化学产品工程的理论和技术
2012-05-22 16:17阅读：
化学产品工程的理论和技术
钱 宇 潘吉铮 江燕斌 章莉娟 纪红兵
(华南理工大学化工学院,广州510640)
摘 要 随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向开发满足最终使用性能的化学品成为化学工程研究发展的一
个重要趋势。本文介绍了化学产品工程概念的产生和发展,论述了分子产品工程、配方产品工程、柔性制造过
程等化学产品工程各个子领域的关键技术、应用和研究进展。
关键词 化学产品工程,产品导向,结构性能关系,分子产品工程,配方产品工程
,
柔性制造过程,化学供应链
中图分类号 TQ 01 文献标识码 A 文章编号 1000-6613(2003)03-0217-07
化学工业是利用自然资源通过化学反应和物理操作生产人类所需产品的工业,在20世纪得到了蓬勃发展,为人类提供了丰富多彩的产品。随着人类利用自然资源逐步深入,化学工业由初级加工向深度加工发展,由大批量、连续化的基础化学品生产逐步向小批量、多品种、个性化的专用化学品的生产发展。如何充分有效地利用原材料,生产出高质量、高性能的专用化学品,以顺应社会的进步、人类生活水准的提高和物质需求的多样化,成为化学工业持续发展的主要矛盾。
性能专门化、技术含量高的专用化学品的需求在不断增长。近10年来,发达国家致力于发展精细化工,化学品市场超过50%的市场由专用化学品组成[1]。ICI、DuPont、BASF等老牌化学品公司的产品结构也出现较大的转变,销售的产品中聚合体、结晶体或无定型固体达60%以上,新产品的开发更加关注于高度专门化材料、活性组分和特效化学品。随着传统化学工业日益饱和,化学工程学科的发展也趋于成熟。许多大学和科研机构化学工程专业的科研开始从面向过程转而面向产品[2]。化学工程的研究向微观层次不断延伸,注重高附加值专用化学品(如精细化学品、生物化工、医药等)
的设计和开发。
上述这些变化意味着未来的化学工程不能只关注制造过程,而更要考虑如何快速开发有市场前景的产品。具有复杂结构和组成的产品最初是通过不断的实验和尝试开发的,各公司都对产品配方和生产技术严格保密或通过专利加以保护。这种开发方式曾经取得很大的成功,然而往往耗费大量时间和人力物力。尽管如此,依据目前的理论研究和技术基础的积累,人们尚无法做到对产品设计和生产进行完整的、根本性的科学阐述。这对化学工程研究者提出了挑战:如何根据市场的需求,通过化学、工程和系统科学的方法设计和制造新产品;如何以最快的速度、最高的效率组织现有的资源,柔性地和敏捷性地进行生产。这些问题成为“化学产品工程”所要研究解决的关键问题。
1 化学产品工程的概念和知识体系
麻省理工学院(MIT)化学工程系前主任JamesWei[3]认为:化学工业发展的早期,产品生产以经验为主,没有系统的科学基础。20世纪初,化学工程确立了最初的研究范式(Paradigm),将单元操作作为化学工程技术研究的基础;
1960年,以Bird、Stewart和Lightfoot撰写的化工专业的教科书《传递现象》为标志,传递过程和反应工程为代表的工程科学成为化学工程发展的又一个跨越;
20世纪末至21世纪初,化学工程学科开始探索新的发展方向。产品工程有可能成为化学工程学科发展的一个新的研究范式,为化学工业提供技术推进和新的经济增长点。
1.1 化学产品工程
专用化学品面临着新技术和市场的挑战,如投入市场的时间、产品的特定功能和灵巧设计、通用设备的选择和适应、非专用的工厂。传统的单元操作(精馏、吸收、萃取)逐渐扩展到与配方产品生产相关的操作如乳化、挤出、涂层、结晶和颗粒加工。这些新的问题要求对化学工程理论在以产品为导向的开发框架中进行深入研究,寻求有效的方法,对产品的设计、生产和创新提供理论和技术支撑。
对产品的设计、生产和创新提供理论和技术支撑。化学产品工程是以产品为导向的化学工程科学,回答生产何种产品以及如何生产该种产品以满足性能、经济、环境和市场诸方面的要求。产品的结构和性质的关系是化学产品工程研究的中心内容[4],要求微观层次上的模拟和定量分析。要设计和控制产品质量,实现从分子尺度到过程尺度的跨越,化学工程师面临远远超出当今化学工程领域的知识的挑战。德国BASF公司的Wintermantel提出了一个产品工所需知识和技能列表,见表1。
表1 产品工程所必需的知识和技能[5]
项目
知识技能
基础知识
结构性质关系,表面现象,分子模拟,产品描述方法,流体力学,传递现象
产品设计
平衡,晶核形成,稳定性,添加剂,内部结构
过程集成
模拟和设计工具
过程控制
动力学模型,传感器
1.2 产品设计的特征
对于传统的过程设计而言,根据所要生产的产品和数量,开发成本最低、利润最大、效率最高的过程。基本目标是经济,同时考虑安全、控制和环境等因素。在过程设计中,比较反应和分离过程不同的替代方案,对系统进行热集成,并最终通过对设备、公用工程、原材料和产品进行估价完成经济评价。过程设计是对热力学、传递过程、单元操作等技术概念在深层次上的综合。
与过程工程的不同在于:产品工程不仅注重单元和过程的效率,更需以产品的功能符合用户需求为目标。产品工程注重小规模生产,产品生命周期短,要求新产品进入市场时间快,对市场反应敏捷。由于规模不大,所以能量消耗不是主要的因素;其次,使用的生产设备往往是间歇的,可以根据不同的产品配方对现有设备进行重组,以一种多用途、多功能的设备生产不同品种和系列的产品。
1.3 化学产品工程的研究策略
新产品的设计开发一般包括以下几个部分:产品的需求和定义;产品的性质和指标;正确的化合物组分;产品配方和剂型的设计、测试;加工制造和投放市场等。为定义不同产品的设计和开发途径,要求一个能够用于处理该领域的技术和工程问题的总体框架。Cussler和Moggridge[6]提出了化学产品设计的开发策略,总结了产品设计所应遵循的基本步骤。
(1)产品的性能和目标 产品工程的首要任务
是明确设计的目标。产品在市场竞争中成功与否不仅取决于产品的价格,同时也取决于为满足客户需求所带来的附加价值。消费者的需求往往是主观的、模糊的和多元的。因此必须将消费需求转化为定量的科学参数。化学品通常含有很多种组分,其中的每一组分都发挥特定的作用。而这些组分之间的相互作用和产品的结构、消费者导向的性质之间的关系是化学产品工程研究的难点和热点。大多情况下产品要满足多个不同的目标,因此产品设计是一个权衡的结果。可分解为目标函数和约束条件,并确定彼此之间的相对重要性。
(2)方案的选择和评价 对于可能的各种替代
方案,需要有一定的准则评价它们多大程度上满足所期望的目标。例如缓释药片,要求服用后药物的活性组分在受药体内长期维持有效浓度,以提高药物的利用率和使用效果,同时降低毒副作用。目标是如何设计特定的控制释放体系满足该目的。一般情况下,可以使用热力学、速率相关的过程和简单的衡算对产品选择做近似计算。产品的评价通常可以采用模拟、原型化、专家咨询或其他途径。需要考虑在什么条件下进行多少次实验、测试是否费时并值得、是否能够以少量的计算来获得足够准确的信息。因此评价方案也是一个决策过程。另外包含客户意见、舆论反应、环境和成本以及风险管理等非传统化工学科的因素也必须加以考虑。
(3)产品的设计和制造 Favre[7]提出了一个
用于新产品设
