化工熱力學在精細化學品中應用的研究進展

摘要本文研究了化工熱力學在精細化學中的應用，介紹了相平衡與熱力學的計算，將化工熱力學的計算用于精細化工是將化學工程引入其生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，也是提高其計算方面應用的重要途徑。本文重點綜述了應用的特點以及在相平衡和熱力學計算中的具體應用，以及對它們在未來的發(fā)展進行展望。在精細化工的實際操作中，一些嚴格的平衡計算在化工方面的開展較少，有待進一步的開發(fā)與研究。關(guān)鍵詞：熱力學計算相平衡精細化學品

目錄TOC\o"1-2"\h\u6427引言 引言精細化學品是具有直接用途的化學產(chǎn)品。精細化學品的應用十分的廣泛，在生活上，各類的化妝品、生物制藥、印刷復印材料以及肥皂洗滌劑等清潔產(chǎn)品等方面；在工業(yè)上，表面活性劑、污水凈化劑以及各種材料的催化劑等方面。我們可以看出，我們的生活與精細化學品處處相關(guān)。隨著精細化工的不斷發(fā)展，以及它們的制作工藝不斷完善，人們開始把化工計算、相平衡計算以及熱力學計算等方面進一步應用到精細化學品中。1.精細化學品的應用1.1.應用特點精細化工中的化工熱力學計算應用的特點如下：1）計算相對比較簡單，對于復雜的體系而言，設(shè)計還不是很完善，至今為止，對于化工熱力學在精細化學品的應用還在不斷地探討；2）熱量的計算也是精細化學研究的主要問題之一，相對于化工熱力學而言，相對較簡單；3)溫度變化的范圍不大，對所研究的體系影響不是很大；4)相平衡從原來的三態(tài)之間的平衡到現(xiàn)在的兩態(tài)間的變化，對物質(zhì)的化工熱力學的計算相對簡化了許多；5)產(chǎn)品種類多，設(shè)計到的計算相對也是比較復雜的；6)固體的性質(zhì)及熱力學計算尤為重要1.2.平衡的介紹相對于化工熱力學而言，相對較簡單，熱平衡、力平衡、相平衡以及化學平衡共同組成熱力學系統(tǒng)，要求所研究的精細化學品必須同時滿足上面這幾個平衡，才可以采用熱力學的計算研究。熱平衡要求組成系統(tǒng)的各個部分的溫度必須相等；相平衡，是組成系統(tǒng)的各個相能夠在很長的時間下共存，也就是要求所研究的各個相的組成在不同的時間下，不發(fā)生任何變化，達到穩(wěn)定的狀態(tài)；化學平衡是構(gòu)成系統(tǒng)的各種物質(zhì)可以發(fā)生化學反應，達到化學平衡以后，各物質(zhì)的組成不隨時間的變化而變化；力平衡是組成系統(tǒng)的各個部分的壓力P都相等，另外系統(tǒng)與環(huán)境之間不會發(fā)生相對位移。本研究以相平衡和熱平衡作為研究的重點。2.精細化工中的相平衡計算物質(zhì)的物理性質(zhì)主要包括熔沸點、物質(zhì)的硬度、密度、顏色、狀態(tài)，以及導電性延展性等方面，能夠通過觀察或者一起直接測量得到的，他是不需要通過化學的變化顯現(xiàn)出來的性質(zhì)。對于所研究的精細化學而言，所涉及的性質(zhì)熔沸點以及密度問題是研究的重點，一般研究的液體密度比較多。2.1.相平衡在精細化工的研究方面，以液-液平衡以及固-液平衡的研究為主。平衡是我們隊研究過程的評價標準。在許多工業(yè)上的應用也是十分廣泛的，例如萃取、平衡蒸餾等都會涉及到相平衡的問題。對于相平衡的判據(jù)經(jīng)常會用到相律，它是吉布斯在研究時，同伙不斷地推導而得到的結(jié)論，其表達式為f=c-φ+2，表達式中φ為系統(tǒng)達到平衡時的相數(shù)；c為獨立的組分數(shù)。我們通常運用相律來結(jié)合相圖來分析組成系統(tǒng)的各個物質(zhì)在達到平衡狀態(tài)時的熔沸點等問題，充分利用所研究的相圖，找到各物質(zhì)之間的關(guān)系。在精細化工的研究中，伴隨著許多分離操作的進行，其目的是為了進一步提純物質(zhì)，這個過程就需要相平衡來作為依據(jù)。在我國四川等地的地下水資源含有豐富的稀缺鹽資源，選擇一種綜合利用的高標準含量的制備工藝有利于稀缺鹽資源的開發(fā)和利用。近年來，通過大量研究發(fā)現(xiàn)，地下鹽資源的礦化的程度十分高，不利于開發(fā)，另外對于水資源的提純的方法不是很完善以及計算含量的方法較為復雜，有待進一步的提高。總體來說，目前我國開發(fā)水資源存在的困難十分多，技術(shù)操作低下，分離提純的供選擇利用的物質(zhì)十分少，不足以將它利用在工業(yè)上的大產(chǎn)量的研究和利用上，還可能造成資源的浪費和環(huán)境的污染等問題。所以，現(xiàn)在迫切的需要開發(fā)利用一個能夠科學的、合理的利用水資源的處理技術(shù)，來解決目前存在的問題。平衡的應用也是十分的廣泛，無論是在處理熱力學平衡問題，還是在精細化學品等方面的具體應用，都有著很重要的地位，特別是在水資源的問題處理上，通過相圖的分析，我們能夠進一步知道鹽水的分離效果，在廢水的純化問題上能夠促進進一步更加深入的研究。鹵水資源的合理開發(fā)往往依賴于相寬和多種溫度，而不是一系列的相分離過程。為了描述鹵水的鹽析規(guī)律和成礦規(guī)律，相圖可以用圖形的形式將鹵水的溶解度表示為幾何形狀。鹽湖鹵水是一種自然存在的復雜的多組分體系，是一種固液并存的鹽沉積。固液相平衡主要包括不同溫度下鹽組分濃度和相變化的信息，壓力對其影響較小。開展相關(guān)研究下的水鹽體系相平衡的研究多個溫度的變化函數(shù)和繪制相應的相圖使我們能夠直接觀察到不同階段的變化,預測結(jié)晶函數(shù)關(guān)系和改變規(guī)則的鹽生產(chǎn)過程中,為了確定工藝流程。2.2.相平衡計算的應用鹽湖是地球上自然存在的鹽類和水的混合物。鹽的沉積或溶解，鹽水和水的混合不斷發(fā)生。它們都是相變過程。相平衡作為化學的一個分支研究系統(tǒng)的相變化規(guī)律。因此，鹽水體系相圖在鹽湖化學中得到了廣泛的應用。介紹了相圖在鹽水系統(tǒng)中的應用。探討以水鹽相平衡為例，在精細化工在的研究進展。淡水資源的短缺，工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢水無法進一步進行純化等問題一直以來困擾人們的問題，科學研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)鹽水體系中既可以分離出水，還可以分離出礦物鹽等成分，所以大家通過鹽水體系的相平衡進一步解決水資源問題。對于水-鹽體系的研究主要分為穩(wěn)定態(tài)的相平衡以及介穩(wěn)態(tài)的相平衡兩種。近年來對于水-鹽體系的研究的相平衡數(shù)據(jù)的測定做了許多工作。Li等人通過研究了SrBr2與水組成體系分別于溴化鈉與溴化鉀構(gòu)成三元體系。在288.15K下的相平衡的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，對于SrBr2與水和溴化鈉和SrBr2與水和溴化鉀的結(jié)晶區(qū)可以觀察到溴化鈉的三元體系是相對較大的,而溴化鉀的三元體系的結(jié)晶面積相對較小，這些結(jié)論說明SrBr2的溶解度明顯高于NaBr，另外可以發(fā)現(xiàn)KBr的濃度隨SrBr2濃度的增加而降低，說明SrBr2對KBr有很強的鹽析作用。Cui等人本文系統(tǒng)地研究了氯化鋰和水組成的體系分別與氯化鉀與硫酸鈉構(gòu)成的三元體系在288.15K下的相平衡關(guān)系，通過實驗可以得到三元的相圖的體系只有一個點，兩個溶解的曲線以及兩個結(jié)晶區(qū)；通過對比我們進一步發(fā)現(xiàn)得到的晶區(qū)隨著溫度的降低而不斷地減少，這個結(jié)論說明溫度越低越有利于硫酸鉀鹽的析出，可以把這個結(jié)論進一步應用在水-鹽體系的水凈化中。研究了在等溫條件下，三元體系的固液平衡，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在323.3K下的溶解度、pH值、折射率以及溶液的密度。在三元相圖中，圖像中包含7個元素的不變點，5個單變曲線，5個結(jié)晶。研究圖像我們可以發(fā)現(xiàn)，選擇合適的脫硫液可以在實際的應用中起到指導的作用，以碳酸鋇作為反應的脫硫劑，其研究的結(jié)果促進了水處理凈化的發(fā)展。Wang研究在不同溫度下的測定了在三元體系下LiCl-NaCl-H2O下的其物質(zhì)間的關(guān)系，建立了相平衡之間的關(guān)系。氯化鋰的結(jié)晶面積減小，氯化鈉結(jié)晶的大幅度增加。該三元體系屬于I型水合物，沒有發(fā)現(xiàn)雙鹽或固溶體。在兩種溫度下，三元體系的溶液密度隨溶液中LiCl濃度的增加而有規(guī)律地變化。3.精細化工中的熱力學計算化工熱力學中的相變熱力學是用來表示固體、氣體、液體以及等離子狀態(tài)的物質(zhì)的凝聚態(tài)及相態(tài)轉(zhuǎn)變的變化。外部條件例如溫度、壓力、空氣中的濕度等條件都會影響物質(zhì)的狀態(tài)，另外物質(zhì)本身的一些變化也會影響它的熱力學性質(zhì)。在自然界中物質(zhì)的三態(tài)之間的變化是最普遍的存在，無論是在生活還是工業(yè)上的應用也是十分的廣泛，例如在石油產(chǎn)品的生產(chǎn)與應用上，物質(zhì)的表面涂層等方面。3.1.熱力學在過去的幾十年里，一些研究人員一直專注于確定碳氫化合物和衍生物的熱力學性質(zhì)，以及發(fā)展預測長鏈化合物的模型。不同的作者開發(fā)了各種預測熱化學和相變性質(zhì)的基團貢獻方法。奇克斯等人開發(fā)了簡單的算法來模擬有機和金屬有機化合物的物理性質(zhì)，方法是估算冷凝相性質(zhì)，如小分子的蒸發(fā)焓、熱容、熔化焓和熵、蒸汽壓和升華焓。研究同系列烷烴衍生物的固體-固體和固體-液體的相變來關(guān)注具有生物學意義的模型化合物的相變和熱力學性質(zhì)。自從第二次世界大戰(zhàn)以來，計算機化為科學提供了最大的技術(shù)推動力。人們普遍認識到，計算機現(xiàn)在已經(jīng)深深地嵌入到儀器儀表中，并以其自身的能力提供了極其強大的工具。它們用以前無法想象的方式，使數(shù)學在科學中得到了強大而普遍的應用；它們導致了各種大規(guī)模分子模擬能力的發(fā)展；他們徹底改變了實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)建模參數(shù)的收集、存儲和處理。所有這些成就都與當前的主題關(guān)系重大。相反，在水的應用中，就像在一般的熱力學中一樣，與某些計算形式無關(guān)的主要進展相對稀少。3.2.熱力學計算的應用絕大多數(shù)在水溶液中具有良好特征的反應，其熱力學首創(chuàng)的方法量化，即在高濃度背景或支持電解質(zhì)的存在下。使用這種背景電解質(zhì)的主要目的是研究化學平衡，包括金屬配體絡合反應，以確保相互作用物種的活度系數(shù)的恒定。換句話說，反應可以用所謂的條件平衡常數(shù)來描述，也就是物質(zhì)濃度的商數(shù)，而不是活性的商數(shù)，這就不需要一個好的活動系數(shù)模型。但是，這些條件下的常數(shù)嚴格地不適用于其他電解質(zhì)成分，這是一種不匹配的情況，在弱的化學平衡中變得尖銳，這構(gòu)成了溶液化學中許多未解決問題的背景。其中，弱相互作用問題從一開始就困擾著水溶液平衡的計算機模擬，當時西勒引入了他的海水熱力學模型。隨后，人們發(fā)現(xiàn)海水計算很快使活度系數(shù)的變化問題成為人們關(guān)注的焦點，這表明迫切需要一個更好的函數(shù)。問題是，大多數(shù)具有良好特征的平衡是基于使用簡單的背景電解質(zhì)如氯化鈉溶液的測量，而海水是一種更復雜的混合物，其組分濃度分布不均勻。在海水模型中，這意味著不僅需要考慮其他強電解質(zhì)，而且必須在電解質(zhì)混合物本身中測量或預測弱離子締合的某些條件平衡常數(shù)。任何這樣的預測都必須由只有在無限稀釋和/或在其他電解質(zhì)介質(zhì)中的平衡常數(shù)作出。由于多維空間是如此之大，需要大量的獨立測試來充分地解決這個問題，更不用說全面地解決了。這種經(jīng)驗模型的可持續(xù)性也值得懷疑。這些考慮說明了一個經(jīng)典的難題，這個難題困擾了一般熱力學建模幾十年。熱力學建模是理解相關(guān)溶液化學在環(huán)境、工業(yè)和生物醫(yī)學重要性的眾多和廣泛應用的常規(guī)要求。此類調(diào)查包含碳吸收量的海洋,海洋酸化及其效果,污水處理、海水淡化,濕法冶金等工業(yè)工藝優(yōu)化。Jose等人研究了提供了一系列正構(gòu)烷烴及其衍生物相變熱力學性質(zhì)的擴展數(shù)據(jù)分析。將熔點和沸點溫度、熱容、焓、熵和升華的吉布斯能等數(shù)據(jù)與鏈長進行關(guān)聯(lián)，探討甲基基團的相繼引入對同系列縮合相相對相穩(wěn)定性的影響。通過對這項工作的分析，可以預測長鏈化合物的各種熱力學性質(zhì)。此外，對許多固態(tài)熱力學性質(zhì)所檢測到的奇偶交替與奇數(shù)和偶數(shù)正構(gòu)烷烴的不同填充效率有關(guān)。電解質(zhì)熱力學的研究是永恒的，電解質(zhì)溶液的建?？赡鼙徽J為是一個黃金的老古董，這在過去是，現(xiàn)在是，并將在未來的工藝和新材料的設(shè)計中很重要。原因是電解質(zhì)在不同的科學領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，如材料開發(fā)、化學工業(yè)、生物技術(shù)、制藥和食品工業(yè)，以及最近的能源部門。與先進熱力學模型的進一步發(fā)展密切相關(guān)。數(shù)字化時代需要健壯的物理模型作為靜態(tài)和動態(tài)過程建模的基礎(chǔ)，這將為未來機器學習的發(fā)展提供替代方法的基礎(chǔ)。所有這些都使熱力學建模考慮到它最重要的特點。有許多熱力學方法已經(jīng)發(fā)展起來關(guān)聯(lián)，模型和預測電解質(zhì)的性質(zhì)和相行為。通常，這在水溶液電解質(zhì)溶液中是非常成功的。然而，對于含水量較低的溶液，電解質(zhì)建模具有挑戰(zhàn)性。本文綜述了貧水介質(zhì)中電解質(zhì)溶液熱力學模型的最新進展，并提出了所需的理論框架?？偨Y(jié)本文研究了化工熱力學在精細化學中的應用，重點介紹了相平衡與熱力學的計算，將化工熱力學的計算用于精細化工是將化學工程引入其生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，也是提高其計算方面應用的重要途徑。在精細化工的實際操作中，一些嚴格的平衡計算在化工方面的開展較少，有待進一步的開發(fā)與研究。

參考文獻[1]徐珍,朱禮旺.綠色化工技術(shù)在精細化工中的應用研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2021,41(21):190-191.[2]任國偉.綠色化工技術(shù)在精細化工中的應用[J].化工管理,2021(19):71-72.DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2021.19.032.[3]練成,程錦,黃盼,陶浩蘭,楊潔,劉洪來.新能源化工熱力學[J].化工進展,2021,40(09):4711-4733.DOI:10.16085/j.