(化学工程的综述.docVIP

1．5 溶剂的绿色化及绿色溶剂大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，而且源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。目前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物(VOCs)，其在使用过程中有的会引起臭氧层的破坏，有的会引起水源和空气污染，因此需要限制这类溶剂的使用。采用无毒无害的溶剂，代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向，在新工艺过程需要限制这些溶剂的使用，最好不用，或用环境友好的代替物替代环境不友好的溶剂。对溶剂实现闭环循环，是解决溶剂对人类和环境影响的最终解决方法。另外超临界流体和离子液体与生物催化的结合、水作为溶剂和无溶剂系统均是目前研究者关注的焦点。1．6 新型反应器及过程强化与耦合技术为了实现绿色化工技术，许多工艺的改进，如反应器的设计、单元过程的耦合强化，成为这些技术得以实现的基础，可极大地提高原子效率并降低能耗。在常规的化学反应基础上，采用新技术进行过程强化，可使反应得以强化。微波应用于有机反应，能大大加快化学反应的速度，缩短反应时间，具有产物易于分离、产率高等优点， 已广泛地应用于各类化学反应。由于超声波能加快反应速度、缩短反应时间、提高产率和反应选择性、具有温和的反应条件等多种有利因素，近些年来更是作为一种绿色化学的有效手段广泛应用于有机合成中。作为光驱动的化学反应，紫外光和可见光是研究得最多的光源，紫外光和可见光由于其一定范围的波长，对于某些材料，如二氧化钛、半导体等，具有激发这些材料介电子的某些能带的作用，这些光源本身及受光源激发的材料具有良好的氧化性能，已广泛用于氧化反应、污染物处理等，具有极大的研究和开发价值。对一些条件非常苛刻的反应，包括温室气体的化学转化、空气中有害气体的净化等，等离子体技术的采用则非常容易解决这些问题。若等离子体与催化剂的协同作用，则可以降低等离子体击穿电压和反应温度，提高反应活性。各种耦合技术对于化工技术开发的成功及工业化具有特别重要的作用。“二合一”或“多合一”可能是对反应与分离过程在容器的同一区域内完成的最简单描述。它是替代传统的反应与分离的有效方法。目前，单元操作通常是在各自的装置上完成，产物毫无疑问是化学反应的核心。由于产物中混有溶剂和催化剂，在反应之后一系列的分离工序是必需的。反应与分离的耦合，可克服上述诸多不足，使得反应与分离在同一区域完成。另外，从大多数反应分离实例来看，反应与分离的集成可使得它们彼此性能更佳；如反应物的不断动态移走，可使得反应平衡发生移动，而反应的顺利进行有利于分离效率的进一步提高。反应与反应的耦合毫无疑可以大大简化操作过程。具体表现在可缩短整个反应时间，减少中间产物与反应体系之间的分离和提纯，充分有效利用反应器，减少中间产物的损失。特别是对于不稳定的中间物种，通过原位生成中间物种立即用于下个反应中，可充分提高中间物种的利用效率，对于同时存在吸热和放热反应来说，放热反应的热量可以填补或部分填补吸热反应的需要。1．7 新型分离技术在美国各种分离过程耗费了工业所消耗能源总量的6％，它们占工厂花费的70％，因此研究新型分离技术对于国民经济来说非常重要。分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物盐的产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等。目前超临界流体萃取、分子蒸馏以及膜的使用以及生物分子和大分子的分离是研究的焦点。超临界流体萃取和分子蒸馏涉及到高压或高真空，设备一次性投资大，操作条件也较为苛刻，这是阻碍其大规模推广应用的主要因素。用于生物大分子的新型分离手段成本较高，需进一步开发新的技术，降低成本。1．8 绿色化工过程系统集成可持续发展给传统的过程系统工程提出了新的挑战，为此，必须研究绿色过程系统集成的理论及方法。作为过程工业中的重要组成——化学工业，绿色化工过程系统集成涉及的是一爪‘化学供应链”的问题，涵盖从分子一聚集体一颗粒一界面一单元一过程一工厂一工业园的全过程，主要研究与“化学供应链”相关的过程工程或产品工程的创造、模拟、优化、分析、合成／集成、设计和控制等问题，并将环境、健康和安全对过程或产品的影响作为约束条件或目标函数嵌入模型中， 以多目标、多变量、非线性为重要特征， 以全系统的经济、环境和资源的协调最优为最终目标。1．9 计算化学与绿色化学化工结合模拟化学的数值运算与计算机化学的逻辑运算结合起来进行“分子的理性设计”，将是2l世纪化学的特色之一。完全顺应目前倍受化学界重视和倡导的绿色化学的思想，使化学成为与生态环境协调发展的、更高境界的化学。在进行绿色化工工艺和技术的过程中，借助于量子化学计算的结果，可以更为精确地选择底物分子、催化剂、溶剂以及反应途径，这样可使用尽可能少的实验达到预期目标，大大减少了实验次数，从而在研发阶段从根本上减少了原料的消耗，