化工领域（共8篇）
化工领域 篇1
纳米粒子作为光催化剂, 有着许多优点。首先, 是粒径小, 比表面积大, 光催化效率高。另外, 纳米粒子生成的电子空穴在到达表面之前, 大部分不会重新结合。因此, 电子空穴能够到达表面的数量多, 则化学反应活性高。其次, 纳米粒子分散在介质中往往具有透明性, 容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移, 以及半导体能级结构与表面态密度的影响。目前, 工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂, 用于废水处理已经取得了很好的效果。
用沉淀溶出法制备出的粒径约30~60 nm的白色球状钛酸锌粉体, 比表面积大, 化学活性高, 用它作吸附脱硫剂, 较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。
纳米静电屏蔽材料, 是纳米技术的另一重要应用。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成, 但性能并不是特别理想。为了改善静电屏蔽材料的性能, 日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、Ti O2、Zn O等做成涂料, 由于具有较高的导电特性, 因而能起到静电屏蔽作用。另外, 氧化物纳米微粒的颜色各种各样, 因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色, 这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性, 而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。
此外, 如将纳米Ti O2粉体按一定比例加入到化妆品中, 则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为, 其体系中只需含纳米二氧化钛0.5%~1%, 即可充分屏蔽紫外线。目前, 日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色, 而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物, 从而降低食品的营养价值。如用添加0.1%~0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品, 既可以防止紫外线对食品的破坏作用, 还可以使食品保持新鲜。将金属纳米粒子掺杂到化纤或纸张中, 可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体, 可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩, 用于电池电极、化学成分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。纳米微粒还可用作导电涂料, 用作印刷油墨, 制作固体润滑剂等。
用化学共沉淀法得到Zn CO3包覆Ti (OH) 4粒子, 在一定温度下预焙解后, 溶去绝大部分包覆的Zn O粉体, 利用体系中少量的Zn Ti O3 (Zn Ti O3与Ti O2 (R) 的晶体结构类似) 促进Ti O2从锐钛型向金红石型的转化, 制得粒径约20~60 nm的金红石型二氧化钛粉体。用紫外分光光度计进行光学性能测试, 结果发现此粉体对240~400 nm的紫外线有较强的吸收, 吸收率高达92%以上, 其吸收性能远远高于普通Ti O2粉体。另外, 由于纳米粉体的量子尺寸效应和体积效应, 导致纳米粒子的光谱特性出现“兰移”或“红移”现象。在制备超细铝酸盐余辉发光材料时, 用软化学法合成出的超细发光粉体的发射光谱的主峰位置, 较固相机械混合烧结法制备的发光粉体兰移了12 nm。余辉衰减曲线表明, 该法合成出的发光粉体, 其余辉衰减速度相对固相法合成出的发光粉体要快得多, 这些都是由于粉体粒子大幅度减小所致。
研究人员还发现, 可以利用纳米碳管其独特的孔状结构, 大的比表面 (每克纳米碳管的表面积高达几百平方米) 、较高的机械强度做成纳米反应器, 该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中, 反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列, 但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。科学家们利用纳米尺度的分子筛作反应器, 在烯烃的光敏氧化作用中, 将底物分子置于反应器的孔腔中, 敏化剂在溶液中, 这样就只生成单重态的氧化产物。用金属醇化合物和羧酸反应, 可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离, 可形成不同“纳米结构”作为纳米反应器。
化工领域 篇2
摘要:计算机分子模拟技术自九十年代初以来发展迅速,在新材料的设计开发领域已成为一种十分重要的方法和工具,从产品设计方法学来说,也是一种卓有成效的革命。本文介绍了该技术在石油化工领域的高分子材料、分子筛催化剂以及油品添加剂产品设计开发方面的应用现状及发展前景。
关键词:分子模拟,分子建模,高分子,分子筛催化剂,添加剂
一、前言
计算机分子模拟技术在材料科学领域的应用至九十年代初进入一个新的阶段,它不仅能提供定性的描述,而且能模拟出分子体系的一些结构与性能的定量结果。计算机模拟使得理论物理学家、实验化学家、实验物理学家可以直接在计算机屏幕上模拟逼真的分子运动图象。分子力场、模拟分子体系算法及计算机软硬件的发展为分子模拟方法的发展奠定了坚实的基础。
分子模拟技术集现代计算化学(ComputationalChemistry)之大成,包括量子力学法、MonteCarlo法,分子力学法及分子动态法等。分子模拟法是用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为,进而模拟分子体系的各种物理化学性质。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构,也可以模拟分子的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)。分子模拟法可以模拟现代物理实验方法还无法考察的物理现象与物理过程,从而发展新的理论;研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题;代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材料的设计,可以缩短新材料研制的周期,降低开发成本。
分子模拟法不但可以模拟分子体系中的物理问题和化学反应过程,也可以模拟分子体系的各种光谱(如晶体及非晶体的X光衍射图,低能电子衍射谱等等)。光谱的模拟可以使我们能够更合理地解释实验结果,进行产品(如新型分子筛)的结构解析。
进入九十年以来,分子模拟技术在分子筛催化剂、高分子材料及其它固体化学、无机材料研究开发领域的应用已非常广泛,许多大公司如MOBIL、Shell、Dow、EXXON等积极应用分子模拟技术来推动高分子材料、分子筛催化剂的研究开发工作。
二、分子模拟技术在分子筛催化剂研究开发领域的应用 1.研究沸石催化剂的吸附和扩散性质
鉴于沸石在分离方面的重要地位,以及吸附是研究沸石结构的一种工具,有关沸石吸附方面的文献是大量的,而沸石的扩散性质对确定沸石催化剂能达到的优异选择性是十分重要的,在以前由于缺乏进行预测的理论根据,每一个有研究价值的体系的扩散系数必需通过实验测定[1]。
分子模拟技术的发展及应用,为研究沸石催化剂的吸附和扩散性质、温度对扩散系数的影响、选择合适的沸石结构及进行精细调节提供了优良的工具。
对寻找可以用于形态选择性反应的可能的催化剂这方面的工作来说,一种高效的方法是建立沸石和被吸附分子的计算模型。采用分子图形法(moleculargraphics)可以很快在计算机屏幕上显示出各种反应物或产品的分子与候选的(candidate)沸石孔的形状与尺径的匹配程度[2],用量子力学[3-5]或分子动力学[6]研究沸石内的分子扩散可以提供对所显示的分子图像的证明。
线性双烷基萘是一种在生产液晶高分子以及其它特殊高分子材料过程中有重要作用的中间体,2,6-DIPN可通过萘和丙烷在酸性固体催化剂的作用下进行萘的丙基化获得,然而,无定形的酸性固体催化剂生产出等量混合的异构体2,6-和2,7-DIPN[9],二者的分子平均分布十分相似,要分离它们很困难,费用很高。2,6-和2,7-DIPN在分子形态上的不同足以使它们在某一指定沸石中的扩散速率产生足够大的差异。文献[7]在SGI工作站上用INSIGHTⅡ软件[10]对可能的沸石进行检索,研究发现,丝光沸石的孔径形态和2,6-异构体的匹配要比与2,7-异构体的匹配好得多,对2,7-异构体存在足够大的势垒,而2,6-异构体可以很顺利地通过。文献[7]还将计算和预测的结果与各种催化剂催化萘异丙基化的反应结果进行了对比,证实了计算结果的可靠性。
苯与聚丙烯的烷基化反应是一个重要的石油化工过程,其产物异丙基苯用于酚与酮类产品的合成中,传统的工业化过程使用AlCl3或“固体磷酸”催化剂,在安全性、腐蚀及废物处理等方面存在诸多问题,避免这些问题的一个有效途径就是使用分子筛催化剂。最近几年已经开发出了一些这样的催化剂如FAU,MOR及β沸石等等,.Millini[8]采用MSI软件的SolidsDocking模块计算了异丙基苯和该反应的副产物在上述分子筛中的能量最低的扩散路径,上述所有分子筛均显示出了对产品的形态选择性。
沸石的三维网状结构为气体的分离提供了一个理想的场所,对于某一具体的分离过程应该可以从大量的已经很成熟的可能结构的沸石中找到一种满足分离效率的要求,这种搜索的传统方法的实验工作量是很大的。文献[11]应用Cerius软件中的Sorption模块预测氧气和氮气及氮氧混合气在沸石中的吸附等温线,为搜索可能的沸石结构提供了一种快捷、耗资少的方法。该研究发现Li-X是一种理想的氮气优选吸附剂,可用于生产纯净的氧气。
非均相催化开始于有机分子在催化剂表面的吸附。在吸附过程中,催化剂和有机分子的形态(shape)会因为吸附剂与吸附质之间的非键合相互作用均会发生改变,这种改变在产生吸附中心及影响系统的反应动力学起着至关重要的作用。ZSM-5沸石在吸附二甲苯过程中,其空间结构将从单斜晶变化成斜方晶[12],文献[13]用Cerius的Sorption模块模拟了对位和间位二甲苯分别在T,M和O-ZSM-5沸石上的吸附过程。2.沸石结构的解析
分子模拟方法可以将建模技术和分析实验方法紧密结合起来,衍射数据、组成及几何特征数据、孔的坐标及体积数据、EXAFS和固体NMR数据可以从原子水平的模型直接模拟出来。上述模型的变化对模拟谱图的影响可由结构和分析数据之间的动态联系直接控制。扫描电子显微镜、电子衍射和高分辩率晶象测定的晶粒的形态学性质也可以用原子水平的模型直接模拟。通过分子模拟技术,可以在屏幕上观察到晶体结构的不断变化、模拟的衍射曲线和实验曲线的不断拟合。红外光谱和拉曼光谱等晶体振动光谱的模拟,可以表征晶体的构象及原子间相互作用的特征[14,15]。
沸石材料的骨架结构的几何特征及拓扑特征的识别对于理解它们在催化和分离过程中的行为是至关重要的。由于大部分新合成的沸石为粉状,其结构的解析用传统的单晶X射线技术难以实现,需要由粉末X射线衍射或粉末中子衍射技术来进行结构解。分子模拟技术可以用来对从X射线衍射数据得到的沸石结构模型进行精修以产生精确的模型,文献[16]报道了分子模拟技术应用于该领域的工作,并给出了利用分子模拟软件Cerius确定沸石骨架结构的几何特征过程的流程图。3.新型分子筛的设计
由于分子模拟技术在综上所述的各个方面对分子筛催化剂研究开发工作的卓有成效的帮助,它已经成为分子筛催化剂专家们手中重要的、甚至是必不可少的先进工具。分子模拟技术作为工具至少可以在以下几个方面对新型分子筛的设计提供有效的支持:(1)利用分子模拟软件中的分子筛数据库中提供的已知的分子筛结构及其有关参数考察现有分子筛是否符合所要解决的具体问题的要求,使搜索可能的分子筛结构的速度大大提高而费用大大减少。
(2)利用分子模拟技术可以从多个方面确定分子筛的框架结构并对其进行精修,可以得到晶胞参数,原子位置,原子占有率,温度因子等性质,如利用与已发表的结构或模拟实验数据进行结构精修;利用Rietveld方法,通过对比实验X-Ray衍射数据进行结构精修;利用距离优化法(DLS)进行结构精修。
(3)利用分子模拟技术可以对任意建造的分子筛结构预报其稳定性及相应的参数,分子筛设计专家可以在计算机屏幕上进行新型分子筛的设计。
(4)利用分子模拟技术可以进行分子筛光谱波谱的模拟及其结构的表征与解析。
(5)利用分子模拟技术可以很直观很方便地“观察”到分子筛的吸附散现象以及温度等因素对吸附的影响,可以考察分子筛催化剂的催化机理,有目标地设计新型高效的分子筛催化剂。
三、分子模拟技术在高分子材料研究开发领域中的应用 1.研究弹性材料的结构和性质
计算机模拟目前在弹性材料(elastomericmaterials)的结构表征和性质(性能)的解析及预测方面起着越来越重要的作用[18-20],其在该领域中的应用主要包括以下几个部分:(1)对表现出可逆转弹性性质(reversibleelastomericproperties)的材料的开发而进行的对凝胶过程(gelationprocess)的模拟,其目的在于充分表征溶胶相(solphase)的量和构成以及凝胶相(gelphase)的结构以预测它们的模量(moduli)[21,22]。
(2)对多环分子(macrocyclicmolecules)的立体构像的模拟,尤其是对其“孔径”的表征,可用以预测其在端连接过程中的捕获效率[23]。
(3)高聚物的结晶目前也是一个引人注目的研究方向。Windle等[24]发展了一些模型来模拟含两种可结晶组分的共聚物的链的序列。Madkour[25,26]用MonteCarlo法研究了二甲基硅氧烷和二苯基硅氧烷的共聚结晶。
(4)某些高分子材料因其具有很好的透气性能而被考虑应用在气体分离工作中,考察的高分子材料有无定形聚乙烯(PE)和聚二甲基硅氧烷(PDMS),参见文献[27,28]。
(5)研究共聚物的结构和性能的关系。Subramanian等[29]用分子模拟技术研究理想的支化的乙烯-丙烯共聚物(EPcopolymer)的结构,发现和线性共聚物相比,支化共聚物具有较小的回转半径,和溶剂的相互作用较小,粘度较低。EP共聚物经常被用于调整各种润滑剂(如内燃机油)的粘温性能[30],该项研究具有很强的实用价值。
2.高分子共混体系的预报
通过共混的物理方法得到具有工程上要求的特定物理性质的高分子材料而无须再去进行具有类似性质的共聚物的设计。目前,尚没有简单可循的方法来判断哪些高分子能够共混,从经验上可以提出很多共混的高分子组份的方案,要从实验上(包括化学合成,结构鉴定和物性检验等环节)寻找有效的方案,费用很大。用分子模拟的方法来判断哪些高分子能够共混,会极大地缩短所用的时间,整个过程可分为两个部分,其一是用分子模拟技术来评价各方案的可行性,其二是优化的几个方案的实施[31]。
3.催化剂选择性的设计
分子模拟技术可以建立催化剂中心与反应分子相互作用的模型,计算出各种取向的构型之间的能量差,能量低的其存在的几率大于能量高的,由此可以评价、筛选各种设计方案,得到对催化剂选择性机理的正确认识,得到优秀催化剂设计方案的可靠选择。(1)Ziegler-Natta催化剂和金属茂催化剂
文献[32]介绍了用于丙烯等规(isotatic)聚合的Ziegler-Natta催化剂的分子模拟设计,利用电子结构从头计算技术结合经验力场分子动力学技术,研究了环桥1,2-亚乙基双茚基锆Ziegler-Natta催化剂的定向性;基于外消旋1,2-亚乙基双茚基锆和外消旋1,2-亚乙基双四氢茚锆催化剂的等规立构实验观测结果可以和计算结果相吻合;提供了内消旋1,2-亚乙基双四氢茚锆催化剂的无规立构性质;报导了模拟修正后的外消旋1,2-亚乙基双四氢茚锆催化剂对等规立构度的影响(增加或减少)。
近来有关分子动力学在有机金属化学中的应用的报道包括不少对环戊二烯基类化合物的研究[33-36]。对于这类化合物,最近的研究包括用于连接金属的处于Cp环中心的模拟原子(pseudoatom)[35,36]。
EniChem的Longo等[43]利用MSI的DMOL模块研究了基于金属茂催化剂的烯烃聚合反应的机理,得出了许多重要的结论。(2)INSITE技术中的分子结构控制
单一活性中心催化技术的出现导致了一系列新的聚合物的产生,它对产品开发的新途径的进一步开拓,正在改变着塑料工业的现状。作为MSI分子模拟软件主要用户之一,Dow公司结合分子模拟技术,近年来开发了INSITE技术[37],并用该技术开发生产了AFFINITY聚烯烃塑性体系列(POPs)和ENGAGE聚烯烃弹性体系列(POEs)。
Dow的INSITE技术主要由两种方法结合而成,其一是并行开发技术[38](concurrentdevelopmentapproach),其二则是分子结构控制(moleculararchitecturecontrol)。Dow的分子结构控制技术可以使得设计者打破原有的设计规则,控制所用的分子的类型(如支化长链,支化短链,Mw分布等)。将这种分子设计和过程动态控制结合起来,可以使设计者直接制造出高分子而勿需采用工业应用中原有的失败-尝试法,可使材料科学家用模型方法探索新的结构-组成关系,开发新产品,缩短开发周期。4.分子光谱波谱的模拟
对非晶体衍射(如玻璃体)的衍射图已达到很精确的程度,可以用于确定分子链内的构像特征[39]。用粉末晶的衍射曲线来确定分子晶体的结构已成为现实。NMR谱作为X射线等其它分析方法的重要补充已被广泛应用于测定分子的溶液结构,这一工作的数据量很大,应用分子模拟技术,将其和多维光谱分析技术结合起来以形成一种集成系统,可以方便高效地进行数据处理和更准确地预报结构。
分子动态模拟法的发展为模拟真实的分子体系的振动光谱奠定了坚实的基础。分子动态模拟法可以按时间序列描述分子的每个原子的运动轨迹,从而模拟分子的各种层次上的运动行为,可以预报分子的振动频率、谱带的强度,还可以模拟谱带的形状。分子模拟法可以计算多分子体系、非晶态分子、溶液体系、表面或界面上分子的光谱[40]。
四、分子模拟技术在添加剂研究开发领域的应用
分子模拟技术在一定程度上可以应用于油品添加剂的设计开发工作中。油品添加剂种类和产品很多,随着工程技术的进步而提出的要求,油品添加剂的新产品还在不断涌现,利用分子模拟技术,可以辅助新产品的开发;可以;预测其物理与化学性质。其中,研究添加剂的结构对性能的影响可由分子模拟领域的三维QSAR分析技术来实现。
新领域精细化工引领产业未来 篇3
新领域精细化工作为精细化工的重要组成部分在国民经济发展和工业化水平提升过程中起着无可替代的作用, 其包括食品添加剂、饲料添加剂、胶黏剂、表面活性剂、造纸化学品、电子化学品、皮革化学品、油田化学品、水处理化学品、橡塑助剂及生物化工产品等。在我国, 与染料、农药、涂料等传统的精细化工产业相比, 新领域精细化工起步较晚, 经过30年的发展, 目前已形成了涵盖科研、生产和应用的较为完整的工业体系, 产品的数量和种类已能在相当程度上满足国内需求, 而且有的产品还在国际市场上占有相当的市场份额。
受全球金融危机影响, 自2008年下半年起产品价格大幅下滑, 国内外需求急剧萎缩, 一些精细化工企业生产陷入停顿。2009年在国家扩大内需和十大产业振兴规划的促进下, 新领域精细化工经过短期的调整, 重又步入了发展轨道。据统计, 2009年新领域精细化工各类产品生产总量接近2700万吨 (以实物量计) , 工业总产值约5500亿元, 2009年国内新领域精细化工生产统计见表1。
近年来, 随着国内新领域精细化工制造水平的提升, 一些产品在国际市场上的竞争力已十分明显。尽管2009年发达国家新领域精细化工发展遇阻, 但国内部分产品仍保持旺盛的出口势头 (见表2) 。
虽然我国新领域精细化工产业已具有相当规模, 但与发达国家相比, 仍存在许多不足。第一是新产品开发能力弱, 产品更新速度慢, 生产基本以仿制国外产品为主;第二是技术水平落后、产品档次低, 产品价格低于国外同类产品;第三是企业数量过多, 同质化竞争严重, 产品利润率较低;第四是多数企业规模小, 环保设施不完善, 面临提升整改压力。
潜力巨大引领未来
精细化学品的消费能力是衡量一个国家经济水平的重要指标, 2008年全球65%的专用化学品市场在美国、日本和西欧各国。我国虽然已成为全球第三大经济国, 但工业制造水平与欧美发达国家比仍存在较大的差距, 如产品档次低, 单位GDP能耗、水耗、污染物排放量高等。根据当前和未来经济发展战略, 我国将加速产业结构调整和升级, 在注重国民经济总量增加的同时, 更加重视质量和总体竞争力的提升。
另外, 我国虽然已成为全球化工工业制造大国, 但还不是强国, 基础化学品能力过剩, 而高档次的精细化学品又供应不足, 因此化学工业本身也需要由粗放型向精细化方向发展, 实现化学工业自身的结构调整, 以提高行业的总体盈利水平和竞争力。
因此, 为了促进我国经济结构的调整, 实现国民经济的优化升级, 同时促进化学工业的自身调整和增强产品竞争能力, 必须大力发展精细化工, 特别是市场潜力较大的专用精细化学品。预计2015年我国精细化工的产值将超过1万亿元, 跻身世界精细化工大国和强国之列。因此, 精细化工的市场前景广阔, 有较多的发展机会, 其中新领域精细化工将是投资的重点。根据对相关产业的分析, 2015年我国主要专用化学品需求预测见表3。
新领域精细化工发展战略分析
1. 饲料添加剂
经过30年的发展, 我国饲料添加剂的生产能力在相当大程度上可满足国内饲料生产需求, 其中磷酸氢钙、赖氨酸、氯化胆碱、饲用金霉素、维生素E等产品已出口国外。但蛋氨酸、防腐抗氧剂等产品仍有进口。
根据国内饲料添加剂的供求状况, 建议首先要发展蛋氨酸的生产。中国化工集团已决定在南京建设14万吨/年液体蛋氨酸项目, 预计一期工程2012年投产。根据我国饲料工业的发展和亚太地区的市场需求, 我国还应发展固体蛋氨酸, 更好地满足市场需求。
另外, 鉴于饲用抗生素影响, 国内应加强多糖和寡糖类产品的生产, 进而取代部分抗生素的使用。为了改善饲料的卫生状况, 应加强抗氧剂、防腐防霉剂的生产, 特别是近年来国外普遍使用的有机酸类产品, 如丁酸、柠檬酸、乳酸等。
2. 食品添加剂
据统计, 2008年糖果、糕点、饼干、酱油、饮料等食品的产量增幅仍在10%以上, 食品添加剂的市场仍具有发展潜力。
根据国内食品添加剂的生产和使用情况, 今后食品添加剂的发展重点是天然或半天然的产品, 特别是在色素方面应减少化学合成产品的使用。推荐关注的产品有:生物法番茄红素, 该产品既有着色功能, 又具有保健作用, 其生物活性与天然产品相近, 生产不受季节和地域等条件的限制;D-核糖, 该产品是生产维生素B2的原料, 还可用于治疗运动导致的肌肉疼痛, 国内已有企业采用生物法直接生产D-核糖结晶, 产品主要供应出口;糖醇类产品, 该系列产品主要是由农副产品加工的, 可用于替代蔗糖, 而且除具有甜味功能外, 还具有调节人体肠道机能的作用。
3. 胶黏剂
胶黏剂是一种特殊材料, 广泛应用于木材加工、建筑、汽车、轻工、服装、包装、印刷装订、电子、航空航天、机械制造及日常生活等领域。我国已成为全球第二大胶黏剂生产和消费国, 木材加工、建筑和包装及商标工业是三大主要消费领域, 其中木材加工约占55%, 建筑业约占18%, 包装及商标约占15%, 其余12%的产品用于汽车、电子、机械制造等工业部门。目前国内胶黏剂低档产品供应过剩, 高档产品仍有不足。鉴于胶黏剂使用造成的环境污染和人体伤害, 今后胶黏剂行业应加大环保型产品的发展力度, 推荐关注如下产品:环保型脲醛胶, 该产品的年使用量已接近500万吨, 但产品的市场化程度非常低, 质量难以达到要求, 如何生产低成本的环保型脲醛胶是需要破解的难题;水基型胶黏剂, 此类产品无溶剂污染, 产品种类有丙烯酸酯乳液、VAE乳液、PU乳液和环氧树脂乳液;热熔胶, 该胶不使用有机溶剂, 而且施工迅速、粘结效果好, 是近年来我国需求增长最快的胶种, 也是未来发展方向, 聚酯类、聚酰胺热熔胶新品种亟待开发;高性能环氧树脂胶, 如电子工业用环氧树脂胶黏剂、建筑业用环氧结构胶等, 其生产技术难度大, 目前国内产品质量差, 主要依靠进口。
4. 表面活性剂
表面活性剂是重要的工业助剂, 其发展和应用水平与工业水平紧密相关。我国已成为全球第二大表面活性剂生产与消费国, 但生产和消费水平与发达国家相比仍存在较大的差距, 主要体现在:产品品种少, 不足世界已有产品的40%, 不能满足市场需求;大宗产品能力过剩, 但功能性产品供应不足, 有的甚至为空白。根据相关应用领域的发展, 今后表面活性剂工业的发展重点如下: (1) 产品绿色化, 表面活性剂使用后多以废水或废液的形式排出, 易造成环境污染, 实现产品绿色化将是今后长期的工作重点; (2) 以天然产品为原料的表面活性剂, 这类产品包括脂肪酸类表面活性剂、葡萄糖类表面活性剂及正在开发的淀粉基表面活性剂, 目前国内进口的表面活性剂中这类产品占有相当比重; (3) 氟、硅表面活性剂, 这类产品的特点是性能独特, 如经过含氟表面活性剂处理的纺织品或服装具有不沾污的特性, 目前国内这方面与国外差距较大, 影响了纺织工业技术水平的提升。
5. 电子化学品
我国是全球最大的电子、电器产品制造国, 计算机、手机等电子信息产品和电视机、电冰箱等家用电器产量均位居世界第一位, 但是电子化学品的生产却远远落后于发达国家。根据目前国内电子工业的发展需求和未来的发展趋势, 电子化学品“十二五”期间要重点做好如下方面的工作: (1) 光刻胶, 加强科研攻关, 实现193nm光刻胶及电子束光刻胶的工业化生产; (2) 超净高纯试剂, 实现0.12~0.16μm技术用的BV2Ⅳ级超净高纯试剂的工业化生产, ULSI超净高纯试剂具备工业化能力; (3) 封装材料, 进一步提高环氧塑封料的产品档次, 实现聚酰亚胺模塑料的工业化生产; (4) 基板材料, 实现液态环氧树脂和特种环氧树脂的国产化, 开发双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂等新一代基板材料; (5) 平板显示用材料, 实现高档TFT用液晶材料的工业化生产, TFT-LCD用偏光片生产上有所突破, 实现PDP荧光粉浆料的工业化生产。
6. 造纸化学品
造纸化学品是纸浆及纸张生产必用的原料, 添加量约占纸张总量的2%左右。我国是全球第二大纸和纸板生产与消费国, 2008年纸和纸板产量为8390万吨, 2009年估计超过美国成为全球第一大生产国。但与美国不同的是, 我国木浆纸的比重偏低, 纸和纸板的产品质量较差, 为造纸化学品提供了发展的空间。根据我国林木资源的状况, 要扩大废纸和非木浆纤维原料在我国造纸工业中的应用, 因此废纸回收利用的造纸化学品, 如脱墨剂、纤维增强剂以及提高非木浆纤维纸性能需要的造纸化学品前景广阔。
7. 塑料助剂
塑料助剂是塑料制品工业中不可缺少的重要原料, 可显著改善塑料的加工性能, 还能降低成本、节约能耗、提高生产率或商品价值, 产品门类有增塑剂、阻燃剂、热稳定剂、抗氧剂、光稳定剂、抗冲改性剂、润滑剂等。
随着越来越多的塑料制品应用于建筑、汽车、日用品以及工业品等中, 我国已成为全球第一大塑料制品生产和消费国。但与发达国家相比, 我国塑料制品的应用领域还需要扩大, 质量也需要改进, 也为塑料助剂发展创造了良好的市场环境, 2009年国内塑料助剂消费需求增长率为5%~7%。
同时, 随着国内外对某些塑料制品安全性能要求的提高, 我国塑料助剂面临产品升级换代的任务。以消费量最大的塑料助剂增塑剂为例, 欧盟禁止在各类玩具和儿童保育品中使用邻苯二甲酸二-2-乙基己酯 (DEHP) 、邻苯二甲酸二丁酯 (DBP) 和邻苯二甲酸丁苄酯 (BBP) 、邻苯二甲酸二异壬酯 (DINP) 、邻苯二甲酸二异癸酯 (DIDP) 和邻苯二甲酸二正辛酯 (DNOP) , 而我国80%的增塑剂是邻苯二甲酸酯类。在欧盟各国的儿童玩具市场上, 来自中国的产品约占70%, 禁用塑料助剂的法令法规对我国塑料玩具和塑料助剂 (特别是增塑剂) 行业冲击很大。另外, 根据欧洲议会和理事会关于在电气电子设备中禁止使用某些有害物质的指令 (Ro HS指令) , 投放欧盟市场的大型、小型家用器具等机电产品不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯 (PBB) 和多溴联苯醚 (PBDE) 等6种有害物质, 这对我国塑料助剂中的热稳定剂和阻燃剂使用影响较大, 目前国内70%的热稳定剂含铅等重金属, 70%的阻燃剂含卤素。因此, 在继续扩大国内塑料助剂生产的同时, 更应重视产品的更新换代, 满足加工领域的需求。
8. 皮革化学品
在世界皮革加工重心转移过程中, 我国依赖丰富的毛皮原料资源和廉价的劳动力资源, 已发展成为全球最大的皮革加工国, 同时也是世界最大的消费国。我国皮革产品的50%以上用于出口, 皮革产品出口金额占全国出口总额的4%。但我国皮革制品附加值较低, 这与国内皮革化学品制造水平低、产品档次不高有很大关系, 许多高档次的皮革化学品仍需要进口, 如新型环保的有机合成鞣料年进口量达6万吨以上。根据皮革工业生产环保化和产品绿色化的要求, 重点需要发展高吸收铬鞣剂、无铬鞣剂、新型的涂饰剂、皮革染料以及加强酶制剂的应用等。
9. 水处理剂
我国是近年来全球水处理专用化学品市场发展最为活跃的国家, 已成为世界第二大专用化学品市场, 其中用量最大的是无机水处理化学品, 如聚硫酸铁、聚合氯化铝、次氯酸钠等, 2008年聚合氯化铝的用量已超过30万吨。
与发达国家相比, 我国不仅水资源严重不足, 而且更为不利的是水的循环使用率低, 原水及污水的处理水平都须大幅度提高, 这为水处理化学品提供了发展的空间, 特别是目前实施的节能减排的经济发展政策, 更需要水处理剂的辅助。另外, 为了避免二次污染, 绿色环保水处理剂是今后发展的重点, 如聚天冬氨酸、天然聚合物等产品。
1 0. 其他
我国是全球第一大橡胶助剂生产与消费国, 橡胶助剂的各类产品产能已超过60万吨/年, 轮胎是橡胶助剂的最大消费领域。受经济危机影响, 全球汽车工业步入低迷状态, 但我国汽车工业在国家产业振兴规划等相关政策的促进下一枝独秀, 2009年新车产销量达到1300余万辆, 位居世界第一。此外, 橡胶制品在铁路、机械制造等领域也有应用, 这方面的需求也随国家基础设施投入的增加而增长。因此, 总体上2009年国内橡胶助剂的需求仍保持了5%左右的增长。除此之外, 随着国内外产品安全环保法规要求的提高, 国内橡胶助剂面临产品升级换代的迫切要求, 产品绿色化将是今后国内橡胶助剂行业长期的发展目标。
此外, 油田化学品、纺织及印染助剂、催化剂等重要的专用化学品也正随着下游领域的不断发展而持续增长。
石油化工领域催化精馏技术的应用 篇4
1 催化精馏技术概述
该化学过程是在同一个塔中完成反应和分离的。它是现阶段化学工程领域中一项新技术, 利用对CD的合理应用, 可以生成一种平衡反应产物, 使反应热应用于精馏中, 进而降低能耗, 达到节约成本的目的。在阶段这种催化精馏技术已经早石油化工领域中得到了广泛的应用。
1.1 催化精馏原理
在塔内对固体催化剂进行合理排布, 并实现催化反应和产物蒸馏分离, 将精馏分离和化学反应结合在一起, 展开同时的操作, 这样就会形成催化精馏圈, 其中, 对固体催化剂的使用可以起到催化作用, 同时还能作为促进产物有效分离的填料, 合理利用催化精馏技术可以实现产诶分离和催化反应之间的完美结合。
1.2 催化精馏的优点
催化精馏的过程体现出了减少再沸器的热负荷、缩短反应时间、节省能量、控制温度等一系列优点。同时使用催化精馏技术以后, 反应器和分离塔得到合并, 进一步简化了生产流程, 投资成本也得到了节约, 并且利用该技术生产出来的产品非常纯净, 其杂质含量非常低。
1.3 催化剂性能要求
在催化精馏的过程中中, 普遍会应用离子交换树脂和分子筛催化剂, 从性能上来看, 催化剂具有表面积充足的特点, 在反应过程中可以保证温度范围内的活性, 同时在进料过程中不溶, 且在反应中可以为液相反应的进行提供一个良好的通道, 便于汽液相可以得到自由的流动。
1.4 催化精馏操作能力的影响因素
第一, 催化剂的影响。催化剂的影响具体体现在以下几方面: (1) 催化剂颗粒大小, 催化剂颗粒越小其反应转化率越高。 (2) 催化剂床层高度, 在催化精馏过程中, 随床层高度增加反应转化率会逐渐减小。 (3) 催化剂操作条件、装填方式, 催化剂有效因子在低温下对反应影响不大, 高温条件下爱对反应的进行不利。第二, 操作回流比的影响。随着回流比的增加, 催化精馏反应转化率会不断增高, 同时回流比降低, 转化率线性会随之增加, 待增加到一定值时, 回流比对转化率就基本影响不大了。第三, 反应混合物性质的影响。催化精馏在反应体系的临界点以内的操作是进行催化精馏的重要条件, 一定要保证在临界点范围内, 这样才能使催化精馏得到有效实现。第四, 其它影响因素。为了使反应转化率得到提高, 会采用限流器在反应段与提馏段之间使部分液体滞留在反应段, 这样一来在高温高压下, 就能让部分反应物先在预反应器中转化, 通过这种方式使反应转化率得到提高。
2 催化精馏工艺流程和设备分析
2.1 催化精馏相关设备
一般来说, 催化精馏塔结构分为精馏段、反应精馏段和提留段三段。但是按照加料位置、原料、产物挥发度不同等因素的影响而有所不同。所以, 在工艺流程上会呈现出一定差异, 乙酸乙酯的工艺合成为例分析, 因为原料、产物的相对挥发度不同, 可以将催化剂筐的位置摆放在反应部位的上方、中段或者下方。在利用乙酸和乙醇催化合成乙酸乙酯的反应过程中, 可以将催化剂筐放置于反应部位上方。催化精馏塔主要由反应精馏段、精馏段两部分组成, 其中反应精馏段塔径为1000rain, 其中装有七层新型立体催化精馏塔板, 设于塔板上设, 将1.3m的固体酸催化剂装于催化剂筐和下部塔釜中。精馏段塔径是600rain, 将轻质陶瓷波纹规整填料装入其中, 装填高度为11m。催化精馏塔中共设有测温点5个和测压点2个, 每层催化精馏塔板上都设置了气液相取样口, 这样一来, 乙醇就可以从反应精馏段的底部进料, 乙酸则从反应精馏段顶部进料。
2.2 催化精馏工艺过程
乙酸和乙醇进入到反应精馏段顶部与底部之后, 乙醇成为蒸汽后向上升, 在上升的郭晨谷中与乙酸 (从反应精馏段顶部进料) 逆流接触, 在阳离子交换树脂的催化作用, 就会出现精馏作用。形成最低共沸物后, 乙酸乙酯、乙醇、水会从酯化塔的塔顶蒸出, 馏分 (经塔顶冷凝器冷凝后) 会进入分相器分相, 分相器的上层与下层溶液分别为酯相和水相。其中, 酯相有部分回流, 还有部分作为粗酯采出, 随后进人到精制塔精制, 在精制塔塔釜获得乙酸乙酯产品 (合格) , 随后水相会进入回收塔, 最后对乙酸乙酯及乙醇进行回收。
2.3 乙酸乙酯合成中的应用
乙酸乙酯是一种非常重要的有机溶剂, 作为一种化工基本原料目前已经广泛用于油漆、纤维素、药物等生产领域中, 目前国内外的市场需求量非常大。我国生产乙酸乙酯主要利用酯化法和乙醛缩合法, 这两种方法的原理为将反应精馏应用于酯化反应中, 将浓硫酸作为催化剂, 但是浓硫酸具有较强的腐蚀性, 同时还存在副反应多、污染严重等一系列问题, 其缺点非常明显。然而现阶段利用催化反应精馏, 同时与萃取合成乙酸乙酯工艺相结合, 萃取后的粗酯经精馏后, 其质量分数可以达到99.5%以上。从实验的角度上来说, 乙酸乙酯合成实验反应生成的乙酸乙酯尚不足以完全将反应生成的水从塔顶带出, 这样一来就会有部分反应生成的水未被带出而滞留在塔釜, 这样一来含水质量分数就会过高。从经济利益角度老看, 能源成本也会大大提高。所以粗酯回流在催化精馏过程中可以起到对乙酸乙酯-水-乙醇共沸体系中所需的酯进行补充的作用, 最终极大的促进反应向正方向移动。
3 催化精馏技术在石油化工中的应用
目前, 催化精馏已经在醚化、醚分解、烷基化等化工生产领域中得到了广泛应用, 下面就让我们针对这项技术在石油化工领域中的具体应用展开分析。
3.1 醚化反应
在醚化过程中, 实际上催化剂为酸性阳离子交换树脂, 与碳四、甲醇相混合, 将其作为原料, 催化精馏技术的应用可以得到最终生成物甲基叔丁基醚。在化工生产过程中, 利用催化精馏裂解还能得到高纯度异丁烯, 在合成过程中不用对醚化塔的馏出物进行水洗, 为防止和碳四烯烃发生反应生成共沸物而表现出损失, 需要在醇类碳原子数等于或者大于3的情况下进行操作。采用催化精馏法还能合成高辛烷值汽油调以及组分乙基叔丁基醚, 二者的性能都非常优良, 通过对反应精馏法的利用可以对传统反应方式过程过重产品组成分布宽及收率低等诸多弊端进行解决, 合成产品二醇醚, 其优势更加明显。
3.2 烷基化反应
所谓烷基化反应实际上就是利用催化精馏技术, 将异丁烷和正丁烯烷发生反应, 制取汽油调合料的过程, 利用这一化学反应生产出各种化学产品, 同时利用同种类型反应制取制造药物、油漆等。目前这种催化精馏技术已经在在工业领域得到了广泛的应用。
3.3 异构化 (歧化) 反应
作为汽油、柴油、润滑油等物质中的优良组分, 异构烷烃是合理利用催化精馏技术, 促进异构烷烃的收率的提高来得到的。现阶段烷基异构化技术已经在工业生产领域得到发展的非常成熟, 目前已经得到了比较广泛的应用。此外, 利用催化精馏法还能达到丁烯加氢异化的效果。
3.4 加氢反应
合理利用催化精馏技术可以实现烯烃杂质选择加氢, 这样一来, 烯烃杂质失去原有的化学活性, 对精馏分离去除非常有利, 还能迅速减少连串反应发生的几率。此外, 合理使用合适催化剂还能利用异丁烷氧化脱氢制取异丁烯。
3.5 水解、水合反应
利用水解、水合反应可以利用异丁烯水生成并制取叔丁醇, 在催化精馏的作用下将乙酸甲酯水解为甲醇和乙酸, 同时利用催化精馏还能使甲醇生成二甲醚, 或者也可以利用其它醚类脱水生成二烷基醚。
4 催化精馏发展展望
4.1 现有催化精馏技术缺陷分析
目前石油化工领域中使用的催化精馏技术始终存在一些缺陷, 反应过程和物系精馏分离只能同一温度条件下进行, 也就是说只能在催化剂具有较高活性的温度中使用, 如果催化剂的活性温度在物质临界点以上, 就不具备精馏分离条件。我们可以从以下几方面对催化精馏技术展开分析:首先, 催化剂的用量会随着反应的发生而变化, 并不能为催化反应提供足够的停留之间, 气速如果过高其层床压力过大, 这时会对仪器造成损伤;其次, 因为高分子材料具有一定的溶胀特性, 在一些反应物系中催化剂填料会出现膨胀的现象, 这时热稳定性是非常差的, 对催化剂进行加工显得非常困难。第三, 目前怎样利用不同的实验条件对合适的七日抽提速度、接触时间等进行确定, 成为目前技术应用的难点。总之, 只有所有条件均合适的时候, 催化精馏技术的优势才能充分展现出来, 同时催化剂装填方式的选择以及催化剂类型是非常重要分, 在不久的将来, 催化剂与集精馏填料于一体的整体填料催化精馏内构件将会得到大力发展。对于催化精馏工艺来说, 催化剂的寿命也有非常重要的影响, 因此对具有更高选择性、更长寿命的催化剂的选择始终是催化精馏技术领域中的重点。
4.2 催化精馏发展前景展望
目前国外先进国家研发了很多催化精馏塔结构, , 其中R&L结构、IFP Chevron结构、库拉列结构等是比较成功的, 各国还在对填料隔栅式、框板式等催化精馏塔进行努力的研发。目前在这方面我国齐鲁石化研究院、南京大学等多家科研单位已经取得了很大进展。从理论研究角度上来看, 已经建立起了相对完善的催化精馏理论体系, 通用数学模型及算机应用程序、气液平衡关系及反应速率间的相互影响等是目前比较成型的理论;从催化精馏技术为基础的新工艺研发角度上来看, 目前我国已经实现了用先进工艺代替许多落后生产工艺的技术革新;从自主知识产权研发角度来看, 相关塔结构和催化剂构件已经相继研发出来, 并应用于化学工业领域中。
5 结语
综上所述, 通过对催化精馏技术在我国石油化工领域中应用的研究, 我们可以清楚的看到, 这项技术的应用已经为我国产业注入了新的动能, 石油化工企业的生产成本得到了一定程度的降低, 国家资源的利用效率得到了极大的提高。站在现代社会产业的发展高度上来看, 大部分石油化工企业都是以社会及相关技术为依托来维系日常运作的, 催化精馏技术的应用具有非常重要的现实意义。总之, 石油化工企业还需在产业技术升级上进行进一步的探索。
摘要：目前催化精馏技术在石油化工领域中已经得到了广泛的应用, 与普通催化精馏技术相比, 这种技术将持有投资少、产品收率高以及能耗低等一系列优点。本文主要对催化精馏技术在石油化工领域中应用的情况展开分析, 并针对我国催化精馏技术的研发和应用进行进一步的探讨。
关键词：石油化工,催化精馏技术,应用
参考文献
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[2]高彤.催化精馏新技术将撑开另一片蓝天——记福州大学化学化工学院王良恩教授[J].中国高校科技与产业化, 2010, (8) :69-71.
[3]赵素英, 周进银, 杨柏川, 王良恩.催化精馏与固定床联合工艺用于乙酸甲酯水解[J].化工进展, 2011, (4) :725-728+738.
自动化控制技术在化工领域的应用 篇5
1 相关理论
作为一种小型计算机, 可编程逻辑控制器以高速运行的速度实现了对过程系统当中的单一设备或多个设备工艺流程的控制。传统使用的硬接线继电器在进行工艺流程的变更或进行产品改选后需要进行手动重新布线, 应用PLC, 只对工艺流程进行重新编程就完成了全部操作, 传统继电器存在的能耗高与低效率的不足则被克服。DCS作为一种微处理器网络系统, 可实现对过程系统所有环节分别进行单一和精细的控制。过程系统结构复杂造价高昂, 应用的是专用硬件与专用软件, 使用专用控制语言。DCS具有处理最大和最复杂过程系统的功能, DCS的缺点是一旦安装后, 难以适应随时间而变化的工艺。所以, DCS的应用领域为具有连续性生产的行业, 如电力行业、石油和天然气生产行业、水处理与污水处理行业、纸浆生产行业以及造纸行业等。
人工智能理论与控制理论的有机融合形成了智能控制理论, 该理论是对人类的思维方式与行为方式的模拟, 以此为基础对生产过程实行智能控制, 应用智能控制理论只需被控对象提供相关定性知识, 而不需要被控对象提供精确的定量模型。到现在为止, 智能控制理论方面研究成果较丰富的领域是模糊控制理论、神经网络控制理论与专家控制方法等领域。
2 自动控制技术在化工领域的应用分析
现代科技快速发展的背景下, 化工生产领域引进了自动化控制系统, 操作者通过操纵自动化装置就可实现对生产的控制与管理, 自动化装置已经同生产工艺和生产设备有机融合为一体。而PLC控制系统是其中相对成熟的控制技术, 在许多工业生产领域得到广泛应用。PLC的主要优势是:结构与编程简单、具有较高的性价比、具有高可靠性, 能够适应各种恶劣生产环境。
目前, 在国内许多化工企业, 仍采用手工方式来控制化学反应炉的温度, 手工操作使操作工人精神高度紧张、而且作业环境较差、反应炉的温度具有波动性大的特点, 控制室的温度也较高。应用PLC控制系统, 则能够自动实现对整个工艺流程的控制, 并能将温度的精度控制在±0.5℃范围之内。
化学反应炉内通常发生聚合反应, 反应温度控制是由炉内搅拌器与炉外夹层间流动的冷却水共同完成的。按照聚合反应原理, 把反应物按规定比例加至反应炉内, 再向炉外夹层间通入蒸气使炉内升温, 在达到规定温度后停止加热, 此时, 系统的报警装置出现加催化剂的提示, 在催化剂的作用下, 炉中反应物发生聚合反应, 并放出大量的热, 在这一反应阶段, 关键是控制好温度, 使温度保持恒定。恒温阶段, 事先设定的时刻提醒装置提醒在某一时刻加入某种原料。聚合反应在发生化学反应的同时, 还伴随强烈的放热放热效应。依据生产工艺流程, 聚合反应过程有多个升温阶段、多个恒温阶段和多个冷却阶段。
我们将温度控制系统的传统算法进行了改进, 应用了PID控制算法。在积分部分应用的处理方法为“变速积分”与“抗积分饱和”等。试验表明, 控制系统符合预定效果, 温度误差不超过±0.5℃, 并具有良好的动态性能。在挤出多吹塑成型机上目前开始应用PLC控制系统。这种生产设备是用于制造容器与生产中空制品的一种吹塑成型设备, 它的特点是同类型设备中产出量最大的一种其生产的各类容器, 容器其容积范围从1m L至10000L, 既有装牛奶、饮料、洗涤用品和化妆品等不同型号的瓶, 也有装饮料、矿泉水和各种化学试剂的桶。目前, 挤出吹塑成型机正向自动化、智能化、高速化和高精度化演变。
挤出吹塑成型机在应用德维森科技 (深圳) 公司研发的V80系列PLC控制器后, 其高精度热电偶模块与模拟量输入输出扩展模块能够对型坯温度、挤出压力与型坯壁厚进行高精度控制, 生产出来的制成品全部符合质量标准, 并具有良好的精度重复性。CPU模块应用的是高速硬件解析技术, 模拟量扩展模块则装有CPU芯片与专用共享数据区, 这两种模块能够使熔料塑化、挤出和开合模速度得到迅速提升, 使成型生产周期得到缩减, 确保制品成型符合质量标准。
以介绍温度为例, 在挤出吹塑过程中, 需要加热和散热工作在平衡状态, 以使挤出熔料温度达到某一动态平衡。因此, 挤出过程的温度需要实时测量和控制。挤出机的温度经热电偶采集到热电偶模块中, 模块内本身内置CPU芯片, 具有5路热电偶输入和5路晶体管PWM输出, 可以在模块内完成PID控制算法, 控制精度为±1℃。
这种采用德维森科技 (深圳) 有限公司开发生产的V80系列PLC控制器在挤出吹塑成型系统中的应用, 有效地提高了型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯壁厚的控制精度, 进而提高了生产效率和产品质量。
3 自动控制技术在化工领域的前景分析
在科技快速发展的今天, 化工生产中应用的控制技术, 其装备的软件和硬件都获得了很大进步, 进而使化工生产中的控制技术也得到提高。电子信息技术与计算机技术的普及, 也促进了自动化仪表和装置技术的发展, 其更新换代频率也在提升, 而仪表智能化与现场总线技术则代表了自动化控制设备的发展方向。而采用非参数模型的预测与控制方法和不需要模型支持的自整定控制方法等技术的推广, 也为自动控制理论的开拓了新的发展途径。
参考文献
[1]刘仁志.未来的电镀模式和若干可能的技术改进方案[J].电镀与精饰, 2010 (10) .
化工领域 篇6
1 膜分离技术概述
膜分离技术运用了一定的化学知识原理, 不同粒径分子的混合物处于分子水平的条件下通过半透膜进行选择性分离的一种技术。半透膜又称之为滤膜与分离膜, 在膜壁上分布着大小形状不一的小孔, 按照孔径的大小分为不同种类, 通常膜分离采用的方式是错流过滤[1]。
上世纪初膜分离开始出现, 在六十年代后迅速崛起, 得到了快速发展。其技术具备分离、浓缩等多种功能, 环保节能, 在石油化工等多个领域中得到了广泛应用, 对于各领域发展起到了重要作用, 为分离科学技术的丰富发展做出了重要贡献, 在分离科学中占有重要位置。从其技术工艺原理上来说是颇为简单的, 料液在泵的加压下, 从滤膜的表面以一定流速流过, 在过滤过程当中不同性质物质分子呈现出不同状态, 小于膜截留分子量的物质或分子透过膜, 形成透析液, 而大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐, 所以膜系统都会有回流液与透析液两个出口, 待液体干燥之后经过一系列的处理, 最终实现膜分离。膜分离是一种纯物理过程, 基于节能等特点在石油化工等领域中得到了广泛应用, 在实际应用中选择合适的工艺, 能够提高生产效率, 降低生产成本。
2 膜分离技术在石油化工领域的应用
2.1 在水处理中的应用
在石油化工领域中工艺用水在每个环节中都有涉及, 用水又分为多个级别, 如果能够有效利用水资源, 对生产效率的提高有着重要作用, 在水处理问题方面出现了膜分离这种技术。
2.1.1 油田回注用水处理
油田开采中采出来的水含有多种成分, 石油生产加工中需要将一些成分隔离剔除, 在对这些成分隔离与剔除的过程中膜分离技术能够达到很好的分离效果, 同时还能够用作油田回注用水[2]。
2.1.2 海水和苦咸水的淡化
盛产石油的地区一般位于水资源匮乏区, 这些地区的水资源多以海水与苦咸水为主, 不适宜直接用于人类饮用与用于石油化工等领域的工业生产, 需要通过淡化处理才能达到可以饮用、用于工业生产的标准要求。20世纪70年代以来, 膜分离技术中的反渗透装置在淡水处理中发挥了越来越重要的作用, 在海水和苦咸水处理中反渗透技术成为其水资源处理的重要途径, 由于苦咸水的很多性质优于海水, 因此反渗透技术在对其水资源的处理方面有很广泛的应用。
2.2 在有机溶剂混合物分离中的应用
除了膜分离技术在工艺用水方面有着广泛的应用, 而且还可以用于有机溶剂混合物的分离。精馏法是膜分离技术没有大批量的使用之前的一种传统分离方法, 这种方法具有能耗高等缺点, 在分离中还需要加入溶剂, 不具有环保性。蒸汽渗透膜、渗透气化膜这两种现代膜分离技术对有机溶剂混合物分离中, 热力学平衡不会对分离结果造成影响, 通过渗透物、膜之间发生反应, 近、恒两种沸物被分离出来, 有机溶剂混合物也在其中被分离开来[3]。无机膜在近些年来得到了更加广泛的应用, 在膜市场中占有的份额越来越多, 以其化学稳定性好等优点同样在有机溶剂混合物分离中发挥了重要作用。
2.3 在气体分离中的应用
20世纪70年代以来, 膜分离技术得到了高度重视, 对其研究工作逐渐深入, 在长期的研究当中研发出了一种新技术:气体膜分离技术。经过多年来对其技术的改进, 显示出技术越加成熟的一面, 在石油化工领域中的气体分离越加广泛。
富氧空气在煤气发生炉中添加之后, 节约了大量煤炭资源的使用, 气化强度也得到提高。如果在石油化工产品中, 空气分离富氧技术能够催化氧化反应, 会增加化工产品种类, 将会使产品在数量上和质量上得到提高。基于科学技术的发展, 现代社会中对富氧空气的制备可以通过多种方法来实现。
3 结束语
通过上述可知, 本文从两个方面对膜分离技术在石油化工领域的应用进展进行了论述。膜分离技术已有一个世纪的发展历史, 我国于20世纪50年代开始深入对其研究, 也已有五、六十年的研究历史, 但是我国与国外相比还有很大的差距, 还需要国家的大力支持, 与科研机构、生产厂家的共同努力。其技术在石油化工领域中的广泛应用, 还应结合这些领域的发展现状, 根据发展需求, 更新完善技术, 研发出适合于领域发展的技术产品。
参考文献
[1]李晓茹.渗透汽化膜分离技术的进展及在石油化工中的应用[J].黑龙江科技信息, 2015, (30) :82.
[2]蒋学彬.膜分离技术在石油工业含油污水处理中的应用研究进展[J].油气田环境保护, 2015, (5) :77-80+94.
化工领域 篇7
筚路蓝缕问鼎生命科学
2001年1月19日, 北京人民大会堂国家科学技术奖励大会上, 由欧阳平凯担纲的“反应分离耦合技术及其在酶法合成手性化合物中的应用”科研项目荣获2000年度国家科技进步一等奖。该项目首次为生化加工过程的产业化提供了一个全新的思路和方法, 也是组合合成思想在液相反应领域应用成功的范例和重大突破;同时, 该项目首次实现了生化催化过程技术的重大进步, 也是有机酸和氨基酸工业的一次重大突破。它不仅解决了生物化学工程中一系列关键性的技术难题, 而且, 形成了具有自主知识产权的L—苹果酸、L—丙氨酸等一系列国产新工艺流程, 生产技术达到国际先进水平, 其科技成果向生产力转化, 形成的经济效益已突破亿元。
打开欧阳平凯的人生履历不难发现, 他从小就立志为家为国学习知识的高远志向;从不向命运低头, 矢志向前的无比韧性;勇担重任, 报效国家的赤子情怀。
“惟楚有才, 于斯为甚”的三湘四水, 自古人杰地灵, 位于湘潭的欧阳家族更系一代文豪欧阳修后裔, 素享尊儒崇学的盛誉。1945年8月16日, 日本宣布无条件投降的第二天, 欧阳家族一个小生命呱呱坠地, 于是父母为其取名“平凯”。受家学熏陶的欧阳平凯自幼聪慧过人, 4岁入学就读, 成绩一直名列前茅, 而且极富朝气与才情, 无论什么活动都积极踊跃、不甘人后。
然而, 8口之家其乐融融的生活在1957年遽然远逝。面对生活的风浪, 欧阳平凯这棵小小的幼苗, 挺立于风雨中, 尚在读初二的他和大弟弟选择了辍学帮助体弱的母亲维持一家的生计。苦难往往是对强者的锤炼。欧阳平凯一边打短工, 一边自学, 从懵懂无知, 走向了自强自立, 走向了坚忍不拔。
彩虹总在风雨后。辍学后的欧阳平凯终于重返校园, 初中、高中, 他在数学、物理和化学上展露了较高的天分。1963年, 他以湖南省高考优秀成绩跨入了清华大学, 就读化工系化学工程专业。在校期间, 他的成绩一直名列前茅, 成为班级第一个发展的团员, 并在担任班长、学习委员中, 初步展现了组织才能。
“天将降大任于斯人也, 必先苦其心志, 劳其筋骨……”1968年毕业之际, 欧阳平凯这位清华化工系的高材生, 被分配到河北石家庄一家企业当了一名工人。在基层10年摸爬滚打的经历, 使他对社会和人生的认识产生了质的飞跃。他于1978年第二次走进清华, 跻身研究生行列, 他的硕士毕业论文《换热网络的择优组合》获得了北京市科技进步一等奖, 他以全优的成绩成为那个年代清华化工系提前毕业的首位研究生。
1981年, 为了解决夫妻分居, 欧阳平凯告别母校, 来到了南京化工学院 (南京工业大学的前身) 工作。两年后, 在他顺利通过外语考试, 准备出国攻读化工博士学位时, 学院和时钧院士找到了他:“学校要成立生物化工专业, 这方面的人才极为缺乏, 准备送你出国进修生物技术。”从化学工程专业转为生物化工专业, 无异于是撤离即将占领的“阵地”, 转而去强攻另一个情况不明的“战略高地”。欧阳平凯犹豫了, 但他很快打消了顾虑:“我是在党的关心、教育、培养下成长起来的, 党和国家的需求就是我的追求, 学校的需要就是我的需要。知难而退不是我的个性, 敢于创新才能获得成功。教育科技工作者就是要去做别人做不到的事情, 我应该无条件地服从组织的安排。”
38岁转行, 欧阳平凯任重道远。他先后在加拿大滑铁卢大学和美国普渡大学进修生物技术。在国外, 他以锲而不舍的求索精神和一名公派学者的良知, 积极求知于生物化工这一前沿交叉学科, 全方位摸清了其发展脉络, 掌握了其最新的发展态势。他所做的课题《气升式生物反应器传热研究》给导师Moo Young教授留下了很好的印象。尽管导师很希望他留下来, 但是进修结束后他义无反顾地踏上了归途。
“人是要讲点精神的。”这是欧阳平凯常说的一句话。凭着这点精神, 1987年, 他归国后白手起家创建了全国第一个生物化工专业。那是一段令他和同事们毕生难忘的创业历程。当时国内尚无生物化工专业, 更无这方面的导师和人才, 没有任何经验可以借鉴。此外, 当时的南京化工学院资金严重匮乏, 实验室简陋陈旧, 师资不足。面对一穷二白的现实, 欧阳平凯作为学术领头人, 他充分依靠团队力量, 发挥大家的主观能动性, 克服重重困难, 一边带几十名学生亲自授课, 一边坚持每天在实验室工作12小时以上;没有教材, 他组织同事们一起编写;没有资金, 他东奔西走地找科研合作单位。终于, 一个像模像样的生物化工专业在南京化工学院建立起来了。
在创建生物化工与微生物制药专业的同时, 欧阳平凯还比较国内外生化发展的现状, 提出了以工程化、产业化为主攻方向的“工业生物技术”概念, 并成立了全国首家集产学研为一体的工业生物技术研究所, 以后这个研究所发展成为国家生化工程技术研究中心, 研制出治疗心血管病、肝病和糖尿病的1, 6—二磷酸果糖 (EDP) , 该产品不但国内领先, 成本与质量还可以与国外同类产品竞争。在创业过程中, 欧阳平凯以其突出的科研成果和多篇高水准论文, 晋升为当时最年轻的副教授、国家级“有突出贡献的中青年专家”、博士生导师, 当选为“全国模范教师”, 成为国家“973”项目首席科学家、“863”领域专家, 由其主持的《生物分离工程》荣获国家精品课程。
筚路蓝缕终换硕果满枝。他, 成了参天大树, 成了破解生命奥秘的人, 成了生命科学的问鼎者。而昔日寂寂无名的生物化工教研室, 如今已发展成为拥有国家重点实验室、国家生化工程技术研究中心、博士点和硕士点、博士后科研流动站, 人均科研经费50万元/年的学院, 建立了江苏省重中之重学科和一级国家重点学科。
锐意创新打造特色学府
“只要大胆创新, 锐意改革, 抓住机遇, 实现学校的超常规发展是完全有可能的。”1994年, 欧阳平凯走上原化工学院领导岗位后充满激情地说。他率先提出学校发展要抓两个“QIAN” (学科前沿和学校钱财) 和两个“CAI” (师资人才和办学财力) 。在上级基本没有投入, 学校经费较为紧张的情况下, 应“有所为有所不为”。
一分耕耘, 一分收获。欧阳平凯及其领导班子成员和广大的师生员工经过10年的苦心经营, 10年的奋力赶超, 终于将南京工业大学建成了江苏省省属高校的佼佼者:拥有3位院士、4位国家“973”项目首席科学家和两位“863”领域专家, 拥有国家级工程中心、国家重点实验室, 主持国家“973”计划项目和国家“863”计划项目最多, 获得国家奖励等级最高、数量最多, 人均科研经费到款最高的省属高校。
欧阳平凯在任校长之初, 在学校发展思路上, 就迸发出一个个智慧的火花, 首先是摒弃“等靠要”的旧观念, 突破学校发展中的“瓶颈”, 力排众议, 大胆决策, 创建了江浦新校区。10年间, 占地3400余亩的荒山秃岭, 被建成了树成行、花成丛, 处处有景致、月月有花香的生态型、园林式、数字化校园, 被誉为“江苏省最美的校园”之一。
创建了多个平台, 筑巢引凤集聚人才。以位于该校新模范马路丁家桥20万平方米的南京科技广场为载体, 整合科技资源, 全面对社会开放, 引导企业将技术中心设在学校。通过学校的资源管理去“蓄水”, 使一批企业在水中“养鱼”, 真正实现创新资源的“无缝对接”, 避免了高校研发成果“养在深闺, 难以转化”的弊端, 实现校企双赢。目前, 已有包括全球化工百强企业——赫克力士公司、江苏中丹集团等50家国内外企业在大楼内建立研发中心。
建设南工大——南京高新区“海内外领军人才‘三创’载体”。这批领军人才的加盟, 不仅将直接充实和提升南工大的科研教学力量, 也将有效提高高新区企业的核心竞争力。这些领军人才多为“海归派”, 分别来自哈佛、普林斯顿、普度等国际名校或美国、英国等发达的国度国家实验室, 在生物医药、新材料、先进制造等领域, 拥有独立知识产权的科研成果。
建设国家级大学科技园, 引导教师创新、创业。形成在实验室“育种”, 在产业园“育苗”的科技创新模式, 实现科学研究与科技产业的互动, 育种与育苗的有机结合。“一园三区, 人才领先, 跨江发展”的大学科技园格局获得了省级大学科技园授牌, 国家级大学科技园也成功通过认证。
此外, 南工大还加强与地方政府、大企业合作, 仅2008年就先后与无锡市人民政府、连云港市人民政府、淮安市人民政府、沙钢集团、远东集团等签署战略合作协议, 或进行教授与企业之间的对接研发、或进行企业订单式的人才培养、或进行重大课题的联合申报;依托南工大成立的全国首家科技创新协会, 整合优质社会资源, 促进政产学研合作。
开辟绿色通道, 鼓励教授创办学科型公司。南工大规定科技成果入股的70%股权归成果完成人所有, 结余经费入股的80%股权归教师所有。这一措施调动了科技人员转化成果的积极性, 因而在南工大的科技创新诸平台上, 由教授创办的学科型公司如雨后春笋, 实现了多方共赢。多家学科型公司, 在创造了巨大的经济效益和社会效益后, 为学校的教学工作硬件、软件条件的提升提供了无可比拟的帮助。学校所有公司都成为南工大学子实习、见习、从事知识到实践转化的基地;教师将科研的实践过程和科研成果充实到教学内容中去, 吸引了更多的学生参与科研实践, 培养了学生的创新思维, 提高了学生的动手实践能力。如此一来, 南工大的学子较早地接触到了科学前沿, 较早地接受到创新、创优、创业的环境熏陶。
一流科研团队和产学研转化的佳绩, 也促进了学科、实验室和精品课程等一系列的建设。南工大现拥有国家一级重点学科和省一级重点学科各1个, 国家重点学科培育点2个, 省重点学科8个;材料化学工程国家重点实验室、国家生化工程技术中心等国家级研究平台。
在抓教学、科研和社会服务的同时, 欧阳平凯及其领导班子成员深深认识到质量管理的重要性。在制度化管理与人性化管理相统一的前提下, 有效提高了教学规章制度的执行力, 形成了教学质量监控的闭环系统, 全面推进了教学质量的提升。该校的教学质量管理体系成为江苏省首家通过ISO9001体系认证的高校, 并荣获2007年“江苏质量奖”。
谈及南京工业大学在他出任校长后取得的不凡业绩, 欧阳平凯表情淡然, 而在谈起学校未来发展方向、科技成果产业化的设想和打算时, 欧阳平凯却微微有些激动:“在科学发展观的指导下, 以质量求生存、以服务求支持、以贡献求发展, 为建设有特色高水平大学而努力奋斗是我和所有南工大人目前最大的任务。”
凝心聚力绘就江苏科技蓝图
2008年12月30日, 在江苏省科协七届五次全委会上, 欧阳平凯当选为江苏省科协七届委员会主席。他在讲话中表示, 将和各位副主席、全体委员一起, 团结动员全省300多万科技工作者, 大力增强自主创新能力, 大力普及科学技术, 大力加强决策咨询, 大力发扬优良传统, 为江苏的科学发展出大力、立新功。
作为我国“化工与生物技术”交叉领域重要的学科代表人之一, 欧阳平凯对此次当选表示:“作为一名新主席, 又是一名‘老科协’, 深感责任重大, 使命光荣。”他说, 从2004年担任省科协副主席以来, 亲身感受到科技群团在经济社会发展大局中的作用越来越突出。特别是在即将过去的2008年, 全省科协工作迎难而上, 创新发展, 在举办青年科学家年会、创设系列科技高端报告会、推进全民科学素质行动、实施兴农富民工程以及参与抗击冰雪灾害、支援汶川震后重建等方面, 做得有声有色, 社会影响大。
欧阳平凯说, 江苏是经济大省、科技大省, 科技和人才一直是支撑江苏发展的优势所在。现在, 全省科技进步贡献率已接近50%。能不能将江苏的科技、人才优势进一步转化为竞争优势、发展优势, 科协组织责任重大。长期以来, 江苏科协有着良好的工作基础, 在全国一直处于第一方阵。任期内, 他将和省科协同仁一道, 和衷共济, 凝心聚力, 为圆满完成本届委员会绘就的工作蓝图而努力。
化工领域 篇8
1 虚拟仪器技术简介
虚拟仪器技术[1,2,3]是以软件为核心借助计算机强大的数据存储、加工处理功能和极高的精确度,能迅速准确地完成实际生产过程中数据的自动采集、实时显示、深层次分析与处理及多个测试结果同一面板显示等功能,实现自动化测试与控制,避免了诸多人为因素的影响,很大程度地提高了测试的精确度和控制的自动化程度。同时虚拟仪器的功能主要是通过软件编程来实现的,在硬件基本确定后,通过编写不同的软件程序就能实现不同的测试和控制功能,从而最大限度地降低了仪器的开发成本和维护升级费用。
一个完整的虚拟仪器[4]需要硬件和软件的相互结合,仪器中的硬件设备主要用来实现信号的输入和输出,而软件的作用是通过编程将采集到的数据进行加工分析、显示、存储及控制等。虚拟仪器完整体系的结构框图如图1所示。
2 LabVIEW软件简介
虚拟仪器技术蕴藏着巨大的发展潜力,已经成为各个领域发展道路上的先进方向,在“软件就是仪器”这一核心理念的驱动下,国外各大测控仪器公司相继开发和推出了为数不少的虚拟仪器软件开发平台,尤其是美国NI公司推出的基于G语言(图形化编程语言)模式的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的缩写,即实验室虚拟仪器集成环境)编程平台[5],此软件之所以是目前应用于虚拟仪器开发中功能最强大、发展速度最快的图形化软件开发平台,具有以下其他软件无法比拟的优点[6,7,8]:
(1)采用数据流编程方式,由彩色的图标、连线构成的程序框图中各节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序,用图标表示函数,用连线表示数据流向。相对于传统的文本式编程代码更加直观、层次清晰、赏心悦目。
(2)提供了大量外观与传统仪器(如示波器、万用表、按钮、开关等)类似的控件,并可以对控件进行自定义,满足用户的特定需求,方便、快捷地进行控件拖放来创建人机界面。
(3)内置了大量的函数库和程序模块库,具有专用性和可扩展性,提供了用于数据采集、分析、显示、存储等以及GPIB、DAQ、VXI、串行口等各种总线设备的应用程序模块,使不熟悉总线标准的工程师们也能顺利地进行仪器开发。
(4)用户可以把创建的VI程序当作子程序调用,以创建更为复杂的程序,而这种调用的层次是没有限制的。
(5)程序的运行是基于数据流驱动模式,不受计算机操作系统的影响。
(6)在程序进行测试时,不仅提供了如断点、单步运行、探针等传统手段,还提供有高亮执行工具,可以在程序运行中高亮显示数据的传递细节,以便于用户进行高效率的调试。
(7)提供了大量的与外部代码和软件进行连接的动态链接库,还提供了CIN(Code Interface Node)节点,可以方便地调用由C/C++及Matlab编译的程序模块,具有更大的开放性。
(8)支持常用的网络协议,具有数据共享、远程测控等功能。
3 虚拟仪器技术在石油化工领域的应用
在石油化工的生产过程中,传统的仪器设备是由厂家预先设定好的硬件组合,功能比较单一,具有很强的专用性,难以满足用户的特殊需求;生产过程中,需要对大量的敏感参数(如温度、压力、液位等)进行实时监控和报警,测试结果只能人工记录后才能对数据进行计算、分析和评估,一方面人工读取数据会造成人为误差,另一方面不能实时处理数据、绘制实时图;对一些需要多参数同时测试的过程,即使用多台仪器同时测定,却往往很难保证各台仪器间的兼容性,同时也增大了设备的投资成本,且多参数同时测试的结果不能集中到同一面板上进行显示,不方便用户对多个参数变化的综合比较和分析;对有些设备的操作,由于条件的苛刻(尤其是易燃易爆有毒的测试现场),不能进行人工直接操作,需要远程测控,传统仪器很难满足这一迫切需求;若传统仪器设备的部分器件出现故障,将可能导致整个测试系统的瘫痪甚至报废,造成资源的极大浪费。
天津大学的韩磊等基于LabVIEW开发了虚拟-1286电化学接口软件,通过测试黄铜在自来水中的耐腐蚀性和不锈钢钝化膜的稳定性,证明该接口软件兼备了灵活性、实用性与可靠性;东南大学的王晓[10]等基于LabVIEW开发了换热器试验装置测控系统,在保证系统安全可靠性的基础上,同时实现了数据测量、记录和分析等多种功能,具有较高的自动化程度与控制精度;新疆大学的付志新[11]等研发了一套全混流反应器的仿真系统,通过模拟计算验证了该仿真系统可应用于不同反应类型的稳态和动态模拟,既方便于用户进行反应器的设计,又可用作稳态、动态反应器的演示或培训,具有较强的实用性。Schlumberger(斯伦贝谢公司)在阿拉斯加石油钻井作业中使用NI FieldPoint和LabVIEW实现了冗余钻井控制,创建了一个带有控制和远程关机功能的监控报警系统,防止了泵机系统的损坏和环境污染,提高了安全性;胜利油田和华东输油管理局利用LabVIEW软件开发的原油管道实时性泄漏监测系统已成功应用于集输管网和长输管线,能及时精确地定位突发原油泄漏的泄漏点,有效地防止造成巨大的经济损失和环境污染;Shell(壳牌)利用LabVIEW软件实时模块与FieldPoint分布式I/O,研制开发的段塞流抑制系统(S3),成功地控制了因操作变化(如开关车、增加产量等)而引起的在长距离的流线-升管系统中形成的大规模段塞流[12]。
4 展 望
由于石油化工实际生产过程的复杂性和多样性,也由于虚拟仪器技术涉及多个学科和多个领域,如何将虚拟仪器技术更好地应用于石油化工领域中去,以及如何利用LabVIEW强大的图形化软件编程实现对现场仪器设备的更多功能的测试和控制,仍然需要更加深入的研究,例如:将LabVIEW软件强大的数据处理功能应用到化工仪器的测试中去,使数据的采集、加工处理更加精确化;通过LabVIEW实现多种控制算法,设计各种控制器,针对实际生产过程中的敏感参数进行自动化控制,提高石油化工生产过程的自动化控制程度和安全性;基于网络实现远程测控,为数据共享、高危现场的自动化测控提供有利条件等。所以本着以“软件逐渐代替硬件”这一理念,开发性能更高的石油化工虚拟仪器,对提高仪器开发的效率和减少开发维护的成本,具有更大的学术意义和实用价值。
摘要：简单介绍了虚拟仪器技术的概念及其完整体系的构成,详细介绍了LabVIEW作为开发虚拟仪器功能最强大的图形化软件平台所具有的优点,通过与传统仪器的比较,概括了目前LabVIEW软件在石油化工领域中的应用,并针对其应用提出了几点展望。