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化學(xué)工程新進(jìn)展及其在石化工業(yè)中的應用
引導語(yǔ)：化學(xué)工程中化學(xué)工業(yè)規模逐漸增大，化學(xué)產(chǎn)品也越來(lái)越多的用于生活，因此化學(xué)工程能夠取得新進(jìn)展不僅能推動(dòng)工業(yè)發(fā)展，也能提高人們生活水平。以下是YJBYS的小編為大家找到的化學(xué)工程新進(jìn)展及其在石化工業(yè)中的應用。希望能幫助大家!
摘要：化學(xué)工程的發(fā)展極大程度上推動(dòng)了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展�；瘜W(xué)工程中化學(xué)工業(yè)規模逐漸增大，化學(xué)產(chǎn)品也越來(lái)越多的用于生活，因此化學(xué)工程能夠取得新進(jìn)展不僅能推動(dòng)工業(yè)發(fā)展，也能提高人們生活水平。雖然目前我國化工與國外先進(jìn)水平有一定差距，但是化學(xué)工程有了明顯的新的進(jìn)展，這些新的進(jìn)展有利于我國煉油和石化工業(yè)。
關(guān)鍵詞：化學(xué)工程、結合、分離體系、數據驅動(dòng)
一、前言
傳統的化學(xué)工程的分支學(xué)科，如分離工程、反應工程、傳遞過(guò)程、系統工程等，近年來(lái)都有很大的發(fā)展。它們與石化工業(yè)某些過(guò)程相結合，產(chǎn)生了一些新的過(guò)程和技術(shù)，提出了一些有希望的發(fā)展方向。另外，近年來(lái)在某些分支學(xué)科的結合點(diǎn)上，產(chǎn)生了一些化學(xué)工程的一些新的生長(cháng)點(diǎn)。它們對今后的煉油或石化工業(yè)可能有更大的影響。本文對以上的一些發(fā)展動(dòng)態(tài)作了簡(jiǎn)要的介紹。
二、化學(xué)工程近期幾個(gè)重要發(fā)展方向
1、反應過(guò)程與分離過(guò)程的結合這里指的是在一個(gè)設備中同時(shí)完成反應和分離兩個(gè)過(guò)程。目前最成功的是由甲醇與異丁烯混合物合成甲基叔丁基
醚，反應產(chǎn)物生成兩個(gè)共沸物，分離比較困難。當采用了一個(gè)置有催化劑的反應蒸餾塔，便可取代原有的兩個(gè)多管式固定床反應器、兩個(gè)蒸餾塔和一個(gè)甲醇水洗塔等5個(gè)設備。使甲醇的轉化率不受平衡轉化率的限制，在蒸餾過(guò)程中也避免出現共沸物，反應熱可供蒸餾使用，大大節省了投資和能耗。對酷化、醚化、烴化、水合等過(guò)程，只要反應條件和分離條件比較接近，都有可能采用反應蒸餾。近期有希望工業(yè)化的反應與分離結合的過(guò)程還有反應萃取、反應吸附、反應結晶等。尤以膜反應器最受關(guān)注。它是反應與膜分離結合的設備，最適用于各類(lèi)可逆反應和反應產(chǎn)物對反應有抑制作用的過(guò)程。
2、多個(gè)反應過(guò)程的結合：把從原料轉化為產(chǎn)品所需進(jìn)行的多個(gè)反應在一個(gè)反應器中完成。為此需采用多種催化劑或多作用催化劑。例如對ZSM一5分子篩催化劑進(jìn)行改性。使之具有裂化和加氫的性能，便可在一個(gè)反應器中實(shí)現加氫裂解反應。
3、放熱反應和吸熱反應相結合。例如丁烷脫氫制丁烯為一強加熱反應，要求反應溫度較高。若加入空氣進(jìn)行部分氧化脫氫，氧和氫結合是強放熱反應，使總的放熱反應可在較低溫度下進(jìn)行。
3、多個(gè)分離過(guò)程的結合。開(kāi)發(fā)此過(guò)程的目的是強化分離效果，增加回收率、節約能耗。近年來(lái)研究較多且實(shí)用前景較好的過(guò)程有：滲透蒸發(fā)，即膜分離與蒸發(fā)過(guò)程相結合;膜萃取，即膜分離與萃取過(guò)程相結合;支撐液膜萃取，也就是萃取與反萃取結合;萃取與結晶相結合;浸漬樹(shù)脂，即萃取與吸附相結合;旋風(fēng)分離與固體顆粒過(guò)濾相結合;過(guò)濾與沉降分離相結合;在高離心力場(chǎng)下進(jìn)行蒸餾或萃取;在電場(chǎng)作用下的膜滲析等。都開(kāi)始從研究走向實(shí)用階段。
三、強化化學(xué)作用對分離體系中體相的影響
1、篩選分離劑使對某被分離組分有特殊的化學(xué)結合能力，增大分離因子;另一是對原分離體系加入附加組分，改變原體系的化學(xué)位，從而增大分離因子。另一類(lèi)適用于萃取、吸收等使用分離劑的過(guò)程�？梢岳梅蛛x劑對被分離組分生成可逆的共價(jià)化合物或絡(luò )合物等進(jìn)行選擇性分離。后一類(lèi)還可適用于蒸餾。例
如前面已介紹過(guò)的加鹽蒸餾，加入鹽類(lèi)可以改變各組分的相對揮發(fā)度，使分離更易進(jìn)行。最近研究的在單相溶液中加鹽可分為兩相以進(jìn)行分離的“加鹽分
相”，也是一種新的節能分離方法。
2、強化化學(xué)作用對相界面傳質(zhì)速率的影響。采用相轉移催化劑(PTC)促進(jìn)水相和有機相間的反應已為人所熟知。其實(shí)質(zhì)是PTC可以促進(jìn)反應組分通過(guò)相界面的傳質(zhì)速率。若兩相間不發(fā)生反應，我們把這類(lèi)促進(jìn)通過(guò)兩相界面的傳質(zhì)速率和選擇性的物質(zhì)稱(chēng)為“相轉移促進(jìn)劑”(PTA)�？梢哉J為PTC也屬于PTA中的一類(lèi)。如用有機相萃取水相中的有機酸和酚，采用長(cháng)碳鏈的胺為PTA，可以加快萃入有
機相的速率。又如對氣體分離膜，若在表層涂上一層固定液作為PTA，可以增大某組分通過(guò)的選擇性和通量。又如把對被分離組分有特殊親和力的PTA結合在相界面上，便形成各類(lèi)的“親和”(Affinity)分離過(guò)程。如親和色譜、親和吸附、親和過(guò)濾、親和膜分離等。已經(jīng)形成強化分離過(guò)程的一個(gè)前沿研究方向。
3、優(yōu)化化工動(dòng)態(tài)過(guò)程。這是在計算機技術(shù)高度發(fā)展以及快速、高精度分析和監測儀器和方法產(chǎn)生的基礎上才可能發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。主要內容包括有以下5方面。
(1)分批操作的動(dòng)態(tài)模擬和過(guò)程的優(yōu)化。
(2)對開(kāi)工、停工和變換操作條件時(shí)實(shí)現最優(yōu)化控制。
(3)利用動(dòng)態(tài)響應過(guò)程以快速研究傳質(zhì)過(guò)程和測定相應的傳遞參數。也可以研究反應機理和測定吸附和反應動(dòng)力學(xué)方程與相關(guān)的參數。各種過(guò)渡應答技術(shù)、催化反應色譜等技術(shù)都已取得廣泛的應用，并取得了許多用傳統定態(tài)方法不易得到的研究結果。
(4)把脈沖進(jìn)料的高效分析技術(shù)如色譜、電泳進(jìn)行放大，發(fā)展成為高精度的制備技術(shù)。
(5)利用強制周期改變操作參數的方法強化反應和分離過(guò)程等。
四、計算機技術(shù)與石油化工相結合
計算機技術(shù)在化學(xué)工程發(fā)展中占重要地位。因此，計算機技術(shù)與石油化工結合將有助于精確連續化穩定發(fā)展。
1、運行優(yōu)化與產(chǎn)品設計
沈劍韻對燕山石化制苯車(chē)間抽提工段生產(chǎn)條件的優(yōu)化是利用降維模式識別為基礎的人工智能優(yōu)化原理，從而給生產(chǎn)帶來(lái)了穩定。石油化工企業(yè)的經(jīng)濟效益的提高都是因為實(shí)施這些技術(shù)。此外，還可以在歷史數據和多元統計方法的操作條件優(yōu)化基礎上，進(jìn)一步用于產(chǎn)品的優(yōu)化設計。還可以在煉化行業(yè)中進(jìn)行一些相關(guān)的應用，例如Sebzalli利用PCA對煉油產(chǎn)催化裂化過(guò)程操作空間進(jìn)行識別，而Chen利用模糊c-均值聚類(lèi)方法，提出用于開(kāi)發(fā)期望的產(chǎn)品操作策略。
2、過(guò)程監測與故障診斷
過(guò)程監測與故障診斷主要任務(wù)是對過(guò)程運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并對系統進(jìn)行分析異常，保證能及時(shí)發(fā)現運行過(guò)程故障，并在事故發(fā)生前采取有效的控制措施避免事故，以保證運行過(guò)程的安全與平穩。目前，基于數據的統計過(guò)程中控制在石化行業(yè)已得到普遍的關(guān)注，其方法也從以單一的變量統計過(guò)程控制向以主元分析為主的多變量統計技術(shù)轉變�；诙嘧兞拷y計技術(shù)應用于石化工業(yè)過(guò)程的監控始于20世紀80年代，其相關(guān)的多變量統計在石油化工方面的報道文獻也較多�；诙嘧兞康臄祿寗�(dòng)的過(guò)程監測與控制也常被稱(chēng)為多變量過(guò)程控制(MPC)或多變量統計過(guò)程控制(MSPC)。其采用的方法也主要是PCA，PLS，基于支持向量機以及它們與其他方法的混合算法。
在我國，例如梁軍等將多變量統計過(guò)程控制應用于生產(chǎn)狀況的監測和分析，同時(shí)完成了以動(dòng)態(tài)PLS及動(dòng)態(tài)PCA為基礎的工業(yè)精餾柱性質(zhì)和功能的檢測、提煉油所需裝置的檢測、聚合反應發(fā)生過(guò)程檢測、流化床反映設備的檢測等。李秀喜等人采用數據挖掘技術(shù)對廣東某石化工廠(chǎng)中重質(zhì)銅苯脫蠟以及重質(zhì)糠醛精兩種工藝的生產(chǎn)運行狀況進(jìn)行分析和檢測，同時(shí)在生產(chǎn)的平穩進(jìn)行上起到了很大的影響。趙仕建等人通過(guò)以主角度為基礎創(chuàng )建了某兩個(gè)和主元模型相似的度量方法，將以多主元模型為基礎的生產(chǎn)過(guò)程監測方法用于裂解爐的溫度調控。把對生產(chǎn)過(guò)程的故障診斷除外，在生產(chǎn)中對于數據驅動(dòng)的方法應用于傳感器的恢復以及診斷也有應用和研究。
3、產(chǎn)品質(zhì)量預測與控制
利用數據驅動(dòng)方法進(jìn)行預測離線(xiàn)或在線(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量，以克服沒(méi)有在線(xiàn)儀表的困難，也不會(huì )受在線(xiàn)儀表價(jià)格昂貴的限制、避免了維護費用高的缺點(diǎn)。也可以進(jìn)一步應用于控制回路用來(lái)完成產(chǎn)品質(zhì)量的調控。這種數據驅動(dòng)方法主要是通過(guò)對目標控制變量建立軟測量模型來(lái)實(shí)現的。PCA、PLS、SVM是實(shí)現數據驅動(dòng)的軟測量模型的主要方法，人工智能算法(模糊神經(jīng)系統、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等)及其混合算法。在許多資料中都有對軟測量模型方法及應用的綜合報道。在石化行業(yè)中，一些典型的應用如：用來(lái)生產(chǎn)乙烯的在線(xiàn)質(zhì)量監測，基于PLS的軟測量模型，檢驗在線(xiàn)氣相色譜儀的性能。Fortuna等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于多層感知器的復雜軟測量模型，模型采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，取得了較好的在線(xiàn)預測功能，用于預測精餾塔汽油濃度。Bakhtadze等建立了原油精煉過(guò)程的產(chǎn)品軟測量模型，該模型應用于缺少實(shí)驗數據情況下的軟測量建模，這種模型是將Takagi-Sugeno模糊模型和基于過(guò)程知識的相聯(lián)搜索算法相結合。
五、結語(yǔ)
在21世紀，化學(xué)工程將發(fā)揮非常大的作用，假如我們可以及時(shí)抓住機遇，那么我們就有可能在開(kāi)辟化學(xué)工程發(fā)展的新的階段中，形成中國化學(xué)工程的特色和優(yōu)勢，為人類(lèi)的可持續發(fā)展做出貢獻�；瘜W(xué)工程是一門(mén)傳統的學(xué)科，但必將煥發(fā)出新的生機!其應用領(lǐng)域將擴展到所有涉及物質(zhì)轉化的領(lǐng)域，包括系統工程也包括產(chǎn)品工程，其學(xué)科基礎將向高層次發(fā)展，理論和實(shí)驗研究都將關(guān)注復雜體系的多尺度結構，計算能力也將空前提升。
參考文獻：
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[2]趙玉潮張好翠沈佳妮陳光文袁權，《微化工技術(shù)在化學(xué)反應中的應用進(jìn)展》，《中國科技論文在線(xiàn)》，2008年3期
[3]徐斌宋育賢，《化學(xué)工程技術(shù)的研究進(jìn)展》，《國外油田工程》，2001年4期
[4]袁乃駒，《化學(xué)工程發(fā)展方向》，《現代化工》，1993年6期
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