Существующие процессы разделения и производственные установки спроектированы в соответствии с рамками, которые по ряду причин будут значительно изменены:
- Что касается сырьевых ресурсов, то в современных ИПЦ используются ископаемые ресурсы (нефть, природный газ и уголь) почти исключительно (Agrawal, 2001). Переход на возобновляемое сырье (например, крахмал, целлюлоза, липиды или белки, извлекаемые из растений или деревьев) в рамках концепции биорефрижератора интенсивно исследуется и приведет к глубоким изменениям в процессах и методологии проектирования. Кормовые смеси от биорефрижераторов действительно являются водными (а не органическими для классических нефтеперерабатывающих заводов) и сложными, а молекулы-мишени часто разбавлены и чувствительны к теплу. Таким образом, положение дистилляции, часто рассматриваемое как рабочая лошадка процессов разделения, полностью изменится (Huang et al., 2008). Помимо биорефрижераторов, в настоящее время исследуются и более продвинутые концепции, такие как электронные рефрижераторы, основанные на электричестве как векторе энергии и углероде CO2 как источнике углерода. Очевидно, что место и роль сепарационных процессов здесь будут сильно отличаться по сравнению с нефтеперерабатывающими заводами.
- Поскольку системы разделения требуют большого количества энергии, доступность энергии является еще одним ключевым вопросом (Null, 1980). В течение десятилетий в ИПЦ предпочтение отдавалось тепловой энергии (и связанным с ней процессам разделения, таким как дистилляция) (Koros, 2004). Энергоэффективность в настоящее время имеет решающее значение, и тенденция заключается в идеальном сочетании тепловой и электрической энергии (вырабатываемой, по возможности, с помощью возобновляемых технологий) для повышения общей эффективности. Выигрыш, который может быть получен с помощью энергоэффективных процессов разделения и/или производственных систем, является значительным (Sholl and Lively, 2016). Кроме того, вполне вероятно, что новые производственные установки будут использовать распределенные, декарбонизированные и оцифрованные энергетические системы. Старые централизованные, основанные на ископаемом топливе и тепловой энергии системы больше не используются в качестве эталона.
- Экологические вопросы должны учитываться при рассмотрении производственных процессов и составлять сегодня один из самых строгих критериев отбора. Инвентаризация отходов производства, водопользования и парниковых газов (С и водный след) оказывает сильное влияние на решения, которые принимаются в отношении проектирования или модернизации производственных систем (Anastas and Zimmerman, 2003). 3R (Сокращение, переработка и повторное использование), а также необходимость проведения анализа жизненного цикла каждого нового технологического проекта, порождают новый набор ограничений.
- И последнее, но не менее важное: в настоящее время происходит смена парадигмы в экономике. С появлением круговой экономики, бережливого производства, распределенного, нулевого времени, нулевого дефолта и производственных схем, основанных на потребителях, меняются правила и методологии, которые регулировали эвристику проектирования процессов (Clift, 2006). Опять же, это должно повлиять на тип, место и роль процессов разделения в будущих производственных системах.
Новый ландшафт, о котором подробно говорилось выше, должен быть решен благодаря строгой и эффективной стратегии. Связанные с этим проблемы обсуждаются в следующем параграфе.
Научные и технологические проблемы
Мультимасштабное моделирование
Строгая конструкция процесса разделения в идеале должна охватывать полное понимание процессов на молекулярном, единичном и системном уровнях. Возникающая в результате этого задача многомасштабного моделирования далека от решения сегодня, особенно когда речь идет о сложных жидкостях (полимеры, ионные системы и т.д.) и/или сложных системах разделения (пористые среды, реагирующие жидкости и т.д.) (1987 г.). В последнее время достигнуты значительные успехи в молекулярном масштабе, особенно благодаря развитию молекулярной динамики. Ситуации с фазовым равновесием можно предсказывать с достаточной точностью во многих случаях; однако при решении вопросов, связанных с процессами переноса или реакционными системами, остаются большие неизвестности и ошибки. С разработкой эффективных инструментов прогнозирования мы могли бы в будущем наблюдать появление компьютерных конструкций процессов разделения.
Энергоэффективность и интенсификация процессов
В то время как энергетическая потребность часто оценивается при выборе технологий сепарации, общая проблема стратегий энергоэффективности для процессов сепарации остается в стадии исследования (Castel and Favre, 2018). В этих новых энергетических условиях существует острая потребность в специальных методологиях, которые учитывают и стремятся к разработке оптимальных стратегий энергоэффективности. Сочетание тепловых и электрических сетей, соединенных с серией процессов разделения (и дополнительного оборудования), требует новых подходов. Вопрос об оптимальной движущей силе разделения (например, тепло или давление для процессов абсорбции, адсорбции или мембранных процессов) представляет особый интерес, но остается в основном неисследованным. В качестве альтернативы, повышение производительности и энергоэффективности соответствует основной цели в подходе к интенсификации процессов (Van Gerven and Stankiewicz, 2009).
Продолжение будет опубликовано позже.