过程分析化学.ppt
第十章 过程分析化学,一、什么是过程分析,1、工业分析化学,如何获得代表分析物质的样品怎样处理并制备用于分析的样品如何进行必要的分离步骤已有的测量方法的选择分析数据的处理与解析如何控制分析结果的准确度,2、过程分析是工业分析发展的新阶段过程分析的目标就是要使上述许多部分或全部功能都能实时地成为一个整体并用这些信息去优化整个过程过程分析涉及实时测量，包括采样，预处理解析及应用结果去控制化学过程,从过程分析化学是从化学过程得到定性或定量的信息来控制或优化化学过程的综合性学科,过程分析化学是由化学、化工、电子工程、工艺过程及自动控制等学科相互渗透交叉形成的一个新的研究领域,二、为什么要进行过程分析,生产厂商关注产品的质量、生产率的提高、最佳的能耗和原料消耗和最少的废物排放过程分析可在原料的利用、废物的产出，产品的质量和纯度方面优化化学过程，成为整个生产过程的关键,三、过程分析化学的产生,起源于化学工业过程的监测与控制自本世纪五十年代初期国际上有了化学商品和石油化学工业之后就有了过程分析化学(process analytical chmistry简称为PAC)，然而直到最近由于全球性的竞争日渐激烈，产品的品种不断增多和质量要求不断提高，以及对环境保护的严格控制才使PAC得以承认和发展）过程分析化学在国外已颇有研究成效,而在我国还刚刚起步,1 分析化学的发展以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，生命科学、环境科学、新材料科学发展的要求，使分析化学进入了一个崭新的发展阶段。现代分析化学的要求不再局限于测定物质的组成和含量，而是要进行形态分析、微区表面分析、微观结构分析及对化学和生物特性作出瞬时追踪、无损和在线监测等分析及过程控制。,四 过程分析化学的发展,2、工业分析的发展过程,1、实验室分析（离线分析）：到现场取样，然后送至化验室进行分析、数据处理后，报送实验结果,2、现场分析：将分析仪器搬到现场，加快了分析速度,3、在线分析：用自动取样和样品预处理装置，将分析仪器与生产过程直接联系起来，实现连续的、自动的在线分析,4、原位分析：将化学传感器插入流程内，以获得检测信号，实现连续的、自动监测与控制,5、无损分析：采用不与试样接触的探头进行的在线分析,后三个阶段均属于过程分析,五、过程分析与实验室分析的不同,实验室分析用的样品要在严格的条件下进行处理，且为了提高测量的选择性与灵敏度，在测量前可进行预处理。实验室仪器设备由于接触不到恶劣的环境或腐蚀性的样品，所以可被设计成能进行复杂的测量，这种仪器往往难以使用，并需由训练有素的分析化学家进行操作,过程分析仪器必须能够承受化工厂中温度和湿度等变化的环境，且无论在高温、高压下都必须能对可能是粘稠的、含微粒状物质或非水溶液进行取样和分析。同时其取样操作、样品预处理、测量、数据采集及处理必须能在无人看管的情况下连续工作几天或几周。为了进行过程控制，过程分析仪器的测量速度要快。为了增强耐用性与可靠性，过程分析仪器一般通用性差，只专用于特定的测量,结论：过程分析仪器是自动化的，并必须能够在恶劣的环境下用于长期操作,能够提供化学组成信息的仪器技术常常是在实验室首先被研究出来的。但是把它们作为一种过程分析工具用于实际中有一个很长的滞后时间，这是因为技术首先需要经得住环境的考验并适应它,六、过程分析化学的特征,以自动化分析和过程控制相结合，以实现生产过程最优化为特征。未来的过程分析化学将在与物理学、生命科学、材料科学、计算机科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉、相互渗透、相互促进中共同发展，多学科和技术的交叉和集成，以解决生产和科研中的实际问题是过程分析化学发展的基本特点。,七、过程分析化学的任务及研究范围,发展过程分析和控制方法及相关技术，以解决工业过程、生物工程、新型功能材料、生物化学工业的自动化和过程质量控制问题用于能源、生产时间和原材料等的有效利用和最优化在工业生产中应用过程分析化学之后，可使整个生产过程合理、生产成本降低、产品质量提高而稳定、环境污染减少,过程分析化学的主要研究内容：过程量测科学、过程分析化学计量学及开发相关的智能化在线分析仪器,主要研究领域：1自动取样与样品预处理,过程分析化学区别于传统的实验室分析的主要特征,好的采样系统须具备如下功能：1、能够采集到足够量的能代表分析主体的样品2、用最短的时间把代表性的样品运送到分析仪器3、用一种新的与分析器相匹配、且不破坏分析器的方法处理或调制样品4、必须安全、无泄露、不危害环境5、能把从分析器流出的试样输送到适当的废物箱中，或在不影响流程的前提下再返回到流程中去6、必须对所监视的过程无干扰，无危害,是过程分析仪器可靠运行、分析结果准确可靠的基础,自动取样与样品预处理研究现状,与具体的生产工艺联系密切，针对性和技术性强，复杂程度不同,一直未能取得重大突破，是长期研究的一个环节,自动取样与样品预处理系统分类,按处理对象分：气体、液体、熔融金属、固体散装物料,按使用情况分：通用型：由仪器厂家提供，只适用于清洁的常温、常压的气体和液体试样专用型：研究单位或用户针对实际生产过程自行设计制造的专用取样和预处理系统,气体自动取样与试样预处理系统,一般情况下，应具有稳压、过滤、干燥、恒流作用（常温常压下较清洁的气体）,实际过程还需能吸收干扰气体、除尘、除水、降温、去腐蚀性组分，负压情况下还需抽吸气体装置,固体散状物料的自动取样,需有正确取样方法和选好取样位置，定好取样次数和取样量使用取样机取样，分几级进行,1 简易的液体自动取样及预处理系统,连续式系统，取样动力为流动液体的压力，预处理装置为过滤器适用于比较清洁、黏度较小、常温常压下在生产工艺管道中流动的液体,液体自动取样与试样预处理系统,需考虑溶液性质与状态流动态还是相对静止状态；粘度大小、清洁程度、是否含有固体颗粒,2 较复杂的液体自动取样及预处理系统,对于从生产工艺的槽罐中取样，使用带抽吸装置的间歇系统,对含有悬浮物较多的情况，使用带有反吹清洗的连续液体过滤装置,对不仅有悬浮物，且黏度大的液体，使用蒸汽加热连续液体过滤装置,自动取样与样品预处理系统的技术指标,主要从以下指标衡量：,1、取样精度,A 对连续性系统，只做定性评价,取样是否真实是否有代表性是否有被测组分损失等,B 对间歇式系统做定量评价,取样误差=定量瓶的最大容积误差/定量瓶容积100%,2 响应时间,A 对连续性系统，用响应时间（试样从取样点经过管路进入检测器样品池，并使样品池中试样90%被更新所需时间）来评价,B 对间歇式系统，用取样滞后时间（试样从取样点采集开始到经过预处理后进入检测器的样品池所需时间）评价,4 人工（或自动）清扫间隔时间,清扫过滤器和管道的间隔时间，或更换干燥用或吸收干扰组分的化学试剂等的间隔时间,3 预处理功能,对气、液样，稳压、过滤、冷却、干燥、分离、定容、稀释等；对固体样，切割、粉碎、研磨、缩分、加工成型等,八 过程分析仪器,一、过程分析仪器的分类1 电化学式分析仪器，包括电导式、电量式和电位式分析仪器2 热化学分析仪器，包括热导式、热化式和热谱分析仪器3 磁学式分析仪器，包括磁性氧分析仪器、磁共振波谱仪4 光学式分析仪器，包括吸收式光学分析仪器、发射式光学分析仪器等5 流动注射分析仪器作为溶液化学自动化的工具在过程分析中也有很重要的作用,过程量测的基本设备，工业流程中对物质成分及性质进行完全自动分析预测量的仪器,二、过程分析仪器的组成,(1)自动取样与预处理系统 自动地、适时地从生产线上取得试样并对其进行物理、化学上的预处理，使之符合分析仪器的技术要求(2)检测器 根据某种物理或化学原理把待测成分信息转换成电信号 传感器是在分析仪器与分析样品之间实时传递选择性信息的界面，是一类能选弹性地将分析对象的化学信息，例如样品的物理与化学性质、样品的化学组成与浓度等，连续地转为分析仪器易测量的物理信号的装置化学传感器按检测功能分成四类，即湿度传感器、气体传感器、离子传感器和生物传感器；根据基本的传感模式分为热化学传感器、质量型化学传感器、电化学传感器和光化学传感器。另外还有生物传感器,（3)信号处理系统 对检测器给出的微弱电信号进行放大、对数转换、模数转换、数学运算、线性补偿等信息处理工作(4)结果输出 将测定结果以一定的方式输出，如显示、打印、指示、报警等(5)整机自动控制系统 控制各个部分自动而协调地工作，每次测量时自动调零、校准，当出现故障时，显示、报警或自动处理故障（智能控制器）,三、过程分析仪器的特点,必须是全自动的，不需要人工取样和对试样进行预处理仪器的精度要求可以稍低，但长时间的稳定性必须好，能够经受振动、噪声、潮湿、高温和腐蚀性气体等恶劣工作环境的影响具有自动校准和检错功能即仪器发生异常时能给出相应的信息或自动排除故障仪器结构简单，体积小且易于维护、检修价廉等,四、过程分析仪器的发展,20世纪40年代末和50年代初，pH值传感器和电位分析仪器是最早用于过程分析的仪器20世纪60年代末和70年代初，气相色谱和湿法化学分析技术在过程分析化学中得到广泛的研究和应用20世纪80年代以后，由于微电子技术的发展、微型计算机的普及以及化学计量学方法在过程分析化学中的应用，使过程分析仪器朝着以下几个方面迅速发展,(1)微型化,微型化仪器有超微光度计、微气相色谱仪和微型流动注射分析仪等(2)内线式和非破坏性 内线式和外感式过程分析仪器不存在自动取样与预处理问题，如用于选矿和水泥生产的x射线荧光仪和用于食品和石油化工领域的近红外分析仪等（3)高阶响应检测器或传感器阵列 大量数据含有丰富信息，校正结果准确性、可靠性、防止传感器失效或生产流程异常(4)探测器与仪器主机分离 将探测器置于现场，而将仪器主机置于离现场较远的实验室(5)智能化 随着计算科学技术的应用和过程分析化学计量学的发展，智能化过程分析仪器的开发不断发展，如智能化气相色谱仪,九 过程分析化学计量学,通过监测、模型化和控制来研究化学过程,过程监测与控制的软件系统,应用,1 分析仪器获得信号的解析和有用信息的提取，自动化仪器必不可少的软件组成,2 化学计量学是化学过程、环境及生命过程建模的有力工具，大量相应状态的模式用来识别和监测过程的状态,3 通过化学计量方法，可在过程的优化与控制领域，从分析过程与生产过程相结合出发，以其达到效益最大化,过程分析化学计量学的方法及发展,20世纪八、九十年代迅速成长起来的新学科,化学计量学和过程分析化学的相互结合,化学计量学方法在过程分析化学中的应用和发展,主成分分析、多变量统计过程控制、多元曲线分辨、多元回归、遗传回归、小波变换、人工神经元网络等,主要方法,
