本站原创摘 要：随着市场经济的发展,竞争日趋激烈,化学工程研究与发展的趋势倾向于以产品需求为导向的化学品的开发.本文主要针对化学产品工程的理论与发展进行讨论,在此基础上对各领域的一些关键技术进行研究.
关 键 词：化学产品工程分子产品配方产品
所谓化学工业,主要是通过化学反应或物理操作将自然资源转变为人类所需要的产品的工业类型,在上世纪迅速发展,至今为人类提供了丰富的产品.随着人类对自然资源的逐渐深入利用,化学工业也发生了巨大的变化,个性化、多品种、小批量的专用化学品成为发展的主要方向.随着传统化学工业的饱和,化学工程转向产品,研究向微观层次深入,也专注于专用化学品的研究.
一、化学产品工程的理论体系
1.化学产品工程
随着市场的发展,专用化学品也面临着新的挑战,如产品的设计、功能、投入市场时间、通用设备选择等等.传统的单元操作也转向配方产品生产相关的操作.也足以看出化学产品工程的理论正在朝着以产品导向为开发的方向,寻找适合的方法继续拧产品设计及生产,为其提供理论与技术支持.化学产品工程主要回答的是生产何种产品,或者是该产品如何满足市场、环境及性能等方面内的要求.化学产品工程研究的核心内容是产品的性质与结构之间的关系,要从微观上定量和模拟分析.对产品的质量要进行设计与控制,化学工程师所面临的问题已经远远超出了化学工程领域的挑战.
2.产品设计特征
传统的过程设计主要是根据产品的数量、开发成本、利润及效率等方面进行考虑,实现经济效益这一基本目标,同时兼顾环境、安全等因素.在设计过程中,对分离与反映过程的不同方案进行对比,最终通过对公用工程、设备、材料及产品进行评估,进行经济性评价,过程设计综合了传递过程、热力学及单元操作等技术.与之不同的是,产品工程不但注重过程与单元的效率,更以用户需求作为产品功能的实现目标,注重小规模生产,新产品要快速进入市场,对市场的反应也比较敏捷.引起规模比较小,消耗的资源也比较少.
二、化学产品工程中的关键技术
1.分子产品工程
根据产品的分子机构、性能及加工行为间的规律,设计出市场需要的化学品,是现代化学产品工程的发展趋势.试验固然重要,但是作为产品工程人员要具备分子结构对产品性能产生何种影响的预测能力,从而设计出满足其性质需求的化学产品.在分子产品工程中,对分子结构与性能的关系研究非常重要,分析其关系主要通过计算化学领域的理论与方法以及半经验的分析方法来完成.采用计算机辅助分子设计方法,能够有效的降低产品的开发周期以及能源的消耗,计算机辅助分子设计的目的是为了满足特殊性质要求的分子及分子混合物,是基于大量候选分子中,通过合理的时间筛选出最符合要求的产品,通常通过正反两个方面来完成,首先,建立关系模型,反映出分子节后及分子交互作用和性质间的关系；其次,在关系模型建立的基础上,对分子结构进行优化,使之满足性质要求,这是一个数学规划寻优的问题.在分子产品工程中,分子模拟技术是一项关键的技术,产生于上世纪八十年代,是将模拟计算工具与计算机图形处理技术相结合,对现实世界的化学与物理过程进行分子模拟进行描述,目前该技术已经成为产品设计中的主要方法.该技术通过对分子力学、量子力学、数据库技术、分子动力学、数值算法及三维结构匹配等领域内的研究成果进行综合运用,实现对化合物宏观性能的解释.采用该技术能够直观的了解分子静态结构,还能给出分子宏观性能与结构间的定量结果.尤其是对试验手段很难观察到的物理过程及现象,能够通过分子模拟进行再现.目前,分子模拟研究的领域主要涉及到传递性质、流体流动、化学反应机理、高分子结构、复杂流体、相平衡、临界现象、晶体构造、膜及界面现象等.
2.配方产品工程
目前,化学产品工程更倾向于消费者所需求的产品性能的开发,如颜色、光泽、悬浮液的稳定性、催化剂的性能等方面,化学品市场对具有特殊工艺性质的复合配方的需求越来越多.如化妆品、表面活性剂、药物、洗涤剂、农用化学品等等.为满足其性能,这些产品被设计成结构颗粒固液分散体系、结构化固体、凝胶、溶胶、水溶性聚合体、泡沫纸品等,和基础化学品对比,此类产品的结构非常复杂,性质与质量与分离操作中的纯度和浓度有直接的关系.在配方产品中,分子聚集成的微相区介于宏观和微观之间,称为介观体系.该体系将宏观与微观联系起来,在合成与加工中,介观分离的时间非常短,如果仅仅从试验上进行把握,几乎是不可能的.因此介观模拟技术出现,该技术能够对真实的试验条件进行模拟胶体溶液及聚合物的微观形貌、化学形态、流动性等,对于高分子科学、化学工程及配方化学中涉及到的复杂问题能够很好的进行解决.基于介观尺度,计算机模拟有了飞快的发展,成为现阶段计算化学研究的前沿,目前,相对成熟的模拟方法主要有耗散颗粒动力学及介观动力学,这两种方法都是基于平均场密度泛函理论而存在.在实际应用中,已经成功的用于共聚物相分离、高分子混合增溶剂、逆变胶束、油-水-表面活性剂体系及乳胶种子形成等领域.
化学工业是国民经济重要的支柱产业和基础产业,资源、资金、技术密集,产业关联度高,经济总量大,产品应用范围广,在国民经济中占有十分重要的地位.“十二五”是国民经济发展的重要战略机遇期,也是化学工业发展的关键时期.为适应国内外形势新变化,深入贯彻落实科学发展观,加快转变发展方式,促进石化和化学工业转型升级,提高行业整体质量和效益,增强国际竞争力和可持续发展能力,特编制本规划.规划期为2011-2015年.本规划内容包括石油化工、天然气化工、煤化工、盐化工和生物化工等.
三、结束语
化学产品工程所研究的方向来源于化学工业的新挑战与需求,通过新的理论体系的构建,强力的推动化学工程的发展.其研究主要是以产品为导向来发展的,包含产品的设计、专业技术及知识等,其目的是为了降低产品的开发周期,提高设计水平,提升产品的质量.在研究中,化学产品工程需要解决两个实际问题：产品的物理参数与期望性能指标间的关系；如何将该关系转化为生产技术.也因此,对于优秀的化学工程师来说,化学界的需求非常大,与以往的过程工程师不同,化学工程师需要具备更为丰富的知识背景,此外,市场人员、科学院及工程师之间的配合也非常重要.由此可见,化学产品工程结合了不同领域的研究成果,并以产品为导向发展的知识体系,必然成为化学工程的重要研究方向.