具体描述
好的，这是一本介绍面向未来的可持续化学工程实践与前沿技术的专业参考书的详细简介。 --- 可持续化学工程前沿：面向未来的过程设计、优化与环境责任 导言：应对二十一世纪的化工挑战 全球化学工业正处于一个关键的十字路口。面对日益严峻的气候变化、资源枯竭的压力以及对更高生产效率和环境安全性的社会期望，传统的化工生产模式已难以为继。本书《可持续化学工程前沿：面向未来的过程设计、优化与环境责任》旨在为化学工程师、过程设计师、研究人员和行业决策者提供一套全面、前瞻性的理论框架和实用的工程工具，以指导行业向更绿色、更高效、更负责任的方向转型。 本书摒弃了对传统、成熟工艺的冗长回顾，聚焦于变革性的技术和系统思维，旨在解决当代工业界最紧迫的挑战：如何以最小的生态足迹，实现复杂化学品的规模化生产。 第一部分：可持续过程设计的系统方法论 本部分深入探讨了将可持续性原则融入化学过程生命周期初始阶段的必要性和方法。 第一章：生命周期评估（LCA）与绿色化学指标的集成应用 本章详细阐述了如何超越单一的原子经济性（Atom Economy）考量，将完整的生命周期思维融入反应器选型和分离单元设计。重点介绍了动态LCA建模，即如何实时追踪能源消耗、废弃物产生与环境影响因子（如全球变暖潜能值、水足迹）在不同操作条件下的变化。探讨了如何利用多目标优化算法（如NSGA-II）在成本、产率与环境负荷之间寻找帕累托最优解。 第二章：过程强化（Process Intensification, PI）的范式转变 过程强化是实现可持续性的核心驱动力之一。本章深入分析了微反应器技术在极端反应条件（高压、强放热）下的传质和传热优势，以及其在提高选择性、减少副产物方面的潜力。特别关注了反应-分离耦合技术，如反应精馏（Reactive Distillation）和反应萃取，阐述了如何通过在同一设备中集成多个单元操作来大幅减少设备尺寸、能源输入和中间储存需求。 第三章：先进过程控制与数字化孪生（Digital Twin）在能效优化中的作用 本章探讨了如何利用工业物联网（IIoT）和先进传感器技术构建高保真的过程模型。重点在于模型预测控制（MPC）在应对高非线性和强耦合过程中的应用，以维持过程在最优能耗点附近运行。详细介绍了“数字孪生”的构建流程，如何通过实时模拟预测设备老化、催化剂失活对整体可持续性的影响，并提前部署维护策略。 第二部分：面向未来的反应与催化技术 本部分聚焦于从源头上减少污染、提高能效的核心技术——催化剂与反应介质的革新。 第四章：新型可持续催化体系：从非贵金属到生物催化 重点介绍了非贵金属催化剂（如铁、镍基催化剂）在替代传统贵金属催化剂（如钯、铂）方面的最新进展，尤其是在氧化还原反应中的稳定性与活性。深入探讨了酶催化与细胞工厂在精细化学品和药物中间体合成中的应用，强调了温和反应条件（常温常压、水相）带来的巨大环境效益，并讨论了酶固定的挑战与解决方案。 第五章：绿色溶剂与替代反应介质 本章系统性地评估了替代传统挥发性有机溶剂（VOCs）的替代方案。详细分析了超临界流体技术（特别是$ ext{scCO}_2$）作为反应和萃取介质的优势与工程化难点。同时，对离子液体（Ionic Liquids）的结构-性质关系进行了深入剖析，探讨如何“设计”具有特定溶解度和催化性能的离子液体，并讨论了其回收和再利用的工业可行性。 第六章：电化学合成与光催化：能源输入模式的变革 本章关注利用可再生能源直接驱动化学转化的新兴领域。系统介绍了电化学合成（Electro-synthesis）如何实现精确的氧化还原电位控制，从而提高反应的选择性，并避免使用昂贵的化学氧化剂/还原剂。光催化方面，重点分析了半导体光催化剂在环境修复（污染物降解）和燃料转化（如$ ext{CO}_2$还原为化学品）中的机理与反应器设计。 第三部分：资源循环与零排放工程 本部分关注过程的下游处理与生命周期结束的管理，核心是废弃物的最小化和资源的闭路循环。 第七章：先进分离技术：打破热力学能耗壁垒 传统蒸馏是高能耗过程的代名词。本章着重介绍膜分离技术在气体分离（如膜接触器）、液体分离（纳滤、反渗透）中的突破性进展。深入探讨了吸附分离（如变压/变温吸附，PSA/TSA）在轻烃分离和干燥中的能效优势，并对新型吸附材料（如MOFs、COFs）的工程应用前景进行了评估。 第八章：工业共生与废弃物资源化（Waste-to-Value） 本章提出了“工业共生”的系统概念，探讨了不同工厂间能量、副产品和水资源的协同利用。详细阐述了难降解有机废弃物的高级氧化技术（AOPs），如芬顿反应、臭氧氧化和湿式氧化（Wet Air Oxidation, WAO），如何在确保环境合规的前提下，将高浓度废液转化为可回收的中间体或能源。 第九章：碳捕集、利用与封存（CCUS）的工程集成 鉴于化学工业在$ ext{CO}_2$排放中的地位，本章对CCUS技术进行了深入的工程分析。不仅涵盖了胺吸收法等传统捕集技术，更侧重于膜捕集与变温吸附在低浓度烟气流中的适用性。在“利用”方面，重点分析了$ ext{CO}_2$氢化制甲醇或合成气（Syngas）的催化反应器设计，强调了将捕集的碳转化为有价值化学品的经济可行性。 结论：通往净零排放的工程路线图 本书最后总结了实现化学工业净零排放所需要的跨学科集成。强调了化工人才在掌握传统热力学和动力学基础的同时，必须深入理解数据科学、材料科学和生物技术的交叉融合。本书为读者提供了一个清晰的路线图，指导他们如何在下一代工厂的设计中，将经济效率与地球承载力完美结合。 --- 本书特点： 高度前瞻性： 专注于未来五到十五年内有望实现工业化的技术，而非对现有技术的重复描述。 工程导向： 理论阐述后紧跟工程化挑战、设备选型和经济性分析。 跨学科整合： 深度融合了过程工程、催化科学、环境科学和信息技术。
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