Procesontwerp voor duurzame engineering: Berekeningen en Beste praktijken

Duurzame engineering is een fundamentele verschuiving in de manier waarop we procesontwerp benaderen, waarbij we milieubeheer, economische levensvatbaarheid en maatschappelijke verantwoordelijkheid integreren in elke fase van ontwikkeling. Duurzame procestechniek integreert duurzaamheidsprincipes in het ontwerp, de werking en de optimalisatie van processen en productieprocessen om de milieueffecten in elke fase van procesontwikkeling en -bewerking te minimaliseren. Procesontwerp heeft een grote impact op de duurzaamheidsprestaties van chemische processen, aangezien de meest kritische beslissingen worden genomen in de vroege stadia van de procesontwikkeling. Deze uitgebreide gids onderzoekt de essentiële berekeningen, methodologieën en beste praktijken die ingenieurs in staat stellen processen te creëren die voldoen aan de huidige behoeften zonder afbreuk te doen aan het vermogen van toekomstige generaties om aan hun eigen behoeften te voldoen.

Inzicht in duurzame procesontwerp

Duurzaam procesontwerp beschrijft concepten of strategieën voor de vervanging van niet-efficiënte en niet-hernieuwbare productieprocessen. Het veld is de afgelopen decennia sterk geëvolueerd, van een smalle focus op vervuilingsbestrijding tot een holistische aanpak die de gehele levenscyclus van processen en producten in overweging neemt. Na het overwinnen van de eerdere ontkenning van negatieve milieueffecten, heeft de chemische industrie gewerkt aan het verbeteren van de duurzaamheid, met vroege inspanningen gericht op het verminderen van verontreiniging door individuele processen, terwijl vandaag de dag de focus ligt op het verminderen van effecten gedurende de levenscyclus.

De huidige methoden voor duurzaam procesontwerp lossen grote multiobjectieve optimalisatieproblemen op en proberen economische, milieu- en sociale aspecten in overweging te nemen. Bij duurzame ontwikkeling moeten niet alleen economische aspecten in aanmerking worden genomen, sociale (veiligheid, gevarenvrij), milieu (preventie van verontreiniging en regulering), energie, materiaal- en economische prestatieaspecten van de processen en producten moeten worden geëvalueerd, geoptimaliseerd en gecontroleerd om duurzaamheidsdoelstellingen te bereiken. Deze multidimensionale aanpak zorgt ervoor dat oplossingen echt duurzaam zijn in plaats van simpelweg de milieubelasting van het ene gebied naar het andere te verschuiven.

Fundamentele berekeningen in duurzaam procesontwerp

Nauwkeurige berekeningen vormen de ruggengraat van duurzaam procesontwerp, dat de kwantitatieve basis biedt die nodig is voor een weloverwogen besluitvorming en optimalisatie. Deze berekeningen stellen ingenieurs in staat om hulpbronnenstromen te begrijpen, inefficiënties te identificeren en processen te ontwerpen die afval minimaliseren en de productiviteit maximaliseren.

Analyse van het materiaal- en energiebalans

Voor veel technische disciplines zijn materiaal- en energiebalansen van fundamenteel belang en spelen ze een belangrijke rol bij beslissingen in verband met duurzame ontwikkeling. Een materiaal- en energiebalans is in wezen een kwantitatief verslag van de herverdeling van materiaal en/of energie die plaatsvindt wanneer er iets gebeurt. Deze berekeningen zijn gebaseerd op het fundamentele principe van behoud van massa en energie, dat stelt dat materie en energie niet kunnen worden gecreëerd of vernietigd, alleen maar getransformeerd.

De methode omvat het maken van een schema van materiaal- en energiestromen binnen het doelsysteem, het vaststellen van systeemgrenzen en het toepassen van behoudsbeginselen voor het bijhouden van inputs, outputs en accumulatie binnen het systeem. In elk geval, het definiëren van het systeem, het identificeren van inputs, outputs en tracking accumulatie maakt het mogelijk voor een kwantitatief begrip van materiaalstromen, die de basis vormt voor procesoptimalisatie, verbetering van de hulpbronnenefficiëntie en milieu-effectbeoordeling.

Voor steady-state processen kan de algemene materiaalbalansvergelijking worden uitgedrukt als:

Input = output + accumulatie

Voor steady-state operaties waarbij accumulatie nul is, vereenvoudigt dit de Input = Output. Energiebalansen volgen vergelijkbare principes, maar zijn verantwoordelijk voor verschillende vormen van energie, waaronder enthalpy, kinetische energie, potentiële energie en warmteoverdracht. De tekst richt zich op materiaal- en energieboekhouding in batch- en continue operaties, met de nadruk op generieke proceseenheden, stroomplaten, stroomtabellen en spreadsheetberekeningen, met een uniforme benadering van reactieve en niet-reactieve energiebalansberekeningen.

Materiaalstroomanalyse (MFA)

Materialenstroomanalyse is een kwantitatieve procedure voor het bepalen van de materiaal- en energiestroom door de economie, met behulp van input/output-methodologieën, inclusief zowel materiële als economische informatie. Materiaalstroomanalyse (MFA) is een hulpmiddel voor materiaalbeheer dat de gedetailleerde studie van de input-, verwerkings- en outputstromen van materialen in verschillende productiesystemen ondersteunt, waaronder kwantificering, evaluatie, verbetering en strategische planning.

Een veel toegepaste methode voor stedelijke metabolismeanalyse is materiaalstroomanalyse (MFA), een systematische beoordeling van de toestand en veranderingen van stromen en voorraden van materialen binnen een gedefinieerd systeem op basis van het massabalansprincipe. MFA biedt verschillende belangrijke voordelen voor duurzaam procesontwerp:

Identificatie van inefficiënties van hulpbronnen en afvalproductiepunten
Kwantificering van materiaalinputs en -outputs over systeemgrenzen heen
Beoordeling van het recycling- en terugwinningspotentieel
Tracking van materiële voorraden en de veranderingen daarvan in de tijd
Steun voor strategieën voor circulaire economie

Met MVO kunnen de mogelijkheden voor het recyclen van materialen en energie worden geïdentificeerd, alsmede de vergelijking van de efficiëntie in vooraf vastgestelde industriële processen en de evaluatie van de mogelijkheid van terugwinning van secundaire grondstoffen in stedelijke mijnbouw. Dit maakt het een van onschatbare waarde instrument voor het ontwerpen van processen die het eerste materiaalverbruik minimaliseren en het herstel van hulpbronnen maximaliseren.

Berekeningen van het energieverbruik

Voor de beoordeling van de duurzaamheid van procesontwerpen zijn berekeningen van het energieverbruik van cruciaal belang. Deze berekeningen moeten rekening houden met verschillende vormen van energiegebruik, waaronder:

Direct energieverbruik: Energie die rechtstreeks wordt gebruikt bij procesbewerkingen zoals verwarming, koeling, mengen en scheiding
Indirect energieverbruik: Energie ingebed in grondstoffen en nutsbedrijven
Energieverliezen: Warmteverliezen, wrijvingsverliezen en andere inefficiënties
Energieterugwinningspotentieel: Mogelijkheden voor warmte-integratie en terugwinning van afvalwarmte

De holistische visie, waarbij materiaal en energiestromen worden gecombineerd, staat bekend als exergetisch materiaalbalans, waarbij de nadruk ligt op de kwaliteit van energie en materialen als ze worden getransformeerd, wat een meer uitgebreide betekenis geeft aan systeemefficiëntie en milieuprestaties. Exergy analyse gaat verder dan eenvoudige energieboekhouding om de kwaliteit en het nut van energie te overwegen, en biedt dieper inzicht in procesefficiëntie en verbeteringsmogelijkheden.

Metrics voor efficiënt gebruik van hulpbronnen

Material Balance biedt een kader voor het kwantificeren van hulpbronnenefficiëntie, met hulpbronnenefficiëntie-metrics zoals rendement, conversie, selectiviteit en afvalproductie, allemaal direct afgeleid van de berekeningen van Material Balance. Belangrijke metrics voor het evalueren van duurzaam procesontwerp zijn:

Jield: De verhouding van het gewenste product tot het theoretische maximum
Selectiviteit: De verhouding van het gewenste product tot het totale gevormde product
Conversie: De fractie van de reagentia die in producten zijn omgezet
Atom economy: Het percentage reactieve atomen dat in het gewenste product terecht komt
E-factor: De massaverhouding van afval tot het gewenste product
Energie-intensiteit: Energieverbruik per eenheid product
Waterintensiteit: Verteerd water per eenheid product

Deze metrics bieden kwantitatieve metingen van procesprestaties en maken het mogelijk om verschillende ontwerpalternatieven te vergelijken. Ze helpen ook om mogelijkheden voor verbetering te identificeren en vooruitgang in de richting van duurzaamheidsdoelstellingen te volgen.

Levenscyclusbeoordeling bij het ontwerp van processen

De levenscyclusbeoordeling (LCA) is een belangrijk instrument gebleken om de milieuprestaties van een product of dienst gedurende de volledige levenscyclus te kwantificeren. LCA biedt een alomvattend kader voor de beoordeling van de milieueffecten van processen van wieg tot graf, waaronder de winning van grondstoffen, de productie, het gebruik en de verwijdering of recycling van afval en afval.

LCA-methode en -toepassing

Met de vooruitgang in het begrijpen van duurzaamheid is de integratie van duurzaamheid in chemisch procesontwerp, optimalisatie en controle recent een onderzoekshighlight geworden in processystemen engineering, waarbij duurzaamheidsbeoordeling verder gaat dan het proces dat wordt uitgevoerd om te bepalen welk ontwerpalternatief duurzamer is door het uitvoeren van levenscyclusanalyse (LCA) overwegingen om de grotere levenscyclus impact bijdragen stadia te identificeren.

De LCA-methodologie bestaat doorgaans uit vier hoofdfasen:

Doel en toepassingsgebied Definitie: Het vaststellen van het doel van de studie, systeemgrenzen, functionele eenheid en detailniveau
Life Cycle Inventory (LCI): Gegevens verzamelen over alle inputs en outputs die met het systeem verbonden zijn
Life Cycle Impact Assessment (LCIA): Evaluatie van de potentiële milieueffecten op basis van de inventarisgegevens
Interpretatie: Analyse van de resultaten, identificatie van belangrijke kwesties en het trekken van conclusies

De toepassing van de MEFA levert kwantificering van materialen en energiestromen, die niet alleen als basis van de LCI functioneert, maar maakt ook nauwkeurigere en gedetailleerdere milieubeoordelingen mogelijk. De koppeling van de materiaal- en energiestroomanalyse (MEFA) met de Life Cycle Assessment (LCA) onder een stedelijk metabolisme (UM) perspectief is een geavanceerde benadering van duurzaamheidsbeoordeling.

Integratie van duurzame ontwikkelingsdoelstellingen

Het concept van absolute duurzaamheid werd gebruikt om de prestaties van engineeringsystemen op de 17 duurzame ontwikkelingsdoelen (SDG's) te kwantificeren, die in 2015 door 193 lidstaten van de Verenigde Naties (VN) werden aangenomen en als richtsnoer dienen voor beleidsmakers om de kritieke uitdagingen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, te bestrijden. Een kader voor duurzaam procesontwerp is expliciet verantwoordelijk voor de prestaties die zijn bereikt in de duurzame ontwikkelingsdoelen (SDG's), die worden berekend met behulp van standaardlevenscyclus-evaluatie (LCA) metrics naast het planetaire grensconcept.

Deze integratie zorgt ervoor dat procesontwerpen positief bijdragen aan wereldwijde duurzaamheidsdoelstellingen, waarbij kwesties als klimaatactie, schoon water en sanitaire voorzieningen, betaalbare en schone energie en verantwoord verbruik en productie worden aangepakt. Ingenieurs kunnen SDG-gebonden metriek gebruiken om te evalueren hoe hun ontwerpen vooruitgang in de richting van deze universele doelen ondersteunen of belemmeren.

Procesintegratie voor duurzaamheid

Sinds de jaren zeventig werd een systematische methode voor duurzaam chemisch procesontwerp ontwikkeld, waarbij een van de algemeen erkende benaderingen een procesintegratie is. Procesintegratie is een holistische benadering van procesontwerp dat het gebruik van hulpbronnen over hele processystemen wil optimaliseren in plaats van individuele eenheden afzonderlijk te optimaliseren.

Knijpanalyse en warmte-integratie

De ontwikkeling van procesintegratietechnieken was vooral gericht op warmtewisselaarsnetwerksynthese in de jaren zeventig, met de eerste gebruikershandleiding gepubliceerd door de IChemE, waar warmtewisselaarnetwerk werd ontworpen om de minimale warm- en koude gebruiksdoelstellingen voor een procesinstallatie te bereiken. Pinch analyse is een systematische methode voor het minimaliseren van energieverbruik in processen door het optimaliseren van warmteterugwinning tussen warm- en koudstromen.

De belangrijkste stappen in de analyse van de pink zijn:

Gegevensextractie: Identificeer alle warme stromen (vereist koeling) en koude stromen (vereist verwarming)
Samengestelde curve constructie: Het creëren van temperatuur-enthalpie diagrammen voor warme en koude stromen
Knijppuntidentificatie: Het punt van de dichtstbijzijnde benadering vinden tussen warme en koude samengestelde curves
Richting: Het bepalen van de minimale eisen voor verwarming en koeling
Netwerkontwerp: Ontwikkeling van warmtewisselaarnetwerken om de doelstellingen te bereiken

Procesintegratie leidt tot een lager gebruik van het gebruik, wat neerkomt op lagere bedrijfskosten en CO2-uitstoot. Dit maakt warmte-integratie een van de meest kosteneffectieve strategieën om de duurzaamheid van het proces te verbeteren, vaak met snelle terugverdienbaarheid van investeringen en een aanzienlijke vermindering van de milieueffecten.

Massa-integratie en waterminimalisatie

Van eind jaren tachtig tot begin 21e eeuw werden procesintegratietechnieken uitgebreid voor de preventie van verontreiniging door de synthese van het netwerk van massawisselaars en de integratie van massa's, waardoor het gebruik van massascheidingsmiddelen zoals adsorbenten, oplosmiddelen, enz., kan worden beperkt tot een vermindering van de afvallozing door de procesfabrieken.

Sommige gespecialiseerde gevallen van massa-integratie zijn het vermelden waard, zoals water- en waterstofintegratie, waar procesintegratietechnieken het mogelijk maken de minimale zoetwater- en afvalwaterstroom te identificeren nadat hun terugwinningspotentieel bij verschillende waterverbruiksprocessen in de installatie wordt gemaximaliseerd. Waterintegratie is met name belangrijk in watergestresste gebieden en voor industrieën met een hoog waterverbruik.

Waterminimalisatiestrategieën omvatten:

Rechtstreeks hergebruik: water uit de ene operatie direct in de andere zonder behandeling gebruiken
Hergebruik van regeneratie: Behandelen van water om verontreinigingen te verwijderen voor hergebruik
Regeneratie recycling: Behandelen van water en het teruggeven van het naar dezelfde werking
Cascade-analyse: Systematisch bijpassende waterbronnen en gootstenen op basis van kwaliteitseisen

Wiskundige programmeringsbenaderingen

Twee verschillende benaderingen binnen de procesintegratiefamilie omvatten pinch-analyse en wiskundige programmeringstechnieken, met beide hun respectieve voordelen en beperkingen - pinch-analyse biedt goede inzichten voor ontwerpers, maar heeft beperkte mogelijkheden in kostenoptimalisatie, terwijl wiskundige programmering in staat is om deze beperkingen te overwinnen en om te gaan met complexe gevallen, hoewel het lijdt aan het gebrek aan goede inzichten voor procesontwerpers.

Wiskundige programmeringsformuleringen voor procesintegratie omvatten meestal:

Beslissingsvariabelen die de stroomsnelheden, temperaturen en de omvang van de apparatuur vertegenwoordigen
Doelfuncties die kosten, energieverbruik of milieu-impact minimaliseren
Beperkingen die massa- en energiebalansen, beperkingen van de apparatuur en veiligheidseisen waarborgen
Optimalisatiealgoritmen om optimale of bijna optimale oplossingen te vinden

De analyse van de knijp en wiskundige programmeringstechnieken vullen elkaar goed aan bij het oplossen van verschillende industriële problemen. Moderne benaderingen combineren vaak beide methodologieën, waarbij gebruik wordt gemaakt van pinch-analyse voor initiële inzichten en screening, gevolgd door wiskundige optimalisatie voor gedetailleerd ontwerp.

Process Simulatie Gereedschappen en Software

Een processimulator (AspenPlus, gPROMS, Hysys, Aveva Pro/II .. om er maar een paar te noemen) is een tool die wereldwijd wereldwijd wordt gebruikt in onderwijs en industriële praktijk, inclusief procesmodellen, databases, numerieke oplossingen, enz., en die het mogelijk maakt een breed scala aan processen te modelleren en/of te simuleren. Processimulatiesoftware is onmisbaar geworden voor duurzaam procesontwerp, waardoor ingenieurs de ontwerpen kunnen testen en optimaliseren voordat ze zich inzetten voor fysieke constructie.

Steady-State en dynamische simulatie

Geavanceerde processimulatieplatforms zoals AVEVA Process Simulation ondersteunen zowel steady-state als dynamische simulatie binnen één omgeving, waardoor ingenieurs kunnen testen, optimaliseren en schalen van koolstofarme technologieën gedurende de gehele procescyclus van conceptueel ontwerp tot operationele en controlestrategieontwikkeling. Deze geïntegreerde aanpak maakt een meer uitgebreide analyse en betere besluitvorming gedurende de hele projectlevenscyclus mogelijk.

Steady-state simulatie richt zich op:

Materiaal- en energiebalansen bij evenwichtsomstandigheden
Materieelgrootte en prestatiebeoordeling
Procesoptimalisatie en gevoeligheidsanalyse
Economische evaluatie en kostenraming

Dynamische simulatieadressen:

Opstart- en afsluitingsprocedures
Ontwerp en afstemming van het controlesysteem
Respons op verstoringen en overstuur
Veiligheidsanalyse en noodscenario's

Duurzaamheid-gefocuste simulatiecapaciteiten

AVEVATM Process Simulation helpt om duurzame industrie te schalen met ingebouwde waterstofprocessen, processen voor hernieuwbare energie en broeikasgasberekeningen. Moderne simulatieplatforms omvatten steeds meer duurzaamheidsstatistieken en tools, waardoor ingenieurs naast traditionele technische en economische criteria de milieuprestaties kunnen evalueren.

Ingenieurs kunnen industriële processen ontwerpen, testen en optimaliseren die traditioneel tijd- en resource-intensieve .. zoals chemische productie, brandstof- en elektriciteitsopwekking, of waterstof ..ondoorbroken in een virtuele omgeving die de echte wereld weerspiegelt. Deze virtuele prototyping vermogen aanzienlijk vermindert de tijd en kosten van het ontwikkelen van duurzame processen, terwijl het minimaliseren van het risico van dure fouten tijdens de implementatie.

Geïntegreerde gereedschappen voor duurzaam ontwerp

Een geïntegreerde tool, ProCAFD, voor duurzame processynthese, ontwerp en innovatie, vertegenwoordigt de evolutie naar uitgebreide platforms die meerdere aspecten van duurzaam ontwerp combineren. De Gauging Reaction Effectiviteit van de U.S. EPA voor de Environmental Sustainability of Chemistries met een multi-Objective Process Evaluator (GREENSCOPE) tool levert scores voor de geselecteerde indicatoren op het gebied van economische, materiële efficiëntie, milieu en energie.

Deze geïntegreerde gereedschappen stellen ingenieurs in staat om:

Meerdere duurzaamheidsdimensies tegelijkertijd evalueren
Alternatieve procesconfiguraties objectief vergelijken
Inventarisatie van de afwegingen tussen concurrerende doelstellingen
Pareto optimale oplossingen voor multi-objectieve problemen genereren
Documenteren en communiceren van duurzaamheidsprestaties

Beste praktijken voor duurzaam procesontwerp

De implementatie van beste praktijken in duurzaam procesontwerp vereist een systematische aanpak waarbij rekening wordt gehouden met milieu-, economische en sociale factoren tijdens het ontwerpproces. Deze praktijken zijn ontwikkeld en verfijnd door middel van decennia van industriële ervaring en academisch onderzoek.

Hiërarchische ontwerpbenadering

Een hiërarchische benadering van procesontwerp helpt de complexiteit te beheersen en zorgt ervoor dat duurzaamheidsoverwegingen op elk niveau worden geïntegreerd:

Batch vs. Continuous: Selecteer de geschikte werkwijze op basis van productieschaal, productkenmerken en duurzaamheidsoverwegingen
Input-Output Structure: Definieer de totale processtructuur, inclusief grondstoffen, producten en bijproducten
Recyclestructuur: Kansen identificeren voor materiaal- en energierecycling binnen het proces
Separatiesysteem: Ontwerp efficiënte scheidingssequenties om het energieverbruik en de afvalproductie te minimaliseren
Heat Integration: Breng de pinch analyse en warmte-integratie aan om het gebruiksverbruik te minimaliseren
Apparatuurontwerp: Grootte en specificeer apparatuur om efficiënt aan de prestatievereisten te voldoen

Deze hiërarchische aanpak zorgt ervoor dat belangrijke beslissingen die van invloed zijn op duurzaamheid vroeg in het ontwerpproces worden genomen wanneer zij het grootste effect hebben en het minst kostbaar zijn om uit te voeren.

Afvalminimalisatiestrategieën

Afvalminimalisatie volgt een hiërarchie van voorkeursbenaderingen, vaak samengevat als de "3R's" of uitgebreid met aanvullende strategieën:

Verminderen: Minimaliseer afvalproductie aan de bron door procesoptimalisatie, verbeterde selectiviteit en efficiënt gebruik van grondstoffen
Hergebruik: Toepassingen zoeken voor afvalstromen binnen het proces of in andere processen zonder significante verwerking
Recycle: Terughalen en reprocesseren van materialen voor gebruik in dezelfde of verschillende toepassingen
Recover: Extract waardevolle materialen of energie uit afvalstromen
Behandel: Procesafval om de milieueffecten ervan vóór verwijdering te verminderen
Verwijder: Verwijderen op veilige wijze restafval dat niet kan worden verminderd, hergebruikt, gerecycleerd of teruggewonnen

Automatisering kan fouten in real-time detecteren en corrigeren, materiaalafval in elk product minimaliseren en geavanceerde recyclingprocessen mogelijk maken zodat materialen binnen de productiecyclus kunnen worden hergebruikt. Moderne automatiserings- en controlesystemen spelen een cruciale rol bij het effectief implementeren van afvalminimalisatiestrategieën.

Integratie van hernieuwbare hulpbronnen

Het is echter van essentieel belang dat de vervanging van fossiele technologieën door technologieën op basis van hernieuwbare koolstof in de toekomst een belangrijke rol speelt bij de ontwikkeling van duurzame chemische processen, maar de effecten buiten de klimaatverandering moeten zorgvuldig worden geëvalueerd om ervoor te zorgen dat deze overgang naar gedeoxideerde chemische stoffen werkelijk duurzaam is.

Strategieën voor de integratie van hernieuwbare hulpbronnen zijn onder meer:

Gerenereerbare grondstoffen: Gebruik van biomassa, CO2 of andere hernieuwbare koolstofbronnen in plaats van fossiele brandstoffen
Gerenergeerbare energie: Scheepvaarten met zonne-, windenergie, waterkracht of andere hernieuwbare energiebronnen
Groene chemieprincipes: Het ontwerpen van chemische syntheses die stoffen met minimale toxiciteit gebruiken en genereren
Biogebaseerde processen: Gebruikmakend van biologische katalysatoren en processen die onder milde omstandigheden werken

Sommige onderdelen hebben betrekking op energiebesparing of energie-efficiëntieconcepten, het gebruik van hernieuwbare energie, enz., terwijl andere aspecten zijn gericht op materiaalbeheer benaderingen door de minimalisering van de grondstofbehoeften per eenheid waardevol product(s), hergebruik, recycling, hernieuwbare materialen, enz.

Proces-intensiteit

Procesintensivering is erop gericht om met innovatieve apparatuur en methoden tot een drastische verbetering van de procesefficiëntie, veiligheid en duurzaamheid te komen.

Multifunctionele reactoren: Het combineren van reactie en scheiding in één eenheid
Microreactoren: Gebruik van kleinschalige reactoren met verbeterde warmte- en massaoverdracht
Reactieve destillatie: Het gelijktijdig uitvoeren van reactie en scheiding
Membraanprocessen: Selectieve membranen gebruiken voor efficiënte scheidingen
Alternatieve energiebronnen: Gebruikt magnetron, ultrageluid of andere niet-conventionele energie-inputs

Procesintensivering kan leiden tot kleinere apparatuurvoetafdrukken, lagere kapitaalkosten, verbeterde veiligheid en een geringere milieu-impact. Echter, zorgvuldige analyse is nodig om ervoor te zorgen dat intensivering daadwerkelijk de algehele duurzaamheid verbetert in plaats van nieuwe problemen te creëren.

Continu toezicht en verbetering

Geautomatiseerde controlesystemen kunnen het energieverbruik in realtime monitoren en aanpassen, het verbruik van elektriciteit, warmte en andere vormen van energie optimaliseren, waardoor de ecologische voetafdruk van industriële activiteiten wordt verminderd, maar ook aanzienlijke kostenbesparingen voor bedrijven worden gerealiseerd.

Effectieve monitoring- en verbeteringsprogramma's omvatten:

Kenmerken van prestatie-indicatoren (KPI's): Vaststelling van metrics om duurzaamheidsprestaties te volgen
Real-time monitoring: Het gebruik van sensoren en dataanalyses om continu de procesprestaties te volgen
Benchmarking: De prestaties vergelijken met de normen en beste praktijken van de industrie
Root oorzaakanalyse: Onderzoek van afwijkingen en identificatie van onderliggende oorzaken
De cultuur van continue verbetering: Al het personeel aanmoedigen om verbeteringen te identificeren en uit te voeren

De aanpak van de procesbeheersing moet inspelen op onverwachte instabiliteiten wanneer het proces in de loop van de tijd onstabiel wordt en/of als gevolg van veranderingen in de samenstelling en de stroomsnelheid, temperatuur en druk van het voer, en moet in staat zijn om overgangen te verrichten naar verschillende gewenste bedrijfsomstandigheden en staten om te voldoen aan de eisen van het bedrijf en de consument, economie, proces- en productspecificaties, nieuwe milieuvoorschriften, veiligheid, beheer van chronische gebeurtenissen met lage dosis, enz.

Geavanceerde berekeningsmethoden en -tools

Modern duurzaam procesontwerp is gebaseerd op geavanceerde rekenmethoden en rekentools waarmee ingenieurs complexe systemen kunnen analyseren en meerdere doelstellingen tegelijkertijd kunnen optimaliseren.

Optimalisatie van meerdere doelstellingen

Het multi-objectieve probleem wordt opgelost met behulp van de epsilon-beperkingsmethode om Pareto optimale grenzen te verkrijgen die de wisselwerking tussen milieu- en economische dimensies van het duurzame procesontwerpprobleem blootleggen. Multi-objectieve optimalisatie erkent dat duurzaam procesontwerp concurrerende doelstellingen omvat, zoals het minimaliseren van kosten, milieu-impact en veiligheidsrisico's, terwijl productkwaliteit en -rendement worden gemaximaliseerd.

Gemeenschappelijke benaderingen van multi-objectieve optimalisatie omvatten:

Gewogen sommethode: Meerdere doelstellingen combineren tot één doelstelling met wegingsfactoren
Epsilonbeperkingsmethode: Het optimaliseren van één doelstelling terwijl het beperken van anderen
Pareto optimalisatie: Het identificeren van de set niet-gedomineerde oplossingen
Doelprogrammering: De afwijkingen van de gespecificeerde streefwaarden minimaliseren
Evolutionaire algoritmen: Met behulp van natuur-geïnspireerde methoden om de oplossingsruimte te verkennen

Deze methoden stellen besluitvormers in staat om afwegingen te begrijpen en oplossingen te selecteren die het best aansluiten bij hun prioriteiten en beperkingen.

Optimalisatie van superstructuur

Een algemeen hulpmiddel, Super-O, voor processynthese op basis van bovenbouwoptimalisatie vertegenwoordigt een geavanceerde benadering van procesontwerp. Superstructuuroptimalisatie omvat het creëren van een uitgebreide weergave van alle mogelijke procesconfiguraties en het gebruik van wiskundige optimalisatie om het beste ontwerp te identificeren.

De bovenbouwbenadering omvat doorgaans:

Een bovenbouw definiëren die alle haalbare procesalternatieven omvat
Formulering van wiskundige modellen voor elke eenheid bediening en aansluiting
Vaststelling van een objectieve functie en beperkingen
Het resulterende optimalisatieprobleem oplossen met behulp van geschikte algoritmen
Analyse van de optimale oplossing en gevoeligheid voor parameters

Methoden zoals optimalisatie van bovenbouw, procesintegratie, procesintensivering, onder andere, en hun toepassingen voor duurzaam ontwerp en synthese van energiesystemen zijn een actief onderzoeksgebied geworden. Deze aanpak is bijzonder waardevol voor complexe systemen waar de optimale configuratie niet duidelijk is en waar duurzaamheidsoverwegingen op niet-intuïtieve wijze met technische en economische factoren in wisselwerking staan.

Gegevensverzoening en foutanalyse

Data-vergelijktechnieken, die vaak worden gebruikt in de chemische techniek, gebruiken statistische methoden om gemeten gegevens aan te passen om te voldoen aan de beperkingen van de materiaalbalans, die niet alleen de nauwkeurigheid van de materiaalstroomschattingen verbetert, maar ook mogelijke meetfouten of lekken in het systeem identificeert.

Gegevensverzoening is essentieel voor:

Verbetering van de nauwkeurigheid van procesmetingen
Het detecteren en diagnosticeren van meetfouten
Het identificeren van proceslekken of niet-gemeten stromen
Het leveren van betrouwbare gegevens voor procesoptimalisatie
Ondersteuning van de naleving van de regelgeving en rapportage

De techniek gebruikt redundante metingen en instandhoudingsprincipes om de meest waarschijnlijke werkelijke waarden van procesvariabelen te schatten, rekening houdend met meetonzekerheid en systematische fouten.

Circulaire Economie en Industriële Ecologie

De circulaire economie is een fundamentele verschuiving van het traditionele lineaire model "take-make-dispose" naar een regeneratief systeem waarbij de hulpbronnen zo lang mogelijk in gebruik worden gehouden, waarbij de maximale waarde wordt verkregen voordat ze worden hersteld en geregeneratief worden.

Principles circulaire economie in procesontwerp

Nu de circulaire economie wereldwijd meer aantrekkingskracht krijgt, doen de lokale overheden inspanningen om circulaire strategieën op stedelijk niveau te ontwikkelen, waarbij dergelijke strategieën ontwikkeld en gevolgd moeten worden, waarvoor gedetailleerde kwantitatieve informatie over materiaal- en energiestromen nodig is, die verkregen kan worden via een stedelijke metabolismeanalyse (UM).

De belangrijkste beginselen van circulaire economie voor procesontwerp zijn:

Ontwerp afval: Verwijder afval en vervuiling door zorgvuldig ontwerp
Tekst en inhoud van het product en de materialen in gebruik houden: Ontwerp voor duurzaamheid, hergebruik, herproductie en recycling
Regenereer natuurlijke systemen: Geef waardevolle voedingsstoffen terug aan de bodem en andere ecosystemen
Gebruik van hernieuwbare energie: Energieprocessen met hernieuwbare energiebronnen
Denk in systemen: Overweeg de bredere context en interconnecties

Een transitie van een duurzame circulaire economie vereist het ontwerpen van holistische strategieën die niet alleen de output van het systeem willen verminderen door het opnieuw recyclen van materialen, maar ook de productie ervan verminderen door een beperkt en efficiënter gebruik van hulpbronnen.

Industriële symbiose

Industriële symbiose houdt in dat er netwerken worden opgezet waar afval of bijproducten van het ene proces grondstoffen worden voor het andere, waarbij natuurlijke ecosystemen worden nagebootst waar afval van het ene organisme voedsel wordt voor het andere. Deze aanpak kan de efficiëntie van hulpbronnen aanzienlijk verbeteren en de milieueffecten op industrieel of regionaal niveau verminderen.

Succesvolle industriële symbiose vereist:

Geografische nabijheid van deelnemende faciliteiten
Compatibele afvalstromen en materiaalvereisten
Economische levensvatbaarheid van de materiële uitwisselingen
Regelgevingskaders die uitwisselingen vergemakkelijken en niet belemmeren
Vertrouwen en samenwerking tussen deelnemende organisaties
Infrastructuur voor materiaalverzameling, opslag en vervoer

De analyse van de materiaalstroom speelt een cruciale rol bij het identificeren van mogelijkheden voor industriële symbiose door materiaalstromen in kaart te brengen en potentiële overeenkomsten tussen afvalgeneratoren en potentiële gebruikers te identificeren.

Bioraffinaderijen

Drie technologiegebieden (die met elkaar verbonden zijn) die van invloed zijn op de duurzaamheid van de aarde, namelijk chemische processen die verband houden met CO2-afvang en -gebruik, bioraffinaderijen en ontzilting van water, worden geselecteerd om de visies te benadrukken en de noodzaak van verdere ontwikkeling van computer-aided tools. Bioraffinaderijen vormen een belangrijke toepassing van duurzame procesontwerpprincipes, waarbij biomassa wordt omgezet in een reeks waardevolle producten, waaronder brandstoffen, chemicaliën, materialen en energie.

De overwegingen inzake bioraffinaderijen zijn onder meer:

Selectie van diervoeders en duurzaamheid van de toeleveringsketen
Selectie van conversietechnologie (biochemische, thermochemische of hybride)
Optimalisatie van het productportfolio om de waarde te maximaliseren
Integratie met bestaande infrastructuur en industrieën
Integratie van water en energie om het verbruik van hulpbronnen te minimaliseren
Milieu-effectbeoordeling gedurende de volledige levenscyclus

Uitdagingen en toekomstige aanwijzingen

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt op het gebied van duurzaam procesontwerp, blijven er verschillende uitdagingen bestaan die verder onderzoek en ontwikkeling vereisen.

Huidige beperkingen

Deze methoden maken gebruik van de nieuwste vooruitgang in processystemen-engineering, maar lopen achter bij het gebruik van vooruitgang in duurzame engineering, met meer werk dat nodig is om de effecten over de volledige levenscyclusgrens te overwegen, en om ervoor te zorgen dat duurzame ontwerpen niet groter zijn dan de capaciteit van de natuur om de benodigde ecosysteemproducten en -diensten te leveren.

De belangrijkste uitdagingen zijn:

Systeemgrensdefinitie: Vaststellen van geschikte grenzen voor analyse zonder het probleem intraceerbaar te maken
Gegevensbeschikbaarheid en kwaliteit: Betrouwbare gegevens verzamelen voor milieueffecten en hulpbronnenstromen
Onzekerheidsbeheer: Omgaan met onzekerheid in toekomstige omstandigheden, technologische prestaties en milieueffecten
Multischaalintegratie: Beslissingen op procesniveau verbinden met de toeleveringsketen en wereldwijde effecten
Sociale dimensie: Op adequate wijze sociale duurzaamheidsaspecten in kwantitatieve ontwerpmethoden integreren

De grootste obstakels zijn uiteenlopende tijdshorizons, het niet in overeenstemming brengen van systeemgrenzen, de kwaliteit en beschikbaarheid van gegevens en de ondervertegenwoordiging van industriële processen. Deze uitdagingen zijn bijzonder acuut wanneer wordt geprobeerd verschillende modelbenaderingen te koppelen of te integreren op verschillende analyseschalen.

Opkomende kansen

De Proces Systems Engineering-gemeenschap heeft de mogelijkheid om niet alleen de nodige methoden en bijbehorende instrumenten te ontwikkelen, maar ook om via innovatieve oplossingen bij te dragen aan duurzame ontwikkeling.

Kunstmatige intelligentie en machine learning: Gebruik van AI om complexe processen te optimaliseren, prestaties te voorspellen en patronen in grote datasets te identificeren
Digitale tweeling: Het creëren van virtuele replica's van processen voor real-time optimalisatie en voorspellend onderhoud
Geavanceerde materialen: Het ontwikkelen van nieuwe katalysatoren, absorbatoren en membranen die efficiëntere en selectievere processen mogelijk maken
Modulair en gedistribueerde verwerking: Ontwerpen van flexibele, schaalbare systemen die dichter bij grondstoffenbronnen of markten kunnen worden ingezet
Integratie met hernieuwbare energie: Ontwerpen van processen die flexibel kunnen werken met variabele hernieuwbare energievoorzieningen

Met de goedkeuring van de Overeenkomst van Parijs in 2015 is het voor de chemische industrie, die goed is voor ongeveer 10% van de wereldwijde antropogene CO2-uitstoot, van cruciaal belang geworden om geleidelijk over te stappen op duurzamere productieroutes, waardoor het van cruciaal belang is om milieustatistieken te overwegen bij het analyseren van de huidige processen op basis van fossiele koolstof en het ontwerpen van alternatieve, schonere chemische productieroutes.

Rol van onderwijs en opleiding

Het doel van het EngD-programma is duurzame oplossingen te ontwikkelen voor de industrie, zoals nieuwe procestechnieken en/of materialen die de ecologische voetafdruk aanzienlijk beperken, met een hoge vraag naar hoogopgeleide en gespecialiseerde procesingenieurs om te helpen bij de overgang naar duurzame productieprocessen.

Procesintegratie wordt ook breed onderwezen in universitaire opleidingen en toegepast door middel van ontwerpcursussen en het belangrijkste ontwerpproject wereldwijd. Onderwijs en opleiding spelen een cruciale rol bij de ontwikkeling van de volgende generatie ingenieurs die duurzame processen kunnen ontwerpen en implementeren.

Integratie van duurzaamheidsbeginselen in alle technische leerplannen
Het bieden van praktische ervaring met moderne gereedschappen en methoden
Ontwikkeling van interdisciplinaire vaardigheden om complexe duurzaamheidsproblemen aan te pakken
Het stimuleren van het denken over systemen en de perspectieven van de levenscyclus
Innovatie en creatieve probleemoplossing aanmoedigen

Praktische uitvoeringsrichtsnoeren

Succesvol implementeren van duurzaam procesontwerp vereist een gestructureerde aanpak die rekening houdt met technische, economische, milieu- en organisatorische factoren.

Projectplanning en -uitvoering

Een systematische aanpak van projecten voor duurzaam procesontwerp omvat:

Bepalen doelstellingen en toepassingsgebied: Duidelijk formuleren van duurzaamheidsdoelstellingen en projectgrenzen
Multicipair team samenstellen: Expertise opnemen in procestechniek, milieuwetenschappen, economie en bedrijfsvoering
Conduct baseline assessment: Begrijp de huidige prestaties en de verbeteringsmogelijkheden
Genereer en scherm alternatieven: Ontwikkel meerdere ontwerpopties en elimineer duidelijk minderwaardige alternatieven
Gedetailleerde analyse: Doe een rigoureuze technische, economische en milieuanalyse van veelbelovende alternatieven
Optimalisatie: Gebruik geschikte instrumenten om geselecteerde ontwerpen te optimaliseren
Risicobeoordeling: Vaststellen en evalueren van technische, economische en milieurisico's
Uitvoeringsplanning: Ontwikkelen van gedetailleerde plannen voor bouw, inbedrijfstelling en exploitatie
Controle en verificatie: Systemen opzetten om de prestaties te volgen en duurzaamheidsvoordelen te verifiëren

Betrokkenheid van belanghebbenden

Succesvol duurzaam procesontwerp vereist betrokkenheid met diverse belanghebbenden, waaronder:

Interne belanghebbenden: Beheer, exploitatie, onderhoud, veiligheid en milieupersoneel
Externe belanghebbenden: Regelgevers, leden van de gemeenschap, klanten, leveranciers en investeerders
Technische deskundigen: Consultants, technologieleveranciers en onderzoeksinstellingen

Doeltreffende betrokkenheid van belanghebbenden houdt een duidelijke communicatie van doelstellingen in, transparante uitwisseling van informatie, overweging van uiteenlopende perspectieven en gezamenlijke probleemoplossing.

Documentatie en kennisbeheer

Uitgebreide documentatie is essentieel voor:

Beweegredenen en beslissingen vastleggen
Vergemakkelijking van de goedkeuring van regelgeving en het toestaan van
Ondersteunende activiteiten en onderhoud
Continue verbetering mogelijk maken
De lessen die in de organisatie zijn geleerd, delen
Duurzaamheidsprestaties demonstreren aan belanghebbenden

Moderne kennismanagementsystemen kunnen helpen bij het organiseren en toegankelijk maken van de enorme hoeveelheid informatie die wordt gegenereerd tijdens duurzame procesontwerpprojecten.

Casestudy's

Real-world toepassingen laten zien hoe duurzaam procesontwerp principes en berekeningen in de praktijk worden toegepast in verschillende industrieën.

Koolstofvangst en -gebruik

Deze benadering wordt toegepast om een CO2-hydrogenering op methanol te ontwerpen, waarbij economische en SDG's-gebaseerde prestaties de geoptimaliseerde doelstellingen zijn, waaruit blijkt dat het milieuoptimale ontwerp de impact op SDG 13 (klimaatactie) aanzienlijk vermindert ten opzichte van de business-as-usual (BAU) fossiele tegenhanger, maar dit ten koste gaat van de verslechtering van andere categorieën.

Deze casestudy illustreert het belang van een alomvattende duurzaamheidsbeoordeling die meerdere impactcategorieën in overweging neemt in plaats van zich uitsluitend op klimaatverandering te richten. Het toont aan hoe multi-objectieve optimalisatie trade-offs kan onthullen en beleidsmakers kan helpen ontwerpen te selecteren die het beste aansluiten bij hun prioriteiten.

Waterontzilting

Waterontzilting is een ander belangrijk toepassingsgebied waar duurzame procesontwerpprincipes van cruciaal belang zijn.

Energie-efficiëntie van ontziltingsprocessen
Beheer van de verwijdering van concentraat
Integratie met hernieuwbare energiebronnen
Minimalisering van chemisch gebruik en lozing
Milieu-effecten gedurende de levenscyclus

De materiaal- en energiebalansberekeningen zijn van fundamenteel belang voor het optimaliseren van ontziltingsprocessen, terwijl LCA helpt ervoor te zorgen dat oplossingen echt duurzaam zijn wanneer het volledige systeem wordt overwogen.

Productie van biobrandstoffen

De MEFA van biodieselproductie, het gebruik van hernieuwbare energie in de voedselproductie en de effecten van netwerken tussen cementproductie en sommige industrieën worden als case-studies verstrekt. Biobrandstofproductie illustreert de complexiteit van duurzaam procesontwerp, waarbij duurzaamheid van grondstoffen, conversie-efficiëntie, gebruik van co-product en effecten van de levenscyclus zorgvuldig moeten worden overwogen.

Succesvolle biobrandstoffenprocessen hebben meestal betrekking op:

Duurzame grondstoffen die niet concurreren met voedselproductie
Hoge conversie-efficiëntie door geoptimaliseerde procesomstandigheden
Waardevol gebruik van bijproducten en bijproducten
Integratie van warmte- en materiaalstromen om het gebruiksverbruik te minimaliseren
Positieve netto-energiebalans en vermindering van broeikasgassen

Regelgeving en beleidsoverwegingen

Duurzaam procesontwerp moet een steeds complexer regelgevingslandschap navigeren en tegelijkertijd reageren op vrijwillige duurzaamheidsinitiatieven en marktdruk.

Milieuvoorschriften

De belangrijkste regelgevingskaders die van invloed zijn op het ontwerp van duurzame processen zijn:

Air quality regulations: Grenswaarden voor emissies van criteria verontreinigende stoffen, gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen en broeikasgassen
Waterkwaliteitsvoorschriften: Afvoergrenswaarden voor conventionele en toxische verontreinigende stoffen
Beheersvoorschriften voor het beheer van afvalstoffen: Eisen voor de behandeling en verwijdering van gevaarlijk en ongevaarlijk afval
Chemische veiligheidsvoorschriften: Registratie, evaluatie en vergunningverlening van chemische stoffen
Energie-efficiëntienormen: Eisen of stimulansen voor energie-efficiënte activiteiten

Duurzame procesontwerpen moeten gericht zijn op het overschrijden van de minimumeisen inzake regelgeving, het anticiperen op toekomstige regelgeving en het aantonen van milieuleiderschap.

Vrijwillige initiatieven en normen

Veel organisaties nemen deel aan vrijwillige duurzaamheidsinitiatieven zoals:

ISO 14001 Milieumanagementsystemen
ISO 50001 Energiebeheersystemen
Responsible Care programma voor de chemische industrie
Wetenschapsgerichte doelstellingen voor broeikasgasreductie
Industriespecifieke duurzaamheidsnormen en certificeringen

Deze initiatieven bieden kaders voor systematische verbetering en tonen aan dat de belanghebbenden zich inzetten voor duurzaamheid.

Economische prikkels

Verschillende economische mechanismen kunnen duurzaam procesontwerp ondersteunen:

Koolstofprijsbepaling via belastingen of bedrijfscap-and-trade-systemen
Kredieten voor hernieuwbare energie en subsidies
Belastingprikkels voor verbeteringen van energie-efficiëntie
Groene obligaties en duurzame financieringsmechanismen
Premieprijzen voor duurzame producten

Het begrijpen en benutten van deze prikkels kan de economische levensvatbaarheid van duurzame procesontwerpen verbeteren.

Conclusie en toekomstige vooruitzichten

Duurzaam procesontwerp is een cruciaal vermogen om de milieu-uitdagingen van de 21e eeuw aan te pakken en tegelijkertijd de economische welvaart te behouden. Het doel van duurzame processystemen engineering is een enorme uitdaging vanwege de complexe aard van de interactieve industriële, ecologische, economische en maatschappelijke systemen. De in dit artikel besproken instrumenten, methoden en beste praktijken vormen echter een solide basis voor het aangaan van deze uitdagingen.

Het veld blijft snel evolueren, gedreven door vooruitgang in rekencapaciteiten, groeiend milieubewustzijn en toenemende regelgevings- en marktdruk voor duurzaamheid. Een systeembenadering waarbij modelgebaseerde duurzame processynthese, -ontwerp en -analyse als kansen dienen om de uitdagingen aan te gaan, is essentieel voor de ontwikkeling van de innovatieve oplossingen die nodig zijn voor een duurzame toekomst.

Succes in duurzaam procesontwerp vereist integratie van meerdere disciplines, rekening houdend met meerdere doelstellingen en denken over meerdere schalen van moleculaire naar globale. Het vereist een strenge kwantitatieve analyse in combinatie met creatieve probleemoplossing en systeemdenken. Het belangrijkste is dat het engagement van ingenieurs, managers, beleidsmakers en de samenleving als geheel vereist om duurzaamheid te prioriteren naast traditionele technische en economische doelstellingen.

Naarmate we verder gaan, zullen de principes en praktijken van duurzaam procesontwerp steeds meer centraal komen te staan in engineering onderwijs en praktijk.De volgende generatie ingenieurs moet niet alleen uitgerust zijn met technische vaardigheden, maar ook met het bredere perspectief en engagement dat nodig is om processen te creëren die werkelijk de behoeften van zowel de huidige als toekomstige generaties dienen, met inachtneming van planetaire grenzen.

Voor meer informatie over duurzame engineering praktijken, bezoek de American Institute of Chemical Engineers Sustainability Resources. Aanvullende richtsnoeren over levenscyclusbeoordeling zijn te vinden op de U.S. EPA Sustainable Materials Management pagina. De ISO 14001 Environmental Management norm biedt een kader voor systematisch milieubeheer. Voor procesintegratietechnieken biedt de Institutie van Chemische Ingenieurs waardevolle middelen en training. Tot slot biedt het United Nations Environment Programme[ wereldwijde perspectieven op hulpbronnenefficiëntie en duurzame productie.