化學(xué)工程在石化工業(yè)中的應(yīng)用

王永杰

摘要：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)?；瘜W(xué)工程中化學(xué)工業(yè)規(guī)模逐漸增大，化學(xué)產(chǎn)品也越來越多的用于生活，因此化學(xué)工程能夠取得新進(jìn)展不僅能推動工業(yè)發(fā)展，也能提高人們生活水平。

關(guān)鍵詞：化學(xué)工程;結(jié)合;分離體系;數(shù)據(jù)驅(qū)動

前 ?言

傳統(tǒng)的化學(xué)工程的分支學(xué)科，如分離工程、反應(yīng)工程、傳遞過程、系統(tǒng)工程等，近年來都有很大的發(fā)展。它們與石化工業(yè)某些過程相結(jié)合，產(chǎn)生了一些新的過程和技術(shù)，提出了一些有希望的發(fā)展方向。另外，近年來在某些分支學(xué)科的結(jié)合點上，產(chǎn)生了一些化學(xué)工程的一些新的生長點。它們對今后的煉油或石化工業(yè)可能有更大的影響。

一、化學(xué)工程近期幾個重要發(fā)展方向

1.反應(yīng)過程與分離過程的結(jié)合

一個設(shè)備中同時完成反應(yīng)和分離兩個過程。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(yīng)產(chǎn)物生成兩個共沸物，分離比較困難。當(dāng)采用了一個置有催化劑的反應(yīng)蒸餾塔，便可取代原有的兩個多管式固定床反應(yīng)器、兩個蒸餾塔和一個甲醇水洗塔等5個設(shè)備。使甲醇的轉(zhuǎn)化率不受平衡轉(zhuǎn)化率的限制，在蒸餾過程中也避免出現(xiàn)共沸物，反應(yīng)熱可供蒸餾使用，大大節(jié)省了投資和能耗。對酷化、醚化、烴化、水合等過程，只要反應(yīng)條件和分離條件比較接近，都有可能采用反應(yīng)蒸餾。近期有希望工業(yè)化的反應(yīng)與分離結(jié)合的過程還有反應(yīng)萃取、反應(yīng)吸附、反應(yīng)結(jié)晶等。尤以膜反應(yīng)器最受關(guān)注。它是反應(yīng)與膜分離結(jié)合的設(shè)備，最適用于各類可逆反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物對反應(yīng)有抑制作用的過程。

2.多個反應(yīng)過程的結(jié)合

把從原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品所需進(jìn)行的多個反應(yīng)在一個反應(yīng)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，便可在一個反應(yīng)器中實現(xiàn)加氫裂解反應(yīng)。

3.放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)相結(jié)合

例如丁烷脫氫制丁烯為一強(qiáng)加熱反應(yīng)，要求反應(yīng)溫度較高。若加入空氣進(jìn)行部分氧化脫氫，氧和氫結(jié)合是強(qiáng)放熱反應(yīng)，使總的放熱反應(yīng)可在較低溫度下進(jìn)行。

4.多個分離過程的結(jié)合

開發(fā)此過程的目的是強(qiáng)化分離效果，增加回收率、節(jié)約能耗。近年來研究較多且實用前景較好的過程有：滲透蒸發(fā)，即膜分離與蒸發(fā)過程相結(jié)合;膜萃取，即膜分離與萃取過程相結(jié)合;支撐液膜萃取，也就是萃取與反萃取結(jié)合;萃取與結(jié)晶相結(jié)合;浸漬樹脂，即萃取與吸附相結(jié)合;旋風(fēng)分離與固體顆粒過濾相結(jié)合;過濾與沉降分離相結(jié)合;在高離心力場下進(jìn)行蒸餾或萃取;在電場作用下的膜滲析等。都開始從研究走向?qū)嵱秒A段。

二、強(qiáng)化化學(xué)作用對分離體系中體相的影響

1.篩選分離劑

某被分離組分有特殊的化學(xué)結(jié)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。另一類適用于萃取、吸收等使用分離劑的過程?？梢岳梅蛛x劑對被分離組分生成可逆的共價化合物或絡(luò)合物等進(jìn)行選擇性分離。后一類還可適用于蒸餾。例如前面已介紹過的加鹽蒸餾，加入鹽類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(jié)能分離方法。

2.強(qiáng)化化學(xué)作用對相界面?zhèn)髻|(zhì)速率的影響

采用相轉(zhuǎn)移催化劑（PTC）促進(jìn)水相和有機(jī)相間的反應(yīng)已為人所熟知。其實質(zhì)是PTC可以促進(jìn)反應(yīng)組分通過相界面的傳質(zhì)速率。若兩相間不發(fā)生反應(yīng)，我們把這類促進(jìn)通過兩相界面的傳質(zhì)速率和選擇性的物質(zhì)稱為“相轉(zhuǎn)移促進(jìn)劑”（PTA）?？梢哉J(rèn)為PTC也屬于PTA中的一類。如用有機(jī)相萃取水相中的有機(jī)酸和酚，采用長碳鏈的胺為PTA，可以加快萃入有機(jī)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(jié)合在相界面上，便形成各類的“親和”（Affinity）分離過程。如親和色譜、親和吸附、親和過濾、親和膜分離等。已經(jīng)形成強(qiáng)化分離過程的一個前沿研究方向。

3.優(yōu)化化工動態(tài)過程

這是在計算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展以及快速、高精度分析和監(jiān)測儀器和方法產(chǎn)生的基礎(chǔ)上才可能發(fā)展起來的技術(shù)。主要內(nèi)容包括有以下5方面。

3.1 分批操作的動態(tài)模擬和過程的優(yōu)化。

3.2 對開工、停工和變換操作條件時實現(xiàn)最優(yōu)化控制。

3.3 利用動態(tài)響應(yīng)過程以快速研究傳質(zhì)過程和測定相應(yīng)的傳遞參數(shù)。也可以研究反應(yīng)機(jī)理和測定吸附和反應(yīng)動力學(xué)方程與相關(guān)的參數(shù)。各種過渡應(yīng)答技術(shù)、催化反應(yīng)色譜等技術(shù)都已取得廣泛的應(yīng)用，并取得了許多用傳統(tǒng)定態(tài)方法不易得到的研究結(jié)果。

3.4 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)。

3.5 利用強(qiáng)制周期改變操作參數(shù)的方法強(qiáng)化反應(yīng)和分離過程等。

三、計算機(jī)技術(shù)與石油化工相結(jié)合

計算機(jī)技術(shù)在化學(xué)工程發(fā)展中占重要地位。因此，計算機(jī)技術(shù)與石油化工結(jié)合將有助于精確連續(xù)化穩(wěn)定發(fā)展。

1.運行優(yōu)化與產(chǎn)品設(shè)計

沈劍韻對燕山石化制苯車間抽提工段生產(chǎn)條件的優(yōu)化是利用降維模式識別為基礎(chǔ)的人工智能優(yōu)化原理，從而給生產(chǎn)帶來了穩(wěn)定。石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的提高都是因為實施這些技術(shù)。此外，還可以在歷史數(shù)據(jù)和多元統(tǒng)計方法的操作條件優(yōu)化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步用于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。還可以在煉化行業(yè)中進(jìn)行一些相關(guān)的應(yīng)用，例如Sebzalli利用PCA對煉油產(chǎn)催化裂化過程操作空間進(jìn)行識別，而Chen利用模糊c-均值聚類方法，提出用于開發(fā)期望的產(chǎn)品操作策略。

2.過程監(jiān)測與故障診斷

過程監(jiān)測與故障診斷主要任務(wù)是對過程運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并對系統(tǒng)進(jìn)行分析異常，保證能及時發(fā)現(xiàn)運行過程故障，并在事故發(fā)生前采取有效的控制措施避免事故，以保證運行過程的安全與平穩(wěn)。目前，基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計過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(tǒng)計過程控制向以主元分析為主的多變量統(tǒng)計技術(shù)轉(zhuǎn)變。基于多變量統(tǒng)計技術(shù)應(yīng)用于石化工業(yè)過程的監(jiān)控始于20世紀(jì)80年代，其相關(guān)的多變量統(tǒng)計在石油化工方面的報道文獻(xiàn)也較多。

在我國，例如梁軍等將多變量統(tǒng)計過程控制應(yīng)用于生產(chǎn)狀況的監(jiān)測和分析，同時完成了以動態(tài)PLS及動態(tài)PCA為基礎(chǔ)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(yīng)發(fā)生過程檢測、流化床反映設(shè)備的檢測等。

3.產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測與控制

利用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法進(jìn)行預(yù)測離線或在線的產(chǎn)品質(zhì)量，以克服沒有在線儀表的困難，也不會受在線儀表價格昂貴的限制、避免了維護(hù)費用高的缺點。也可以進(jìn)一步應(yīng)用于控制回路用來完成產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)控。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動方法主要是通過對目標(biāo)控制變量建立軟測量模型來實現(xiàn)的。PCA、PLS、SVM是實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟測量模型的主要方法，人工智能算法（模糊神經(jīng)系統(tǒng)、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(yīng)用的綜合報道。

四、結(jié)束語

在21世紀(jì)，化學(xué)工程將發(fā)揮非常大的作用，假如我們可以及時抓住機(jī)遇，那么我們就有可能在開辟化學(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，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)?；瘜W(xué)工程是一門傳統(tǒng)的學(xué)科，但必將煥發(fā)出新的生機(jī)！其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U(kuò)展到所有涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域，包括系統(tǒng)工程也包括產(chǎn)品工程，其學(xué)科基礎(chǔ)將向高層次發(fā)展，理論和實驗研究都將關(guān)注復(fù)雜體系的多尺度結(jié)構(gòu)，計算能力也將空前提升。

參考文獻(xiàn)：

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