Table of Contents

Устойчивое проектирование представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как мы подходим к проектированию процессов, интегрируя экологическое управление, экономическую жизнеспособность и социальную ответственность на каждом этапе развития. Устойчивое проектирование процессов интегрирует принципы устойчивости в проектирование, эксплуатацию и оптимизацию процессов и производственных операций, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду на каждом этапе разработки и эксплуатации процесса. Проектирование процессов оказывает большое влияние на устойчивость химических процессов, поскольку наиболее важные решения принимаются на ранних стадиях разработки процесса. Это всеобъемлющее руководство исследует основные расчеты, методологии и передовые практики, которые позволяют инженерам создавать процессы, которые отвечают сегодняшним потребностям, не ставя под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные.

Понимание дизайна устойчивого процесса

В рамках концепции или стратегии устойчивого процесса, предусматривающей замену неэффективных и невозобновляемых производственных процессов, за последние несколько десятилетий в этой области произошли значительные изменения, в результате чего был сделан переход от узкого подхода к контролю за загрязнением к целостному подходу, учитывающему весь жизненный цикл процессов и продуктов, а после преодоления ранее отрицавшихся негативных воздействий на окружающую среду химическая промышленность работает над повышением своей устойчивости, причем на ранних этапах усилия были сосредоточены на сокращении загрязнения в результате отдельных процессов, в то время как сегодня основное внимание уделяется сокращению воздействия на протяжении всего жизненного цикла.

В рамках устойчивого развития следует учитывать не только экономические аспекты, но и социальные (безопасность, отсутствие опасности), экологические (предотвращение загрязнения и контроль за соблюдением нормативных требований), энергетические, материальные и экономические аспекты эффективности процессов и продуктов, которые должны оцениваться, оптимизироваться и контролироваться для достижения целей устойчивого развития. Этот многомерный подход обеспечивает, чтобы решения были действительно устойчивыми, а не просто перекладывали экологическое бремя с одной области на другую.

Фундаментальные расчеты в устойчивом проектировании процессов

Точные расчеты составляют основу устойчивого проектирования процессов, обеспечивая количественную основу, необходимую для обоснованного принятия решений и оптимизации.Эти расчеты позволяют инженерам понимать потоки ресурсов, выявлять неэффективность и проектировать процессы, которые минимизируют отходы при максимизации производительности.

Анализ баланса материалов и энергии

Материально-энергетические балансы являются основополагающими для многих инженерных дисциплин и играют важную роль в принятии решений, связанных с устойчивым развитием. Материально-энергетический баланс по существу является количественным счетом перераспределения материала и/или энергии, которое происходит, когда что-либо происходит. Эти расчеты основаны на фундаментальном принципе сохранения массы и энергии, который гласит, что материя и энергия не могут быть созданы или уничтожены, а только преобразованы.

Анализ потоков материалов и энергии (MEFA) является эффективным инструментом, который предоставляет нам возможность предлагать устойчивые системы в нескольких случаях. Методология включает в себя создание схематической диаграммы потоков материалов и энергии в целевой системе, установление границ системы и применение принципов сохранения для отслеживания входов, выходов и накопления в системе. В каждом случае определение системы, определение входов, выходов и отслеживание накопления позволяет количественно понять потоки материалов, что составляет основу для оптимизации процессов, повышения эффективности использования ресурсов и оценки воздействия на окружающую среду.

Для устойчивых процессов общее уравнение материального баланса может быть выражено следующим образом:

Вход = Выход + Накопление

Для операций с постоянным состоянием, где накопление равно нулю, это упрощает ввод = выпуск. Энергетические балансы следуют аналогичным принципам, но учитывают различные формы энергии, включая энтальпию, кинетическую энергию, потенциальную энергию и теплообмен. Текст фокусируется на учете материалов и энергии в пакетных и непрерывных операциях, с акцентом на общие технологические единицы, листы потока, таблицы потоков и расчеты электронных таблиц, с единым подходом к расчетам реактивного и нереактивного энергетического баланса.

Анализ потока материалов (MFA)

Анализ потоков материалов является количественной процедурой определения потока материалов и энергии через экономику, с использованием методологий ввода/вывода, включая как материальную, так и экономическую информацию. Анализ потоков материалов (MFA) является инструментом для управления материалами, который поддерживает детальное изучение потоков ввода, обработки и вывода материалов в различных производственных системах, включая количественную оценку, оценку, улучшение и стратегическое планирование.

Широко применяемым методом анализа городского метаболизма является анализ потока материалов (MFA), который представляет собой систематическую оценку состояния и изменений потоков и запасов материалов в рамках определенной системы на основе принципа баланса массы.

  • Выявление неэффективности ресурсов и точек образования отходов
  • Количественная оценка вводимых и выводимых материалов в пределах системных границ
  • Оценка потенциала рециркуляции и рекуперации
  • Отслеживание материальных запасов и их изменений с течением времени
  • Поддержка стратегий круговой экономики

МФА позволяет выявить потенциал рециркуляции материалов и энергии, а также сравнить эффективность в заранее налаженных промышленных процессах и оценить возможность извлечения вторичного сырья в городской горной промышленности. Это делает его бесценным инструментом для проектирования процессов, минимизирующих потребление первичного материала и максимизирующих восстановление ресурсов.

Расчеты потребления энергии

Расчеты энергопотребления имеют решающее значение для оценки устойчивости технологических конструкций. Эти расчеты должны учитывать различные формы использования энергии, включая:

  • Прямое потребление энергии: Энергия, используемая непосредственно в технологических операциях, таких как отопление, охлаждение, смешивание и разделение
  • Косвенное потребление энергии: Энергия, встроенная в сырье и коммунальные услуги
  • Потери энергии: Потери тепла, потери трения и другие неэффективности
  • Потенциал рекуперации энергии: Возможности для интеграции тепла и рекуперации отработанного тепла

Целостный взгляд, сочетающий материальные и энергетические потоки, известен как экзергетический баланс материалов, фокусирующийся на качестве энергии и материалов по мере их трансформации, что обеспечивает более всеобъемлющее значение эффективности системы и экологических показателей. Анализ энергии выходит за рамки простого учета энергии, чтобы рассмотреть качество и полезность энергии, обеспечивая более глубокое понимание эффективности процесса и возможностей улучшения.

Метрики эффективности ресурсов

Материальный баланс обеспечивает основу для количественной оценки эффективности ресурсов, с показателями эффективности ресурсов, такими как урожайность, конверсия, селективность и образование отходов, которые непосредственно получены из расчетов баланса материалов.

  • Доходность: Отношение полученного желаемого продукта к теоретическому максимуму
  • Селективность: Соотношение желаемого продукта к общему образующемуся продукту
  • Конверсия: Доля реагентов, преобразованных в продукты
  • Атомная экономика: Процент атомов реагентов, которые попадают в нужный продукт
  • E-фактор: Массовое соотношение отходов к желаемому продукту
  • Интенсивность энергии: Энергия, потребляемая на единицу продукта
  • Интенсивность воды: Вода, потребляемая на единицу продукта

Эти показатели обеспечивают количественные показатели эффективности процессов и позволяют сравнивать различные варианты проектирования. Они также помогают выявлять возможности для улучшения и отслеживать прогресс в достижении целей устойчивого развития.

Оценка жизненного цикла в процессе проектирования

Оценка жизненного цикла (ОЖЦ) стала важным инструментом для количественной оценки экологических показателей продукта или услуги в течение всего жизненного цикла.ОЖЦ обеспечивает всеобъемлющую основу для оценки воздействия процессов от колыбели до могилы на окружающую среду, включая добычу сырья, производство, использование и удаление или переработку в конце срока службы.

Методология и применение LCA

С прогрессом в понимании устойчивости, включение устойчивости в проектирование, оптимизацию и контроль химических процессов стало основным направлением исследований в области проектирования технологических систем в последнее время, с оценкой устойчивости за пределами процесса, проводимого для решения, какая альтернатива дизайна является более устойчивой, выполняя оценки жизненного цикла (LCA) соображения для выявления более значительных этапов воздействия на жизненный цикл.

Методология LCA обычно состоит из четырех основных этапов:

  1. Определение цели и сферы применения: Установление цели исследования, границ системы, функциональной единицы и уровня детализации
  2. Перечень жизненного цикла (LCI): Сбор данных по всем входам и выходам, связанным с системой
  3. Оценка воздействия жизненного цикла (LCIA): Оценка потенциального воздействия на окружающую среду на основе данных инвентаризации
  4. Толкование: Анализ результатов, выявление существенных проблем и составление выводов

Применение MEFA обеспечивает количественную оценку материалов и потоков энергии, которая не только функционирует как основа LCI, но и позволяет проводить более точные и подробные экологические оценки.Связь анализа материалов и энергетических потоков (MEFA) с оценкой жизненного цикла (LCA) в контексте городского метаболизма (UM) представляет собой передовой подход к оценке устойчивости.

Цели устойчивого развития Интеграция

Концепция абсолютной устойчивости была использована для количественной оценки результатов, достигнутых инженерными системами по 17 Целям устойчивого развития (ЦУР), которые были приняты 193 государствами-членами Организации Объединенных Наций (ООН) в 2015 году и служат руководством для политиков по борьбе с критическими проблемами, стоящими перед человечеством. Рамки для устойчивого проектирования процессов явно учитывают результаты, достигнутые в Целях устойчивого развития (ЦУР), которые вычисляются с использованием стандартных показателей оценки жизненного цикла (LCA) наряду с концепцией планетарных границ (ПБ).

Эта интеграция гарантирует, что проектирование процессов вносит позитивный вклад в глобальные цели устойчивого развития, решая такие вопросы, как климатические действия, чистая вода и санитария, доступная и чистая энергия, а также ответственное потребление и производство. Инженеры могут использовать метрики, выровненные с ЦУР, для оценки того, как их проекты поддерживают или препятствуют прогрессу в достижении этих универсальных целей.

Интеграция процессов для устойчивости

Систематический метод устойчивого проектирования химических процессов был разработан с 1970-х годов, причем одним из широко признанных семейств подходов является интеграция процессов. Интеграция процессов представляет собой целостный подход к проектированию процессов, который стремится оптимизировать использование ресурсов в целых технологических системах, а не оптимизировать отдельные единицы в изоляции.

Анализ щипцов и тепловая интеграция

Разработка методов интеграции процессов в основном была сосредоточена на синтезе теплообменниковой сети еще в 1970-х годах, при этом первое руководство пользователя было опубликовано IChemE, где теплообменная сеть была разработана для достижения минимальных целей для теплообменников для технологической установки. Анализ Pinch представляет собой систематическую методологию минимизации потребления энергии в процессах путем оптимизации рекуперации тепла между горячими и холодными потоками.

Ключевые шаги в анализе pinch включают:

  1. Извлечение данных: идентификация всех горячих потоков (требующих охлаждения) и холодных потоков (требующих нагревания)
  2. Композитная кривая конструкция: создание диаграмм температурной энталпии для горячих и холодных потоков
  3. Идентификация точки пинча: определение точки наибольшего сближения между горячими и холодными композитными кривыми
  4. Установление цели: определение минимальных требований к тепло- и охлаждающей полезности
  5. Проектирование сети: Разработка сетей теплообменников для достижения целей

Интеграция процессов приводит к снижению потребления коммунальных услуг, что приводит к снижению эксплуатационных расходов и выбросов CO2. Это делает интеграцию тепла одной из наиболее экономически эффективных стратегий повышения устойчивости процессов, часто обеспечивая быструю окупаемость инвестиций при значительном снижении воздействия на окружающую среду.

Массовая интеграция и минимизация воды

С конца 1980-х до начала 21-го века методы интеграции процессов были расширены для предотвращения загрязнения через синтез сети массового обмена и массовую интеграцию, что позволяет минимально использовать средства разделения массы, такие как адсорбенты, растворители и т. Д., Переводя на сокращение сброса отходов с технологических установок.

Следует упомянуть некоторые специализированные случаи работы по массовой интеграции, такие как интеграция воды и водорода, где методы интеграции процессов позволяют определить минимальные потоки пресной воды и сточных вод после того, как их потенциал восстановления максимизирован среди различных процессов водопользования на заводе.

Стратегии минимизации воды включают:

  • Прямое повторное использование: использование воды из одной операции непосредственно в другой без обработки
  • Регенерация: обработка воды для удаления загрязнений перед повторным использованием
  • Регенерация: обработка воды и ее возврат к той же операции
  • Анализ каскадов: Систематическое соответствие источников и поглотителей воды требованиям качества

Подходы к математическому программированию

Два различных подхода в семействе интеграции процессов включают в себя анализ щипцов и методы математического программирования, имеющие свои преимущества и ограничения - щипковый анализ обеспечивает хорошие идеи для дизайнеров, но имеет ограниченные возможности в оптимизации затрат, в то время как математическое программирование способно преодолеть эти ограничения и справиться со сложными случаями, хотя оно страдает от отсутствия хороших идей для проектировщиков процессов.

Формулировки математического программирования для интеграции процессов обычно включают:

  • Переменные принятия решений, представляющие скорости потока, температуры и размеры оборудования
  • Целенаправленные функции, сводящие к минимуму затраты, потребление энергии или воздействие на окружающую среду
  • Ограничения, обеспечивающие баланс массы и энергии, ограничения оборудования и требования безопасности
  • Алгоритмы оптимизации для поиска оптимальных или почти оптимальных решений

Анализ пинча и методы математического программирования хорошо дополняют друг друга при решении различных промышленных задач.Современные подходы часто сочетают в себе обе методологии, используя щипковый анализ для начальных прозрений и скрининга, с последующей математической оптимизацией для детального проектирования.

Инструменты моделирования процессов и программное обеспечение

Процессный симулятор (AspenPlus, gPROMS, Hysys, Aveva Pro/II – и это лишь некоторые из них) – это инструмент, который повсеместно используется в образовательной и промышленной практике ежедневно во всем мире, включая модели процессов, базы данных, численные решатели и т. д., и позволяет моделировать и/или моделировать широкий спектр процессов.

Устойчивое состояние и динамическое моделирование

Передовые платформы моделирования процессов, такие как AVEVA Process Simulation, поддерживают как стационарное, так и динамическое моделирование в единой среде, позволяя инженерам тестировать, оптимизировать и масштабировать низкоуглеродные технологии на протяжении всего жизненного цикла процесса - от концептуального проектирования до разработки стратегии операций и управления. Этот интегрированный подход позволяет более комплексный анализ и лучшее принятие решений на протяжении всего жизненного цикла проекта.

Моделирование устойчивого состояния фокусируется на:

  • Материальный и энергетический балансы в условиях равновесия
  • 4.1.1 Размеры и оценка эффективности оборудования
  • Оптимизация процессов и анализ чувствительности
  • Экономическая оценка и оценка расходов

Динамическое моделирование адресов:

  • Процедуры запуска и закрытия
  • Проектирование и настройка системы управления
  • Реакция на беспорядки и расстройства
  • Анализ безопасности и сценарии чрезвычайных ситуаций

Способности моделирования, ориентированные на устойчивость

Моделирование процессов AVEVATM помогает масштабировать устойчивую промышленность со встроенными водородными процессами, процессами для возобновляемых источников энергии и расчетами парниковых газов. Современные платформы моделирования все чаще включают показатели устойчивости и инструменты, позволяющие инженерам оценивать экологические показатели наряду с традиционными техническими и экономическими критериями.

Инженеры могут проектировать, тестировать и оптимизировать промышленные процессы, которые традиционно являются трудоемкими по времени и ресурсам, такие как химическое производство, производство топлива и электроэнергии или электролиз водорода, в виртуальной среде, которая отражает реальный мир. Эта возможность виртуального прототипирования значительно сокращает время и стоимость разработки устойчивых процессов, минимизируя риск дорогостоящих ошибок во время реализации.

Интегрированные инструменты для устойчивого дизайна

Интегрированный инструмент ProCAFD для устойчивого синтеза процессов, проектирования и инноваций представляет собой эволюцию к всеобъемлющим платформам, которые объединяют несколько аспектов устойчивого проектирования. Эффективность калибровки EPA для экологической устойчивости химиков с помощью инструмента оценки многоцелевого процесса (GREENSCOPE) обеспечивает оценки для выбранных показателей в экономической, материальной эффективности, окружающей среде и энергетике.

Эти интегрированные инструменты позволяют инженерам:

  • Оценка нескольких аспектов устойчивости одновременно
  • Сравнение альтернативных конфигураций процессов объективно
  • Выявить компромиссы между конкурирующими целями
  • Создание оптимальных решений для многообъективных задач
  • Документировать и сообщать об эффективности устойчивого развития

Лучшие практики для устойчивого проектирования процессов

Внедрение передового опыта в области устойчивого проектирования процессов требует систематического подхода, учитывающего экологические, экономические и социальные факторы на протяжении всего процесса проектирования. Эти методы были разработаны и усовершенствованы на основе многолетнего промышленного опыта и академических исследований.

Иерархический подход к дизайну

Иерархический подход к проектированию процессов помогает управлять сложностью и обеспечивает учет соображений устойчивости на всех уровнях:

  1. Батч против непрерывного: Выберите подходящий режим работы на основе масштаба производства, характеристик продукта и соображений устойчивости.
  2. Структура ввода-вывода: Определение общей структуры процесса, включая сырье, продукты и побочные продукты
  3. Структура переработки: Определение возможностей для переработки материалов и энергии в процессе
  4. Система разделения: Разработка эффективных последовательностей разделения для минимизации потребления энергии и образования отходов
  5. Тепловая интеграция: Применять щипковый анализ и тепловую интеграцию для минимизации потребления коммунальных услуг
  6. Конструкция оборудования: Размер и спецификация оборудования для эффективного удовлетворения требований к производительности

Этот иерархический подход гарантирует, что основные решения, влияющие на устойчивость, принимаются на ранних этапах процесса проектирования, когда они оказывают наибольшее влияние и являются наименее дорогостоящими для реализации.

Стратегии минимизации отходов

Минимизация отходов следует иерархии предпочтительных подходов, часто обобщаемых как «3Rs» или расширенных, чтобы включать дополнительные стратегии:

  1. Сокращение: Минимизация образования отходов в источнике за счет оптимизации процесса, повышения селективности и эффективного использования сырья
  2. Повторное использование: Найти применение для потоков отходов в процессе или в других процессах без значительной обработки
  3. Переработка: Восстановление и переработка материалов для использования в тех же или других приложениях
  4. Восстановление: Извлечение ценных материалов или энергии из потоков отходов
  5. Лечить: Перерабатывать отходы для снижения их воздействия на окружающую среду перед удалением
  6. Утилизация: Безопасная утилизация остаточных отходов, которые не могут быть уменьшены, повторно использованы, переработаны или восстановлены

Автоматизация позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в режиме реального времени, сводя к минимуму отходы материалов в каждом продукте, и позволяет осуществлять передовые процессы переработки, чтобы материалы могли повторно использоваться в производственном цикле.Современные системы автоматизации и управления играют решающую роль в эффективной реализации стратегий минимизации отходов.

Интеграция возобновляемых ресурсов

Замена ископаемых технологий возобновляемыми углеродными технологиями имеет жизненно важное значение для развития устойчивых химических процессов в будущем, однако необходимо тщательно оценивать последствия, выходящие за рамки изменения климата, чтобы обеспечить подлинно устойчивый переход к дефоссилированным химическим веществам.

Стратегии интеграции возобновляемых ресурсов включают:

  • Возобновляемое сырье: Использование биомассы, CO2 или других возобновляемых источников углерода вместо ископаемого топлива
  • Возобновляемая энергия: Процессы питания с помощью солнечных, ветряных, гидроэлектрических или других возобновляемых источников энергии
  • Принципы зеленой химии: Разработка химических синтезов, которые используют и генерируют вещества с минимальной токсичностью
  • Био-процессы: Использование биологических катализаторов и процессов, которые работают в мягких условиях

Некоторые компоненты связаны с концепциями энергосбережения или энергоэффективности, использованием возобновляемых источников энергии и т. Д., В то время как другие аспекты ориентированы на подходы к управлению материалом путем минимизации потребностей в сырье на единицу ценного продукта (ов), повторного использования, переработки, возобновляемых материалов и т. Д.

Интенсификация процесса

Интенсификация процессов направлена на достижение значительного повышения эффективности, безопасности и устойчивости процессов с помощью инновационного оборудования и методов.

  • Многофункциональные реакторы: Комбинирование реакции и разделения в одном блоке
  • Микрореакторы: Использование маломасштабных реакторов с усиленным тепло- и массообменом
  • Реактивная дистилляция: Выполнение реакции и разделение одновременно
  • Мембранные процессы: Использование селективных мембран для эффективного разделения
  • Альтернативные источники энергии: Использование микроволновой печи, ультразвука или других нетрадиционных источников энергии

Интенсификация процессов может привести к уменьшению количества оборудования, снижению капитальных затрат, повышению безопасности и снижению воздействия на окружающую среду. Однако для обеспечения того, чтобы интенсификация действительно улучшала общую устойчивость, а не создавала новые проблемы, необходим тщательный анализ.

Постоянный мониторинг и улучшение

Автоматизированные системы управления могут контролировать и регулировать использование энергии в режиме реального времени, оптимизируя потребление электроэнергии, тепла и других видов энергии, что снижает воздействие на окружающую среду промышленных операций, но также обеспечивает значительную экономию затрат для предприятий.

Эффективные программы мониторинга и улучшения включают:

  • Ключевые показатели эффективности (KPI): Установление показателей для отслеживания показателей устойчивости
  • Мониторинг в режиме реального времени: Использование датчиков и аналитики данных для непрерывного отслеживания производительности процесса
  • Бенчмаркинг:Сравнение показателей с отраслевыми стандартами и передовой практикой
  • Анализ первопричин: Исследование отклонений и выявление основных причин
  • Культура непрерывного совершенствования: Поощрение всего персонала к выявлению и внедрению улучшений

Подходы к управлению процессами должны действовать против непредвиденных нестабильностей, когда процесс становится нестабильным с течением времени и / или из-за изменений в составе корма и скорости потока, температуре и давлении, и должны быть в состоянии выполнять переходы к различным желаемым условиям эксплуатации и состояниям для удовлетворения потребностей компании и потребителей, экономики, технологических и товарных спецификаций, новых экологических норм, безопасности, управления низкими дозами хронических событий и т. Д.

Расширенные методы и инструменты расчета

Современный устойчивый дизайн процессов основан на сложных методах расчета и вычислительных инструментах, которые позволяют инженерам анализировать сложные системы и оптимизировать несколько целей одновременно.

Многоцелевая оптимизация

Многоцелевая проблема решается с помощью метода ограничения эпсилон для получения оптимальных границ Парето, которые раскрывают компромисс между экологическими и экономическими аспектами проблемы устойчивого проектирования процессов.Многоцелевая оптимизация признает, что устойчивый дизайн процесса включает балансирование конкурирующих целей, таких как минимизация затрат, воздействия на окружающую среду и рисков безопасности при максимизации качества и урожайности продукции.

Общие подходы к многообъективной оптимизации включают:

  • Метод взвешивания: Комбинирование нескольких целей в одну цель с использованием весовых коэффициентов
  • Метод ограничения Эпсилон: Оптимизация одной цели при ограничении других
  • Парето-оптимизация: Идентификация набора не доминирующих решений
  • Программирование целей: Минимизация отклонений от заданных целевых значений
  • Эволюционные алгоритмы: Использование природных методов для исследования пространства решения

Эти методы позволяют лицам, принимающим решения, понимать компромиссы и выбирать решения, которые наилучшим образом соответствуют их приоритетам и ограничениям.

Оптимизация суперструктуры

Общий инструмент, Super-O, для синтеза процессов на основе оптимизации надстройки представляет собой продвинутый подход к проектированию процессов. Оптимизация надстройки включает в себя создание всестороннего представления всех возможных конфигураций процессов и использование математической оптимизации для определения наилучшего дизайна.

Подход к надстройке обычно включает в себя:

  1. Определение надстройки, которая включает все возможные варианты процесса
  2. Формулирование математических моделей для каждой операции и соединения
  3. Установление объективной функции и ограничений
  4. Решение возникшей задачи оптимизации с использованием соответствующих алгоритмов
  5. Анализ оптимального решения и чувствительность к параметрам

Такие методы, как оптимизация надстроек, интеграция процессов, интенсификация процессов и другие, а также их применение в области устойчивого проектирования и синтеза энергетических систем стали активной областью исследований. Этот подход особенно ценен для сложных систем, где оптимальная конфигурация не очевидна и где соображения устойчивости взаимодействуют с техническими и экономическими факторами неинтуитивными способами.

Согласование данных и анализ ошибок

Методы сверки данных, часто используемые в химической инженерии, используют статистические методы для корректировки измеренных данных для удовлетворения ограничений баланса материалов, что не только повышает точность оценок потока материала, но и выявляет потенциальные ошибки измерения или утечки в системе.

Согласование данных имеет важное значение для:

  • Повышение точности измерений процесса
  • Обнаружение и диагностика ошибок измерения
  • Идентификация утечек процессов или неизмеренных потоков
  • Предоставление надежных данных для оптимизации процессов
  • Поддержка соблюдения нормативных требований и отчетности

Метод использует избыточные измерения и принципы сохранения для оценки наиболее вероятных истинных значений переменных процесса, учета неопределенности измерений и систематических ошибок.

Циркулярная экономика и промышленная экология

Циркулярная экономика представляет собой фундаментальный переход от традиционной линейной модели «бери-делай-утилизируй» к регенеративной системе, где ресурсы хранятся в использовании как можно дольше, извлекая максимальную ценность до восстановления и регенерации.

Принципы круговой экономики в проектировании процессов

С ростом популярности циркулярной экономики во всем мире местные власти прилагают усилия для разработки циркулярных стратегий на городском уровне, при этом разработка и мониторинг таких стратегий требуют подробной количественной информации о материальных и энергетических потоках, которую можно получить с помощью анализа городского метаболизма.

Ключевые принципы круговой экономики для проектирования процессов включают:

  • Проектирование отходов: Устранение отходов и загрязнения с помощью тщательного проектирования
  • Поддерживать в использовании продукты и материалы: Проектирование для долговечности, повторного использования, восстановления и переработки
  • Регенерировать природные системы: Возврат ценных питательных веществ в почву и другие экосистемы
  • Использовать возобновляемую энергию: Процессы электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии
  • Подумайте о системах: Рассмотрите более широкий контекст и взаимосвязи

Устойчивый переход к круговой экономике требует разработки целостных стратегий, которые не только направлены на сокращение выходных данных системы за счет рециркуляции материалов, но и на сокращение ее входных данных за счет сокращения и более эффективного использования ресурсов.

Промышленный симбиоз

Промышленный симбиоз предполагает создание сетей, в которых отходы или побочные продукты одного процесса становятся сырьем для другого, имитируя природные экосистемы, в которых отходы одного организма становятся пищей для другого. Такой подход может значительно повысить эффективность использования ресурсов и снизить воздействие на окружающую среду на промышленном кластере или региональном уровне.

Успешный промышленный симбиоз требует:

  • Географическая близость объектов-участников
  • Совместимые потоки отходов и требования к материалам
  • Экономическая жизнеспособность материальных обменов
  • Нормативно-правовые рамки, которые облегчают, а не препятствуют обмену
  • Доверие и сотрудничество между участвующими организациями
  • Инфраструктура для сбора, хранения и транспортировки материалов

Анализ потоков материалов играет решающую роль в определении возможностей промышленного симбиоза путем картирования потоков материалов и выявления потенциальных совпадений между генераторами отходов и потенциальными пользователями.

Концепции биоперерабатывающих заводов

Три технологические области (взаимосвязанные друг с другом), которые влияют на устойчивость Земли, а именно химические процессы, связанные с улавливанием и использованием CO2, биоНПЗ и опреснением воды, выбраны для того, чтобы подчеркнуть мнения, а также необходимость дальнейшего развития инструментов с компьютерной помощью. БиоНПЗ представляют собой важное применение принципов устойчивого проектирования процессов, превращая биомассу в ряд ценных продуктов, включая топливо, химические вещества, материалы и энергию.

К числу конструктивных соображений, касающихся биоНПЗ, относятся:

  • Выбор кормового сырья и устойчивость цепочки поставок
  • Выбор технологии конверсии (биохимическая, термохимическая или гибридная)
  • Оптимизация портфеля продуктов для максимизации стоимости
  • Интеграция с существующей инфраструктурой и отраслями
  • Водная и энергетическая интеграция с целью минимизации потребления ресурсов
  • Оценка воздействия на окружающую среду в течение всего жизненного цикла

Проблемы и будущие направления

Хотя в области устойчивого проектирования процессов достигнут значительный прогресс, по-прежнему существует ряд проблем, требующих продолжения исследований и разработок.

Существующие ограничения

Эти методы используют последние достижения в области проектирования технологических систем, но отстают в использовании достижений в области устойчивого проектирования, при этом требуется больше работы для рассмотрения воздействия на протяжении всей границы жизненного цикла и обеспечения того, чтобы устойчивые проекты не превышали возможности природы по предоставлению необходимых экосистемных товаров и услуг.

К числу основных проблем относятся:

  • Определение границ системы: Определение соответствующих границ для анализа без создания проблемы неразрешимой
  • Доступность и качество данных: Получение надежных данных о воздействии на окружающую среду и потоках ресурсов
  • Управление неопределенностью: Регулирование неопределенности в будущих условиях, производительность технологий и воздействие на окружающую среду
  • Многомасштабная интеграция: Соединение решений на уровне процессов с цепочкой поставок и глобальными последствиями
  • Социальное измерение: Адекватное включение аспектов социальной устойчивости в количественные методы проектирования

Наибольшие препятствия связаны с расхождением временных горизонтов, несоответствием границ системы, качеством и доступностью данных и недопредставленностью промышленных процессов. Эти проблемы особенно остро стоят при попытке сочетать различные подходы к моделированию или интегрироваться в различные масштабы анализа.

Новые возможности

Для сообщества инженеров технологических систем существуют возможности не только для разработки необходимых методов и связанных с ними инструментов, но и для содействия устойчивому развитию с помощью инновационных решений.

  • Искусственный интеллект и машинное обучение: Использование ИИ для оптимизации сложных процессов, прогнозирования производительности и выявления закономерностей в больших наборах данных
  • Цифровые близнецы: Создание виртуальных реплик процессов для оптимизации в реальном времени и прогнозного обслуживания
  • Передовые материалы: Разработка новых катализаторов, сорбентов и мембран, которые обеспечивают более эффективные и селективные процессы
  • Модульная и распределенная обработка: Разработка гибких, масштабируемых систем, которые могут быть развернуты ближе к источникам сырья или рынкам.
  • Интеграция с возобновляемой энергией: Проектирование процессов, которые могут гибко работать с переменными источниками возобновляемой энергии

С принятием Парижского соглашения в 2015 году для химической промышленности, на которую приходится около 10% глобальных антропогенных выбросов CO2, стало необходимым постепенно переходить к более устойчивым производственным путям, что делает крайне важным рассмотрение экологических показателей при анализе текущих процессов на основе ископаемого углерода и разработке альтернативных, более чистых химических производственных путей.

Роль образования и профессиональной подготовки

Цель программы EngD - разработка устойчивых решений для отрасли, таких как новые технологии и / или материалы, которые значительно минимизируют экологический след, при этом существует высокий спрос на высокообразованных и специализированных инженеров-технологов, чтобы помочь с переходом к устойчивым производственным процессам. [+]

Интеграция процессов также широко преподается в университетских программах и применяется в рамках курсов проектирования и основного проектного проекта во всем мире. Образование и подготовка играют решающую роль в разработке следующего поколения инженеров, которые могут проектировать и внедрять устойчивые процессы. Это требует:

  • Интеграция принципов устойчивого развития в инженерные учебные программы
  • Обеспечение практического опыта с современными инструментами и методами
  • Развитие междисциплинарных навыков для решения сложных проблем устойчивости
  • Фостеринг системного мышления и перспективы жизненного цикла
  • Поощрение инноваций и творческое решение проблем

Практические руководящие принципы осуществления

Успешное внедрение устойчивого проектирования процессов требует структурированного подхода, учитывающего технические, экономические, экологические и организационные факторы.

Планирование и реализация проекта

Систематический подход к проектам устойчивого проектирования процессов включает:

  1. Определение целей и сферы охвата: Четко сформулированы цели устойчивого развития и границы проекта
  2. Сборная многопрофильная команда: Включает экспертизу в области технологического проектирования, науки об окружающей среде, экономики и операций
  3. Проведение базовой оценки: Понимание текущей производительности и определение возможностей для улучшения
  4. Генерировать и экранировать альтернативы: Разработать несколько вариантов дизайна и устранить явно неполноценные альтернативы
  5. Подробный анализ: Проведите тщательный технический, экономический и экологический анализ перспективных альтернатив
  6. Оптимизация: Используйте соответствующие инструменты для оптимизации выбранных проектов
  7. Оценка рисков: Выявить и оценить технические, экономические и экологические риски
  8. Планирование реализации: Разработка подробных планов строительства, ввода в эксплуатацию и эксплуатации
  9. Мониторинг и проверка: Создание систем для отслеживания производительности и проверки преимуществ устойчивости

Вовлечение заинтересованных сторон

Успешное устойчивое проектирование процессов требует взаимодействия с различными заинтересованными сторонами, включая:

  • Внутренние заинтересованные стороны: Управление, операции, техническое обслуживание, безопасность и экологический персонал
  • Внешние заинтересованные стороны: Регуляторы, члены сообщества, клиенты, поставщики и инвесторы
  • Технические эксперты: Консультанты, поставщики технологий и исследовательские учреждения

Эффективное взаимодействие с заинтересованными сторонами включает в себя четкое информирование о целях, прозрачный обмен информацией, рассмотрение различных точек зрения и совместное решение проблем.

Документация и управление знаниями

Всеобъемлющая документация имеет важное значение для:

  • Захват рационального дизайна и решений
  • Содействие утверждению регулирующих органов и разрешению
  • Поддержка операций и техническое обслуживание
  • Обеспечение постоянного совершенствования
  • Обмен опытом, извлеченным в рамках всей организации
  • Демонстрация эффективности устойчивого развития заинтересованным сторонам

Современные системы управления знаниями могут помочь организовать и сделать доступным огромное количество информации, генерируемой в ходе проектов устойчивого проектирования процессов.

Приложения для тематических исследований

Реальные приложения демонстрируют, как принципы и расчеты устойчивого проектирования процессов применяются на практике в различных отраслях.

Улавливание и использование углерода

Этот подход применяется для разработки процесса гидрогенизации CO2 до метанола, где экономические и ЦУР, основанные на результатах, являются оптимизированными целями, показывая, что экологически оптимальный дизайн значительно снижает влияние на ЦУР 13 (климатические действия) по сравнению с обычными для бизнеса (BAU) ископаемыми аналогами, но это делается за счет ухудшения других категорий.

Этот случай иллюстрирует важность комплексной оценки устойчивости, которая учитывает несколько категорий воздействия, а не фокусируется исключительно на изменении климата. Он демонстрирует, как многообъективная оптимизация может выявить компромиссы и помочь лицам, принимающим решения, выбрать проекты, которые наилучшим образом соответствуют их приоритетам.

Опреснение воды

Опреснение воды представляет собой еще одну важную область применения, где принципы устойчивого проектирования процессов имеют решающее значение.

  • Энергоэффективность процессов опреснения
  • Управление удалением концентрата
  • Интеграция с возобновляемыми источниками энергии
  • Минимизация химического использования и сброса
  • Воздействие окружающей среды на жизненный цикл

Расчеты баланса материалов и энергии имеют основополагающее значение для оптимизации процессов опреснения, в то время как LCA помогает обеспечить, чтобы решения были действительно устойчивыми при рассмотрении всей системы.

Производство биотоплива

В качестве примера приводятся MEFA производства биодизеля, использования возобновляемых источников энергии в производстве пищевых продуктов и последствия сетевого взаимодействия между производством цемента и некоторыми отраслями промышленности. Производство биотоплива иллюстрирует сложность устойчивого проектирования процессов, где необходимо тщательно учитывать устойчивость сырья, эффективность преобразования, использование совместной продукции и воздействие жизненного цикла.

Успешные процессы биотоплива обычно включают:

  • Устойчивое сырье, которое не конкурирует с производством продуктов питания
  • Высокая эффективность преобразования за счет оптимизированных условий процесса
  • Ценное использование побочных продуктов и побочных продуктов
  • Интеграция тепловых и материальных потоков для минимизации потребления коммунальных услуг
  • Положительный чистый энергетический баланс и сокращение выбросов парниковых газов

Регулятивные и политические соображения

Устойчивое проектирование процессов должно ориентироваться на все более сложный нормативный ландшафт, а также реагировать на добровольные инициативы в области устойчивого развития и рыночное давление.

Экологические нормы

Ключевые нормативные рамки, влияющие на устойчивое проектирование процессов, включают:

  • Правила качества воздуха: Ограничения на выбросы загрязняющих веществ, опасных загрязнителей воздуха и парниковых газов
  • Правила качества воды: Пределы сброса для обычных и токсичных загрязнителей
  • Правила обращения с отходами: Требования к обработке и удалению опасных и неопасных отходов
  • Химические правила безопасности: Регистрация, оценка и разрешение химических веществ
  • Стандарты энергоэффективности: Требования или стимулы для энергоэффективных операций

Устойчивое проектирование процессов должно быть направлено на превышение минимальных нормативных требований, прогнозирование будущих правил и демонстрацию экологического лидерства.

Добровольные инициативы и стандарты

Многие организации участвуют в добровольных инициативах в области устойчивого развития, таких как:

  • ISO 14001 Системы экологического менеджмента
  • ISO 50001 Системы управления энергопотреблением
  • Программа ответственного ухода за химической промышленностью
  • Научно обоснованные цели сокращения выбросов парниковых газов
  • Отраслевые стандарты и сертификации устойчивости

Эти инициативы обеспечивают основу для систематического улучшения и демонстрируют приверженность устойчивому развитию заинтересованных сторон.

Экономические стимулы

Различные экономические механизмы могут поддерживать устойчивое проектирование процессов:

  • Ценообразование углерода через налоги или системы ограничения и торговли
  • Кредиты и субсидии на возобновляемые источники энергии
  • Налоговые стимулы для повышения энергоэффективности
  • Зеленые облигации и механизмы устойчивого финансирования
  • Премиальные цены на устойчивые продукты

Понимание и использование этих стимулов может повысить экономическую жизнеспособность устойчивых процессов.

Заключение и перспективы на будущее

Устойчивое проектирование процессов представляет собой критически важную способность для решения экологических проблем 21-го века при сохранении экономического процветания. Цель устойчивого проектирования технологических систем представляет собой огромные проблемы из-за сложного характера взаимодействующих промышленных, экологических, экономических и социальных систем. Однако инструменты, методы и передовой опыт, обсуждаемые в этой статье, обеспечивают прочную основу для решения этих проблем.

Эта область продолжает быстро развиваться, что обусловлено достижениями в области вычислительных возможностей, растущей экологической осведомленности и усилением нормативного и рыночного давления на устойчивость. Системный подход, в котором основанный на модели устойчивый синтез процессов, проектирование и анализ служат возможностями для решения проблем, будет иметь важное значение для разработки инновационных решений, необходимых для устойчивого будущего.

Успех в устойчивом проектировании процессов требует интеграции нескольких дисциплин, рассмотрения нескольких целей и мышления в разных масштабах от молекулярного до глобального. Он требует строгого количественного анализа в сочетании с творческим решением проблем и системным мышлением. Самое главное, он требует приверженности инженеров, менеджеров, политиков и общества в целом для приоритизации устойчивости наряду с традиционными техническими и экономическими целями.

По мере нашего продвижения вперед принципы и практика устойчивого проектирования процессов будут все более и более играть центральную роль в инженерном образовании и практике. Следующее поколение инженеров должно быть оснащено не только техническими навыками, но и более широкой перспективой и приверженностью, необходимыми для создания процессов, которые действительно служат потребностям как нынешнего, так и будущих поколений, уважая при этом планетарные границы.

Для получения дополнительной информации о практике устойчивого инжиниринга посетите Американский институт инженеров-химиков Ресурсы устойчивого развития . Дополнительные рекомендации по оценке жизненного цикла можно найти на странице U.S. EPA Sustainable Materials Management . Стандарт ISO 14001 Environmental Management обеспечивает основу для систематического экологического менеджмента. Для методов интеграции процессов Институт инженеров-химиков предлагает ценные ресурсы и обучение. Наконец, Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде предоставляет глобальные перспективы по эффективности использования ресурсов и устойчивому производству.