢进化，直到目前的状况。衡网络缓慢进化，直到目前的状况。我们的工业体系能以同样的方式更快地演变发展吗？这些我
7、们的工业体系能以同样的方式更快地演变发展吗？这些是有趣的想象和具有诱惑力的设想。但是，工业生态学仅是有趣的想象和具有诱惑力的设想。但是，工业生态学仅仅是这些构想的比喻吗？有任何工程物质会出现在工业生仅是这些构想的比喻吗？有任何工程物质会出现在工业生态学领域吗？态学领域吗？化工过程设计概论“工业生态学工业生态学”工业生态学不仅是一个比喻，也是工程师们能做出工业生态学不仅是一个比喻，也是工程师们能做出重大贡献的一个领域重大贡献的一个领域。工业生态学的核心是如何再。工业生态学的核心是如何再利用或者用化学方法改变和回收利用废物，将废物利用或者用化学方法改变和回收利用废物，将废物转化为原料。化学工程师已
8、经实践了数十年，化学转化为原料。化学工程师已经实践了数十年，化学工业的历史也提供了许多废物再利用的例子。工业的历史也提供了许多废物再利用的例子。尽管尽管目前化工厂已提出了许多工业生态学应用实践的优目前化工厂已提出了许多工业生态学应用实践的优秀案例（紧密的网络和高效的过程），但仍有待深秀案例（紧密的网络和高效的过程），但仍有待深入研究。入研究。因为因为化工厂内部集成，化学品生产与其他工业部们化工厂内部集成，化学品生产与其他工业部们之间、化学品生产商与消费者之间的一体化程度之间、化学品生产商与消费者之间的一体化程度还还相相对地对地低低。化工过程设计概论工程师可进行集成设计工程师可进行集成设计 工程
9、师可进行集成设计，工程师可进行集成设计，例如电厂与炼油例如电厂与炼油厂之间的热集成，或半导体与商品原料生厂之间的热集成，或半导体与商品原料生产之间水的集成。目的是创造更为紧凑、产之间水的集成。目的是创造更为紧凑、高效的网络过程高效的网络过程构建一个工业生态系构建一个工业生态系统统。现阶段并非所有达到目标所用的方法。现阶段并非所有达到目标所用的方法都是可行的，都是可行的，但是但是夲教材只夲教材只开始描述基本开始描述基本的概念，并建议了几类方法的概念，并建议了几类方法，以备下一代以备下一代工程师使用。工程师使用。化工过程设计概论以下分二个层次介绍工业生态系统以下分二个层次介绍工业生态系统:一、化工
10、内部工业生态系统及其集成网络一、化工内部工业生态系统及其集成网络的建立的建立（产业内部子系统过程集成网络产业内部子系统过程集成网络）;二、二、高级工业生态系统高级工业生态系统（即生态工业园区即生态工业园区不同产业间的大系统不同产业间的大系统）集成网络的建立的集成网络的建立的案例与基本方法。案例与基本方法。工业生态系统工业生态系统化工过程设计概论一、化工内部工业生态系统及其集成网络的建立一、化工内部工业生态系统及其集成网络的建立（产业内部（产业内部子系统过程集成子系统过程集成网络）网络）现以氯元素利用高效化为例现以氯元素利用高效化为例，说明如何按原子经济性（或资说明如何按原子经济性（或资源节约型
11、）准则，去确定化工产业内部生态系统的过程集成源节约型）准则，去确定化工产业内部生态系统的过程集成的方法。的方法。首先由一个典型的首先由一个典型的氯元素的循环利用氯元素的循环利用案例案例以氯以氯乙烯的生产开始讨论研究。乙烯的生产开始讨论研究。（一（一).由简单过程集成达到提高氯原子的应用效率的事例由简单过程集成达到提高氯原子的应用效率的事例 目前每年需生产目前每年需生产数十亿磅的氯乙烯数十亿磅的氯乙烯，大约一半的产，大约一半的产品是通过乙烯的直接氯化产生的。品是通过乙烯的直接氯化产生的。乙烯与氯分子反应生成二乙烯与氯分子反应生成二氯乙烯（氯乙烯（EDCEDC），），EDCEDC再热解，生成氯乙烯
12、和盐酸再热解，生成氯乙烯和盐酸。化工过程设计概论典型的典型的氯元素的循环利用案例氯元素的循环利用案例首先以首先以氯乙烯的生产开始讨论研究。氯乙烯的生产开始讨论研究。在这个合成路线中，在这个合成路线中，每生成每生成1mol的氯乙烯，便的氯乙烯，便有有1mol盐酸生成盐酸生成。也就是说，。也就是说，单由这工艺生产单由这工艺生产氯乙烯，氯乙烯，约有一半最初的氯反应后，没有进入约有一半最初的氯反应后，没有进入期望的产品中，而是在废酸中。期望的产品中，而是在废酸中。ClH2C-CH2ClCl2+H2C=CH2ClH2C-CH2ClH2C=CHCl+HCl化工过程设计概论典型的典型的氯元素的循环利用案例氯
13、元素的循环利用案例首先以首先以氯乙烯的生产开始氯乙烯的生产开始 讨论研究。讨论研究。通过上述这二个反应途径集成通过上述这二个反应途径集成，废盐酸被作为原料加以废盐酸被作为原料加以利用，达到了所有的氯分子均被利用利用，达到了所有的氯分子均被利用，与乙烯结合生成与乙烯结合生成了氯乙烯。这两个工序的集成得到了乙烯生产的有效设了氯乙烯。这两个工序的集成得到了乙烯生产的有效设计方案。计方案。如果将乙烯的直接氯化过程中得到的如果将乙烯的直接氯化过程中得到的废盐酸作为乙烯氧废盐酸作为乙烯氧氯化的原料氯化的原料，继续进入第二个工艺中，盐酸、乙烯和氧继续进入第二个工艺中，盐酸、乙烯和氧气一起气一起又生成氯乙烯又
14、生成氯乙烯。HClHCl+H+H2 2C=CHC=CH2 2+0.5O0.5O2 2H H2 2C=CHCl+HC=CHCl+H2 2O O化工过程设计概论直接氯化直接氯化ClCl2 2+H+H2 2C=CHC=CH2 2ClHClH2 2C CCHCH2 2ClClClHClH2 2C CCHCH2 2Cl HCl H2 2C=CHCl+HClC=CHCl+HCl氧氯化氧氯化HCl+HCl+H H2 2C=CHC=CH2 2 +0.5O 0.5O2 2 H H2 2C=CHCl+HC=CHCl+H2 2O O乙乙烯烯乙乙烯烯H H2 2C=CHClC=CHClH H2 2C=CHClC=CH
15、ClHClHClClCl2 2图图.乙烯直接氯化的乙烯直接氯化的副产物氯化氢副产物氯化氢可作为可作为氧氯化反应氧氯化反应的原料；的原料；将两过程耦合操作可高效使用氯将两过程耦合操作可高效使用氯 (没有废酸没有废酸,清洁生产清洁生产)0.5O20.5O2化工过程设计概论通过将几个通过将几个异氰酸酯生产过程结合到氯乙烯生产网络中异氰酸酯生产过程结合到氯乙烯生产网络中，形成了更为广泛的氯元素高效利用网络的案例形成了更为广泛的氯元素高效利用网络的案例 在异氰酸酯生产在异氰酸酯生产中，氯分子与一氧化碳中，氯分子与一氧化碳反应生成碳酰氯（反应生成碳酰氯（光气光气），），RNHRNH2 2+COCl+COC
16、l2 2CO+ClCO+Cl2 2n然后，然后，光气与胺类反应生成异氰酸酯光气与胺类反应生成异氰酸酯，同时同时生成盐酸生成盐酸：COClCOCl2 2RNCORNCO+2HCl2HCl化工过程设计概论 异氰酸酯异氰酸酯常用于氨基甲酸乙酯的生产，常用于氨基甲酸乙酯的生产，盐酸可以盐酸可以循环利用。循环利用。异氰酸酯工序反应的关键特征是在于异氰酸酯工序反应的关键特征是在于氯并未出现在最终产物氯并未出现在最终产物中。中。因此，氯可以无消耗地经历整个系统，因此，氯可以无消耗地经历整个系统，氯气转变氯气转变为盐酸，又可继续转化为含有氯的最终产品如氯为盐酸，又可继续转化为含有氯的最终产品如氯乙烯。乙烯。这
17、样类似的一个含异氰酸酯和氯乙烯的氯这样类似的一个含异氰酸酯和氯乙烯的氯化氢生产网络已经在美国的墨西哥湾地区建立起化氢生产网络已经在美国的墨西哥湾地区建立起来，来，这个网络如图所示。这个网络如图所示。（二（二)、氯乙烯氯乙烯与异氰酸酯与异氰酸酯联合生产过程联合生产过程中氯的利中氯的利用用化工过程设计概论图图 氯乙烯氯乙烯与与异氰酸酯联合生产过程中氯的利用异氰酸酯联合生产过程中氯的利用 （McCoyMcCoy，19981998）Vulcan/MitsuVulcan/Mitsui iBASFBASFRubiconRubiconBordenBordenPioneerPioneerGreat Lakes
18、Great Lakes产品：异氰酸酯产品：异氰酸酯产品：二氯乙烯产品：二氯乙烯产品：氯乙烯产品：氯乙烯产品：氯化钙产品：氯化钙产品：异氰酸酯产品：异氰酸酯ClCl2 2HClHClClCl2 2ClCl2 2ClCl2 2ClCl2 2HClHClHClHClHClHCl化工过程设计概论（二）氯乙烯（二）氯乙烯与异氰酸酯与异氰酸酯联合生产过程联合生产过程中氯的利用中氯的利用 氯气由氯气由PioneerPioneer和和Vulcan MitsuiVulcan Mitsui生产生产，它被送到直接氯化和异氰酸酯生产两个它被送到直接氯化和异氰酸酯生产两个工序中，工序中，副产物盐酸被送到氧氯化工序副产物
19、盐酸被送到氧氯化工序或氯化钙生产工序中或氯化钙生产工序中。该网络没有过剩。该网络没有过剩的氯气流，的氯气流，因为大多数生产工序依赖于因为大多数生产工序依赖于氯分子或氯化氢氯分子或氯化氢。化工过程设计概论（三）、对氯元素（三）、对氯元素的利用构建更为的利用构建更为复杂的过复杂的过程集成网络程集成网络氯气可用于生产许多不含氯元素的产品氯气可用于生产许多不含氯元素的产品,如如表和图所示亦给出了表和图所示亦给出了这些过程与生产这些过程与生产氯氯化物产品化物产品的过程相结合，可构成网络的潜的过程相结合，可构成网络的潜力大小顺序力大小顺序 化工过程设计概论产品产品合成路径合成路径每磅产品消耗的氯每磅产品消
20、耗的氯化物中间体的量化物中间体的量（lb）丙三醇丙三醇环氧氯丙烷水解环氧氯丙烷水解4.3环氧树脂环氧树脂由烯丙基氯的氯醇化得环氧氯由烯丙基氯的氯醇化得环氧氯丙烷，再与双酚丙烷，再与双酚A发生反应发生反应2.3甲苯二异氰酸酯甲苯二异氰酸酯甲苯二胺与光气反应甲苯二胺与光气反应2.2苯胺苯胺经苯氯化反应得氯苯，再与氨经苯氯化反应得氯苯，再与氨反应反应2.2苯酚苯酚由苯氯化得到氯苯，再发生脱由苯氯化得到氯苯，再发生脱除氯化氢的反应除氯化氢的反应2.1亚甲基亚甲基,联亚苯联亚苯基二异氰酸酯基二异氰酸酯光气与苯胺反应（苯胺是经氯光气与苯胺反应（苯胺是经氯化物中间体制备的）化物中间体制备的）1.5环氧丙烷环
21、氧丙烷丙烯的氯化水合反应丙烯的氯化水合反应1.46表表 使用使用氯气氯气生产生产不含氯化学品不含氯化学品的过程的过程 （ChangChang，19961996）化工过程设计概论消耗盐酸的过程消耗盐酸的过程生产盐酸的过程生产盐酸的过程由甲苯氯氧化制氯苯由甲苯氯氧化制氯苯丁二烯氯化制己二腈丁二烯氯化制己二腈由乙炔双聚制氯丁二烯由乙炔双聚制氯丁二烯甲苯氯化制苯甲酸甲苯氯化制苯甲酸乙醇氢氯化反应制乙基氯乙醇氢氯化反应制乙基氯甲烷氯化制四氯化碳甲烷氯化制四氯化碳环氧氯丙烷水解制甘油环氧氯丙烷水解制甘油一氯甲烷氯化制氯仿一氯甲烷氯化制氯仿甲醇氢氯化制甲基氯甲醇氢氯化制甲基氯乙醇氯化制乙基氯乙醇氯化制乙基氯
22、二氯乙烯氯氧化制全氯乙烯二氯乙烯氯氧化制全氯乙烯甲烷氯化制一氯甲烷甲烷氯化制一氯甲烷二氯乙烯氯化制全氯乙烯二氯乙烯氯化制全氯乙烯二氯乙烯氯氧化制三氯乙烯二氯乙烯氯氧化制三氯乙烯氯苯脱氢氯化生成苯酚氯苯脱氢氯化生成苯酚二氯乙烯氯化制三氯乙烯二氯乙烯氯化制三氯乙烯表表9.14 9.14 生产和消耗盐酸的过程列表生产和消耗盐酸的过程列表（这些在判别物质交换网络时是有用的）（这些在判别物质交换网络时是有用的）化工过程设计概论（三）、（三）、对氯元素对氯元素的利用构建更为的利用构建更为复杂的过复杂的过程集成网络程集成网络 分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构建分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构
23、建网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集成生产过程中的使用效率与重要性成生产过程中的使用效率与重要性。为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的效率为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的效率与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下一页一页图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利用分布汇总图用分布汇总图 (Francis,2000)(Francis,2000)，这些数据说明大这些数据说明大约有约有1/31/3的氯最后进入了废物中的氯最后进入了废物中。那么如何提升氯原子利用率呢
24、那么如何提升氯原子利用率呢？如果利用图中所如果利用图中所示的网络过程示的网络过程，进一步建立过程集成的新网络进一步建立过程集成的新网络，就可以减少总的耗氯量。就可以减少总的耗氯量。化工过程设计概论（三）（三）对氯元素对氯元素的利用构建更为的利用构建更为复杂的过程复杂的过程集成网络集成网络 分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构建分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构建网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集成生产过程中的使用效率与重要性成生产过程中的使用效率与重要性。为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的效率为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的
25、效率与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下一页一页图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利用分布汇总图用分布汇总图 (Francis,2000)(Francis,2000)，这些数据说明大这些数据说明大约有约有1/31/3的氯最后进入了废物中的氯最后进入了废物中。那么如何提升氯原子利用率呢那么如何提升氯原子利用率呢？如果利用图中所如果利用图中所示的网络过程示的网络过程，进一步建立过程集成的新网络进一步建立过程集成的新网络，就可以减少总的耗氯量。就可以减少总的耗氯量。化工过程设计概论生产氯气生产氯气和氯化氢和氯化氢
26、的过程的过程化工过程化工过程产品产品副 产 物副 产 物和 废 物和 废 物处理处理废物废物(主要主要为为NaClNaCl）NaClNaCl资源资源100%100%4545323255552323图图 欧洲化学工业中的欧洲化学工业中的氯利用分布汇总氯利用分布汇总 (Francis,2000)(Francis,2000)化工过程设计概论（三）（三）对氯元素对氯元素的利用构建更为的利用构建更为复杂的过程复杂的过程集成网络集成网络 但是应选择性那一过程进行集成呢？但是应选择性那一过程进行集成呢？也就是说那一系也就是说那一系统集成更具有技术经济指标的吸引力呢？统集成更具有技术经济指标的吸引力呢？还要取
27、决于还要取决于其原料及产品的市场走势和其他社会经济因素。其原料及产品的市场走势和其他社会经济因素。仍以氯元素在化工中应用为例，还可应用不采用包括仍以氯元素在化工中应用为例，还可应用不采用包括HClHCl和和Cl2Cl2的复杂网络，应用另一种综合物质流模型评的复杂网络，应用另一种综合物质流模型评估新的工艺估新的工艺（Chang&Allen,1997Chang&Allen,1997）,优先选用将废优先选用将废弃弃HClHCl转化为转化为Cl2Cl2的途径。的途径。表表9.159.15中列出了一些推荐过程中列出了一些推荐过程。这些过程。这些过程如果比循环如果比循环利用副产品利用副产品HClHCl的网
28、络占优势的网络占优势时亦可采纳。时亦可采纳。化工过程设计概论工艺说明工艺说明HCl电解制氯电解制氯 （Ker-Chtor过程）过程）HCl氧化制氯气氧化制氯气 （CuCl2催化）催化）HCl氧化制氯气氧化制氯气 （HNO3催化）催化）表表 减少消耗氯的化工生产过程减少消耗氯的化工生产过程化工过程设计概论二、生态工业园区二、生态工业园区及其及其大系统过程集成大系统过程集成 生态工业园生态工业园是依据是依据循环经济理念循环经济理念和和工业生态学原工业生态学原理理而设计建立的而设计建立的一种区域型新型工业组织形式一种区域型新型工业组织形式，通过，通过模拟自然系统模拟自然系统建立产业系统中建立产业系统
29、中“生产者生产者消费者消费者分解者分解者”的循环途经的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用能量多级利用。即生态园内企业即生态园内企业模拟模拟自然界生态系统，自然界生态系统，相互之间相互之间存在存在协同和共生关系，协同和共生关系，将最大限度地将最大限度地充分利用资源和充分利用资源和减少减少负面环境影响，最后负面环境影响，最后达到工业可持续发展达到工业可持续发展的目标。的目标。化工过程设计概论工业生态系统应工业生态系统应在三个层面在三个层面，分别运用，分别运用3R3R原则实现物流、能流、原则实现物流、能流、信息流与资金流集成与管理。信息流与资金流集成与管理。按照循
30、环经济的基本框架，工业生态系统应在三个层面，按照循环经济的基本框架，工业生态系统应在三个层面，分别运用分别运用3R3R原则实现三个层面的物流、能流、信息流与资原则实现三个层面的物流、能流、信息流与资金流金流集成集成与管理。与管理。在化工产业层面上：在化工产业层面上：1.1.应根据生态效率的理念，推行清洁应根据生态效率的理念，推行清洁生产，减少产品生产和服务中的物料和能源使用量生产，减少产品生产和服务中的物料和能源使用量；2.2.减减少有毒物质的排放；少有毒物质的排放；3 3.加强物质循环使用的能力；加强物质循环使用的能力；4.4.最大最大限度利用可再生资源；限度利用可再生资源；5 5.实现污染
31、物排放的最小实现污染物排放的最小。在区域层面上在区域层面上：应按照工业生态学原理，通过企业间的物：应按照工业生态学原理，通过企业间的物质集成、能量集成、和信息集成，形成企业间的工业代谢质集成、能量集成、和信息集成，形成企业间的工业代谢和共生关系，建立工业生态园区。和共生关系，建立工业生态园区。这样才能在社会层面上实现消费过程中和消费过程后的物这样才能在社会层面上实现消费过程中和消费过程后的物质和能量的循环，以达到可持续发展的目标。质和能量的循环，以达到可持续发展的目标。化工过程设计概论 2121世纪可持续发展世纪可持续发展的系统与园区的模的系统与园区的模式是生态工业系统与生态工业园区。式是生态
32、工业系统与生态工业园区。应应用系统工程的方法，去分析、研究、设用系统工程的方法，去分析、研究、设计与规划化工园区大系统中的基本流：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，物流、能量流、资金流与信息流，以达以达到环境友好、资源、能源与资金最优化到环境友好、资源、能源与资金最优化利用目标。利用目标。-生态工业园区生态工业园区生态工业园区生态工业园区化工过程设计概论2.1 2.1 生态工业园区周密的总体规划生态工业园区周密的总体规划三、生态工业园区三、生态工业园区与与可持续发展可持续发展 生态工业园区生态工业园区 目目 的的 ：可持续发展：可持续发展 长远目标长远目标 ：原子
33、经济性：原子经济性 零排放零排放 (资源节约型资源节约型循环经济循环经济;环境友好型环境友好型 )科学技术依托科学技术依托绿色化学与化工绿色化学与化工（高效、无毒、环（高效、无毒、环境保护境保护）评估指标：绿色评估指标：绿色GDP GDP 技术经济指标（技术经济指标（资源利用效率；能源利用效率资源利用效率；能源利用效率）环保指标（环保指标（排放指标；安全指标排放指标；安全指标）化工过程设计概论生态工业生态工业园区生态工业模式园区生态工业模式-生态工业群生态工业群原子经济性原子经济性 +零排放零排放循环经济循环经济 +环境友好环境友好1 12 23 34 45 56 6生态工业园区为生态工业园区
34、为大系统大系统（网网），生态工业群（），生态工业群（链链）为工业园区）为工业园区的的一级子系统一级子系统，企业为，企业为二级子系统二级子系统（点点）。化工过程设计概论 强调宏观调控，周密总体规划强调宏观调控，周密总体规划 工业园区大系统优化工业园区大系统优化 ：点点链链网式网式 多目标优化多目标优化 v 物流物流:企业内、企业间、企业内、企业间、全园区全园区 物料流物料流产品流产品流 链网式组合优化链网式组合优化(含交通网含交通网)v 能流能流:企业内、企业间、全园区企业内、企业间、全园区能流交换网络组合优化能流交换网络组合优化v 资金流资金流:企业内、企业间、企业内、企业间、全园区的全园区的
35、链网式组合优化链网式组合优化v 信息流信息流:上游与下游信息分析，指导统一规划与调度上游与下游信息分析，指导统一规划与调度 （含上下水网，（含上下水网，电站电网，三废处理，公用工程等）电站电网，三废处理，公用工程等）生态工业园区生态工业园区与与现代现代化工过程系统工程化工过程系统工程化工过程设计概论丹麦的卡伦堡丹麦的卡伦堡(Kalunborg)(Kalunborg)生态工业园区生态工业园区 迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态工业园区是丹麦的卡伦堡工业园区是丹麦的卡伦堡(Kalunborg)(Kalunborg)生态生态工业园区，该园区以工业园区，该园区以一
36、个炼油厂、一个硫酸厂、一个炼油厂、一个硫酸厂、一个制药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一一个制药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一个石膏板厂个石膏板厂组成了一个组成了一个工业网为核心工业网为核心，其它成，其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场，员包括农场、大棚养殖、养鱼场，通过贸易方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生产原料，建立工业园区代谢生态链关系，它，它们彼此交换能量和物质流。如图所示们彼此交换能量和物质流。如图所示:化工过程设计概论丹麦丹麦 Kalundborg Kalundborg 生态工业园区的工业
37、网络图生态工业园区的工业网络图养鱼场养鱼场4 4、石膏壁板厂石膏壁板厂街区供热街区供热 5.5.土壤修复公土壤修复公司司水泥和铺路水泥和铺路农厂农厂硫硫淤泥肥料淤泥肥料粉煤灰粉煤灰废热废热淡水湖泊淡水湖泊3 3.制药厂制药厂硫酸厂硫酸厂2 2.炼油厂炼油厂温室养殖温室养殖1.1.燃煤火力燃煤火力发电厂发电厂废热废热硫酸钙硫酸钙废热废热烟气烟气冷却水冷却水蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽水水农产品农产品化工过程设计概论1 1、Asnaes Asnaes 燃煤火力发电厂燃煤火力发电厂是丹麦最大的火力发电厂是丹麦最大的火力发电厂，有，有300300名员工，最名员工，最初为燃油发电，初为燃油发电，现改为燃煤现改为燃煤
38、，发电能力为，发电能力为137.2137.2万万kWkW。它不仅为当地。它不仅为当地供电供电，而且为而且为丹麦东部的高压电网供电丹麦东部的高压电网供电，供电量约占其二分之一供电量约占其二分之一。2 2、Statoil Statoil 炼油厂是炼油厂是丹麦最大的炼油厂丹麦最大的炼油厂，员工，员工290290人，人，年耗原油年耗原油520520万吨万吨，产量超过产量超过250250万吨万吨。3 3、Novo Nordisk Novo Nordisk 制药和工业酶加工厂制药和工业酶加工厂是丹麦是丹麦最大的生物工程公司最大的生物工程公司的的分分厂厂，员工，员工19001900人，该厂是人，该厂是世界驰
39、名的药厂，生产胰岛素、酶和盘尼西林世界驰名的药厂，生产胰岛素、酶和盘尼西林等产品，等产品，原料来源于农产品原料来源于农产品，经过，经过微生物发酵加工微生物发酵加工最终最终生产出药物生产出药物。4 4、Gyproc Gyproc 石膏板材厂是石膏板材厂是瑞典的瑞典的一家公司一家公司，有，有180180名员工，名员工，年产年产14001400万万m m2 2石膏建筑板材石膏建筑板材。KalundborgKalundborg共生体系中主要有共生体系中主要有5 5家企业，及政府社区：家企业，及政府社区：化工过程设计概论5 5、A/B Bioteknisk JordrensA/B Bioteknisk
40、Jordrens土壤修复公司土壤修复公司，成立于，成立于19861986年，只有年，只有3535名雇员，名雇员，主要进行主要进行多环芳烃和重金属污染多环芳烃和重金属污染土土壤壤的修复的修复，拥有四套处理设施拥有四套处理设施，年处理量年处理量3030万吨万吨。6.6.这这 5 5个个 主要企业主要企业和市政府相互间和市政府相互间的的距离距离不超过数百米不超过数百米，由专门的管道体系由专门的管道体系连接连接在一起。在一起。在这些家在这些家成员成员之间，通之间，通过过市场经济方式市场经济方式利用对方利用对方生产过程中产生的废弃物或副生产过程中产生的废弃物或副产品产品，作为自己生产中的，作为自己生产中
41、的原料原料，或部分，或部分替代原来使用的替代原来使用的原材料原材料。KalundborgKalundborg共生体系中主要有共生体系中主要有5 5家企业，及政府社区：家企业，及政府社区：化工过程设计概论丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区 其其(1)(1).燃煤电厂位于这个工业生态系统的中心，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，对热能进行了多级使用，对副产品和废物进行了综合利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生的蒸汽，使炼油厂和
42、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，由此关闭了镇上关闭了镇上35003500个燃烧油个燃烧油渣的炉子，减少了大量的烟尘排放渣的炉子，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。同时，还将料煤灰出售，供铺路和生产水泥之用。用。其其(2).(2).炼油厂和制药厂也进行了综合利用炼油厂和制药厂也进行了综合利用。药厂处理的淤泥被送到附近。药厂处理的淤泥被送到附近的农场作
43、为肥料。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。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。供给附近的一家硫酸厂；炼油厂的脱硫气则供给电厂燃烧。化工过程设计概论丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区 其其(3)3).卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环利用卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环利用。炼油炼油厂的废水通过生物净化处理厂的废水通过生物净化处理，通过管道向发电厂输送
44、，通过管道向发电厂输送，每年输送电厂每年输送电厂7070万万立方米的冷却水立方米的冷却水。整个工业园区由干进行水的循环使用，每年减少整个工业园区由干进行水的循环使用，每年减少25%25%的需的需水量。水量。最终最终实现了园区的实现了园区的“污染零排放污染零排放”。生态园的发展己经历了生态园的发展己经历了3030余年余年，其原料和能源交换的范围仍在继其原料和能源交换的范围仍在继续扩大优化。续扩大优化。通过各个通过各个成员间的物质和能量交换，成员间的物质和能量交换，实现了实现了物质的部分循环物质的部分循环和和能源的逐级利用，能源的逐级利用，获得了获得了良好的经济良好的经济和和环境效益环境效益。化工
45、过程设计概论分析分析KaluindboryKaluindbory的物质和能量的交换，发现的物质和能量的交换，发现4 4个有趣的特征个有趣的特征：1.1.这种这种能量交换能量交换有更显著有更显著的能效的能效 电厂发电过程产生的废热和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。如果能找到供热系统进行利用。如果能找到废蒸汽废蒸汽的利用市场，那么的利用市场，那么90%90%以上的从工厂以上的从工厂燃煤产生的热量能够被利用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唯一的损失便是烟囱排气所损失的能量。与此与此相比相
46、比，典型的美国煤典型的美国煤-火力发电厂火力发电厂利用燃煤产生的热量效率约仅为利用燃煤产生的热量效率约仅为40%40%。2.2.物料和能量交换物料和能量交换能为能为参与者参与者提供提供经济效益经济效益 在某些情况下，例如在某些情况下，例如电厂把硫酸钙卖给石膏板生产厂电厂把硫酸钙卖给石膏板生产厂，直接的经济效益并，直接的经济效益并不能完全收回成本不能完全收回成本,此时的交换是由相应的法规驱动此时的交换是由相应的法规驱动的（比如需要净化电厂的（比如需要净化电厂烟囱尾气以除去烟囱尾气以除去SOSO2 2）,这些交换可避免废物掩埋或处理洗涤器废物的其他方这些交换可避免废物掩埋或处理洗涤器废物的其他方式
47、，故而使成本降低。式，故而使成本降低。而在其他情况下，而在其他情况下，例如炼油厂使用电厂的废热，这些例如炼油厂使用电厂的废热，这些交换是自给自足的。交换是自给自足的。化工过程设计概论卡伦堡卡伦堡(Kalunborg)(Kalunborg)生态工业园区生态工业园区 丹麦丹麦 kalundborgkalundborg工业共生体是生态工业园（工业共生体是生态工业园（EIPEIP）的先驱）的先驱。19701970年开始这种工业共生体的探索年开始这种工业共生体的探索.该园区该园区以五个产业以五个产业组成了一个组成了一个工业网为核心，工业网为核心，其它成员包括农场、大棚养其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场
48、，殖、养鱼场，通过贸易方式把通过贸易方式把其它企业的其它企业的废弃物或副产品废弃物或副产品作为本企业的生作为本企业的生产原料。产原料。建立业园区和代谢生态链关系，它们彼此交换与共建共生网络建立业园区和代谢生态链关系，它们彼此交换与共建共生网络:1.1.能量流：有效能的充分利用；能量流：有效能的充分利用；2.2.物质流：其中包括废物流变为原料，水的循环分级利用等等；物质流：其中包括废物流变为原料，水的循环分级利用等等；3.3.菅道网菅道网,信息网，代谢生态链信息网，代谢生态链 不但己不但己达到了达到了零排放的环保目标零排放的环保目标，KaluindboryKaluindbory园区的园区的物料和
49、物料和能量交换己为参与者提供的经济效益能量交换己为参与者提供的经济效益，其中亦包括了，其中亦包括了资金流资金流与与信息流信息流优化优化的的显著效益显著效益。化工过程设计概论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，钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料它利用废汽车作为主要的原材料。从废汽车中得到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。的钢，被送到电弧炉中，制成各种各样的钢铁产品。炉子同时产炉子同时产生大量的电弧炉（生大量的电弧炉（EAFEAF）灰尘）灰尘
50、，其中包含大量锌、铅或其他金属。，其中包含大量锌、铅或其他金属。在北德克萨斯州工业园，在北德克萨斯州工业园，EAFEAF灰尘被送到需要痕量金属灰尘被送到需要痕量金属（Cu,S,Mn,Cr,Ni,Zn,PbCu,S,Mn,Cr,Ni,Zn,Pb或其他金属）的水泥窑或其他金属）的水泥窑中。中。汽车粉碎后的残余物被燃烧以回收能量汽车粉碎后的残余物被燃烧以回收能量，或者将一些塑料从残余，或者将一些塑料从残余物中分离出来物中分离出来。电弧炉灰尘的电弧炉灰尘的另一种用途另一种用途是当前欧洲开发的用于是当前欧洲开发的用于ZnZn和和PbPb回收的原回收的原料，料，回收的锌作为替代锌源可用于生产马口铁产品和电
