12009/08化工工藝學

Introduction

to

chemical

industry

主講丁明潔

化學與材料工程學院化工工藝學AnIntroductiontoChemicalEngineering第7講綠色化工

一、

傳統化工面臨的挑戰化工資源與能源的危機石油、煤和天然氣既可用做能源，也是化工的起始原料。由價廉的石油得到各種石油化工產品。石油化工產品與規模空前發展。人們逐漸認識到化工資源的匱乏和能源的危機。

傳統化工對生態環境的污染

化工科技的進步為人們生活和社會發展化工三廢對生態環境的影響

有害化學品對人類與生態環境的影響科技發展的基本思考—可持續性發展

目前：人類生存安全中級：人類生存質量初級：人類生存

人們逐漸認識到可持續性發展要依賴科技進步；但并非一切科技都支持可持續性發展。只有滿足人類生存、生存質量和生存安全三個方面的要求，科技進步才能夠成為人類不斷進步的推動力。人類面臨的五大基本問題人類面臨的五大基本問題是：

人口,糧食，能源，資源，環境。在化學化工領域，認識到化工資源的短缺危機與傳統化工的三廢對污染環境的挑戰促使各國政府倡導“綠色化學與化工”。綠色化學的興起

綠色化學的興起與原則

環保治理的三個發展階段

“稀釋廢物來防治環境污染”

三廢的后處理技術在源頭防止廢物的生成

綠色化學的基本原則

美國的P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出綠色化學的12條原則：（1）防止廢物的生成比在其生成后再處理更好。（2）設計的合成方法應使生產過程中所采用的原料最大量地進入產品之中。綠色化學的基本原則（3）設計合成方法時，只要可能，不論原料、中間產物和最終產品，均應對人體健康和環境無毒、無害（包括極小毒性和無毒）。（4）化工產品設計時，必須使其具有高效的功能，同時也要減少其毒性。（5）應盡可能避免使用溶劑、分離試劑等助劑，如不可避免，也要選用無毒無害的助劑。綠色化學的基本原則（6）合成方法必須考慮過程中能耗對成本與環境的影響，應設法降低能耗，最好采用在常溫常壓下的合成方法。

（7）在技術可行和經濟合理的前提下，原料要采用可再生資源代替消耗性資源。（8）在可能的條件下，盡量不用不必要的衍生物（derivatiza-tion），如限制性基團、保護/去保護作用、臨時調變物理、化學工藝。綠色化學的基本原則（9）合成方法中采用高選擇性的催化劑比使用化學計量（stoichiometric）助劑更優越。（10）化工產品要設計成在其使用功能終結后，它不會永存于環境中，要能分解成可降解的無害產物。

（11）進一步發展分析方法，對危險物質在生成前實行在線監測和控制。（12）選擇化學生產過程的物質，使化學意外事故(包括滲透、爆炸、火災等)的危險性降低到最小程度。

綠色化學的基本原則是從源頭消除污染，包括新設計或者重新設計化學合成、制造方法和化工產品來根除污染源。綠色化水學的定義綠色化學堆是指化學葵反應和過查程以“原子經濟切性”為基本原添則，即在返獲取新物林質的化學筋反應中充貸分利用參輝與反應的饑每個原料載原子，實現零排放。不僅充分覺利用資源淺，而且不技產生污染糞；并采用無毒、無籮害的溶劑接、助劑和瓣催化劑，生產有左利于環添境保護道、社區怒安全和葉人身健涌康的環境友好草產品。綠色化工激的定義綠色化亮工又稱清潔生產壩或環境友犧好技術，它是好在綠色語化學基駱礎上開臂發的從源頭上阻止袍環境污垂染的化撓工技術館。綠色化鹿工與傳錫統化工辜最主要斬的區別霜是從源織頭上阻永止環境奏污染，即設計和披開發在各積個環節上垃都潔凈和喬無污染的乒反應途徑射和工藝。綠色化學綱與化工的攻關系綠色化慣學追求羞的目標粱是從源碗頭上消天除污染殺，而綠棋色化工循的目標林則要求演是經濟桂效益和辰環境效豎益協調諒發展，賣可以概切括為“三高”、“三低”、“兩小”。反應要魯高轉化籮率、高況選擇性敲和高能寫源利用福率。原料要政低毒、挎反應介斑質(溶劑)要低毒、堵產品要低奶毒產生廢物采小，副產奮物也要小。綠色化學咐與化工是承未來化學芳工業發展襪的方向和叢基礎綠色化學倆與化工是矩當今國際賞化學與化去工科學研程究的前沿漠，它吸收局了當代化纖學、物理鍬、生物、后材料、信標息等科學套的最新理怨論和技術忙，是具有喜明確的社鋼會需求和歡科學目標潮的新興交晌叉學科。目前，綠監色化學作冶為未來化貿學工業發圈展的方向橫和基礎，經越來越受杰到各國政萬府、企業鍬和學術界推的關注。世界各國娛重視綠色搬化學與化刺工美國總碼統克林紛頓宣布創設立“總統綠色污化學挑戰拘獎”一個由低日本政脫府規劃西，旨在柔防止全榴球氣候奏變暖、范在21世紀重無建綠色塊地球的“新陽光達計劃”開始實受施。199切7年底德遭國聯邦歌政府正哭式通過霞了一個秘名為“為環境而羞研究”的計劃躲。綠色化學過與化工的顆研究內容原料的綠刻色化無毒、無掃害原料；啦可再生際資源為原愈料化學反應順的綠色化原子經灣濟性反側應；瓦提高反于應選擇虛性催化劑活的綠色冬化：礎無毒無黑害催化河劑溶劑的綠監色化：他無毒企無害溶熟劑產品的綠教色化原子經濟腥性反應和澤高選擇性制反應原子經貫濟性概匹念：原子經濟嗚性或原子酒利用率（%）=（被利用繞原子的質墾量/反應中所臺使用全部涉反應物分欠子的質量賢）100貴%原子經屆濟性反錘應和高犬選擇性健反應環氧乙虛烷的生源產環氧丙烷鍋的生產CO氣相催頑化偶聯竄合成草閥酸二乙賺酯使用無級毒無害撫原料及義可再生竄資源取代氫氰煌酸路線合惡成苯乙酸埋的新工藝用生物質躺原料（淀死粉、纖維錦素）合成薪乙醇等有足機品以生物伏質為原孔料制生貼物質能首源分子篩插代替三肉氯化鋁酒催化劑合成乙寬苯和異涉丙苯采用無毒盜無害溶劑超臨界二丘氧化碳作為綠色泡溶劑的利炒用離子液體作為綠色熱溶劑的應介用環境無害后的綠色化倦學產品綠色化學把產品應該林具有兩個露特征：產品本凱身必須閣不會引頂起環境蹄污染或步健康問蕉題，包作括不會夸對野生握生物、憤有益昆證蟲或植蓮物造成屋損害；當產品被后使用后，敗應該能再澡循環或易束于在環境旁中降解為之無害物質浸。環境無害旬的綠色化丑學產品可降解塑免料的研制新型化學烘殺蟲劑化工與紙高技術信息、虧微電子取、自動血化技術串與化工自動化類技術新材料技拼術與化工新能源技弱術與化工空間技術陳與化工海洋開發大技術與化蔥工21世紀化工武展望世界化工肢發展趨勢資源利料用多元電化產品結廣構精細證化技術結職構現代哀化經營管理誦全球化發展方字向綠色畫化Gre蹄en羞Che雪mis宴try綠色化學謊、環境無宴害化學、環境友好寄化學或清潔化垂學綠色化學歉是對傳統境化學思維三方式的更簡新和發展潛；綠色化識學是從騙源頭上因消除污飄染；綠色化學蒙是合理利凡用資源和偶能源，符晝合經濟可汪持續發展心發求；綠色化學違用化學技雙術和方法而去減少或隨消滅對人絕類健康、左社區安全腐、生態環邁境有害的倆原料、催量化劑、溶涼劑和試劑幻玉、產物、肆副產物等膏的使用和錯產生。綠色化學藍的理想在染于不再使憑用有毒、阿有害的物租質，不再獄產生廢物鉤，實現廢網物的“零即排放”。綠色化學般的研究內斷容綠色化臂學研究手的中心涂問題是鄙使化學顧反應、襖化工工賢藝及其幫產物具存有以下棕四個方奪面的特灶點：①采用租無毒、嶼無害的原料；②在無縮慧毒、無猴害的反應條船件（溶劑沿、催化霸劑等）圓下進行云；③使化斑學反應拘具有極壁高選擇性，極少的廊副產物，挖甚至達到“原子經酷濟”的程度，陜即在獲取出新物質的蝕轉化過程裂中充分利慰用每個原雷料原子，雹實現“零排放”④產品應是對環報境無害的粒。綠色反淚應也要求汪具有一定漏的轉化率陣，達到技自術上經濟傻合理。綠色化學忍的實現途鏟徑①開發原子脊經濟反應耕；②提高烴訪類氧化反端應的選擇紹性；③采用無虜毒、無害閉的原料；④采用呼無毒、賓無害的淋催化劑水；⑤采用無羅毒、無害憑的溶劑；⑥采用攝生物技改術從可墾再生資滲源合成屆化學品再；⑦環境飲友好產宋品；⑧計算機民輔助的綠比色化學設里計；⑨有機電鳳化學合成飲方法。綠色化搬學的歷照史發展辮與現狀美國“總統綠井色化學駝挑戰獎”；日本“新陽光勺計劃”；英國皇家辰化學會創姥辦綠色化惱學國際性鄉豐化學期刊堵；中國科學畢院化學部“綠色化學墓技術—推動化工挨生產可持善續發展的尊途徑”；中國國家藥自然科學叔委員會與乖中石化集賄團”環境友里好石油惠化工催懲化化學漢與化學芽反應工熄程“重大基悠礎研究揭項目；綠色化學毫與技術已宰成為世界鑒各國政府爬、企業和議學術界關判注的重要如研究與發杏展方向。綠色化劫學的12項準則：（由美國號化學會提百出）1)預防環鑼境污染Prev賞enti乖on防止廢嚴物的生欄成，而棍不是在套廢物產套生后再跪進行處年理。2)原子經茄濟性Atom晶Eco趟nomy設計將峰所有反奪應物質耀盡可能弄全部轉疏化為最曠終產品賞的合成千方法。3)無害化虹學合成Less械Haz侵ardo勇usC血hemi擔cal性Synt袍hesi頂s在化學件合成中邁盡量不研使用和今不產生散對人類故健康和君環境有食毒有害座的物質饞。復習：綠色化學趙的發展預巡壽測(12項原則)4)設計安單全化學垃品Des樓ign渣ing肌Sa吉fer結Ch撇emi瘦cal釀s設計具某有高使腐用效益罷低環境魚毒性的辦化學品軌，在這會些產品開被期望蘆功能得贈以實現稠的同時征，將其揉毒性降孩到最低孤限度。5)使用安全讀溶劑和助悼劑Saf遇er蜜Sol路ven致ts枯and價Au籠xil王iar悼ies盡量不使廚用溶劑等搬輔助物質懶，不得已艇使用時它岔們必須是屆無毒無害逮的。6)提高能狹源經濟鑰性Des買ign價fo核rE劈燕ner綠gy忠Eff支ici嘉enc頸y化學過程萄所需的能裙量應考慮薪其對環境憐的影響和母經濟效益帽，能耗應冠最低，盡刮可能使合在成技術在豈環境溫度機和壓力下崖進行。7)使用可再丟生的原料Use謀of夢Re住new毯abl喪eF更eed倆sto灣cks盡量采用本可再生的襲原料，特頂別是用生嬌物質代替襲石油和煤滲等礦物原益料。8)減少衍生功物Redu肚ceD昂eriv莊ativ尼es如有可能阿應盡量減耽少副產物乞。9)新型催化桂劑的開發Cat盟aly辟sis合成方法萄中應盡可救能使用高適選擇性的捏催化劑。10)降解設計Des堵ign帆fo毀rD暈egr投ada均tio蕩n化學產品役在使用完曬后應能降破解成無害畝的物質，千并且能進城入自然生柜態循環。11)預防污憶染中的墓實時分那析Real硬-tim雹ean氣alys談isf酬orP何ollu共tion虧Pre承vent鞠ion發展可逃進行實啄時分析服的方法凝，實現仰在線監檔測，以趙便監控貿有害物刑質的形趙成。12)防止意藏外事故戒的安全槍工藝Inhe診rent鉛lyS凍afer布Che歡mist原ryf嗎orA培ccid陽ent超Prev虹enti柱on選擇參田加化學繡進程的粗物質，鏈盡量減湊少發生單意外事撈故的風掘險（包黨括泄露允、爆炸章和火災壺）。NEX妙T角2.津2原料綠色悄化舉例：綠色化倘工生產蕩技術中爹的原料隨綠色化綠色化工作生產技術猾即化工生帝產清潔技填術，是指騎化工生產劫中利用化適學原理和鋼工程技術壞來減少或占消除造成高環境污染陵的有害原個料、催化稈劑、溶劑綱、助劑、流副產品。原料綠巡壽色化;化學反剪應綠色甚化;反應介質科綠色化.傳統的直涉至現代化從工生產,原材料錯大多數怠對人類樸健康、譽生態環蓮境有毒巧有害；綠色化學館或綠色化貌工清潔生崗產，主要椒要考慮兩愧大方面：對人類響健康和羨生態環狐境的影府響；反應、轉史化成為目飲標產物（春或產品）白過程的轉榆換效率。（1）替代蓄光氣(CO集Cl2徐)的綠色原撞料光氣用帝于制備套異氰酸慈酯、碳喝酸二甲桂酯、聚磚碳酸酯諷等。光滴氣劇毒鋒，1、2次世界大晶戰期間曾養用作化學汁武器。光冰氣制備的泰產物也是擴毒性大的不物質。二氧化芝碳和胺現直接反邁應生成它異氰酸吧酯環氧乙烷仰、二氧化樂碳、甲醇睛為原料制累備碳酸二飼甲酯一氣化碳狹、甲醇、濕氧氣為原壟料，制備延碳酸二甲脖酯化工生駐產原材如料的無尾毒、無相害化（2）替代氫前氰酸的綠費色原料氫氰酸界劇毒。氫氰酸用研于生產含補氰化合物低、聚合物焰單體；制造尼龍66傳統方蝴法是丁著二烯和謠氫氰酸農反應生煌成己二點腈而進蘇行的；漠新工藝百是丁二紐奉烯甲酰群化和胺肆化法；傳統方捐法是用甲氫氰酸場和丙酮孫生產：池異丁烯搭直接氧暮化生產蕩甲基丙溫烯酸。（3）其它的栗化工原料潑綠色化①石油裂解汁制氫取代趴水煤氣制冷氫②纖維素善轉化成乙壞酰丙酸③雙氧傲水取代捏含氯/硫氧化劑委及漂白劑可再生資加源作為化厭工生產原框材料（1）采用生塔物質材料秋制取燃料（2）采用生請物質材料駐制取精細塊有機化學舍品生物質：由光合沃作用產蝴生的所回有生物顫有機體舉的總稱疤，包括或植物、億農作物招、林產胡物等。其中含爆有淀粉受、纖維恰素、木否質素等狹成分生物質特令點可再生輩，儲量枕豐富。鎖僅每年垂再生的好纖維素癢和木質遙素折合女成能量聞相當于棄石油年彈產量的15～20倍。大部分已汁高度氧化捎，作為化拒工原料可乳避免氧化洪步驟比礦物原括料更清潔長。生物質來謙源于CO2，燃燒茂后不增絹加大氣義中CO2的含量駱。季節性較強，產切量、質恰量不穩蒼定。需濾要大量粒土地。以生物養質為原扯料生產艱的化工沸產品淀粉→臥糊精，尿丙酮→障麥芽糖蓄→葡萄浪糖→乙蕩醇（丙厘醇，丁趕醇，戊以醇）→傭乙醛，算乙烯，愛乙醚→翻乙酸→考乙酸乙壇酯纖維素→蕉葡萄糖→柏葡萄糖酸濟，山梨糖穗醇，甘露建糖醇，丙梨烯酸半纖維素黑→木糖→違糠醛→木菊糖醇，呋渾喃→四氫旅呋喃，順饅丁烯二酸殃酐木質素→穴蒽醌，酚開，甲醇1）物理法版：將生物獵質加熱葡裂解成脖低分子劉物質，鏟然后分掀餾出有簽用成分其。2）化學介法：采用水包解、酸畫解、氧漿化還原惕降解將星生物質恩變為小挪分子。物理法、隙化學法能耗高、名產率低，擱副產物多煤且造成廢截棄物污染松環境。3）生物化游學轉化法箭：利用酶將邀生物質降壩解為葡萄丹糖，然后偉轉化為各途種化學品棵。生物化學間轉化法過程復雜獻，且要借回助于特殊器的酶催化促劑或含酶賓的微生物薪作用才能支進行，但瘋這是今后或生物質利凍用的主要蜂方向。目前將生許物質資源拼用作化工塔原料的方粉法生物質壩資源利峽用實例一、歷史燥悠久的發條酵技術大約500暑0年前，我味國人民已袋掌握釀酒緣瑞、釀醋技攀術。二、制劇取燃料1.制造酒精巴西從20世紀70年代施行漠用甘蔗糖燙生產乙醇拋的龐大計裳劃,乙醇年產蘋量已達1.3削×107噸，是亞世界上忙最大的桑發酵乙和醇生產嚼國。目叼前有800萬輛汽車酷使用摻有22％乙醇女的汽油駛。2.生產木陶質石油美國She差ll公司利炸用生物源工程技頁術以木瘋材碎屑糕為原料墨生產液晶體燃料——生物粗油漢。該產品升熱效率達70%～90%。英國采用孕液化技術寶，每噸木營材可產出240㎏木質石護油、160糊㎏瀝青和159譽㎏氣態燃哥料。3.生產生語物柴油美國俄亥廈俄州一個島名叫奧柏笛林的高中倦生,最近成端功地用狠氫氧化用鈉和甲摔醇作為乓催化劑,將植物油謙分離成甘該油和甲酯宋。甲脂就要是生物柴表油,可替代教柴油驅床動柴油何引擎汽稈車。4.制取沼氣三、生胖產有機盈化學品1.生產乙霸酰丙酸199渴9年，美國輛的Bio淚fin舊e公司獲得斬美國總統味綠色化學社挑戰獎之辣小企業獎刻。他們的事獲獎項目判是把廢纖先維轉化成戒乙酰丙酸廣。反應的矮原料可以劑是造紙廢差物、城市貓固體垃圾漲、不可循陣環使用的性廢紙、廢皂木材和農朵業殘留物羨，用稀硫湊酸在200～220互℃處理15分鐘，產吐率可達70%～90%，同時富可得有粉價值的描副產品余甲酸和壩糠醛。2.生產己增二酸（際尼龍66的中間叼體）美國Mich杜igan州立大學蛇的J.W.超Fros遲t和K.M.喘Drat帶hs開發出鞏由淀粉間和纖維舉素制取赴己二酸良的新工烘藝。該良工藝先憶由原料蜓制取葡墻萄糖，齡然后利旁用經DNA重組技吵術改進渾的細菌賠將葡萄寇糖轉化創為己二熊烯二酸虹，最后姐在催化快劑的作性用下加矩氫制備摩己二酸勉。該工夜藝是采議用可再竿生生物浪質資源需代替石衛油資源咱制造化屆學品，嫁實現過銜程無毒級、無害獨、無污合染的典險型實例齡，榮獲1998年美國“總統綠色酸化學挑戰探獎”的學術獎仰。3.用玉米孟制塑料美國全躺國玉米馳種植者蹈協會最勿近宣布戀，用玉碗米生產等聚脂乳煩酸塑料子的研究煤已取得饅了成功互。這種錄技術可采以將玉迅米加工季成薄片倚或顆粒續狀的聚盟合物，紹就像是夕塑料的神原料。論用玉米被制成的令聚合物銅可以做后成布料青纖維，音也可以槳做成杯暑子、瓶織子、食古品容器派、包裝食紙或地鵲毯。用豪聚脂乳鍵酸做成部的面料貓有絲綢啟質感，酷耐用程菌度可與掀滌綸媲犯美。此燦外，這堆種新材性料能百沿分之百伴地生物女降解。4.用纖維濁素生產港燃料酒迎精將纖維素扎轉化為葡天萄糖的糖末化過程和型葡萄糖生見成酒精的抄發酵過程掉結合起來紋的由維生跳素直接生絮產酒精的依工藝獲得遺成功，收悠率可達80-9臭0%。并已患經過了湖中試試記驗。200遲1年9月22日，國家“十五”期間重點馳建設項目蹄，中國最藍大的燃料延乙醇生產是項目——年產60萬噸燃料蹈乙醇項目犬落戶吉林速經濟技術服開發區。誤此項目投飾產后，年亞可消耗玉黃米192萬噸，虜可以很招好地帶敏動吉林浸省種植絞業、飼煤料加工爛業、畜那牧業的逢發展，責促進經脖濟和社常會的可拉持續發棟展。NEXT登2毯.3原子經駱濟性綠色化工希中的原子吸經濟性原子經濟慮性的概念一、原子腳經濟性(Ato驗mec尋onom善y)原子經濟謎性是指原肆料分子涼中有百盲分之幾塑的原子覺轉化成蔬了產物胖，用以匙評價不托同工藝腿路線的岔原子利戴用程度逼。原子經佛濟性反肚應的特循點：1）最大限動度地利用片原料；2）最大電限度地稠減少廢第物的排帥放，減佛少污染杰。二、原子你利用率(Ato廈mUt滋iliz瓦atio想n)1、產物蜜選擇性醒或產率某一化房誠工反應獅過程或羽合成工剃藝的優助劣：常用評價街指標：產敵物選擇性呆或產率目標：香追求最煎大經濟田效益缺點：甩不考慮望對環境木的影響,無法估計姓所排放的模廢物數量致和性質。2、原子深利用率弓和E-因子①原子拒利用率(簡稱AU)Tros獲t的原子棋經濟性況用原子傍利用率（Ato拋mU含til差iza嚇tio貫n,簡稱AU）衡量，肺其定義式候如下：AU種=目標產物眉的摩爾質身量/化工過程袍產物的所苦有物種摩加爾質量之爹和AU用來估算匪不同化工滑過程在不辨同工藝路曲線中的原鈴子利用程侄度，由理橋論反應式坡算出。AU大，副螞產物則偶少。它母不是指姑產物的才選擇性蠟，而是虧原子的杰選擇性渡。表2.2典型化學網計量式反竊應與催化蹈反應中AU值。②E-因子(E-繡fac增tor拴)She延ldo溜n提出的E因子更恨為符合隸綠色化塘工的要臟求，E-因子定義網為每產出1kg產物所隨產生的宇副產物晴的千克眨數，去健衡量化總工過程合的排棄郵量。在原子熊利用率傍和E-因子指標感中，廢棄物是指預弓期產物佛以外的甜任何副怕產物。化工行業產品規模/kg廢棄物/產品石油煉