過程分析化學(xué)課件

第十章

過程分析化學(xué)

一、什么是過程分析1、工業(yè)分析化學(xué)如何獲得代表分析物質(zhì)的樣品怎樣處理并制備用于分析的樣品如何進(jìn)行必要的分離步驟已有的測量方法的選擇分析數(shù)據(jù)的處理與解析如何控制分析結(jié)果的準(zhǔn)確度2、過程分析是工業(yè)分析發(fā)展的新階段過程分析的目標(biāo)就是要使上述許多部分或全部功能都能實時地成為一個整體并用這些信息去優(yōu)化整個過程過程分析涉及實時測量，包括采樣，預(yù)處理解析及應(yīng)用結(jié)果去控制化學(xué)過程從過程分析化學(xué)是從化學(xué)過程得到定性或定量的信息來控制或優(yōu)化化學(xué)過程的綜合性學(xué)科過程分析化學(xué)是由化學(xué)、化工、電子工程、工藝過程及自動控制等學(xué)科相互滲透交叉形成的一個新的研究領(lǐng)域三、過程分析化學(xué)的產(chǎn)生

起源于化學(xué)工業(yè)過程的監(jiān)測與控制自本世紀(jì)五十年代初期國際上有了化學(xué)商品和石油化學(xué)工業(yè)之后就有了過程分析化學(xué)(processanalyticalchmistry簡稱為PAC)，然而直到最近由于全球性的競爭日漸激烈，產(chǎn)品的品種不斷增多和質(zhì)量要求不斷提高，以及對環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格控制才使PAC得以承認(rèn)和發(fā)展）過程分析化學(xué)在國外已頗有研究成效,而在我國還剛剛起步

1分析化學(xué)的發(fā)展以計算機(jī)應(yīng)用為主要標(biāo)志的信息時代的來臨，生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、新材料科學(xué)發(fā)展的要求，使分析化學(xué)進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段?，F(xiàn)代分析化學(xué)的要求不再局限于測定物質(zhì)的組成和含量，而是要進(jìn)行形態(tài)分析、微區(qū)表面分析、微觀結(jié)構(gòu)分析及對化學(xué)和生物特性作出瞬時追蹤、無損和在線監(jiān)測等分析及過程控制。四過程分析化學(xué)的發(fā)展2、工業(yè)分析的發(fā)展過程1、實驗室分析（離線分析）：到現(xiàn)場取樣，然后送至化驗室進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)處理后，報送實驗結(jié)果2、現(xiàn)場分析：將分析儀器搬到現(xiàn)場，加快了分析速度3、在線分析：用自動取樣和樣品預(yù)處理裝置，將分析儀器與生產(chǎn)過程直接聯(lián)系起來，實現(xiàn)連續(xù)的、自動的在線分析4、原位分析：將化學(xué)傳感器插入流程內(nèi)，以獲得檢測信號，實現(xiàn)連續(xù)的、自動監(jiān)測與控制

5、無損分析：采用不與試樣接觸的探頭進(jìn)行的在線分析

后三個階段均屬于過程分析過程分析儀器必須能夠承受化工廠中溫度和濕度等變化的環(huán)境，且無論在高溫、高壓下都必須能對可能是粘稠的、含微粒狀物質(zhì)或非水溶液進(jìn)行取樣和分析。同時其取樣操作、樣品預(yù)處理、測量、數(shù)據(jù)采集及處理必須能在無人看管的情況下連續(xù)工作幾天或幾周。為了進(jìn)行過程控制，過程分析儀器的測量速度要快。為了增強(qiáng)耐用性與可靠性，過程分析儀器一般通用性差，只專用于特定的測量結(jié)論：過程分析儀器是自動化的，并必須能夠在惡劣的環(huán)境下用于長期操作能夠提供化學(xué)組成信息的儀器技術(shù)常常是在實驗室首先被研究出來的。但是把它們作為一種過程分析工具用于實際中有一個很長的滯后時間，這是因為技術(shù)首先需要經(jīng)得住環(huán)境的考驗并適應(yīng)它六、過程分析化學(xué)的特征以自動化分析和過程控制相結(jié)合，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)化為特征。未來的過程分析化學(xué)將在與物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、能源、環(huán)境、海洋、空間科學(xué)的相互交叉、相互滲透、相互促進(jìn)中共同發(fā)展，多學(xué)科和技術(shù)的交叉和集成，以解決生產(chǎn)和科研中的實際問題是過程分析化學(xué)發(fā)展的基本特點。主要研究領(lǐng)域：1．自動取樣與樣品預(yù)處理過程分析化學(xué)區(qū)別于傳統(tǒng)的實驗室分析的主要特征好的采樣系統(tǒng)須具備如下功能：1、能夠采集到足夠量的能代表分析主體的樣品2、用最短的時間把代表性的樣品運送到分析儀器3、用一種新的與分析器相匹配、且不破壞分析器的方法處理或調(diào)制樣品4、必須安全、無泄露、不危害環(huán)境5、能把從分析器流出的試樣輸送到適當(dāng)?shù)膹U物箱中，或在不影響流程的前提下再返回到流程中去6、必須對所監(jiān)視的過程無干擾，無危害是過程分析儀器可靠運行、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)自動取樣與樣品預(yù)處理研究現(xiàn)狀與具體的生產(chǎn)工藝聯(lián)系密切，針對性和技術(shù)性強(qiáng)，復(fù)雜程度不同一直未能取得重大突破，是長期研究的一個環(huán)節(jié)自動取樣與樣品預(yù)處理系統(tǒng)分類按處理對象分：氣體、液體、熔融金屬、固體散裝物料按使用情況分：通用型：由儀器廠家提供，只適用于清潔的常溫、常壓的氣體和液體試樣專用型：研究單位或用戶針對實際生產(chǎn)過程自行設(shè)計制造的專用取樣和預(yù)處理系統(tǒng)1

簡易的液體自動取樣及預(yù)處理系統(tǒng)連續(xù)式系統(tǒng)，取樣動力為流動液體的壓力，預(yù)處理裝置為過濾器適用于比較清潔、黏度較小、常溫常壓下在生產(chǎn)工藝管道中流動的液體液體自動取樣與試樣預(yù)處理系統(tǒng)需考慮溶液性質(zhì)與狀態(tài)流動態(tài)還是相對靜止?fàn)顟B(tài)；粘度大小、清潔程度、是否含有固體顆粒2較復(fù)雜的液體自動取樣及預(yù)處理系統(tǒng)對于從生產(chǎn)工藝的槽罐中取樣，使用帶抽吸裝置的間歇系統(tǒng)對含有懸浮物較多的情況，使用帶有反吹清洗的連續(xù)液體過濾裝置對不僅有懸浮物，且黏度大的液體，使用蒸汽加熱連續(xù)液體過濾裝置自動取樣與樣品預(yù)處理系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要從以下指標(biāo)衡量：1、取樣精度A對連續(xù)性系統(tǒng)，只做定性評價取樣是否真實是否有代表性是否有被測組分損失等B對間歇式系統(tǒng)做定量評價取樣誤差=定量瓶的最大容積誤差/定量瓶容積×100%4人工（或自動）清掃間隔時間清掃過濾器和管道的間隔時間，或更換干燥用或吸收干擾組分的化學(xué)試劑等的間隔時間3預(yù)處理功能對氣、液樣，穩(wěn)壓、過濾、冷卻、干燥、分離、定容、稀釋等；對固體樣，切割、粉碎、研磨、縮分、加工成型等八過程分析儀器一、過程分析儀器的分類1電化學(xué)式分析儀器，包括電導(dǎo)式、電量式和電位式分析儀器2熱化學(xué)分析儀器，包括熱導(dǎo)式、熱化式和熱譜分析儀器3磁學(xué)式分析儀器，包括磁性氧分析儀器、磁共振波譜儀4光學(xué)式分析儀器，包括吸收式光學(xué)分析儀器、發(fā)射式光學(xué)分析儀器等5流動注射分析儀器作為溶液化學(xué)自動化的工具在過程分析中也有很重要的作用過程量測的基本設(shè)備，工業(yè)流程中對物質(zhì)成分及性質(zhì)進(jìn)行完全自動分析預(yù)測量的儀器二、過程分析儀器的組成(1)自動取樣與預(yù)處理系統(tǒng)自動地、適時地從生產(chǎn)線上取得試樣并對其進(jìn)行物理、化學(xué)上的預(yù)處理，使之符合分析儀器的技術(shù)要求(2)檢測器根據(jù)某種物理或化學(xué)原理把待測成分信息轉(zhuǎn)換成電信號

傳感器是在分析儀器與分析樣品之間實時傳遞選擇性信息的界面，是一類能選彈性地將分析對象的化學(xué)信息，例如樣品的物理與化學(xué)性質(zhì)、樣品的化學(xué)組成與濃度等，連續(xù)地轉(zhuǎn)為分析儀器易測量的物理信號的裝置化學(xué)傳感器按檢測功能分成四類，即濕度傳感器、氣體傳感器、離子傳感器和生物傳感器；根據(jù)基本的傳感模式分為熱化學(xué)傳感器、質(zhì)量型化學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器和光化學(xué)傳感器。另外還有生物傳感器

三、過程分析儀器的特點①必須是全自動的，不需要人工取樣和對試樣進(jìn)行預(yù)處理②儀器的精度要求可以稍低，但長時間的穩(wěn)定性必須好，能夠經(jīng)受振動、噪聲、潮濕、高溫和腐蝕性氣體等惡劣工作環(huán)境的影響③具有自動校準(zhǔn)和檢錯功能．即儀器發(fā)生異常時能給出相應(yīng)的信息或自動排除故障④儀器結(jié)構(gòu)簡單，體積小且易于維護(hù)、檢修⑤價廉等四、過程分析儀器的發(fā)展20世紀(jì)40年代末和50年代初，pH值傳感器和電位分析儀器是最早用于過程分析的儀器20世紀(jì)60年代末和70年代初，氣相色譜和濕法化學(xué)分析技術(shù)在過程分析化學(xué)中得到廣泛的研究和應(yīng)用20世紀(jì)80年代以后，由于微電子技術(shù)的發(fā)展、微型計算機(jī)的普及以及化學(xué)計量學(xué)方法在過程分析化學(xué)中的應(yīng)用，使過程分析儀器朝著以下幾個方面迅速發(fā)展2化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)過程、環(huán)境及生命過程建模的有力工具，大量相應(yīng)狀態(tài)的模式用來識別和監(jiān)測過程的狀態(tài)3通過化學(xué)計量方法，