绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的运用

引言

在全球能源危机与双碳目标双重驱动下，化学工业作为高能耗、高排放的支柱产业，其节能降耗与绿色转型迫在眉睫。传统化学工艺依赖化石能源，生产过程中能源利用率不足，且伴随大量废气、废水排放，已难以适应可持续发展需求。绿色化学工程与工艺以原子经济性和污染预防为核心，通过技术创新实现化学反应、工艺设计及产品生命周期的节能优化，对缓解能源压力、改善生态环境、提升企业竞争力具有重要意义。

一、绿色化学工程与工艺概述

1.1 绿色化学工程与工艺的定义与内涵

绿色化学工程与工艺以可持续发展为核心理念，在从源头减少或消除化学工业生产对环境的负面影响，同时提高资源能源利用效率。它综合运用化学工程原理与技术，对化学反应、工艺设计及产品生命周期进行绿色化革新。其内涵深度契合 “原子经济性”原则，追求反应物中的原子最大限度转化为目标产物，减少副产物生成，降低资源浪费与污染排放；强调使用无毒无害原料与溶剂，避免传统化工中高毒性物质带来的环境风险和健康危害。

1.2 绿色化学工程与工艺的理论基础

绿色化学的 12 项原则是其重要理论指引，涵盖从污染预防、原子经济性利用，到安全溶剂选择、可降解产品设计等多个维度，为技术研发与工艺设计提供了系统性准则。在化学工程原理应用层面，质量守恒定律指导工艺设计中物料平衡优化，减少物料损耗与浪费。能量守恒定律助力能量回收与梯级利用技术开发，如通过余热回收系统将化工生产过程中的废热用于预热原料或发电，提升能源利用率；传递过程原理则推动高效传质、传热设备与技术的创新，为绿色化学工程与工艺的实践提供坚实的理论支撑。

1.3 绿色化学工程与工艺的技术特点

绿色化学工程与工艺具备显著的技术优势。高效节能方面，通过新型绿色催化剂降低反应活化能，使反应在温和条件下进行，减少能源消耗。采用先进的反应技术和设备，提升反应效率与选择性，降低单位产品能耗。环境友好性体现在从原料选择到产品生产全过程，避免使用有毒有害物质，减少污染物产生。通过废弃物资源化利用技术，将生产过程中的废气、废水、废渣转化为可再利用资源，实现污染零排放。

二、绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的应用场景

2.1 在原料选择与处理环节的应用

原料方面，绿色化学工程与工艺在原料的选择上，使用不可再生的绿色原料取代传统的化工不可再生能源，可以从源头上减少不可再生的使用，同时在原料的预处理上，也能有效地提高原料的使用率。化工原料的精制也可以使用高效率的精馏技术取代传统的精馏技术，在原料的精制中有效地分离杂质。应用反渗透膜技术，使用比多级蒸馏的蒸馏膜分离压力要低很多，减少了能源的使用，并且现在的许多化工行业中使用的原料脱盐、浓缩等原料的预处理中都使用了该膜分离技术，达到节省能源以及提高化工生产的效率。

2.2 在化学反应环节的应用

反应过程是节能量的关键所在。绿色新催化剂应用，大幅度地降低反应过程活化能，使反应过程在低活化能下进行。新反应催化剂的利用如固体酸催化剂代替常规液体酸催化剂进行酯化反应，可提高酯化选择性、抑制副反应，避免使用液体酸造成设备的腐蚀和对环境的污染，可节省反应过程所需的温度和压力，节约了大量能源。反应过程条件的优化。采用微波辅助反应、超声化学反应等新的反应体系进行反应过程，可使反应过程快速进行并节约大量反应时间。在有机合成反应过程中，利用微波辐射使反应物分子快速吸收能量，能加快化学反应的速度，与传统加热相比，反应时间缩短几倍，甚至几

十倍，有效地节约了反应过程的能耗。

2.3 在产品分离与提纯环节的应用

产品分离和提纯环节中消耗能源很多，绿色化学工程与工艺通过新型的分离技术进行能源消耗的降低。膜分离技术因具有高效、节能等优点得到广泛应用，在化工产品分离中得到了应用。在乙醇-水体系分离中，渗透汽化膜技术可以在常温条件下对乙醇进行分离，能够避免精馏过程热能的大量消耗。超临界流体萃取技术中二氧化碳作为萃取剂，具有无毒、易分离的特点，在提取天然产物以及化工产品分离中与传统采用有机溶剂的萃取方法对比可以减少溶剂回收的过程中的能耗。

2.4 在化工园区循环经济中的应用

在化工园区的“点”上，通过发展循环经济，实现绿色的化学工程与工艺的集聚节能应用；在化工园区企业的“线”上，通过物质循环利用，实现“资源—产品—废弃物—再生资源”的“断环成环”产业链；在化工园区的“面”上，通过管理与技术进步，发挥集聚效应，比如，建设中水回用系统实现园内企业处理后的达标废水集中深度处理后回用到绿化灌溉、道路清扫等；在能量梯次利用上，建立园区的蒸汽、热水等能源网络，高温工艺余热作为企业的低温生产或供暖使用的能源共享系统；建立园区的废弃协同处理平台，利用专业化技术统一集中处理企业单独处理难度大的危险废弃物，实现废弃的高效处理与资源的再生，使得园区内的企业能协同共生，极大地提升园区化学工业发展的节能效果与可持续性。

三、绿色化学工程与工艺在化学工业节能中面临的挑战与对策

3.1 面临挑战

绿色化学工程与工艺在化学工业节能推广中面临多重困境。技术研发层面，部分核心技术尚未取得突破性进展，例如新型绿色催化剂虽能降低反应能耗，但稳定性不足、使用寿命短，导致频繁更换催化剂增加成本与能耗；复杂体系的高效分离技术仍需完善，难以满足大规模工业化生产需求。成本与投资方面，绿色工艺设备初期购置成本是传统设备的 2 - 3 倍，运行过程中对能源、原料的特殊要求也推高了生产成本，中小企业难以承担。

3.2 应对策略

为推动绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的应用，需多方协同发力。技术研发上，政府应设立专项基金，支持高校、科研机构与企业开展产学研合作，聚焦催化剂稳定性、高效分离技术等关键难题联合攻关，加速科技成果转化。政策层面，完善税收优惠、财政补贴、绿色信贷等激励政策，对采用绿色工艺的企业给予设备购置补贴、税收减免。建立健全绿色化工标准体系，规范行业发展。人才培养方面，高校需优化专业设置，增设绿色化学工程与工艺相关课程，加强校企合作培养实践型人才。

结语

绿色化学工程与工艺通过技术创新和模式优化，在化学工业节能减耗、减排降污方面成效显著，为行业绿色转型提供了有效路径。然而，技术瓶颈、成本压力和人才短缺等问题仍制约其广泛应用。随着技术突破、政策完善与人才储备加强，该技术将在化学工业中发挥更大效能，助力实现 “双碳” 目标与可持续发展。

参考文献

[1]安宝内.论绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用[J].当代化工研究,2023,(05):149-151.

[2]冯宇宏.绿色化学工程与工艺对化学工业节能减排的促进作用[J].现代盐化工,2022,49(04):65-67.