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化学品生产会排放温室气体并消耗水资源,因此在化工过程优化中除了考虑经济性之外,还要考虑各种可持续发展指标。复杂流程的多目标优化变量规模大,分析表征都不容易。氢气是一种重要的化工原料,生产主要来自化石能源。制氢过程会造成环境污染,产生很多生态问题。近几年人们开始关注制氢产业的可持续性,但这些研究比较片面,且没有提出如何具体有效地提高制氢产业的可持续性。本文以煤制氢技术和天然气制氢技术为研究对象,采用生命周期评价方式,核算对比其可持续发展指标碳足迹、水足迹和经济指标操作费用。然后以三个指标为优化目标,使用全局搜索法进行基于全流程的多目标操作优化,以期提供一种全流程多目标优化策略,提高制氢产业的可持续性。本文主要工作包括以下几个方面:(1)选择煤制氢技术中的固定床间歇煤气化制氢技术和天然气制氢技术中的天然气水蒸气重整制氢技术作为研究对象,分别建立其对应的全流程模拟。采用生命周期评价方法,分别计算煤制氢技术和天然气制氢技术的碳足迹、水足迹与操作费用三个可持续发展指标。分析从原料进入生产车间到产品氢气送出车间生命周期内的碳足迹排放热点,水足迹和操作费用消费热点。通过分析得到每生产10000 Nm~3的氢气,煤制氢车间的碳足迹、水足迹远远大于天然气制氢车间,但其操作费用小于天然气制氢车间。(2)以煤制氢车间为例给出一种基于物料衡算和能量衡算的线性模型复杂流程多目标优化求解方法。以天然气制氢为例给出一种基于反应平衡的非线性模型复杂流程多目标优化求解方法。以碳足迹、水足迹和操作费用为优化目标,对煤制氢、天然气制氢技术进行多目标优化。具体优化方法如下:对煤制氢车间操作变量进行局部变量灵敏度分析,对天然气制氢车间操作变量进行全局灵敏度分析,找出对优化目标有绝对影响的决策变量,减少全局搜索法的计算量;对选取的决策变量在其可行性范围内进行布点计算,计算出各个操作点的优化目标值;以双目标为横纵坐标作图,得到帕累托前沿图,找出多目标帕累托最优解集。煤制氢车间,选择优化后的方案进行操作每生产10000 Nm~3的氢气可以减少15.81%的碳足迹,41.51%的水足迹和11.71%的操作费用。天然气制氢车间选择优化后的方案进行操作,每生产10000 Nm~3的氢气可以减少3.45%的碳足迹,5.91%的水足迹和1.94%的操作费用。从优化结果来看,煤制氢车间具有较大的优化空间,而天然气制氢车间优化空间相对少一点。