Промышленная экология: химические инженерной задачи
Охрана окружающей среды
Промышленная экология предполагает превращение отходов в сырье искусства, инженеры-химики практиковали на протяжении десятилетий.
Если поиск в Интернете Google является показателем, термин "промышленная экология" стремительно в моду. Последние поиск по фразе идентифицировано более 22000 соответствующие веб-сайты, и, хотя этот термин существует уже более десяти лет, почти половина из этих веб-сайтов были обновлены или созданы только за последние три месяца. Таким образом, встает вопрос: "Что такое промышленной экологии, а что это надо делать с химическими инженеры?
Термин промышленная экология относится к тому, что природа (в частности, на его характер более высоких уровнях организации, таких, как сообществ и экосистем) могут служить в качестве полезной метафорой для промышленных систем, которые могут быть использованы, чтобы помочь отрасли стала более эффективной и устойчивой . Крайним примером является поток питательных веществ (материалов) в природных экосистемах, где отходы один организм становится пищей для других, создавая сеть взаимосвязанных процессов, которые эффективно обеспечивают круговорот биогенных элементов на постоянной основе. Промышленные экологов считаем, что это идеальная модель для промышленных систем, в которых отходы одного процесса становится сырьем для другого. Прикладная более широком смысле, термин включает в себя использование экологических аналогии как способ получить представление о том, что роль отдельных технологий, компании или отрасли промышленности играют в так называемые "промышленные экосистемы".
Химические процессы в идеальном промышленной экосистемы будут использовать отходов и побочных продуктов других процессов, а также всей промышленной системы потребуется только энергоносители, и нет массового ресурсов. Могут ли такие системы реально? Существуют ли они сейчас? Как они могут быть разработаны? В данной статье рассматриваются эти вопросы, которые будут в числе задач химической инженерии в следующем столетии.
Простой пример: хлора
В центре промышленной экологии является знание того, как повторное или химически модифицировать и утилизации отходов - что инженеры-химики делали на протяжении десятилетий. История химической промышленности, производства имеются многочисленные примеры отходов поиске продуктивного использования. Рассмотрим классический пример - производство винилхлорида.
Миллиарды фунтов винилхлорида производится ежегодно. Примерно половина этой производства происходит через прямое хлорирование этилена этилена реагирует с молекулярным хлором для производства дихлорэтана (EDC), который затем пиролиз, производство винилхлорида и соляной кислоты.
Cl 2 ^ к югу ^ H ^ 2 югу ^ C = CH 2 ^ ^ к югу -> CIH ^ к югу 2 ^ C-CH югу ^ ^ 2 CI
CIH ^ к югу 2 ^ C-CH 2 ^ ^ к югу CI -> H ^ 2 ^ к югу C = CHCI HCI
В этом синтезе маршрут, 1 моль соляной кислоты образуется при каждых молекул винилхлорида. Количество просмотров в изоляции, этот процесс можно считать бесполезным. Половина оригинального ветра до хлора не нужный продукт, но и в отработанной кислоты. Но этот процесс не работает в одиночку. Отходов соляной кислоты из прямого хлорирования этилена может быть использован как сырье для оксихлорирования этилена. В ходе этого процесса, соляная кислота, этилен и кислород используется для производства хлористого винила:
HCI югу H ^ 2 ^ C = CH 2 ^ ^ к югу 0.5O ^ 2 ^ к югу -> H2C = CHCI H ^ 2 югу ^ O
Действуя как путь оксихлорирования и прямой путь хлорирования, отходы соляной кислоты может быть использован в качестве сырья, и практически все молекулярного хлора первоначально реагировали с этиленом включен в винилхлорида. 2 процессы работают синергетически, и эффективная конструкция для производства винилхлорида включает обоих процессов.
Дополнительные повышения эффективности использования хлора может быть получена за счет расширения числа процессов, включенных в сеть. В последнее время все обширные сети хлора появились связи изоцианата производителей в кривых сетей хлористый производства. В изоцианата производства, молекулярный хлор вступает в реакцию с окисью углерода для производства фосгена:
CO CI ^ 2 ^ к югу - Коси югу ^ 2 ^
Фосген затем реагирует с амином для производства изоцианатов и побочным соляной кислоты:
RNH ^ 2 ^ к югу Коси ^ 2 ^ к югу -> RNCO 2 HCI
Изоцианата впоследствии используется в производстве уретана и соляной кислоты утилизируются. Ключевой особенностью изоцианата химии процесса является то, что хлора не отображается в конечной продукции. Таким образом, хлора могут быть обработаны с помощью системы без потребления. Это может быть преобразован из молекулярного хлора, соляной кислоты, а хлор по-прежнему доступен для включения в конечные продукты, которые содержат хлор, например, винилхлорида. Хлора и водорода хлорид-сети, включающей как изоцианата и винилхлорида разработала вдоль побережья Мексиканского залива США. Молекулярного хлора отправляется как прямые, так процессов хлорирования и изоцианатов производства. Побочного продукта соляной кислоты направляется оксихлорирования процессов или производственных хлорида кальция. Сеть имеет резервирование хлора потоков, например, что большинство процессов может рассчитывать на любой молекулярного хлора и хлористого водорода.
Рассмотрим преимущества этой сети для различных компаний. Производитель винилхлорида эффективно ренты хлора изоцианата производителей; хлора возвращается в виде соляной кислоты в течение этилендихлориду и производства винилхлорида. Изоцианата производителей гарантированных поставок хлора и гарантированные рынки для их побочным соляной кислоты.
Еще более сложные сети, в принципе, быть построены. Как показано в таблице (1), хлор используется в производстве ряда, не содержащие хлора продукции. В таблице приведены для отдельных реакций, фунтов хлорированных промежуточных использоваться по всей цепи поставок за фунт готовой продукции. Этот рейтинг дает одно из свидетельств о возможности сетей этих процессов с процессами производства хлорированных продуктов (1, 2).
Создание более крупных сетей
Определение того, какие процессы могут быть наиболее эффективно комплексное не является простым, и дизайн идеальной сети зависит от того, что поставщики и рынки материалы находятся поблизости, и других факторов. Ясно, однако, что химический процесс дизайнеры должны понимать не только собственный процесс, но и процессы, которые могли бы поставлять материалы и использовать их побочные продукты. И этот анализ не должен быть ограничен химической промышленности. Например, побочный соляной кислоты из винила, производство хлорида может быть использована в стали, или химическое производство может использовать в качестве сырья побочные соляной кислоты из полупроводниковой промышленности.
Классическим примером расширенной многоотраслевых сеть представляет собой группу объектов, расположенных на Калуннборг, Дании, где НПЗ, установки производства серной кислоты, фармацевтическим производителем, угле электростанции, рыбоводческих хозяйств, а также гипсовые Доска производителя формы промышленной сети, обменивающихся потоками энергии и массы (рис. 1). Электростанции и завода обмена пара, газа и охлаждающей воды. Отходящего тепла от силовой установки используется в жилом районе отопления и теплых теплиц и рыбных хозяйств. Аш при сжигании угля на электростанции отгружается цемента производителей. Сульфат кальция из скрубберов электростанции отправляется изготовителю гипсокартона. Обработанные процесс шлам фармацевтического завода направляются в местные фермеры для использования в качестве удобрений, а также завод отправляет горячей жидкой серы из сернистых соединений сырой нефти серной кислоты производителя (3). Больше - подробное изучение материалов и энергетического обмена в Калуннборг выявляет ряд интересных моментов ..
Экопарк разрабатывалась в течение более 30 лет. Некоторые материалы и энергетический обмены имели место на протяжении десятилетий, и обмен продолжать расти в объеме.
Обмены потенциально могут быть чрезвычайно эффективным. Например, электростанция может использовать некоторые из отработанного тепла и пара производится посредством электроэнергии, отправив его на завод, теплицы, фермы рыбы и системы централизованного теплоснабжения. Если рынки были найдены для всех отработанный пар, до 90% тепла от сжигания растений угля могут быть использованы. Только потери будут выход энергии с дымовых газах. В отличие от типичных угле электростанций в США использование тепла от сжигания исключительно для выработки электроэнергии, при КПД около 40%.
Материал и энергетический обмены обеспечивают экономические выгоды для участников. В некоторых случаях, таких, как продажа мощности завода сульфата кальция для производителя гипсокартона, прямые экономические выгоды, не полностью покрывают расходы восстановления. В этих случаях обмен приводятся в действие нормативных актов, например тех, которые требуют очистки силовой установки дымовых газов для удаления SO ^ 2 ^ к югу. Обмен просто понизить затраты на соблюдение, сделав его ненужным на свалку или иным способом распоряжаться отходов, образующихся в скрубберов. В других случаях, таких, как использование тепловой энергии растительных отходов на заводе, обмены самофинансирование.
Центральных учреждений в Калуннборг Экопарк являются электростанции и нефтеперерабатывающий завод, и многие из бирж либо происходят из или перейти на эти объекты. При использовании электростанции или завода в качестве центрального объекта является концепцией, которая может быть успешной в других местах, многие другие подходов. Рассмотрим, например, эко-промышленного парка в северном Техасе, где центральный объект на сталелитейном заводе. Это учреждение, показали концептуально на рисунке 2, использует отходы автомобили в качестве основного материала корма. Стали из транспортных средств идет на дуговой сталеплавильной печи (ДСП), который производит целый ряд продуктов из стали. Печь производит значительное количество пыли, ДСП, в котором содержится значительное количество цинка, свинца и других металлов. Пыли ДСП отправляется цементной печи, где след металлов (медь, сера, марганец, хром, никель, цинк, свинец и др.) имеют ценность. Отходы разделки старых автомобилей (ASR) могут быть записаны для рекуперации энергии, или некоторые из пластмасс в осадке могут быть разделены ..
Потенциал для создания обменов
Эти два примера иллюстрируют основные принципы ecoparks - интеграция потоков энергии и материалов в различных промышленных предприятий, а также увеличением массы и повышения энергоэффективности. Являются ли эти аномалии, или есть большие объемы отходов, которые могут быть использованы продуктивно? На этот вопрос трудно ответить с уверенностью, но некоторые простые примеры могут проиллюстрировать потенциал для поиска новых возможностей использования отходов.
Согласно одной из оценок потенциала промышленного обмена веществ и энергии можно сделать из простого изучения потоков энергии в США примерно одна треть 80-100 квадриллион БТЕ потребляемой энергии ежегодно используется для выработки электроэнергии. Энергии, используемой в производстве электроэнергии, примерно две трети теряется в виде отходов тепла. Это означает, что примерно четверть всех энергетических потребностей могут быть удовлетворены за счет использования тепла потерял. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии возникают по всей стране, чтобы воспользоваться этими возможностями, но многое еще предстоит сделать.
Второй пример потенциалом для сохранения биоразнообразия через материальные обмены касается другого вездесущий материал - вода. Вода используется практически во всех производственных процессах, и существуют возможности для повторного использования, поскольку, как правило, лишь небольшое количество воды потребляется - наиболее воды в промышленности используется для охлаждения, обогрева или для обработки материалов, а не вещества. Кроме того, в различных производственных процессов и промышленного секторов, обладают весьма различные требования к качеству воды. Например, сточные воды от объекта для производства полупроводников, которая требует особо чистой воды могут быть пригодны для целого ряда других промышленных применений. Таким образом, обмен воды и повторное использование обеспечивают широкие возможности. Ссылка 4 описывает пример такой возможности.
Новые инструменты для промышленной экологии
Традиционные подходы к химической процесса проектирования, как правило, сосредоточены на моделировании и оптимизации потоков внутри процесса, а не потоков материалов и энергии между процессами. Конечно, различие тонкое 1 и во многом зависит от того, где инженер решает "сделать окно" вокруг этого процесса. Такие методы, как тепло-и оптимизации сети массообмена являются эффективными для повышения эффективности процесса сложных объектов путем выявления возможностей для обмена тепла отходов и повторное использование воды и других так называемых "массообмена агентов" через границы единичного процесса (5 ). Действительно, эти средства будут почти наверняка иметь важное значение при переходе на следующий уровень интеграции.
Но проектирование промышленных экосистем также, вероятно, потребует разработки совершенно новых инструментов, некоторые из которых сейчас формируется.
Материалы для промышленного производства Exchange инструмент. Пожалуй, наиболее зрелых и, безусловно, наиболее широко цитируется промышленного дизайна экологии и анализ инструмент Бектел "(в настоящее время в Nexant) материалы для промышленного производства Exchange (IME) инструмент. Как и другие инструменты, рассмотренные ниже, инструмент IME предназначен для оказания помощи в идентификации и анализа так называемых "побочных продуктов взаимодействия" - возможности использования отходов с одного продукта в качестве сырья для другого процесса. В отличие от других инструментов, обсуждаемых здесь, IME недоступен для пользователей за пределами Nexant, который рассматривает инструмент как ценный актив для помощи своих инженеров и проектировщиков в разработке более выгодной и более тесно интегрированных промышленных объектов.
Инструмент IME первоначально была разработана сотрудниками "Бектел", вдохновленный Калуннборг, Дании, эко-промышленного парка, в качестве базы данных материальных потоков, связанных с отдельными технологическими процессами. Последующие сотрудничество с коллегами из США, кафедра Айдахо национальная Энерджи "Лаборатория инженерной экологии (INEEL) привели к" следующего поколения "вариант IME, известный как динамические материалы для промышленного производства Exchange (DIME). DIME включает динамическое моделирование материальных потоков для оказания помощи в разработке и анализе побочный продукт взаимодействия, на которые повлияли колебания в наличии материальных или процессуальных норм. Такие колебания часто являются следствием целого ряда факторов, в том числе сезонные колебания спроса, погодные условия или большое строительство, сайты восстановления или сноса проектов, которые могут создать один-времени "шипов" спроса и наличия альтернативных сырьевых материалов.
IME инструмент был использован в нескольких громких проектов промышленных экосистем, в том числе Браунсвилл / Matomoros региональному промышленному Симбиоз проекта в Техасе, и аналогичные усилия в Тампико, Мексика, при содействии Совета предпринимателей по устойчивому развитию - в Мексиканском заливе (6 ).
Проектирование промышленных EPA Набор инструментов для экосистемы. Другим инструментом, который концептуально похоже на IME для США по охране окружающей среды проектирования промышленных экосистемы Tool (питание) инструментарий, разработанный в сотрудничестве с профессором Сэм Ratick Кларка Univ. и индустриальная экономика Инк, Boston, MA, консалтинговые фирмы. Этот прототип промышленной экологии инструментарий призван помочь пользователям определить, экран и оптимизировать возможности побочного использования в региональном масштабе. Набор состоит из трех взаимосвязанных компонентов:
- Фонд "Синергия Tool (FAST) представляет собой базу данных приложение, которое помогает пользователю определить возможные совпадения между неправительственными продукта мероприятий (НСС) и материалов и энергетических потребностей общих производственных процессов. Она также может быть использован для идентификации типов промышленных партнеров, которые должны быть набраны в качестве "поглотителей" для отходов из существующих объектов.
* Проектирование промышленных экосистемы Tool (питание) использует побочный продукт взаимодействия матчи определены в программе базы данных быстро, как вклад в линейной модели программирования, что создает оптимальные сценарии для промышленного взаимодействия. DIET позволяет одновременно оптимизировать систему для окружающей среды, экономики и задачи работы.
* RealityCheck является скрининг инструмент, используемый для выявления потенциальных нормативных, экономических и материально-технического обеспечения (барьеров) для побочного использования возможностей. Хотя изначально в качестве неотъемлемой части промышленной инструментарий экологии, он может быть использован как самостоятельный инструмент.
Инструментарий DIET иллюстрирует потенциальные подход к проектированию и оптимизации экологической промышленных парков, помогая пользователю определить и оценить потенциальные взаимодействия побочного продукта в рамках существующей региональной сети промышленных объектов. К сожалению, EPA имеет пока нет "планирует завершить разработку инструментов.
Использование GISes для разработки промышленных отходов обмена.
Одним из практических препятствий на пути широкого внедрения отходов схемы использования потока является высокая стоимость транспортировки материалов от их источников к другим объектам, которые могут быть в состоянии использовать их в качестве сырья. Поскольку расходы на перевозку этих материалов часто может быть непомерно высокой, кажется разумным ожидать, что инструменты, используемые для разработки промышленных экосистем должны быть в состоянии принимать транспортные расходы во внимание. К сожалению, это не всегда так.
Интересным исключением является инструментом планирования, промышленной экологии разработаны Каролин Нобелевской премии, которые в то время был Univ. Техас, Остин, аспирант. Инструмент включает в себя географическую информационную систему (ГИС), чтобы помочь определить возможные сетей повторного использования воды и позволяют транспортных расходов будет включена в явном виде в оптимизации этих сетей. После ввода пользователем информации об объектах в области интересов в ГИС, модели, отвечающей сточных вод характеристик объектов с питательной воды требованиям других объектов в этом районе. Путем сопоставления потоков с совместимых критериев качества воды, модель определяет возможные возможности повторного использования воды в регионе интересов. Так как любой индивидуальный поток сточных вод может иметь несколько потенциальных видов использования, возможные матчи прошли с линейного программирования модуля для расчета оптимального сценария повторного использования воды.
Этот инструмент был использован для выявления и оптимизировать использование водных ресурсов и повторное использование возможностей в рамках комплекса около 20 различных промышленных объектов на Бейтаун промышленного комплекса в городе Пасадена, штат Техас. В этой относительно простой пример, экономически оправданных водопроводных сетей повторное использование были определены, что обладает потенциалом для снижения общего потребления пресной воды более чем на 90%, при одновременном снижении расходов воды на 20%.
Этот инструмент был разработан с использованием коммерческих "с полки" программного обеспечения ГИС и широко доступный математический пакет оптимизации. И, хотя этот инструмент, разработанный специально для иллюстрации оптимизации промышленных сетей повторного использования воды, в основе подхода может быть распространен на другие промышленные материалы сравнительно небольших дополнительных усилий.
Следует отметить, что ни один из этих инструментов являются широко доступными. Промышленная экология все еще находится в зачаточном состоянии, и многие из инструментов, которые были разработаны версии прототипа являются построен для демонстрации или изучения ключевых идей о том, как использовать метафору промышленной экосистемы для разработки крупномасштабных систем. Из инструментов, обсуждаемых здесь, только IME инструмент, как представляется, используемых в настоящее время, и это в первую очередь как собственной конструкции инструмент, используемый Nexant и его партнерам увеличить ценность своей практики консультирования.
Таким образом, в то время как промышленная экология может обеспечить богатый основу для разработки крупных промышленных сетей, желающих применить понятия, возможно, потребуется сделать много авансовые средства разработки работать самостоятельно. Инженеры-химики могут и должны играть роль в развитии этого нового поколения средств разработки - разработка инструментов, которые помогут создавать еще более сложной сетевой промышленных процессов - промышленная экология.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чанг, Д. и DT Аллен ", сведение к минимуму использования хлора: Оценка Компромисс между затратами и использования хлора в химическом производстве", журнал промышленной экологии, 1 (2), с. 111-134 (1997).
2. Радд, DF и др., "Оценка нефтехимических технологий", John Wiley
3. Эренфельд, J., и Н. Гертлер, "Промышленная экология на практике, эволюция Взаимозависимость в Калуннборг" Журнал промышленной экологии, 1 (1), с. 67-80 (1997).
4. Килер, SE, и DT Аллен, "Моделирование Материал Повторное использование: Программирование сетевой подход Flow," Журнал промышленной экологии, 2 (4), с. 79-92 (1998).
5. EI-Альваги М.М., и HD Спригс, "Дизайн Решите головоломки со средствами массовой интеграции," Хим. Eng. Прогресс, 94 (8), с. 25-44 (август 1998).
6. Совет предпринимателей по устойчивому развитию - в Мексиканском заливе, "побочный продукт" Синергия: Инструмент для устойчивого выбросов парниковых газов, "<A HREF =" http://www.bcsdgm.org/bps_article.htm "целевых =" _blank "относительной = "NOFOLLOW" <> http://www.bcsdgm.org/bps_article.htm / A>.
Дополнительная литература
Эта статья основана на материале, в "Green Engineering: экологически сознательной конструкции химических процессов", в DT Аллен и DR Шоннард, Prentice Hall, Аппер Садл Ривер, штат Нью-Джерси (2001). Подробнее о видах количественные методы проектирования, которые становятся доступными для инженеров-химиков могут быть найдены там.
DAVID Т. Аллен, Университет штата Техас, Остин
Р. Скотт Батнер, Pacific Northwest National Laboratory
Дэвид Аллен является Герц профессор химической технологии и директор Центра энергетических и экологических ресурсов на Univ. штата Техас в Остине OJ Пикл исследований Campus, 10100 Бернет Rd., MS R7100, Austin, TX 78758, телефон: (512) 471-7792, факс: (512) 471-1720, E-почта: <A HREF = "Посылка : allen@che.utexas.edu "> allen@che.utexas.edu </ A>). Его научные интересы лежат в области природоохранной инженерии реакции, в частности, вопросы, связанные с качеством воздуха и предотвращения загрязнения, он является автором четырех книг и более 125 статей в этих областях. Он был ведущим следователем на одном из крупнейших и наиболее успешных качества воздуха, когда-либо проведенных исследований - Texas Air Quality Study (<A HREF = "http://www.utexas.edu/research/ceer/texasqs" целевых = " _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.utexas.edu / исследования / CEER / texasqs </ A>). В настоящее время его исследования направлены на использование результатов этого исследования с целью создания надежной научной основы для управления качеством воздуха в Техасе. Кроме того, он активно участвует в развитии Green Engineering учебных материалов для химических инженерных учебных программ, и он разработан совместно с EPA, учебника по проектированию химических процессов и продукции.
Он получил NSF президентской премии для молодых исследователей, AT
Р. Скотт Батнер является старшим научным сотрудником в данных и знаний Engineering Group, в США, кафедра Тихоокеанской северо-западной энергетики Национальной лаборатории (Мсин K7-28, PO Box 999, Richland, WA 99352, телефон: (509) 372 - 4946, факс: (509) 375-2443, E-почта: scott.butner <a href="mailto:scott.butner@pnl.gov"> @ <pnl.gov />).
Он принимает участие в предотвращении загрязнения окружающей среды и устойчивого технических исследований с момента вступления PNNL в 1984 году. Многие из его научно-исследовательских проектов изучения путей более эффективного использования информационных технологий в целях улучшения экологических решений бизнесом. В настоящее время он выступает в качестве директора ChemAlliance (<a target="_blank" href="http://www.chemalliance.org" rel="nofollow"> http://www.chemalliance.org </>) , которая предусматривает предотвращение загрязнения, регулирования и содействия соблюдению информации в химической промышленности. Он получил степень бакалавра наук в области химического машиностроения Univ. Вашингтон, и он является членом Аиш и в прошлом председатель экологической Div. Он живет в штате Вашингтон, где его "социальную экосистему" включает в себя его жена, двое сыновей, три собаки, две кошки и прочие мелкие животные пушистые. Когда он не мастерить с компьютерами, он жадный, как скажут некоторые, фанатичные, летать рыбак.
