化学工程的创新是实现可持续发展的关键
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
化学工业的可持续发展需要依靠科学技术的创新。作为化学工业的基础性技术，化学和化学工程的研究开发
和创新成为实现可持续发展的关键。荷兰Jan Venselear教授的文章“Sustainable Grouth and Chemical
Engineering”论述了化学工程与可持续发展的联系，并提出化学工程的发展方向及其实施大纲，令人颇受启发。
一、关于“经济增长”
资源、环境及其对人类健康的影响都与经济增长互相联系。当前许多应用方法和技术出现问题，不再适用于
长期性发展，而包括新技术和技术应用在内的新方法正在开发之中，这对社会来说是一项整体性挑战，化学和化
学工程在其中起着非常重要的作用。人类的经济和财富是依靠物质资源提供的，化学将这些资源转化为人类所需
的材料和产品，提供能源、房屋、服装、食品、运输、用具、清洁水等。目前的经济增长就是资源利用的增长，
长久如此则难以持续。事实上人类对资源的利用已经太多，需要“减弱和折开”，这便要通过新颖的途径推动化
学和化学工程的创新。
以采矿业为例，采矿过程破坏土地，造成污染。但是如果所开采的是铂金，它又是生产净化汽车尾气催化剂
的主要成分，可以降低交通运输中产生的CO和NOx。当然这种“末端处理”方式并不是解决问题的有效方式。能
源仍将会被大量运用，从化石资源到可再生资源，能源消费的一些副作用已引起关注，因此人们必须聚集所有创
造能力面对挑战，需要确定化学工业的发展方向。
二、面对社会和工业的挑战
技术发展是社会经济结构发展的重要组成部分，该系统关注人们对食物、交通、住房、消遣娱乐等现代社会
的需求。技术的运用方式受文化影响较大，并处于不断变化中，同时也促进了社会文化的发展，例如远程通讯产
生的新模式带来相应的文化变化，电力和移动化塑造了西方社会。
可持续发展是一种有导向性的发展，这种有导向的发展是一条新的道路，化学和化学工程将与之相适应。我
们难以精确地描述可持续的未来，但可以在一定程度上提出应当具备的条件——最好从边际条件来界定“可持续
性”，这主要有以下几个方面：①物质（地球）：防止主要资源衰减、环境退化和生物多样性丧失；②人文：平等、
生活和工作环境质量、受教育及人权的尊重；③经济（利润）：合理的事业（包括发展中国家），贸易、贸易权和
地区的平等。社会必须利用资源、劳动、空间、基础结构和物质获得利益。
如果在以上几个方面全部能达到要求，便可称之为可持续发展。其中一些条件是可以量化的，近40年，世
界人口增长1.8～2倍，而世界财富平均增长了5倍，考虑到环境和资源的严重负担，需要提高资源利用效率10～
20倍（称之为生态效率）。这就要求我们关注资源的利用（原料、能源、水、空间等）、污染排放、生活环境质量
降低和生态价值（生物多样性）丧失等。只有系统整体化才能提高生态效率、改善人文，仅对现在的实践优化或
引进工艺和产品并不够用。
因此，化学工业面临的挑战是从当前状态开始，改进现有工艺和产品，开发出效率更高的新工艺和新产品，
而且要在向生态效率更高的系统转变中发挥作用，导向财富平等、经济稳定。具体来说，化学工业的作用包括：
①开发效益好、可持续增长的新产品和新的应用领域所需要的化合物和材料，并促进其应用；②在产品生产和应
用过程中大幅减少资源用量；③提供符合发展中国家市场和条件的产品和工艺，使财富和福利均衡增加。
与此同时，化学工业还要考虑全球化，适应变化的市场和社会条件，具备十分可靠的盈利性。社会将更多地
依靠新型材料，化学工业也会发生质的变化：①从大宗产品向精细化学品转化；②服务于专用产品及用途的化学
品将强劲增长；③缩短进入市场的时间。
以上这些要求要依靠化学工业基础性变化才有可能达到，如依靠快速筛选方法并引用“芯片上实验室”概念
进行产品和工艺开发；进行工业放大不是只扩大装置的大小，还要改变工艺结构，用较小的反应系统进行平行串
联，通过“芯片上试验室”元件装配“芯片上生产”大型装置。从而使化工生产规模缩小，让专用性化合物在用
户需要的地方就地进行制造。因此，化学工程开发要以这些“方向”为重点，以新工艺、新产品和新分子面对挑
战和限制因素。
表1 优化、改进产品和工艺、系统化三种方法对生态效率的影响
优化 改进产品和工艺 系统化
时间/年 3～5 5～15 10～40
特征 管家式的改进运营 工艺和产品改进 新型事业概念，面向服务
改进 数十个百分点 2～4倍
技术改进实例 末端处理工艺优化 低能耗工艺，无 可再生资源和能源，定向
溶剂产品和工艺， 使用，先进工艺，化合物
减少废料，优化 “租借”
生产步骤
责任承担者 运营和环境经理 设计工程师，技术 事业管理部门
经理
主要涉及面 组织方面，现有技 新概念，工艺过程 社会-经济需求，生活质
术实施 集成 量，产品驱动
财务 费用高 费用优化/降低 开放新市场
三、化学工程师面对的挑战
面对可持续发展带来的各种挑战，化学工程师大有英雄用武之地：①开发新型化合物、材料和产品应能高效
地利用，同时对环境的影响和风险极小，并易于回收。②重点开发可再生能源所需要的材料和产品，如高效太阳
能电池、生物质基燃料、燃料电池等。③探求和开发新型工艺、生产方法以及高效设备，实现安全、清洁生产。
对现有生产工艺优化，缩小装置的尺寸也是附加目标。④开发可能改变生产基础资源的原料途径，重点是利用可
再生资源。⑤以非再生资源为原料的化学品生产要实现封闭循环，开发高效循环回收途径和工艺设备，同时开发
可以利用这些回收资源的生产工艺和产品。⑥设计试验反应、工艺和产品，放大反应和生产系统，包括多方面筛
选。
为了达到上述目标，化学工程每个方面的开发都不能孤立进行，资源、工艺和产品链间有着密切的联系，需
要共同开发和发展（见图1）。只有利用链结构中的各种可能，才可能使资源利用率提高4、10、20倍，可见化学
和化学工程在可持续发展中起着主要作用，使之能实现集成系统化的目标。
虽然可持续发展目标涉及面很广，但需要有专门的方法、指标和评价手段来评价化学工程向可持续发展的进
展。要对技术进展进行管理，使之能对未来可持续性有实际贡献，在研究开始时就应用适当方法进行管理，还要
测定工艺对环境、安全等方面的影响。这些方法、手段和指标要考虑整个系统的效果。
四、有关化学工程的议程
化学工程研究开发过程中充满挑战，为此要提出议程方案。过去10年中，荷兰可持续化学发展基金会（DCO）
首先提出相关方案，荷兰工艺工程研究组织（OSPT）又发表了《绿色宣言》。最近由学术机构和产业部门共同制
定的研究开发计划，组成了荷兰跨部门知识基础设施加强规划的框架（ICES-KIS）。其他国家也有类似议程，这
些议程主要涉及3个开发领域：产品的开发和应用、工艺过程强化、生物质资源。
这三个方面有一定的交叉，而涉及两个领域的次级内容也备受许多议程重视，如基因学、催化、分离、在化
学生产和微型反应器中的转化与分离的集成。
可持续发展必须作为一个系统工程来实施，其中产品的开发和应用是一个中心环节。在化学工程的议程中，
化合物和材料开发的要求是用量小、性能好，并能创造新的功能提高它在应用中的效果。减量化是可持续性观念
中一项主要课题，同时要求开发出的新产品质量更好，具有更强的竞争力。新产品开发是化学工程进步的主要驱
动力量，其开发的目标是：
●具有高强度、质量轻、能自己修复的新材料
●改进功能性，提高性能，瞬时合成
●有机材料光伏电池和燃料电池用膜
●性能更好的能源存贮系统
●通过微型系统（芯片上试验室）建立快速多重目标的筛选方法
●设计和模拟分子活动和表征的软件工具
预测分子、分子组合和亚微米粒子的微观及介观水平的知识不断增加创造这些分子和分子簇的可能性，使之
成为在其他领域应用的理论基础，如纳米技术和微电子学。此外，药品的开发和功能食品中添加剂的开发也是有
吸引力的行业。
在工艺过程强化方面，主要议程是开发较小的反应系统，步骤少、转化率和收率高、速度快、具有较高的传
热、传质性能。有效地利用资源、灵活的生产设备、缩小尺寸等是可持续性的主要内容，也是提高竞争力的方向，
其中要注意以下问题：
●通过新型设计，将间歇法改为连续法，用新型能源传输方法等提高反应系统效能
●在反应器中集成工艺模块（如反应和分离）
●改进催化剂，开发新型催化剂、组合生物-化学系统、串联或催化和“一锅式反应系统”
●化学品生产要利用基因学和生物化学，可从精细化学品开始，再逐步推广到大宗化学品
高效反应系统用于新反应设计，特别在高效热反应中，将间歇法改为连续法的设计非常有效，而且有利于能
量应用、提高收率和减少废料。例如环管式优化设计的Helix反应器在放热/吸热反应中应用取得的良好成果，
而且这类装置安全，产能较大。
催化反应的开发目标是将应用不同催化剂的多步工艺变成一步工艺，同时使用多种催化剂及酶，这就类似在
活体细胞中发生的生物化学活动“生物仿生”，可减少工艺步骤，潜力很大。
膜的应用可使在一个反应系统中组合几种功能得以实现，膜可以去除影响反应的化合物，还可以在膜或淤浆
反应器中将反应和固液分离组合起来，在制药工业中用重金属基催化剂的加氢工艺也可采用。
在能源和化学生产中，生物质资源也是议程中考虑的内容，它主要有2方面：一是将现在精细化工方面应用
的相关知识逐步推广到通用的大宗产品；二是用生物质资源作能源，改善经济可行性，再逐步推向化学品生产。
为此需考虑以下一些问题，例如生物质资源的复杂性和差异性；新的合成途径和生产方法要从烃类基础化学转向
碳水化合物基化学，优化资源利用；物流要适应通用化学产品的持久性和季节性特点；调整和衔接农业和化学工
业；在经济学方面，要考虑生产的高成本与当前化石资源的比较；要考虑与食物及其他人类应用方面的竞争问题。
从工艺加工路线看，生物质的应用主要有热法和生物法，不同中间体需要不同的下游加工步骤。在热法方面
主要的进展是无氧裂解制液体“生物原油”或完全气化（用一定量氧或空气）制“生物合成气”。生物原油可以
进行类似原油的处理后用于燃料或原料，就地将生物质转变为液体材料有利于储存和运输。生物质合成气已形成
成熟的技术，可以作为许多产品的起始原料。以生物技术为基础的发酵方法可提供很多产品的中间体（如乙醇）。
相关的研究目标是扩大原料来源，如将各种纤维素转化为醣，再进一步转化为乙醇。由生物基乙醇制乙烯也有一
定的经济性，杜邦公司采用发酵方法以生物质为原料已生产出丙二醇。
化学工程的议程高度重视基因学研究，重点是应用活细胞中代谢和基因信息开发新型生物基转化方法。其中
主要原料是碳水化合物和植物油，也可能利用一些废物和残渣。将分子生物技术和先进的生物工艺与常规的化学
技术结合起来进行以生物质为基础的生产，用较少的加工步骤生产精细化学品和通用化学品。
以上2条路线都是将生物质转化为化学品或食品，经济学方面可以称之为“生物串”(biocascade)和“生物
炼厂”(biorefinery)，二者都可以用来优化使用残废料和低价值的生物资源。“生物串”在高经济收率基础上选
用某种组份。而生物炼厂将生物质分离成各化学组分，如蛋白质、碳水化合物和专门的代谢物，使它们可以作为
精细化学品和食品添加剂的中间体。
五、化学时代问题
可持续化学工程的目的是让所需要的发展成为可能，并且减少所付出的代价，可持续的未来需要功能性高、
安全的产品和材料。纳米技术、微电子学、医药学的进展都是以分子为基础，对分子进行处理，因此可以说分子
将塑造未来，这就不能没有化学和化学工程。我们不禁要问，21世纪是否能成为化学时代？