第一章绿色过程制造的重大战略意义
1.1过程工程的内涵及重要性
化学工程经过归纳、综合和与其他知识的交叉，形成了以传递和反应为主且不断发展的“三传一反+X”的学科基础。这一学科基础的应用对象已远远超过了化工*初的定义和范畴，覆盖了所有物质的物理和化学加工工艺，也将化学工程提升为过程工程。过程工程的内涵基础如何成长，21世纪我国将如何走在建立过程工程的前沿，发挥过程工程在国民经济中的巨大作用，将成为今后的热点[1]。
过程工程在工业中的体现即为过程工业。过程工业是国民经济的基础和支柱产业。经过半个多世纪的持续快速发展，中国的过程工业已扩展成为在能源、材料、冶金、环境、生物、医药、食品等诸多领域进行物质与能量转化的产业，并不断与其他工业进行交叉融合，具有品种多、层次多、服务面广且配套性强等特点，在满足国民经济发展的重大需求方面，占据了不可替代的战略地位。
过程工业涉及的市场规模宏大，主要包括以下两类：全属过程工程，如石油、化学过程工业，在我国共有13种；与其他工业交叉融合的过程工业，如烟草、自来水工程等。我国过程工业具有品种多、层次多、服务面广且配套性强等特点，对汽车、家电、电子、电器、建筑、纺织等相关产业的发展有重大影响，也为国防、航空、航天、信息等产业提供了有力支撑，在社会发展和国民经济中占有举足轻重的地位。
过程工业经济拉动效应明显，解决了众多人口的就业问题。截至2019年底，过程工业中占比*大的石油和化工行业规模以上企业26271家，资产总计13.46万亿元，占全国规模工业总资产的11.3%；2018年我国石油和化学工业注册从业人员已达1380万人以上，联动相关产业人员规模上亿。过程工业属于劳动力密集型和技术密集型产业，解决了大量人口就业问题。
过程工业为保证农业发展和国家粮食安全做出了重大贡献。过程工业为农业生产提供化肥、农药、农用塑料薄膜，以及农业现代化发展所需要的各种化工产品，是支持农业发展的重要动力。化肥作为确保粮食增产、农民增收的重要物质基础，已成为现代农业生产中不可或缺的战略性物资；化学防治以其快速、高效、经济和方便的突出优点，在农业有害生物的综合防治体系中仍然占有主导地位。
强国必先强军，过程工业为国防提供了必不可少的工业基础，尤其是在新材料领域。世界各国对新材料技术的发展给予了高度重视，拥有新材料技术是保持军事先进的重要前提。中国正面临日益复杂的环境，地缘风险有所上升，装备升级意义显著。军队改革完成后，中国产业现代化明显提速，《关于加快推进国防科技工业科技协同创新的意见》提出打造一批国防科技工业创新中心。2015年以来，我国关键装备的更新换代正在快速进行之中，钛合金、高温合金等材料需求量将持续增长，新材料能为国防安全提供有力保障。
过程工业对信息安全极具保障作用，主要体现在对硬件设备生产的支撑上。芯片、存储器、光纤、平板显示器件等产品的生产，均需要超高纯的特种化学品。但是我国电子化学品生产技术尚在积累当中，多数高端产品仍然依赖进口，再加上半导体制造工业相对落后，导致我国的运算芯片、硬盘等产品对外依存度非常高。在未来，物联网、云计算、智能工业机器人、智能设备等需要强大的算力、海量的存储器、动力转换/控制部件，将带动新型过程工业尤其是半导体制造业快速发展。过程工业能否提供足够的电子化学品或材料，将决定这一进程的速度。
过程工业为经济发展供应了必要的能源。过程工业生产的许多产品均与我国能源的供应相关。部分产品可作为汽车、飞机、轮船等交通运输燃料；部分用作化工生产原料，生产数万种下游化工产品，用于支撑国民经济各个领域的可持续发展。充分利用过程工程的特点，发挥过程工业的优势，提高传统能源转化效率，发展或推广新能源对国民经济的发展具有十分重要的意义。
1.2绿色过程制造的概念及战略意义
绿色过程工程是在综合考虑环境因素与社会可持续发展的前提下，通过介质/材料(如催化剂、溶剂等)的原始创新、反应器结构创新和新工艺的集成创新，形成变革性绿色原创技术并实现产业化。20世纪90年代初，美国学者提出了绿色化学的12条原则[2]，其中涉及原料、合成、催化剂、溶剂、工艺、成本、产品等重要问题，经过几十年的发展以及与其他学科的交叉融合，扩展了“可再生能源、酶催化体系、非共价键分子体系、自分离体系、废物综合利用”等新内涵[3]，这些基本原则已被化学和化工界普遍接受。将绿色化学原理与化学工程相结合，形成了绿色化工学科，其显著特征是面向工业应用，追求高转化率、高选择性和高能源利用效率，在保证原料、介质和产品的无毒或低毒，以及可观的经济效益的前提下，实现废弃物的排放和副产物的产率*小，追求的总体目标是经济效益和环境效益的协调*优。
进入21世纪以来，绿色过程与工程迅速成为重要的研究方向和热点。1996年美国设立了总统绿色化学挑战奖，2004年欧盟创建了可持续化学欧洲技术平台(SusChem，2004)，目标是为未来的可持续化工和生物技术提供解决方案，日本也提出了绿色可持续化学的路线图(2008～2030年)。1997年，国家自然科学基金委员会和中国石油化工集团公司(简称中国石化)启动了“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”重大基础研究项目，重点开展无毒无害原料、催化剂和“原子经济”反应等新技术的基础研究。中华人民共和国科学技术部(简称科技部)也围绕绿色过程设立了多个重大研发计划，如“973”计划——“石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学”“大规模化工冶金过程的节能减排的基础”，国家重点研究计划“废物资源化科技工程”“可再生能源与氢能技术”“新型锂浆料储能电池研究”等。2016年，《国家自然科学基金“十三五”发展规划》明确将“可持续的绿色化工过程”列为化学科学部优先发展领域，该方向也获得多项自然科学基金项目的支持[4]，在“十四五”规划的制定过程中，绿色过程制造也是专家建言献策的重点[5]。《中国制造2025》明确提出，加快制造业绿色改造升级，积极推行低碳化、循环化和集约化，提高制造业资源利用效率；强化产品全生命周期绿色管理，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。
从学科发展方向来看，绿色过程与工程已成为我国科学研究和学科布局的新热点，许多单位纷纷成立了与绿色过程制造相关的研究机构，如中国科学院绿色过程与工程重点实验室、中国科学院绿色过程制造创新研究院、上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室、离子液体清洁过程北京市重点实验室、山东省绿色制造工程技术研究中心、江苏省先进催化与绿色制造协同创新中心、动力电池绿色制造安徽省重点实验室、甘肃省镍钴及稀贵金属工业废弃物资源化再利用重点实验室等。国内外一些大学已将绿色化工列为研究生课程。在应用方面，工业界如中国石油天然气集团有限公司(简称中国石油)和中国石油化工集团公司等制定和实施了明确的清洁生产机制和具体措施。对绿色化学与化工的重视也体现在新的学术期刊纷纷涌现，如Green Chemistry是较早的代表性期刊，1999年创刊后迅速成为绿色化学与化工的主流期刊。创刊于2008年的Energy & Environmental Science期刊，目前其影响因子已升至30.3。2013年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校化工系的David T. Allen教授作为主编创办了期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering，与前述期刊相比，该期刊具有明确的“工程”特色，注重报道绿色化学和工程的国际*新研究成果。2016年英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry，RSC)创办的期刊Molecular Systems Design & Engineering，则重点报道基于分子层次认识的过程系统设计，力争缩小科学和工程的差距。2015年，中国科学院过程工程研究所创办了Green Energy & Environment期刊，旨在从能源、资源及环境等诸多领域报道基础及工程研究的*新成果，该期刊推出后受到广泛关注，目前已入选SCI期刊，*新影响因子为6.4。2020年，中国科学院过程工程研究所创办了Green Chemical Engineering期刊，其以绿色化工为学科基础，聚焦“绿色”，立足“工程”，注重学科交叉与绿色过程工程前沿问题，努力搭建科研与工程成果交流展示的平台。
纵观几十年的发展，绿色过程与工程的一个重要的特点是两个维度的研究模式，一个维度是从分子到系统的思路，不仅要考虑原料、溶剂和催化剂以及单元设备的创新，还需从系统的角度，通过从分子→纳微→界面→设备→系统的多尺度调控，将理论方法用于实际技术研发链，即实验室研究、工艺设计、设备优化和工程放大全过程；另一个维度是从传统的单一的经济目标向经济、环境和安全等多目标的模式转变，综合两个维度的研究成果为绿色技术的创新和产业化提供重要科学基础。
随着全球性环境和资源严重匮乏等问题的加剧，过程工业的绿色化成为推动工业可持续发展的重要途径，其核心则需要通过介质/材料(如催化剂、溶剂等)的原始创新、反应器创新和工艺的集成创新，形成变革性绿色技术并实现其产业化。
习近平总书记在十九大报告中提出，“建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，构建市场导向的绿色技术创新体系”。因此，发展从源头消除污染的绿色过程制造技术是过程工业可持续发展的必然趋势，任何单元技术的突破对过程工程的绿色化都是不可或缺的。然而，绿色过程工程又是一个系统科学，不仅要重视单个技术的创新，同时还要考虑从原料替代、介质创新到单元强化及系统集成的整个链条，通过绿色材料/介质的原始创新和工艺的集成创新，实现过程工业的绿色化。
本书围绕绿色制造这一核心，结合实例，论述现代煤化工、生物质化工、CO2化工、精细化工、新能源、信息材料、生物医药、生物医用材料、PET循环回收技术发展、电池回收等10项技术进展，以期为绿色过程工业理论发展和绿色化工技术创新提供重要的依据和参考。
第二章绿色过程制造的发展现状及趋势
2.1绿色过程制造的发展现状
绿色过程与工程的兴起主要源于化工发展所带来的严重的环境和社会问题。随着不断加剧的全球性环境生态破坏和化石资源的严重匮乏，以及工业生产活动导致的温室效应对人类生存环境的危害，化工过程的绿色化成为解决这些难题的重要途径之一。不仅要考虑原料、溶剂和催化剂及单元设备的创新和高效，还需要从系统的角度，通过从分子→纳微→界面→设备→系统的多尺度调控，实现经济、环境和安全的多目标*优[1-4]。图2.1简要说明了绿色过程工程的研究思路，即首先要考虑环境、健康和安全对新过程或产品的影响，从而在原料筛选、溶剂/催化剂开发、过程优化设计、系统运行等全过程中体现绿色化[5]。
展开
