化工热力学在精细化学品中应用的研究进展

摘要本文研究了化工热力学在精细化学中的应用，介绍了相平衡与热力学的计算，将化工热力学的计算用于精细化工是将化学工程引入其生产的重要基础，也是提高其计算方面应用的重要途径。本文重点综述了应用的特点以及在相平衡和热力学计算中的具体应用，以及对它们在未来的发展进行展望。在精细化工的实际操作中，一些严格的平衡计算在化工方面的开展较少，有待进一步的开发与研究。关键词：热力学计算相平衡精细化学品

目录TOC\o"1-2"\h\u6427引言 引言精细化学品是具有直接用途的化学产品。精细化学品的应用十分的广泛，在生活上，各类的化妆品、生物制药、印刷复印材料以及肥皂洗涤剂等清洁产品等方面；在工业上，表面活性剂、污水净化剂以及各种材料的催化剂等方面。我们可以看出，我们的生活与精细化学品处处相关。随着精细化工的不断发展，以及它们的制作工艺不断完善，人们开始把化工计算、相平衡计算以及热力学计算等方面进一步应用到精细化学品中。1.精细化学品的应用1.1.应用特点精细化工中的化工热力学计算应用的特点如下：1）计算相对比较简单，对于复杂的体系而言，设计还不是很完善，至今为止，对于化工热力学在精细化学品的应用还在不断地探讨；2）热量的计算也是精细化学研究的主要问题之一，相对于化工热力学而言，相对较简单；3)温度变化的范围不大，对所研究的体系影响不是很大；4)相平衡从原来的三态之间的平衡到现在的两态间的变化，对物质的化工热力学的计算相对简化了许多；5)产品种类多，设计到的计算相对也是比较复杂的；6)固体的性质及热力学计算尤为重要1.2.平衡的介绍相对于化工热力学而言，相对较简单，热平衡、力平衡、相平衡以及化学平衡共同组成热力学系统，要求所研究的精细化学品必须同时满足上面这几个平衡，才可以采用热力学的计算研究。热平衡要求组成系统的各个部分的温度必须相等；相平衡，是组成系统的各个相能够在很长的时间下共存，也就是要求所研究的各个相的组成在不同的时间下，不发生任何变化，达到稳定的状态；化学平衡是构成系统的各种物质可以发生化学反应，达到化学平衡以后，各物质的组成不随时间的变化而变化；力平衡是组成系统的各个部分的压力P都相等，另外系统与环境之间不会发生相对位移。本研究以相平衡和热平衡作为研究的重点。2.精细化工中的相平衡计算物质的物理性质主要包括熔沸点、物质的硬度、密度、颜色、状态，以及导电性延展性等方面，能够通过观察或者一起直接测量得到的，他是不需要通过化学的变化显现出来的性质。对于所研究的精细化学而言，所涉及的性质熔沸点以及密度问题是研究的重点，一般研究的液体密度比较多。2.1.相平衡在精细化工的研究方面，以液-液平衡以及固-液平衡的研究为主。平衡是我们队研究过程的评价标准。在许多工业上的应用也是十分广泛的，例如萃取、平衡蒸馏等都会涉及到相平衡的问题。对于相平衡的判据经常会用到相律，它是吉布斯在研究时，同伙不断地推导而得到的结论，其表达式为f=c-φ+2，表达式中φ为系统达到平衡时的相数；c为独立的组分数。我们通常运用相律来结合相图来分析组成系统的各个物质在达到平衡状态时的熔沸点等问题，充分利用所研究的相图，找到各物质之间的关系。在精细化工的研究中，伴随着许多分离操作的进行，其目的是为了进一步提纯物质，这个过程就需要相平衡来作为依据。在我国四川等地的地下水资源含有丰富的稀缺盐资源，选择一种综合利用的高标准含量的制备工艺有利于稀缺盐资源的开发和利用。近年来，通过大量研究发现，地下盐资源的矿化的程度十分高，不利于开发，另外对于水资源的提纯的方法不是很完善以及计算含量的方法较为复杂，有待进一步的提高。总体来说，目前我国开发水资源存在的困难十分多，技术操作低下，分离提纯的供选择利用的物质十分少，不足以将它利用在工业上的大产量的研究和利用上，还可能造成资源的浪费和环境的污染等问题。所以，现在迫切的需要开发利用一个能够科学的、合理的利用水资源的处理技术，来解决目前存在的问题。平衡的应用也是十分的广泛，无论是在处理热力学平衡问题，还是在精细化学品等方面的具体应用，都有着很重要的地位，特别是在水资源的问题处理上，通过相图的分析，我们能够进一步知道盐水的分离效果，在废水的纯化问题上能够促进进一步更加深入的研究。卤水资源的合理开发往往依赖于相宽和多种温度，而不是一系列的相分离过程。为了描述卤水的盐析规律和成矿规律，相图可以用图形的形式将卤水的溶解度表示为几何形状。盐湖卤水是一种自然存在的复杂的多组分体系，是一种固液并存的盐沉积。固液相平衡主要包括不同温度下盐组分浓度和相变化的信息，压力对其影响较小。开展相关研究下的水盐体系相平衡的研究多个温度的变化函数和绘制相应的相图使我们能够直接观察到不同阶段的变化,预测结晶函数关系和改变规则的盐生产过程中,为了确定工艺流程。2.2.相平衡计算的应用盐湖是地球上自然存在的盐类和水的混合物。盐的沉积或溶解，盐水和水的混合不断发生。它们都是相变过程。相平衡作为化学的一个分支研究系统的相变化规律。因此，盐水体系相图在盐湖化学中得到了广泛的应用。介绍了相图在盐水系统中的应用。探讨以水盐相平衡为例，在精细化工在的研究进展。淡水资源的短缺，工业废水和农业废水无法进一步进行纯化等问题一直以来困扰人们的问题，科学研究人员通过研究发现盐水体系中既可以分离出水，还可以分离出矿物盐等成分，所以大家通过盐水体系的相平衡进一步解决水资源问题。对于水-盐体系的研究主要分为稳定态的相平衡以及介稳态的相平衡两种。近年来对于水-盐体系的研究的相平衡数据的测定做了许多工作。Li等人通过研究了SrBr2与水组成体系分别于溴化钠与溴化钾构成三元体系。在288.15K下的相平衡的关系，研究发现，对于SrBr2与水和溴化钠和SrBr2与水和溴化钾的结晶区可以观察到溴化钠的三元体系是相对较大的,而溴化钾的三元体系的结晶面积相对较小，这些结论说明SrBr2的溶解度明显高于NaBr，另外可以发现KBr的浓度随SrBr2浓度的增加而降低，说明SrBr2对KBr有很强的盐析作用。Cui等人本文系统地研究了氯化锂和水组成的体系分别与氯化钾与硫酸钠构成的三元体系在288.15K下的相平衡关系，通过实验可以得到三元的相图的体系只有一个点，两个溶解的曲线以及两个结晶区；通过对比我们进一步发现得到的晶区随着温度的降低而不断地减少，这个结论说明温度越低越有利于硫酸钾盐的析出，可以把这个结论进一步应用在水-盐体系的水净化中。研究了在等温条件下，三元体系的固液平衡，经过研究发现，在323.3K下的溶解度、pH值、折射率以及溶液的密度。在三元相图中，图像中包含7个元素的不变点，5个单变曲线，5个结晶。研究图像我们可以发现，选择合适的脱硫液可以在实际的应用中起到指导的作用，以碳酸钡作为反应的脱硫剂，其研究的结果促进了水处理净化的发展。Wang研究在不同温度下的测定了在三元体系下LiCl-NaCl-H2O下的其物质间的关系，建立了相平衡之间的关系。氯化锂的结晶面积减小，氯化钠结晶的大幅度增加。该三元体系属于I型水合物，没有发现双盐或固溶体。在两种温度下，三元体系的溶液密度随溶液中LiCl浓度的增加而有规律地变化。3.精细化工中的热力学计算化工热力学中的相变热力学是用来表示固体、气体、液体以及等离子状态的物质的凝聚态及相态转变的变化。外部条件例如温度、压力、空气中的湿度等条件都会影响物质的状态，另外物质本身的一些变化也会影响它的热力学性质。在自然界中物质的三态之间的变化是最普遍的存在，无论是在生活还是工业上的应用也是十分的广泛，例如在石油产品的生产与应用上，物质的表面涂层等方面。3.1.热力学在过去的几十年里，一些研究人员一直专注于确定碳氢化合物和衍生物的热力学性质，以及发展预测长链化合物的模型。不同的作者开发了各种预测热化学和相变性质的基团贡献方法。奇克斯等人开发了简单的算法来模拟有机和金属有机化合物的物理性质，方法是估算冷凝相性质，如小分子的蒸发焓、热容、熔化焓和熵、蒸汽压和升华焓。研究同系列烷烃衍生物的固体-固体和固体-液体的相变来关注具有生物学意义的模型化合物的相变和热力学性质。自从第二次世界大战以来，计算机化为科学提供了最大的技术推动力。人们普遍认识到，计算机现在已经深深地嵌入到仪器仪表中，并以其自身的能力提供了极其强大的工具。它们用以前无法想象的方式，使数学在科学中得到了强大而普遍的应用；它们导致了各种大规模分子模拟能力的发展；他们彻底改变了实验数据和相关建模参数的收集、存储和处理。所有这些成就都与当前的主题关系重大。相反，在水的应用中，就像在一般的热力学中一样，与某些计算形式无关的主要进展相对稀少。3.2.热力学计算的应用绝大多数在水溶液中具有良好特征的反应，其热力学首创的方法量化，即在高浓度背景或支持电解质的存在下。使用这种背景电解质的主要目的是研究化学平衡，包括金属配体络合反应，以确保相互作用物种的活度系数的恒定。换句话说，反应可以用所谓的条件平衡常数来描述，也就是物质浓度的商数，而不是活性的商数，这就不需要一个好的活动系数模型。但是，这些条件下的常数严格地不适用于其他电解质成分，这是一种不匹配的情况，在弱的化学平衡中变得尖锐，这构成了溶液化学中许多未解决问题的背景。其中，弱相互作用问题从一开始就困扰着水溶液平衡的计算机模拟，当时西勒引入了他的海水热力学模型。随后，人们发现海水计算很快使活度系数的变化问题成为人们关注的焦点，这表明迫切需要一个更好的函数。问题是，大多数具有良好特征的平衡是基于使用简单的背景电解质如氯化钠溶液的测量，而海水是一种更复杂的混合物，其组分浓度分布不均匀。在海水模型中，这意味着不仅需要考虑其他强电解质，而且必须在电解质混合物本身中测量或预测弱离子缔合的某些条件平衡常数。任何这样的预测都必须由只有在无限稀释和/或在其他电解质介质中的平衡常数作出。由于多维空间是如此之大，需要大量的独立测试来充分地解决这个问题，更不用说全面地解决了。这种经验模型的可持续性也值得怀疑。这些考虑说明了一个经典的难题，这个难题困扰了一般热力学建模几十年。热力学建模是理解相关溶液化学在环境、工业和生物医学重要性的众多和广泛应用的常规要求。此类调查包含碳吸收量的海洋,海洋酸化及其效果,污水处理、海水淡化,湿法冶金等工业工艺优化。Jose等人研究了提供了一系列正构烷烃及其衍生物相变热力学性质的扩展数据分析。将熔点和沸点温度、热容、焓、熵和升华的吉布斯能等数据与链长进行关联，探讨甲基基团的相继引入对同系列缩合相相对相稳定性的影响。通过对这项工作的分析，可以预测长链化合物的各种热力学性质。此外，对许多固态热力学性质所检测到的奇偶交替与奇数和偶数正构烷烃的不同填充效率有关。电解质热力学的研究是永恒的，电解质溶液的建模可能被认为是一个黄金的老古董，这在过去是，现在是，并将在未来的工艺和新材料的设计中很重要。原因是电解质在不同的科学领域发挥着重要的作用，如材料开发、化学工业、生物技术、制药和食品工业，以及最近的能源部门。与先进热力学模型的进一步发展密切相关。数字化时代需要健壮的物理模型作为静态和动态过程建模的基础，这将为未来机器学习的发展提供替代方法的基础。所有这些都使热力学建模考虑到它最重要的特点。有许多热力学方法已经发展起来关联，模型和预测电解质的性质和相行为。通常，这在水溶液电解质溶液中是非常成功的。然而，对于含水量较低的溶液，电解质建模具有挑战性。本文综述了贫水介质中电解质溶液热力学模型的最新进展，并提出了所需的理论框架。总结本文研究了化工热力学在精细化学中的应用，重点介绍了相平衡与热力学的计算，将化工热力学的计算用于精细化工是将化学工程引入其生产的重要基础，也是提高其计算方面应用的重要途径。在精细化工的实际操作中，一些严格的平衡计算在化工方面的开展较少，有待进一步的开发与研究。

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