第10章綠色化學化工過程的評估

本章初步論述化學化工過程綠色化的評估方法，如何正確評估化學化工過程的“綠色性”,

開發(fā)高效的綠色技術(shù)，這是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個具有重要意義的理論課題。但是迄今為止

還沒有形成一個統(tǒng)一的評判標準。

主要內(nèi)容：

10.1綠色化學評估的基本準則

10.L1綠色化學的12條原則

10.L2綠色化學的12條附加原則

10.1.3綠色化學工程技術(shù)的12條原則

10.2生命周期評估

10.2.1生命周期評估的含義

10.2.2生命周期評估的步驟

10.2.3生命周期評估的用途

10.3綠色化學化工過程的評估量度

10.3.1化學反應過程的綠色化

10.3.2化學化工過程綠色化的評價指標

10.3.3綠色化學化工過程的評估實施

復習思考題

參考文獻

10.1綠色化學評估的基本準則

10.1.1綠色化學的12條原則

綠色化學的目地就是利用化學原理和新化工技術(shù)從源頭上預防污染物的產(chǎn)生，而不是污

染物產(chǎn)生后的末端治理。為此，AnastasPT和WarnerJC提出了著名的綠色化學12條原則，作

為開發(fā)綠色化學品和工藝過程指導。

10.1.2綠色化學的12條附加原則

為補充AnastasPT和WarnerJC的綠色化學原則，利物浦大學的確良WintertonN提出了

綠色化學的12條附加原則，以幫助、指導化學化工科技工作者進一步深入開發(fā)和完善實驗室

的研究成果，評估每一個工藝過程的相對“綠色性、

10.1.3綠色化學工程技術(shù)的12條原則

(1)設計者要盡可能保證所有輸入和輸出的能量和材料是無毒、無害的。

(2)預防廢物的生產(chǎn)比廢物產(chǎn)生以后進行處理為好。

(3)產(chǎn)品分離和純化操作應盡量減少能量和材料的消耗。

(4)設計的產(chǎn)品、工藝及其整個系統(tǒng)要使質(zhì)量、能量、空間和時間效率最大化。

(5)設計的產(chǎn)品、工藝及所有系統(tǒng)應該是輸出的“牽引”，而不是靠輸入物質(zhì)和能量的

“推動”。

(6)當設計選擇再生產(chǎn)、循環(huán)利用和其他有益的處理時，應對內(nèi)在的復雜性有充分的研

究和認識。

(7)設計方案的目標產(chǎn)物要強調(diào)耐久性，而不是永久性。

(8)設計方案應著重于滿足需要，使過量最小化。

(9)減少復雜組成品中材料的多樣性，盡量保存原料的價值。

(10)設計中應綜合考慮可用原料和能源的相關(guān)情況，加強當?shù)匚镔|(zhì)流和能量流的整合。

(11)產(chǎn)品、工藝及其所有系統(tǒng)的設計應考慮它們的使用功能結(jié)束后勤的處理和利用。

（12）設計中采用的材料和能源應是可再生的。

鑒于化學工程科學在實現(xiàn)化學工業(yè)綠色化中的實阮運用，2003年在佛里達洲Sandestin

召開的綠色化學工程技術(shù)會議上，進一步進出了綠色化學工程技術(shù)的9條附加原則。

（B產(chǎn)品和工程設計要采用系統(tǒng)分析方法，應將環(huán)境影響評價工具視為工程的重要組成

部分。

（2）當設計保護人類健康和社會福利時要考慮如何保護和改善生態(tài)系統(tǒng)。

（3）在所在生命工程中要有“生命周期”的思想。

（4）要確保所有輸入和輸出的材料與能源是安全和環(huán)境友好的。

（5）盡可能減少自然資源的消耗。

（6）盡量避免產(chǎn)生廢棄物。

（7）所開發(fā)和實施的工程解決方案應符合當?shù)氐膶嶋H情況和要求，要得到當?shù)氐乩砗臀?/p>

化的認同。

（8）對工藝的改進革新和發(fā)明要符合“可持續(xù)發(fā)展”的原則。

（9）要使社會團體和資本占有者積極參與工程解決方案的設計和開發(fā)。

10.2生命周期評估

10.2.1生命周期評估的含義

生命周期評估（lifecycleassessment,LAC）是20世紀70年代發(fā)展起來的評估某一產(chǎn)

品的一種方法。按國際標準化組織（ISO）定義，“生命周期評估是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周

期中輸入、輸出及其潛在的環(huán)境影響的綜合評估”，需要考慮的環(huán)境影響信息包括資源利用、

人體健康和生態(tài)后果。例如，化學品生產(chǎn)的生命周期評估的基本概況如圖10T所示：

圖107化學品生產(chǎn)的生命周期評估

LCA主要應用在通過確定和定量化研究物質(zhì)和能量的利用，以及廢棄物的環(huán)境排放來評

估某一產(chǎn)品造成的環(huán)境負載、能源材料的利用和廢棄物排放的影響，以擴環(huán)境改善的方法。

LCA能從更廣的時間尺度上對產(chǎn)品的全生命周期的環(huán)境影響進行全面定量的評估，因此LCA是

綠色化學評估的重要方法之一，也是國外廣泛使用的一種工業(yè)生態(tài)設計和工具。

10.2.2生命周期評估的步驟

LCA是通過收集相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，應用科學計算的方法，從資源消耗，人類健康和生態(tài)

環(huán)境影響方面對產(chǎn)品等的環(huán)境影響作出定性定量的評估，并尋求改善產(chǎn)品等環(huán)境性能的機會

矣途徑。

根據(jù)IS014040標準，將LCA的實施過程分為四個步履：目標和范圍確定；清單分析；影

響評估；結(jié)果解釋。它們的關(guān)系如圖10-2所示。

生命周期評估框架

直接應用

目標和范圍確定

?產(chǎn)品開發(fā)與改進

?戰(zhàn)略規(guī)劃

結(jié)

清單五析

果?公開政策制定

分

析?營銷

、?其他

影響評估

圖10-2生命周期評估技術(shù)框架

1.目標和范圍確定

將生命周期評估研究的目標和范圍清楚地予以確定，使其與預期的應用相一致。

2.清單分析

編制一份與研究的產(chǎn)品的產(chǎn)品系統(tǒng)相關(guān)的投入和產(chǎn)出清單，以便量化一個產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)外

的投入與產(chǎn)出關(guān)系，這些投入與產(chǎn)出包括資源的使用，以及對空氣、水體和土壤的污染排放

等。

3.影響評估

應用清單分析的結(jié)果對產(chǎn)品生命周期各個價段涉及的所有潛在的重大的環(huán)境影響進行評

估。一般來說，將清單數(shù)據(jù)和具體的環(huán)境影響相聯(lián)系，并認識這些影響的實質(zhì)，評估時應當

考慮對人體健康、生態(tài)系統(tǒng)及其他方面的影響。

4.結(jié)果解釋

將清單分析及影響評估所發(fā)現(xiàn)的與研究目的有關(guān)的結(jié)果綜合考慮，形成結(jié)論性意見，并

提出減少環(huán)境不良影響的改進措施。這是LCA的最終目標，其結(jié)果將作為LCA研究委托方和

決策依據(jù)。

10.2.3生命周期評估的用途

生命周期評估主要是為了找出最適宜的預防污染技術(shù)，盡可能減少環(huán)境的污染，保護生

態(tài)系統(tǒng)；同時支持合理開發(fā)和利用資源、節(jié)約不可再生的資源和能源，最大限度地進行原料

和廢物的循環(huán)利用的目的，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，生命周期評估主要應用在

以下幾個方面。

(1)對化學產(chǎn)品及其“從搖籃到墳墓”的全過程所涉及折環(huán)境問題進行量化和評估，故常

作為評估化學產(chǎn)品或工業(yè)過程“綠色化”的管理工具。

(2)為產(chǎn)業(yè)界、政府機構(gòu)和非政府組織的決策提供支持。

(3)確立環(huán)境影響評價指標，包括產(chǎn)品和工程的環(huán)境評價指標、產(chǎn)品環(huán)境標志的評價和認

定等。

(4)確定市場經(jīng)濟營銷戰(zhàn)略。環(huán)境標志是一種產(chǎn)品和證明性商標，它表明該產(chǎn)品不僅質(zhì)量

合格，而且在生產(chǎn)、使用和處理處置過程中符合環(huán)境保護要求，與同類產(chǎn)品相比，具有安全

低毒、節(jié)約資源等優(yōu)勢，有利于打破綠色貿(mào)易壁壘，促進商品的外貿(mào)出口。

10.3綠色化學化工過程的評估量度

要判斷一個化學過程是否是綠色的，首先應從人類健康安全方面考慮，考察其是否使用

和產(chǎn)生有毒、有害的物質(zhì)；其次要從生態(tài)環(huán)境保護方面來考慮，考察其是否向周圍環(huán)境排放

破壞生態(tài)系統(tǒng)的污染物；同時還需要從經(jīng)濟發(fā)展的角度進行考慮，核算產(chǎn)品的質(zhì)量密度、能

量密度、原料資源利用的合理性，以及整體的經(jīng)濟等C因此，綠色化學評估是一個非常復雜

的系統(tǒng)工程。

10.3.1化學反應過程的綠色化

綠色化學的核心就是要運用化學原理和方法，開發(fā)能減少或消除有害物質(zhì)的使用與產(chǎn)生

的環(huán)境友好的化學品及其技術(shù)的過程，從源頭上預防污染，從根本上班實現(xiàn)化學工業(yè)的“綠

色化"。綠色化學過程包括原料的綠色化、化學反應和成技術(shù)的綠色化、工程技術(shù)的綠色化，以

及產(chǎn)品的綠色化等，如圖10-3所示。

圖10-3綠色化學過程示意圖

1.原料的綠色化

(1)盡可能采用無毒、無害的原料。

(2)盡可能利用可再生資源為原料。

(3)物質(zhì)循環(huán)和原子經(jīng)濟利用。

2.化反應和合成技術(shù)的綠色化

(1)盡可能不用或少用有毒、有害的溶劑和助劑，或采用環(huán)境友好珠溶劑和助劑。

(2)發(fā)展高選擇性、高效的新型催化劑和催化技術(shù)，以簡化工藝操作，提高反應的原子經(jīng)

濟性。

(3)優(yōu)化反應途徑，發(fā)展綠色合成，加強綠色技術(shù)的耦合，以提高資源和能源的利用率。

(4)改革式藝過程和操作，實施清潔生產(chǎn)式藝，這是現(xiàn)行精細化工企業(yè)實現(xiàn)“綠色化”、

提高合成經(jīng)濟效益和社會效益的一個關(guān)鍵舉措。

3.工程技術(shù)的綠色化

(1)發(fā)展生物工程技術(shù)、膜技術(shù)等新型反應工程技術(shù)。

(2)開發(fā)微化工技術(shù)。

(3)強化化工技術(shù)的耦合。

(4)強化物質(zhì)流程、能量流程、信息流程等優(yōu)化集成。

4.產(chǎn)品的綠色化

綠色化的產(chǎn)品是指安全的化學品，又稱綠色化學品。通常認為綠色化學品是通過采用先

進技術(shù)獲得的，能夠在整個生命周期內(nèi)安全、經(jīng)濟、可靠地滿足用戶要求的使用功能和性能,

同時能耗最小，資源利用最優(yōu)且符合當代國際公認環(huán)保標準的產(chǎn)品。

綠色化學品評價系統(tǒng)由產(chǎn)品的基本屬性、環(huán)境屬性、資源屬性、能源屬性和經(jīng)濟屬性等

指標構(gòu)成。

10.3.2化學化工過程綠色化的評價指標

1.原子經(jīng)濟性

1991年美國著名有機化學家Trost提出了原子經(jīng)濟性(AE)的概念，他以原子利用率衡

量反應的原子經(jīng)濟性：

AE二(目標產(chǎn)物的相對分子量/反應物質(zhì)的相對分子量總和)X100%

對于一般的合成反應：A+B-C

Mr(C)

AE=--------------------------x'00%

Mr(A)+Mr(B)

對于復雜的化學反應:

A+BfCF+G-H

C+D-EH+I-J

E+Jfp

Mr(p)

AE----------------------------------------------xioo%_

一Mr(A)+Mr(B)+Mr(D)+Mr(F)+Mr(G)+Mrv,7

但是，用原子經(jīng)濟性來考察化工反應過程過于簡化，它沒有考察產(chǎn)物收率、過量反應物、

試劑的使用、溶劑的損失，以及能量的消耗等，單純用原子經(jīng)濟作為化工反應過程“綠色化”

的評價指標還不夠全面，應和其他評價指標結(jié)合才能作出科學的判斷。

2.環(huán)境因子和環(huán)境系數(shù)

環(huán)境因子(E)是荷蘭有機化學教授SheldonRA在1992年提出的一個量度標準，定義

為每出產(chǎn)品1kg產(chǎn)物所產(chǎn)生的廢物的質(zhì)量。

￡二廢棄物總量(kg)/產(chǎn)物量(kg)

由上式可見，E越大意味著廢棄物越多，對環(huán)境的負面影響越大，因此E為零是最理想

的。

Sheldon根據(jù)E的大小對化工行業(yè)進行劃分(10-1):

表達107不同化工行業(yè)的E比較

化工行業(yè)年產(chǎn)量/tE化工行業(yè)年產(chǎn)量/tE

5

石油工業(yè)IO*?1()8約0.1精細化工102-1045?50

大宗化工產(chǎn)品10-106<5醫(yī)藥工業(yè)10?1()3>25

由于化學反應和過程操作復雜多樣，E必須從實際生產(chǎn)過程中所獲得的數(shù)據(jù)求出，因為E

不僅與反應有關(guān)，與其它單元操作有關(guān)。因此，E實應等于E理與各項Ei(i=l,…，7)的加

和。

E實=E理+E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7

在缺乏E1?E7等實驗時，可用原子經(jīng)濟性或質(zhì)量強度計算E理。嚴格來說，E只考慮廢

物的量而不是質(zhì)，它還不是真正評價環(huán)境影響的合理指標。因此SheldonRA將E乘以一個

對環(huán)境不友好因子Q得到一個參數(shù)，稱為環(huán)境系數(shù)，即：

環(huán)境系數(shù)二EXQ

規(guī)定低毒無機物的Q=l,而重金屬鹽、一些有機中間體和含氟化合物等的Q為100?1000,

具體視其毒性LD50值而定。

L質(zhì)量強度

為了較全面地評價有機合成及其反應過程的綠色性，有人提出了反應的質(zhì)量強度(MI)

概念。其可表示為：

質(zhì)量強度(MD二在反應或過程中所消耗的物質(zhì)的總質(zhì)量(kg)/產(chǎn)物的質(zhì)量(kg)

由質(zhì)量強度的定義，可以得出其與E的關(guān)系：

E=MI-1

1)質(zhì)量產(chǎn)率

質(zhì)量產(chǎn)率(massproduclivily,MP)為質(zhì)量強度倒數(shù)的百分數(shù)即：

產(chǎn)物的質(zhì)量

質(zhì)量產(chǎn)率(MP)X100%

在反應或過程中所有消耗的物質(zhì)的總質(zhì)量

2)反應質(zhì)量效率

反應質(zhì)量效率(reactionmasseffictiency,RME)是指反應物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的百分數(shù)，可

表示為：

產(chǎn)物的質(zhì)量

反應質(zhì)量效率(RME)=X100%

反應物的質(zhì)量

例如，對于反應A+B-C,有：

產(chǎn)物C質(zhì)量

反應質(zhì)量效率(RME)二----------------------------------X100%

A的質(zhì)量+B的質(zhì)量

3)碳原子效率

產(chǎn)物的物質(zhì)的量X產(chǎn)物分子中碳原子的數(shù)目

碳原子效率(CE)=-------------------------------------------------------------------XI00%

反應物的物質(zhì)的量X反應物分子中碳原子的數(shù)目

【例】10.81g(0.Imol)苯醇(Mr=108.1)和21.9g(：0.115mol)對甲苯磺酰氯(Mr=190.65)

在500g甲苯和15g三乙胺的混合溶劑中反應，得到23?68(0.090101)磺酸酯。怔=262.29),產(chǎn)

率為90機

262,29

原子經(jīng)濟性(AE)

X100%=87.8%

108.1+190.65

0.09X14

碳原子效率(CE)

X100%=83.7

0.1X7+0.115X7

23.6

反應質(zhì)量效率(RME)X1()0%=70.9%

10.81+21,9

1().81+21.9+500+15

質(zhì)量強度(MI)=23.2g/g=23.2kg/kg

23.6

1

質(zhì)量產(chǎn)率(MP)

X100%=4.3%

MI

該反應的AE<100%,是由于形成了副產(chǎn)物HCL；CE〈100%是由于反應物過量和目標產(chǎn)物

的產(chǎn)率為90%所致；RME=70.9%是由于反應物過量和產(chǎn)率的關(guān)系。

ConstableDJC和CurzonsAD等人對28種不同類型化學反應的化學計量、產(chǎn)率、原

子經(jīng)濟性、碳原子效率、反應質(zhì)量效率、質(zhì)量強度和質(zhì)量產(chǎn)率等評價指標進行了大量的實驗

研究，其結(jié)果見10-2.

表10-2不同化學反應類型的各利口量度的比較

B分子的碳原子反應質(zhì)

產(chǎn)率/原子經(jīng)濟性質(zhì)量強度質(zhì)量產(chǎn)率

反應類型化學計效率/量效率/

(%)/(%)/(kg/kg)/(%)

量/(%)(%)(%)

酸式鹽13583100838316.06.3

堿式鹽27390100898020.44.9

氫化1928984747418.65.4

磺化1428589856916.36.1

脫瘞1319077746819.95.0

酯化2479191686711.48.8

諾文葛耳反應179888975666.116.4

氧化1229077836513.17.6

溟化2148684876313.97.2

N-?；?578586676218.85.3

S-烷基化2317984786110.010.0

C-烷基化1518788686114.07.1

N-烷基化1208473766019.55.1

0-芳香化2237885695811.58.7

環(huán)氧化1427883745817.05.9

硼氫化物2118875705817.85.6

碘化223968996566.515.4

環(huán)化1577977705621.04.8

胺化4308287715411.28.9

礦化2317976765221.54.7

堿解8788881775226.33.8

C-?；?758681605115.16.6

酸解4789276765010.79.3

氯化3148674834610.59.5

消除2798172584533.83.0

格氏反應1807176554230.03.3

解析、拆分1393699323140.12.5

N-脫烷基化2609264432710.19.9

由表達式10-2可得出以下幾點結(jié)論:

(1)由于化學反應的類型不同，評價指標的對象不同，質(zhì)量強度、產(chǎn)率、原子經(jīng)濟性、反應

質(zhì)量效率等指標不呈現(xiàn)出相關(guān)性，因而不用單一指標來評價一個化工反應過程的綠色性。

(2)由于反應的特點不同，特別是N-脫烷基化、解析、拆分等反應過程的評價指標與其他反

應的相差較大。

(3)由于大多數(shù)反應過程是在非化學計量的條件下進行的，用原子經(jīng)濟性進行量度和評價缺

乏可比性。

(4)對于有機合成反應來說，碳原子效率作為一個參考性評價指標，與反應質(zhì)量效率顯示出

基本相同的趨勢。

(5)反應的產(chǎn)率是合成化學家評價化學反應過程經(jīng)濟性最常用的量度，但評價一個化學化工

過程的綠色性，必須結(jié)合其他評價指標進行綜合考慮。反應質(zhì)量效率很低的反應不沒有實際

意義，因為反應質(zhì)量效率低，資源和能源消耗大。

(6)反應質(zhì)量效率考慮了原子經(jīng)濟性、產(chǎn)率和反應物的化學計量等評價指標，用于判斷化

工反應過程的綠色性是有幫助的。

(7)質(zhì)量產(chǎn)率對企業(yè)來說是一個很有用的評價指標，它注重資源的利用率。表10-3列舉

了對38種藥物合成過程(每一個制藥過程平均有7步反應)原子經(jīng)濟性和質(zhì)量產(chǎn)率的比較。

盡管整個過程的原子經(jīng)濟性還可以，但質(zhì)量產(chǎn)率僅為L5%,這意味著在制藥過程中所用占質(zhì)

量98.5%的原輔材料都成為廢物。

表10-338種制藥過程的原子經(jīng)濟性和質(zhì)量產(chǎn)率的比較

全過程平均值/(%)范圍/(%)

原子經(jīng)濟性4.321?86

質(zhì)量產(chǎn)率1.50.1-7.7

(8)質(zhì)量強度對于評價化工過程綠色性是一個很有意義的指標，但是不可用單一無是處

數(shù)據(jù)就進行評判，它有一個概率分布范圍。

10.3.3綠色化學化工過程的評估實施

1.綠色化學化工過程的評估系統(tǒng)

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的要求，AnastasPT和WarnerJC等所倡導的綠色化學和工程技術(shù)的基

本原則，已成為化學化工過程綠色性評估的指導性意見和基本準則。由前面的討論可以清楚

地看出，對于綠色化學化工過程綠色性評估，不能是單一的評價指標(見表10-4),它不僅

涉及綠色化學工藝和綠色化學工程技術(shù)，還包括成本經(jīng)濟關(guān)系和環(huán)境安全等因素，它是一個

完整的評估系統(tǒng)。

表10-4部分“綠色化”指標量度

類別單位

質(zhì)量

總質(zhì)量（kg）/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）（質(zhì)量強度）Kg/k

溶劑總質(zhì)量（毛重）（kg）/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）g

單一產(chǎn)品的質(zhì)量（kg）義100%/所有反應物的總質(zhì)量（kg）（反應質(zhì)量效率）Kg/k

產(chǎn)品摩爾質(zhì)量（g/mol）X10096/所有反應物的摩爾質(zhì)量（原子經(jīng)濟性）g

產(chǎn)物中碳的質(zhì)量（kg）X100%/關(guān)鍵反應物中碳的總質(zhì)量（kg）（碳原子效率）%

能量

所有能量（MJ）/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）MJ/k

溶劑回收所有能量（MJ）/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）g

MJ/k

g

污染物/有毒物的排放

長期存在和生物積累的質(zhì)量（kg）/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）Kg/k

g

毒性

所有原料總量（kg）/（原料EC50/DDT控制EC50）

人類健康

所有原料總量（kg）/允許暴露極限（ACGIH）（ug/g）Kg(u

g/g)

POCP（臭氧光化學反應的可能性）Kg/k

總量（溶劑質(zhì)量（kg）XP0CP值義蒸氣壓（mmHg））/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）X蒸氣g

壓（甲苯）XPOCP（甲苯）（按甲苯

的計算）

溫室氣體排放Kg/kg（按

總量（能源使用排放的溫室氣體總質(zhì)量（kgC02當量））/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）C02計算）

溫室氣體（溶劑回收所需能量（kgC02當量））/產(chǎn)品質(zhì)量（kg）Kg/kg

安全性

熱危害顯著

試劑危害

壓力（高/低）顯著

生成有毒副產(chǎn)物

顯著

顯著

溶劑

不同的溶劑數(shù)數(shù)量

整體回收效率估算%

溶劑回收所需能量MJ/k

溶劑回收的凈質(zhì)量強度

Kg/k

g

注：EC50為半致死濃度；ACGIH美國政府衛(wèi)生行業(yè)委員會。

(1)質(zhì)量評價指標。

(2)能量評價指標。

(3)污染物評價指標。

(4)安全因素。

2.成本關(guān)系討論

在討論化學化工過程的評價指標時，只考慮按照質(zhì)量關(guān)系顯示的問題來討論評估標準肯

定是不全面的，必須考慮所用原材料的成本影響。ConstableDJC和CurzonAD等戲院通過

對4種藥物的合成研究，探討了原子經(jīng)濟性和生產(chǎn)成本間的關(guān)系，提出了七種成本最小化的

模式。

(1)成本最小化模式一：最小的過程化學計量法+標準產(chǎn)率、反應物化學計量和溶劑。

(2)成本最小化模式二：反應的原子經(jīng)濟性為100%、標準產(chǎn)率、溶劑回收利用和過程為化

學計量法。

(3)成本最小化模式三：產(chǎn)率為100%、溶劑回收利用和過程為化學計量。

(4)成本最小化模式四：溶劑100%回收利用、標準產(chǎn)率、過程為化學計量。

(5)成本最小化模式五：反應的原子經(jīng)濟性為10093、過程為化學計量和溶劑回收利用。

(6)成本最小化模式六：產(chǎn)率為100%、溶劑回收利用和過程為化學計量，即成本基于產(chǎn)率

為100%,各種溶劑均回收利用，其他成本均按工廠實際應用和得到數(shù)據(jù)計算。

(7)成木最小化模式七：產(chǎn)率為100%、溶劑回收利用、反應物和過程均為化學計量。

上述七種模式的總成本結(jié)果見表10-5表中總成本為藥物合成過程中實際應用各種材料的

成本。

____________________________表10-5四種合成藥物的成本模式比較

S5總成本/(%)

藥物1藥物2藥物3藥物4

成本最小化模式一86999297

成本最小化模式二87408469

成本最小化模式三71325657

成本最小化模式四63846455

成本最小化模式五36224021

成本最小化模式六34162011

成本最小化模式七2015128

由于10-5可知，產(chǎn)率和化學計量是最要的成本驅(qū)動力，在有機化學過程中其對成本的影

響要比原子經(jīng)濟性的影響大得多。

實驗表明，由于藥物合成步驟多，原輔材料用量大，原材料的成本占藥物合成材料總成

本的比例很大，如表10-6和表10-7所示。

表10-6藥物3合成材料成本的比較

應用結(jié)合在藥各種材料成本占未進入產(chǎn)物中的反應

反應物的摩爾當物中的比例/藥物總成本的比例/物成本占總成本的比例/

量(%)(%)(%)

中間體124312.812

還原劑4.6530.449

拆分試劑2.2016.026

中間體22274.56

中間體3100.61

中間體4100.71

材料1301.22

材料2100.1

材料3110010.4

材料4600.51

材料51.200.51

材料611000.0

材料71014.50.3

材料8200.3

溶劑21.7

其他材料0.1

表達10-7四種藥物合成中溶劑成本和未進入產(chǎn)物中的反應物成本的比較

溶劑成本占總成本的比例未進入產(chǎn)物中的反應物成本占總成本的比例

藥物

/(%)/(%)

藥物14532

藥物23621

藥物32261

藥物41410

3.技術(shù)因素

一個理想的綠色化學過程，應該是全生命同期都是環(huán)境友好的。為此，需要加強綠色化

學工藝和綠色反應工程技術(shù)的聯(lián)合開發(fā)。

只有加強綠色化學工藝和綠色反應工程技術(shù)的聯(lián)合開發(fā)，才能真正實現(xiàn)化學化工工程的

綠色化。

4.實例分析

基于上述的研究和討論，CcnstableJC和CurzonAD等人提出“綠色技術(shù)指南”（green

technologyguide）模式，作為一個專家評價系統(tǒng)，用于綠色化學化工過程的評估，特別是

對精細化工的研究開發(fā)，具有一定的指導意義。

例如：

RiOM

R2

這個反應系統(tǒng)在液相進行，是放熱反應，標準反應熱為-300kj/mol。主反應和副反應都進行

得很快，反應停留的時間小于10s。一些平行反應的和后續(xù)的反應也能發(fā)生，所有的化合物均

對溫度敏感。

1）質(zhì)量強度

反應過程所用的反應器分別為微型反應器、小型反應器、實驗室評價用間歇式反應器和

工業(yè)生產(chǎn)的間歇式反應器。這四類反應器的特征見表10-8。質(zhì)量強度的實驗結(jié)果見表10-9。

表10-8選用的四類反應器的特征

反應器類型17℃停留時間產(chǎn)率/(%)比表面積反應器的大小

微型反應器-10(10s95100002X16個通道二40umX200um

小型反應器-10〈10S9240003X105m3/s(30mL/s)的能力

燒瓶-100.5h88800.5L

帶攪拌的反應釜-105h7246000L

表10-9質(zhì)量強度結(jié)果比較

微型反燒瓶反應釜

質(zhì)量強度小型反應器理論值

應器(0.5L)(6000L)

質(zhì)量強度（不包括溶劑）2.102.172.272.782.00

反應物總物質(zhì)的量/產(chǎn)物物質(zhì)的量

附加的水強度00000

殘余物強度（不包括溶劑）0.100.170.270.780

殘余物質(zhì)的量/產(chǎn)物物質(zhì)的量

產(chǎn)率/(%)95928872100

2）能量消耗評估

由于該反應是放熱反應，反應過程中需要冷卻。制冷所需的電能是該反應系統(tǒng)所用能量

的主要部分。因此表1070可以看出用于冷卻的能耗對于四種反應系統(tǒng)基本是相同的，所不

同的是包括制冷所需要的電能，微型反應器所需要的電能相對較少。

表10-10四種反應系統(tǒng)能耗比較

能量量度微型反應器小型反應器燒瓶(0.5L)反應釜(6000L)

冷卻（帶冷卻水）0.420.420.420.42

電能（包括制冷）0.0800.0800.1670.107

3）污染物評估