過程分析化學(xué)

過程分析化學(xué)第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五一、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)確度第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2、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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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)域第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五二、為什么要進(jìn)行過程分析生產(chǎn)廠商關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率的提高、最佳的能耗和原料消耗和最少的廢物排放過程分析可在原料的利用、廢物的產(chǎn)出，產(chǎn)品的質(zhì)量和純度方面優(yōu)化化學(xué)過程，成為整個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五三、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

第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五1分析化學(xué)的發(fā)展以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主要標(biāo)志的信息時(shí)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(shí)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)展第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2、工業(yè)分析的發(fā)展過程1、實(shí)驗(yàn)室分析（離線分析）：到現(xiàn)場取樣，然后送至化驗(yàn)室進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)處理后，報(bào)送實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五五、過程分析與實(shí)驗(yàn)室分析的不同實(shí)驗(yàn)室分析用的樣品要在嚴(yán)格的條件下進(jìn)行處理，且為了提高測量的選擇性與靈敏度，在測量前可進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備由于接觸不到惡劣的環(huán)境或腐蝕性的樣品，所以可被設(shè)計(jì)成能進(jìn)行復(fù)雜的測量，這種儀器往往難以使用，并需由訓(xùn)練有素的分析化學(xué)家進(jìn)行操作第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五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(shí)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第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五結(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(shí)驗(yàn)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(shí)際中有一個很長的滯后時(shí)間，這是因?yàn)榧夹g(shù)首先需要經(jīng)得住環(huán)境的考驗(yàn)并適應(yīng)它第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五六、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(shí)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(jì)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(shí)際問題是過程分析化學(xué)發(fā)展的基本特點(diǎn)。第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五七、過程分析化學(xué)的任務(wù)及研究范圍發(fā)展過程分析和控制方法及相關(guān)技術(shù)，以解決工業(yè)過程、生物工程、新型功能材料、生物化學(xué)工業(yè)的自動化和過程質(zhì)量控制問題用于能源、生產(chǎn)時(shí)間和原材料等的有效利用和最優(yōu)化在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用過程分析化學(xué)之后，可使整個生產(chǎn)過程合理、生產(chǎn)成本降低、產(chǎn)品質(zhì)量提高而穩(wěn)定、環(huán)境污染減少過程分析化學(xué)的主要研究內(nèi)容：過程量測科學(xué)、過程分析化學(xué)計(jì)量學(xué)及開發(fā)相關(guān)的智能化在線分析儀器第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五主要研究領(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(shí)驗(yàn)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(shí)間把代表性的樣品運(yùn)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(yùn)行、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五自動取樣與樣品預(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)第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五自動取樣與樣品預(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(shí)際生產(chǎn)過程自行設(shè)計(jì)制造的專用取樣和預(yù)處理系統(tǒng)第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五氣體自動取樣與試樣預(yù)處理系統(tǒng)一般情況下，應(yīng)具有穩(wěn)壓、過濾、干燥、恒流作用（常溫常壓下較清潔的氣體）實(shí)際過程還需能吸收干擾氣體、除塵、除水、降溫、去腐蝕性組分，負(fù)壓情況下還需抽吸氣體裝置固體散狀物料的自動取樣需有正確取樣方法和選好取樣位置，定好取樣次數(shù)和取樣量使用取樣機(jī)取樣，分幾級進(jìn)行第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五1

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、是否含有固體顆粒第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2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)液體過濾裝置第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五自動取樣與樣品預(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(jià)取樣是否真實(shí)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(jià)取樣誤差=定量瓶的最大容積誤差/定量瓶容積×100%第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2響應(yīng)時(shí)間A對連續(xù)性系統(tǒng)，用響應(yīng)時(shí)間（試樣從取樣點(diǎn)經(jīng)過管路進(jìn)入檢測器樣品池，并使樣品池中試樣90%被更新所需時(shí)間）來評價(jià)B對間歇式系統(tǒng)，用取樣滯后時(shí)間（試樣從取樣點(diǎn)采集開始到經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入檢測器的樣品池所需時(shí)間）評價(jià)第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五4人工（或自動）清掃間隔時(shí)間清掃過濾器和管道的間隔時(shí)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(shí)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、加工成型等第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五八過程分析儀器一、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)測量的儀器第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五二、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(shí)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(shí)時(shí)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第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五（3)信號處理系統(tǒng)對檢測器給出的微弱電信號進(jìn)行放大、對數(shù)轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)運(yùn)算、線性補(bǔ)償?shù)刃畔⑻幚砉ぷ?/p>

(4)結(jié)果輸出將測定結(jié)果以一定的方式輸出，如顯示、打印、指示、報(bào)警等

(5)整機(jī)自動控制系統(tǒng)控制各個部分自動而協(xié)調(diào)地工作，每次測量時(shí)自動調(diào)零、校準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，顯示、報(bào)警或自動處理故障（智能控制器）第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

三、過程分析儀器的特點(diǎn)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(shí)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(shí)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(jià)廉等第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五四、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(jì)算機(jī)的普及以及化學(xué)計(jì)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)展第二十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五(1)微型化

微型化儀器有超微光度計(jì)、微氣相色譜儀和微型流動注射分析儀等(2)內(nèi)線式和非破壞性內(nèi)線式和外感式過程分析儀器不存在自動取樣與預(yù)處理問題，如用于選礦和水泥生產(chǎn)的x射線熒光儀和用于食品和石油化工領(lǐng)域的近紅外分析儀等（3)高階響應(yīng)檢測器或傳感器陣列大量數(shù)據(jù)含有豐富信息，校正結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性、防止傳感器失效或生產(chǎn)流程異常

(4)探測器與儀器主機(jī)分離將探測器置于現(xiàn)場，而將儀器主機(jī)置于離現(xiàn)場較遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室

(5)智能化隨著計(jì)算科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和過程分析化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展，智能化過程分析儀器的開發(fā)不斷發(fā)展，如智能化氣相色譜儀第二十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

九過程分析化學(xué)計(jì)量學(xué)

通過監(jiān)測、模型化和控制來研究化學(xué)過程過程監(jiān)測與控制的軟件系統(tǒng)應(yīng)用1分析儀器獲得信號的解析和有用信息的提取，自動化儀器必不可少的軟件組成第二十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2化學(xué)計(jì)量學(xué)是化學(xué)過程