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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇化學工程與工藝的前景，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
前言
進入21世紀，人類正面臨著越來越嚴重的環境危機，最突出的是人口劇增、能源日漸減少、資源瀕臨枯竭、生活廢棄物和工農業污染物正迅速惡化生態環境，使得人與自然的矛盾不斷激化。
綠色化學的設想是在化學生產過程中，不再使用有毒、有害的物質，不再產生廢物，不再處理廢物。相應的，綠色化學工程與工藝是通過改進化學的技術和方法，減少甚至完全消除對人類健康、生態環境有危害作用的化工產物，同時促進化學工業節能目標的實現。
一、綠色化學工程與工藝的開發
我國傳統的化學工程與工藝對有害污染物是滯后的被動治理，即不能根除污，并且成本很高，治標不治本。如利用煙氣除塵、脫硫，雖然達到了凈化氣體的目的，但是污染物卻轉移為廢渣、廢水。綠色化學工程與工藝的開發，則本著零排放、清潔生產的原則，從化學反應的始端著手，進而有效防止和控制污染的產生。
1.選擇、采用無毒害化學原料
原料的選擇生產化學品的源頭，同時，還決定著不同的化學生產流程和工藝。綠色化學工程與工藝的開發首要目標是不使用有毒有害的原料。為了從源頭上防止化學污染，綠色化學工程與工藝開發的原則是盡量選用可再生的自然物質作原料，如野生植物、農作物等生物質。將諸如蘆葦、木屑、樹枝等野生纖維植物以及諸如蔗渣、麥秸、稻草等農副產品的廢棄物作為原料加工為糠醛以及醇、酮、酸類化學品，用生物質氣化產生氫氣等，都是綠色原料應用的典型例子。
2.提高化學反應的選擇性
烴類選擇性氧化是一類具有強放熱性的反應，石油化工中經常會有這種反應，其目的產物不穩定，容易進一步氧化成H2O和CO2.在各類的催化反應中，此反應的選擇性最低，有時有些產品還具有異構體形式，為了得到更多的終產物，需要使用那些選擇性高的試劑。為了降低分離產品和純化產品的難度，需要提高反應的選擇性，這樣可以降低成本，節約資源，減少環境污染。在這一方面已經有不少的科研成果，比如開發載氧能力強、選擇性好的新型催化劑，來應對不同的烴類氧化反應。
3.采用無毒無害的化學催化劑
目前，約 90 %以上的化學反應要實現工業化生產必須采用，催化劑提高其反應速率。開發新型高效、無毒無害的催化劑是綠色化學工藝的方向之一。國內外都在研發新的烷基化固相催化劑。另外，分子篩催化劑也得到了很好的開發和應用。
二、綠色化學工程與工藝在化學工業節能中的應用
綠色化學工程與工藝開始與使用，很大程度上促進了化學工業節能的實現。具體來講，目前在國內主要有以下幾方面的應用。
1.清潔生產技術的應用
清潔生產技術也被稱為無害、無毒、無廢的綠色化技術，比如先進的脫硝和脫硫技術；城市垃圾的無害化處理技術；生活垃圾制沼氣技術；高效清潔的煤氣化技術；利用風能、太陽能等自然能發電技術等等，這些都利用了清潔生產的技術。清潔生產技術包括的范圍很廣，主要有以下幾種技術：生物工程技術，這其中有細胞工程、酶工程、基因工程等等；輻射加工技術，如離子束、射線和中子束等在常溫常壓下就可以引起一些需要在高溫高壓下才能進行的反應；綠色催化技術，這里有多種催化劑，比如分子篩催化劑、相轉移催化劑等；超臨界流體技術，這里有超臨界H2O和超臨界 CO2，都能阻燃并且無毒。清潔生產技術具有許多優點，其產品清潔無毒，不管是對環境還是對人體都是安全的。
2. 結合生物技術的應用
生物技術領域包括有細胞、基因、微生物和酶等的技術范疇。它在化工領域的應用主要包括兩個方面，化學仿生學和生物化工。生物酶在生物體內作為一種催化劑具有高效性和專一性，廣泛參與到生物合成的各個過程。而在化學仿生學中主要是膜化學這一領域使用到生物技術。
綠色化學工程與工藝部分采用了生物技術，使可再生資源合成化學品。早期的有機化合物原料多數直接來源于動植物，之后才發展到利用石油和煤炭作為原料。在綠色化學工程與工藝中，催化劑一般用的都是自然界中存在的酶或者是工業酶。酶與一般的化學催化劑相比，具有無污染、反應條件溫和產物性質優良等優點。比如制備丙烯酰胺，使用的是丙烯腈，換用酶催化后，能耗大幅度降低，反應完全且無副產物。
3.生產環境友好型產品
發展綠色化學工程與工藝，其目的是生產出環境友好型產品。在生活中有許多實例，比如尋找替代品來替代氟利昂，這樣可以保護大氣的臭氧層；使用可降解的塑料制品；無磷洗衣粉、清潔汽油等等。因為傳統汽油柴油給大氣帶來了嚴重污染，近年來國內外流行使用的新汽油、低硫柴油或者是其他無污染燃料，大大減少汽車尾氣造成的污染。又如在山東推行的用二甲醚來做汽車用的燃料，二甲醚既經濟又環保，這具有很好的發展前景。巴西在生物能源的開發上取得一定成就，如使用乙醇汽油，利用甘蔗產酒精，酒精燃料已經取代了接近一半的汽油消費。另外還有H2和CO2在太陽能和電解質存在的條件下合成乙醇這一新工藝，生產過程和產品均對環境友好。
三、結束語
總之，綠色化學工程與工藝采用無毒害的溶劑、原料、催化劑等，選擇無污染、低耗、節能的化學工藝過程，應用清潔的生產技術，實現生產與環境相容，產品和生態友好。開發和應用綠色化學工藝，已成為現代化學工業的發展趨勢和前沿技術，是建設環境友好型社會，實現可持續發展的關鍵。
參考文獻
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[關鍵詞]：綠色化學；生物技術；清潔生產；環境友好型產品
1、前言
化學工藝主要是利用現有的化學方法或者改性優化方式來改變物質的結構或者組成從而達到合成新物質的生產過程以及技術。化學工藝涉及范疇較為廣泛，基本包括對原料的選擇以及預處理、方法原理以及生產方法的選擇、能量的回收和利用、對不同工藝路線的評定以及經濟預估等。化學工程則更加側重于研究工業等其他過程中的化工過程和物理過程中的相同以及相似的規律或者工藝。其理論主要包括由有工業催化理論，傳質分離理論，反應工程理論等。化學工藝的工程背景主要包括返混和擴散兩種方式。返混具有兩種理想狀態，即活塞流狀態以及全混流狀態。在多數情況下，返混是一種不利與反應或者工藝進行的因素，研究人員們需要采用一定的方法對其加以限制。擴散則是一種發生在氣固相催化反應過程中的常見現象，氣相反應物必須克服外擴散以及內擴散所產生的的阻力，從而達到催化劑內表面并且進行反應。
化學工藝在應用過程中極易對人類自身以及周圍環境造成一定危害，應用綠色化學工藝就是使用科學的技術以及手段，對危害人與環境的化學產物、試劑進行治理，從而保證化學工藝的安全性與環保性，在一定程度上從根本解決污染現象，維持社會的可持續發展。近幾年在各大小城市爆發的嚴重霧霾問題，暴露出了化工企業對環境和人類的危害作用。為了降低環境和人類健康的危害，研究人員們逐漸⒙躺化學作為其優先發展的工藝，同時各大企業也將其作為重點的研究對象。
2、綠色化學的應用
2.1 生物技術（醫藥生物技術）方面的應用
當今世界大部分國家尤其是發達國家都以生物技術以及其產業的發展做作為提高國家科技和經濟的重要競爭手段。醫藥生物技術則是生物技術領域中首先實現產業化分支之一，并且取得了重大的突破，呈現出蓬勃向上的發展態勢。
近幾十年來，飛速發展的生物技術為世界各國的農業，醫療業，畜牧業等各大產業的發展開辟了廣闊的前景。而基因工程藥物則是其中應用最為成功的領域之一。比如銷售額較大的生長激素、干擾素、紅細胞生成素（EPO）、白細胞介素等，都是基因工程藥物中被研究人員廣為應用和開發的分支。同時，單克隆抗體在生物醫學領域得到了極其廣泛的應用，在器官移植抗免疫排斥、腫瘤、風濕及自身免疫疾病等方面顯示出不俗的臨床效果。在歐美、日本等國家大力發展醫藥生物的同時，我國也開啟了這方面的大門，比如動物血蛋白轉化為人血的代用品的成功、組織工程技術修復骨和肌腱韌帶損傷研究的重大突破等。雖然我國醫藥生物技術面臨著藥物生產重復、轉化率較低等問題，但是隨著國家自主創新能力的不斷提高以及國際合作與競爭能力的持續加強，生物技術的應用前景、經濟利益以及社會效益也不容小覷。
2.2 清潔生產技術方面的應用
2.2.1 太陽能的運用
太陽能作為一種新型的可再生能源，有著環保、清潔、長效、持久等優點，已經成為各國應對氣候變暖，能源短缺等問題的重要選擇之一。太陽能的大規模廣泛利用有效地減少了人們對化石燃料的依賴程度，其發展前景也甚為可觀。
首先，太陽能資源有著無可比擬的優勢，其豐富的儲量對于人類來說可被認為“取之不盡，用之不竭”。中國太陽能資源及其分布狀況如表1所示。
由表1可知，我國西北，青藏高原地區太陽能資源極為豐富，對于西部大開發的國家戰略也有著極強的推進作用；而由于太陽能資源幾乎不產生任何污染，所以可以大幅度減輕各大城市的霧霾等惡劣天氣的出現，也比危險系數較大的核能更加安全以及方便；其低廉的成本也為其大范圍的推廣創造了極其有利的條件。其次，太陽能利用技術也已得到政府較大的重視與發展。其中，單晶硅電池與選擇性太陽吸收涂層兩項技術的突破既是人類對能源利用技術的又一次變革，又是太陽能利用進入現代化發展的重大標志之一。我國在利用太陽能熱發電的技術研究中取得了不小的進步；2011 年浙江華儀康迪斯太陽能科技有限公司自主研發的國內首臺 10kW 碟式太陽能聚光發電機系統樣機投入試運行，填補了中國在太陽能聚光發電方面的一個空白，由此我國的太陽能利用技術邁上了一個新的平臺。
最后，在環境日趨惡化，能源日益枯竭的背景之下，太陽能技術的發展無疑有著極其重要的戰略地位。縱觀中國以及世界對太陽能的開發與利用，加大相關方面科技攻關、人才培養，發揚長處，并加大太陽能熱利用技術的投入與發展，引導并形成以太陽能相關產業鏈，拓寬國內外市場，使太陽能真正成為中國重要新能源之一。
2.2.2 風能的運用
風能在提高能源供應、保障能源安全、改善能源結構、減少溫室氣體的排放、保護生態環境等諸多方面有著重要的作用。2010年一年，我國風電新增裝機容量突破 1 800萬 kw，實現連續五年快速增長的態勢。而在恰巧實在2010年當年， 我國的總裝機容量突破了 4 400萬kw，成為世界風能大國。雖然中國已經成為世國際上的風能大國，但還不是風能強國。因此，在目前和今后一段時間內，我國尚且存在一些制約風能發展的因素：例如大規模風電場系統的建設的約束，電網與風電的協調發展問題，風能資源精細化的評估困難以及國際競爭力的提升等。
我國風能的陸上風電發展速度較快，發展態勢也屬于穩定增長型。新疆的達坂城風力發電站更是將大自然賜予人類的風力運用到了極致。由此可見，中國風能的近期發展主要以陸上風電為主，但同時，我國也在積極穩定發展海上風電等各項技術。雖然海上風電場相比于陸地風電場建設成本較高，建設難度較大，但是仍是風電未來發展的一個可觀的趨近方向。例如2010年我國在上海東海大橋建立了容量為102MW的風電場，對海上風電的發展起到良好的標桿作用。另外，海上風電機組需要在高濕度、高鹽霧以及海流、海浪、海冰和臺風等惡劣環境下運行，因而海上風電機組除了需要可靠的功率特性之外，還需要研究人員， 對其的可靠性、防腐蝕性、易維護性以及抗疲勞性給予足夠的重視以及提高，從而減少設備的故障率，降低運行成本，從另一種方式對資源與環境進行保護與維護。
2.3 環境友好型產品的生產
綠色化學工藝技術最終目的即是生產環境友好型產品。例如近年來生產的無磷洗衣粉、防治白色污染的生物可降解塑料、清潔汽油等，在環境保護等方面起到了顯著的效果。再如目前種類繁多的通過生物技術生產和制造化y品，其主要原料成分大多為天然提取。而同時，具有獨特生理活性的天然綠色生物材料甲殼低聚糖則可通過甲殼素/甲殼胺的降解得到，以之合成化妝品對于皮膚和毛發有著不俗的效果，并且不污染環境，綠色無公害，實現了環境友好性。
3、結語
現今社會發展速度較快，發展模式較為廣泛。而化工生產更是會給環境帶來不容小視的危害。而例如燃料的燃燒、汽車尾氣的排放以及原子能與化工能源的利用導致的放射性或者腐蝕性污染等環境污染問題又是環境自身與人類活動相互作用的結果。綠色化學恰恰貫穿于環境自身與人類活動相互作用的相互作用之中，其與生命、信息、資源以及能源等緊密相聯。
現今，隨著綠色化學工藝技術的不斷快速發展，其也為人類解決環境問題提 供了很好地解決方式。而化學工程師以及化學家們為了生產出有效的綠色產品，必須對現有的化學工藝以及其過程進行優化控制，一方面要使用無毒無害的原料、催化劑以及溶劑等藥品；另一方面要采用清潔工藝，從工藝上杜絕污染；同時還要注重提高反應的選擇性，節約資源，降低生產成本。總之，若要實現化學工藝在未來繼續發展壯大，從而為人們所生活的社會的發展帶來巨大的經濟利益以及社會效益，人們需要進行一場由設計到生產的“綠色革命”，
[參考文獻]：
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目前主要造成溫室效應的氣體是二氧化碳,從工業革命以前人們開始應用含碳類的能源物質開始,無論是科技生產還是工業生產,知道現代的科技,即便是已經開始了全球化的大生產,每年都會由于生產而產生數十萬噸的CO2,這些氣體被愛芳到大氣中,就是造成溫室效應禪城的最根本的原因。而過去并未有相應的法律法規對此類問題進行規范,因此很長的一個時期,工廠對大氣的這種破壞是無需承擔任何責任的。
目前針對這一問題,很多化工企業都開始積極的開展新的技術,通過利用新技術以改善高CO2氣體排放的現狀,隨著投入的加大,這種現象得到了有效的控制。甚至目前已經在某些生產環節可以達到利用二氧化碳作為原料進行生產,以此降低其排放量。比如,尿素的生產過程中,化工企業就可以再生產中將CO2進行收集通過一些反應進行利用。這一工藝每年就可以減排數十萬噸的二氧化碳。
2 海水淡化預處理中綠色科技的應用
水是生命源泉,無論是生活還是生產,最基礎的生存都離不開水。水作為社會發展的基礎資源,本身有具有著有限性,尤其是淡水資源。而隨著社會以及經濟的發展,淡水資源曾經的利用毫無章法和度,因此世界開始面臨了淡水危機這又一環境問題。中國雖然地大物博,但是相對于整個世界而言,是淡水資源最缺乏的國家之一,因此就需要尋找到可以解決這一難題的有效途徑,海水的淡化技術的產生和應用不得不說是成為了解決這一問題的有效途徑。海水淡化技術在初期研發階段的應用成本較高,只有少數發達國家才有技術以及資金使用,稱得上是奢侈技術,但是隨著科技的發展,海水淡化的應用成本隨之降低,其開始作為一種普通技術為一些發展中國家引用并應用。
淡化海水本質上就是通過一些物理方法或者是化學方法將海水中的鹽分以及水分進行相互分離的過程。在對海水進行淡化的過程中不會對環境造成任何不良的影響,并且獲取海水對生態也沒有造成結構上的破壞,這一點和目前我國提出的可持續發展的思想十分吻合,即滿足了自身的需要,同時也給后代留下了能夠發展的資源以及環境。這一點就符合了綠色科技的基礎理念,所以海水的淡化中的一個重要環節就是綠色化學工藝的應用。而將這種綠色科學的理念同化工相互聯系的過程實則就是現代化工發展的重要方向之一。氫氧化鎂在海水的預處理淡化中產生,這種物質不但環保可靠,并且成本較為低廉,具有簡單的操作工藝,同時不會造成換進的二次污染,在海水的淡化效果上又十分的明顯,因此應用前景十分廣闊。
3 傳統香精香料生產中的綠色化工的應用
香精香料不僅僅是我國日常添加劑之一,同時在國際市場上也是我國進行進出口的貿易組成主要內容。作為日常化學產品之一,香精香料也受到了經濟危機的影響,由于這種影響的逐步加深,經濟蕭條的狀況開始蔓延整個世界,因此,隨著這一影響的加深,我國在香料香精的出動中,由于訂單的減少,受到了一定程度的打擊。
在深入地調查我國香精香料產品出口訂單銳減現象的原因之后,不難發現,產品中有害雜質含量超標,是其真正并且主要的原因。造成有害雜質含量超標的原因則在于生產工藝方面的缺陷。例如提取原料的成分在產品中有殘留以及包裝材料的使用不當等原因。其中,提取原料的成分在產品中的殘留的問題,可以通過研究和開發新的提取技術來改變。包裝材料使用不當的問題,則應通過加強企業和工廠的監管力度,督促生產商家和企業反復試驗,選取符合有害雜質含量標準的外包裝物等方法來改善。還要牢牢掌握我國香精香料產品的優勢方面,不斷加強新技術的研究和其在實際生產中的應用,才能夠滿足生產出高質量、低能耗的香精香料產品的要求。
4 綠色化學使可持續發展戰略任務逐步向前推進
傳統的化工生產,給我們的生活創造了非常豐富的物質基礎和能源。其在對人類歷史的發展進步的工程中所做的貢獻是不不忽略的。但是呢,又由于化工產品生產的原材料和生產過后的殘余物中,存在著大量的有毒有害物質,這些物質又造成了很多環境污染問題以及生態平衡的失調。這樣,就又阻礙了社會經濟的繼續發展。新世紀,面對嚴峻的環境污染所提出的挑戰,可持續發展戰略這種道路的選擇,成為了歷史的必然。
關鍵詞：聚丙烯 生產過程 催化劑 優化控制 建模研究
一、聚丙烯生產工藝
聚丙烯生產工藝的兩大重要因素是催化劑和聚合工藝。其中，對聚丙烯產品性能起著關鍵性的作用是催化劑，同時也是聚丙烯生產技術發展的核心。隨著催化劑的更新換代，促進了聚丙烯生產工藝的快速發展。上個世紀中期，齊格勒研制的催化劑經納塔改進后，成功研制出了結晶性聚丙烯，這大大促進了聚丙烯的發展。到了20世紀80年代后期，又研發出了茂金屬催化劑和后過渡金屬催化劑。茂金屬催化劑在保持之前的催化劑的性能和特點的基礎上，增強了樹脂的性能；而后過渡金屬催化劑在兼具前者性能的同時，還降低了催化劑的生產成本。
聚丙烯的聚合工藝是影響聚丙烯生產工藝的另一重要因素，聚合工藝方法包含有溶劑法、溶液法、液相本體法以及氣相法。其中，溶劑法和溶液法是在早期工業化時期所采用的方法，前者在使用過程中，要進行溶劑回收，物耗較高，并且生產過程較長且過于復雜，因而這種方法早已不再使用。而后者在現代雖還在使用，但由于其生產成本較溶劑法高，工藝復雜，因此，在生產中溶液法所占的份額很小。隨著研究人員對聚丙烯聚合工藝的深入研究，液相本體法和氣相法因其能耗低，不需要脫離催化劑殘渣、產品牌號新的優勢，逐漸在聚丙烯的生產聚合工藝中占據主導地位。
二、聚丙烯生產過程的優化控制
聚丙烯的生產過程是一個紛繁復雜的系統工程，生產設備龐大，生產過程復雜。聚丙烯的的生產過程包含了聚合反應、分離、單體沖洗以及后期處理等。從聚丙烯產品的生產設備來看，它是一個不確定性、非線性、大純滯后、強耦合、分布參數等特性的生產裝置系統，為實現聚丙烯的的生產過程的優化控制一直是實務界的難點和重點。從控制的角度來講，在生產工藝和設備已經確定的情況下，實現生產的平衡控制是產品生產最基本的原則和目標。因為生產的平衡、穩定是工廠生產的前提、基礎，只有在平衡、穩定的基礎上才能為產品生產提供機理模型，實現優化控制。從近十年化工生產過程的控制情況來看，雖早已采用集散型控制系統，但其缺點在實際操作過程中已暴露的愈加明顯。因為這種集散型控制系統只是將操作變量和控制變量之間的關系設定為一一映射的關系，從不考慮因變量的變化從而導致它們之間關系的變化。在化工產品的實際生產過程中，正是由于這種一一映射的設定，使得變量之間的關系無法真實反應出生產設備、裝置的實際情況，從而也很難實現生產設備的平穩控制。
聚丙烯生產過程的優化控制可分為兩個層次：一是建立工藝機理模型，這是一種靜態的模型優化，是在先進的控制基礎上的穩定模型，該種模型是按照目標函數進行的優化計算，計算出的優化值將作為在線經濟優化控制范圍內的限值；二是在線經濟優化控制，是在多變量預估控制的基礎上實現的，該控制在預先設定好的目標函數基礎上尋找優化值，為實現經濟效益而實行優化控制。
常見的優化控制主要有：模糊邏輯控制，它是以模糊語言變量和邏輯推理為基礎的數字控制技術，本質上是非線性控制，主要特點是具有系統化的理論。其中模糊邏輯控制分為Mamdani模糊模型和Takagi—Stgeno模糊模型兩種；預測控制，它不是一種非線性的系統理論控制，而是直接來源于聚丙烯產品的生產實踐。經過幾十年的快速發展，它已演變出三種形式，分別為基于非參數化模型、參數化模型和結構化模型的預測控制。但是，不管形式如何變化，每種形式的預測控制都包含了預測模型、滾動優化和反饋校正三個部分。
三、聚丙烯生產過程控制策略
連續法本體聚合工藝按采用的聚合反應器的不同，分為釜式聚合工藝和管式聚合工藝。這種工藝的特點是結構簡單，具有單位體積傳熱面積、總傳熱系數高、單程轉化率高、產品牌號切換時間短的特點。在全世界以及在國內生產聚丙烯的裝置中，采用環管法工藝是最多。整個工藝生產過程對丈量及控制系統要求較高的是反應系統及相關流程。它包括預接觸罐、預聚合反應器及環管反應器3個部分。整個反應過程對于溫度、壓力、丙烯進料、氫加進量、環管反應器的緩沖罐液位、聚合物含量的檢測控制要求較嚴格，各參數的控制相互關聯。
丙烯聚合屬于配位陰離子聚合，是一種自由基鏈式聚合，在丙烯分子里面含有大量活潑的π鍵，這些π鍵的作用是被丙烯中的欽系絡合物催化劑吸附或配位，讓雙鍵極化，從而使得丙烯單體插入到欽、碳鍵之間，形成活性鏈，最終實現鏈增長或是終止。然而對于催化劑的活性中心而言，主要有雙金屬活性中心模型理論和單金屬涪陛中心模型理論兩種。
釜式聚合裝置作為生產聚丙烯產品的主要設備，深入對其研究具有十分重要的現實意義。在實踐操作中，裝置中的攪拌釜可以單獨使用，也有多釜串聯、并聯使用。為達到提高模型運行效率的目的，一般都將反應器作為動力學控制狀態，因而我們在研究該問題時以采取以下一些假設：擬穩態處理，等活性理論，聚丙烯的聚合總速率等于鏈增長速率等等。在對反應釜進行建模的過程中，反應過程中主要涉及到得物料為丙烯單體、氫氣以及催化劑等，并且要充分考慮到熱量平衡。
聚丙烯生產過程的熱點問題是建模研究，而反應釜作為主要生產裝置，對聚丙烯生產過程進行優化控制是建模研究的基礎性工作。所以因在過程描述時可作進一步簡化：當物料進入反應器中時，會發生一級放熱不可逆的反應，這些熱量會使溫度升高，影響到反應物的反應速度和濃度。因此，必須對熱量加以控制，可采取冷卻兩種方式是氣相冷凝回流和夾套將熱量移走。同時，為了有利于阻止聚合過程中的產物在反應器的內壁上沉積，反應釜內的聚合過程應在液相內攪拌。另外，進入到反應器中的物料由兩部分組成，一部分是新鮮物料，另一部分是反應釜中沒有反應的物料，經過處理后被再次利用。
參考文獻
關鍵詞：生物化工 發展前景 應用
中圖分類號：TS201 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0080-01
1 生物化工的簡介
生物化工（Biological Chemistry）是一門以實驗研究為基礎、理論和工程應用并重，綜合遺傳工程、細胞工程、酶工程與工程技術理論，通過工程研究、過程設計、操作的優化與控制，實現生物過程的目標產物。它在生物技術中有著重要地位，其產品具有實用價值高、需要成本低的特點，將為解決人類所面臨的資源、能源、食品、健康和環境等重大問題起到積極的作用，對人類社會文明起著關鍵性作用。
2 生物化工的起源及應用
生物化工學科起始于第二次世界大戰時期，以抗生素的深層發酵和大規模生產技術的研究為標志。1928年9月3號，弗萊明意外發現青霉素之后，抗生素開始快速且呈現正趨勢的發展。特別是第二次世界大戰以后，因結合轉基因、生物催化、動植物細胞培養等新型、傳統生物技術，將生物化工逐步分化出來，成為完好地學科體系，并形成一個讓人意外的新興產業。從酒精的醫藥用途、味精的調味使用，到氨基酸的大力發酵、激素可以實現生物式的轉化為止，這段路程無不將生物化工注入醫學、飲食、工業的精髓。如1957年，日本某公司將谷氨酸棒狀桿菌提純分離，利用葡萄糖作為基本營養，借鑒前人的發酵生產法成功生產了L-谷氨酸。直到現在谷氨酸仍然應用在各種醫用藥物、炫彩的化妝品、人造皮革等方面。
3 生物化工的發展及應用
20世紀80年代，美國以石油化工作為國民經濟的重要支撐點，大力發展石油化工產業，甚至不惜以犧牲環境為代價。1995年至1999年，生物化工產值從3675億美元上升到4200億美元，增加了14.5個百分點。同時，環境污染浪費造成2319億美元的損失。要想發展好生物化工產業以破壞環境為代價并不是持久的辦法，必須繼續找尋新的生產方式。與此同時，中國生物化工技術剛剛起步，只能亦步亦趨跟在發達國家的后面，進行著一次又一次的模仿秀表演，還是將實驗室作為實踐的基點。1986年我國的疫苗制作在醫學史上還是一片空白，直到在1986年美國成功使得乙型肝炎的淺層抗原在真菌、細菌和哺乳動物里完成表達過程，并且進一步成功翻譯為HBsAg，中國才“山寨”成功所謂的HBsAgII（之后銷聲匿跡了）。此后，基因工程的藥物1996年為1.85億元，2000年漲到30億元人民幣，2002年之前，我國就有801中生物農藥有效注冊，使用范圍有2.5×107 hm2，這樣的成就不可能忽略的。
然而，時間從不會停止腳步，科學技術依然迅猛發展，生物化工亦是如此。基因的成功重組、催化正式在生物中采用、酶的神奇作用等等種種成果的偉大形成，使得許多的化工原料與產品得到充分且有效地使用，甚至創新化工工業工藝的生產，真正做到污染少，易節能的新型工藝。比如巴西的乙醇占了整個汽車行業的52%，那就有了31億加侖的潛在價值回收；美國杜邦、英國ICI公司等一系列大型公司對生物化工事業的支持與應用，為人類的文明建設取得了無法估算的成就。預計到了2020年，因為生物化工的改進，各方面的技術能源消耗將大大下降30%，令人頭疼的污染問題同步減少30%，生物化工總增值39%，在農業、醫學、特別是工業中占據相當大的比例。
4 生物化工的潛在前景應用
未來的能源發展不可避免做到效用與環境的真正配合，因此決定了生物化工的兩個發展方向的拓展：一是化學學科和生物學科結合在醫學上的開發，特別針對于以每一個嬰兒都是擁有一個健康的童年為目標，治療現在無法解決的先天后天性遺傳疾病；二是生物物種之間的無差異轉換。這是我們古人的夢想，也是我們未來的期盼，那時候羨慕小鳥的翅膀就變得沒有意義了。當然，發展前景固然美好，但因為生產的進行所存在的問題是必不可少的。就新生能源、“第四大能源”—— 生物質能來說，我國進展仍是遲緩。而其它傳統生物化工更是因為規模利用率低，可再生能力低，潛在性危險大，以及種種向后代借用能源的生存問題，促使我們不得不重視綠色環保的生物化工。
5 結語
總的來說，生物化工技術產業，才剛剛正式步入軌道，“863”和“973”計劃剛將其納入羽翼之下，作為一個21世紀的朝陽產業，美國的某雜志贊頌的十大科技奇跡，生物化工就占了四大，這樣的情景不可估量的產業，終會蓋過信息技術的時代，鑄就新的世界經濟領頭軍—— 生物經濟，掀起生物技術的又一次暴風雨。
參考文獻
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關鍵詞：催化裂化 ARGG工藝 應用
近年來，我國在催化裂解技術的研究上取得了突出成就，尤其MIO、MGG等技術的成功開發，極大的提高了我國煉油技術水平。在MGG工藝基礎上發展而來的ARGG工藝，更是深受煉油企業的青睞。
一、催化裂化與ARGG理論
在講解ARGG相關理論之前，先介紹催化裂化相關知識。所謂催化裂化指以渣油、重質餾分油為原料，并在450℃～510℃，以及較低壓力條件下，運用相關催化劑，經過一系列的化學反應，生成柴油、汽油以及焦炭的過程。催化裂化所用的原料具有廣泛的來源，總體分為渣油與餾分油兩種類型，其中渣油包括減壓渣油、常壓渣油，而餾分油包括減粘裂化餾出油、焦化蠟油、直流減壓蠟油等。催化裂化產品一般具有以下特點：具有較高輕質油收率，通常可達70%～80%；獲得的汽油具有較高的辛烷值，而且具有較好的安定性；催化裂化氣體中C4與C3具有較高比例，約為80%，其中C3丙烯占70%，C4中的烯烴占的55%左右，是生產高辛烷值組分以及優良石油化工原料。
ARGG是從MGG工藝基礎上發展而來的一項煉油與化工相融合的新型工藝。該工藝煉油原料為常壓渣油，經提煉不僅可獲得安定性好、辛烷值高的汽油，而且還得到較多內含烯烴的液化石油氣，為進行精細化工提供大量原料。
ARGG工藝運用的催化劑為RAG系列，反應過程在提升管催化裂化裝置中進行，能夠產生大量液化石油氣，并伴隨高辛烷值汽油的產生。ARGG工藝具有以下特點：
該工藝使用的催化劑具有較強的抗重金屬污染性能，以及良好的熱穩定性、選擇性與重油裂化活性；以常壓渣油為原料，產生的裂化產品包含較高的汽油、液化氣、丙烯等，且產生的干氣較少。該工藝裂化溫度在525℃左右，反應所需壓力比較低。回煉相對較低，在0～0.5范圍內；同時，為減小油氣分壓，采用的霧化蒸汽比較大，通常情況下，質量分數在6%～10%范圍；采用ARGG工藝提煉出的汽油經檢測安定性符合相關標準要求，且具有顯著的抗爆性能。
二、具體案例及改進措施
1.具體案例
某石油液化氣廠之前采用RGCC生產裝置，年處理量在5萬噸左右，主要用于柴油、汽油的生產，液化氣產率約為10%。采用RFCC裝置已很難滿足生產要求，為此，準備采用RFGG工藝進行升級。采用ARGG工藝以RAG系列催化劑，每年處理量提升到了7萬噸，不僅獲得了大量辛烷值高的汽油，以及液化氣，而且顯著提高了企業的經濟效益。
2.設備及工藝參數的改進
在設備方面：采用再生器在下，沉降器在上的同軸式結構。這樣布置允許再生與反應操作壓力存在區別，而且這樣布置采用的結構比較簡單，大大提高控制靈便度，具備較強的事故抗干擾能力，以及廣泛的應用范圍。另外，使用氣控式外換熱器，以及改進的主風分配管。最重要的是對管反應系統進行了完善：對操作條件進行優化，促進大劑油、高溫強化反應的進行；使用高效霧化噴嘴，使霧化效果得到顯著提升，促進輕質油收率的提高，以及降低焦炭產率；對預提升階段進行專門設置，運用水蒸氣、自產干氣當做提升介質，改善了原料及催化劑的流動情況，使原料與催化劑進行充分的接觸，避免不必要熱裂化反應的發生；減小沉降器單級旋分器入口與短粗旋油氣出口間的距離，避免沉降器中油氣出現過度二次裂化及熱裂化現象；運用高效氣提技術，即，使用兩段氣提和改進的擋板的高效氣體技術。
在工藝參數方面：采用ARGG工藝進行生產，反應溫度控制在530℃，反應絕對壓力為0.21MPa，回煉比為0.3，反應停留時間為3.54s，提升管入口與出口線速分別為6.83m/s、14.3m/s。催化劑的循環量每小時在102噸左右，劑油比為9.0，原料油預熱溫度在200～250℃范圍。
利用ARGG工藝獲得產品的分布情況為：干氣所占的比例為5%，液化石油氣所占比例為30%，而汽油占有的比例為42%，輕柴油、焦炭、損失所占的比例分別為13.5%、9%、0.5%。
三、經濟效益與社會效益分析
該石油液化氣廠運用ARGG工藝生產后，大大提升了生產效益。由統計結果表明，當加工一噸常壓渣油使用ARGG工藝與之前RFCC工藝相比增加的利稅將近80元，按照每年處理7萬噸的量進行計算，每年可增加五百多萬元。
隨著人們對環境保護工作的重視，新配方汽油以及無鉛汽油的應用引起了人們的高度重視。本文中應用ARGG工藝生產的汽油，剛好符合90#無鉛汽油相關標準要求，無論在節約能源還是防止環境污染方面均具有重要意義。同時，液化氣產量大大提高，有助于城鄉居民燃料結構的改善。另外，液化氣中含有大量的丙烯，能給精細化工提供大量原料。總之，ARGG工藝在催化裂化中的應用不僅能夠獲得較大經濟效益，而且還發揮著重要的社會效益，因此，在實際化工生產中應注重推廣與應用。
四、總結
該石油液化氣廠應用ARGG工藝從事生產活動，經長時間驗證發現，所采用的技術具有較高安全度，成功的實現了獲得大量高辛烷值的汽油，以及液化石油氣的的目標，獲得了較高社會與經濟效益，并且該種生產工藝具有廣闊的發展前景，因此，石油液化氣廠生產工藝升級時，應注重ARGG工藝的應用，以更好的實現社會與經濟效益最大化目標。
參考文獻：
【關鍵詞】機械加工工藝；零件加工精度；影響因素；優化方案
0 引言
機械加工工藝就是利用機械加工的方法對毛坯進行更改，使毛坯逐漸與零件生產標準相吻合。機械加工工藝對毛坯的更改包括對毛坯形狀的更改、毛坯尺寸的更改等。機械加工工藝作為零部件加工的基礎工藝，對零件加工精度有很大的影響，機械加工工藝越到位，零件加工的精度就越高，加工出來的零件與零件生產標準吻合度越高。
在機械加工過程中，由于多種原因，對零部件的加工精度造成了較大的影響，給機械加工的零件生產帶來了很大的損失。所以在利用機械加工工藝生產零件時，要對機械加工工藝對零件加工精度造成影響的外在因素和內在因素有準確深刻的認識，從而使機械加工工藝更加完善、更加到位，加工出來的零件精度更高。本文以零件的加工過程為例，介紹機械加工工藝的流程，探討提高加工精度的優化方案，分析造成加工誤差的原因[1]。
1 機械加工工藝的流程
機械加工工藝流程是指工件或零件制造加工的步驟，是利用機械加工的方法對毛坯進行更改，使毛坯逐漸與零件生產標準相吻合的過程。機械加工工藝對毛坯的更改包括對毛坯形狀的更改、毛坯尺寸的更改等。一般情況下，比較籠統的機械加工工藝流程主要是從粗加工到精加工，由精加工再到裝配，裝配結束進行檢驗，最后對檢驗合格的零件或工件進行包裝[2]。
機械加工工藝流程是使毛坯變成合格產品的過程，這個過程由零件加工流程和零件加工步驟構成，具體的機械加工流程和機械加工步驟中都有相應具體的標準和要求，這些步驟和流程中的具體的機械加工標準和機械加工要求就是機械加工工藝。
例如在對毛坯加工時，對毛坯需要到的粗糙度、工序等的詳細說明和數據規范，就是毛坯粗加工工藝。機械加工工藝規程就是零件加工企在選取工藝過程中所生成的工藝文件。零件加工企業在選取工藝過程的時候，并不是盲目選取的，而是根據企業的實際生產情況來確定的，企業的實際生產情況包括企業的機械加工員工素質、零件加工的設備條件等。
企業對自身條件有了充分的認識以后，會根據實際情況來選擇工藝工程和操作方法，這個過程中需要寫成工藝文件。生成的工藝文件經審批通過，就會對零件加工企業在零件加工生產中進行指導。一般的機械加工工藝規程包括零件加工的工藝路線、 加工工序的具體內容、加工設備的具體情況等等。在零件加工過程中，流程是生產路線，規程對零件加工生產進行指導，而加工工藝則決定著零件生產的精度。
2 機械加工工藝影響零件加工精度的因素
機械加工工藝對零件加工精度造成影響的因素可分為內在因素和外在因素。機械加工藝系統本身的幾何精度是機械加工工藝對零件加工精度造成影響的內在因素。
2.1 對零件加工精度造成影響的內在因素成因
機械加工工藝系統本身的精度問題是機械加工工藝對零件加工精度造成影響的內在因素。機械加工工藝系統本身的精度主要受到三個方面因素的影響：①由于機械加工工藝系統在出廠時，機械加工工藝系統本身的生產制造過程中出現精度問題，因此在投入使用時對加工的零件精度造成影響；②機械加工工藝系統在安裝使用的過程中，由于與機械系統的安裝標準有差異，加上操作不精細、定位不準確，導致在對零件加工的過程中使零件精度受到影響；③機械系統加工工藝系統在使用過程中出現的問題，由于機械系統加工工藝系統在長期使用過程中，某些部位出現嚴重的磨損，使機械系統加工工藝系統對零件加工的精度受到影響。如機床、刀具和夾具等在出廠時，其構件存在一定誤差或者在安裝使用過程中，安裝不到位、操作不精細、定位不準確。
2.2 機械加工工藝系統運行過程中的受力變形
（1）導致系統運行中產生受力變形的因素分析
在機械加工工藝系統的實際運行過程當中時常會出現系統受力變形的情況，致使其位置、形狀出現輕微形變，進而嚴重影響系統的正常運行和壽命減少。探究其緣由，發現主要是由 兩個因素致使的：①系統實際運行強度大。在系統實際運行的過程當中，系統所用的刀具、夾具等小構件均要承受高強度的工作負荷，時間一長就容易發生相對位置的位移，或是受力下的形變；②各部件面臨多方受力。在系統運行過程中，系統的部件不僅要承受系統本身施加的工作力度，還要承受來自加工零件施加的相對力度，同時又要承受部件與部件之間的摩擦力度。
（2）機械加工工藝系統運行過程中的熱變形
實際上，機械加工工藝系統在運行的過程中，不僅僅會面臨多種力的影響，還會受到其他因素的影響。具體來講就是熱變形，包括刀具熱變形、被加工零件熱變形、機床本身及其構件的熱變形。熱變形是指系統因受熱而發生的形變。它能夠嚴重破壞刀具與被加工零件之間的準確幾何關系和運動關系，進而嚴重影響加工零件的精度。
3 提高機械加工工藝精度的優化方案
綜上所述，機械加工的工藝技術對于零部件的加工精度有著直接的影響，而機械系統本身的精度問題是影響零件加工的精度的主要因素，所以，在進行零件加工時，首先要避免的就是機械系統的問題，其次是加工過程中由于受力變形的問題。本文提出兩種優化方案，一種是利用表面光整加工技術，一種是利用特種加工技術。
3.1 機械加工工藝中的表面光整加工技術
表面光整技術屬于機械加工工藝的方法之一，利用該方法可以使加工后的零件不但達到規定的幾何尺寸，還可以得到理想的表面光整度。經過表面光整加工的零件，其表面度和紋理都有很大的改善，該技術是通過磨具，對零件的表面進行碰撞、滾壓、擠壓，這樣做的目的是增加表面變質層的同時，提高了耐磨性，去除了零件表面的毛刺、尖角、銳邊等。光整技術是對零件整體各表面在一道工序中一次性加工，可對原來的老工藝、工序，例如：粗磨、非精磨、精磨、砂帶拋光、毛氈卡瓦拋光等進行撤、并，做出優化調整。
3.2 特種加工對機械加工工藝的突破
根據現代制造業的特點，特種加工應運而生，主要是加工那些高硬度、高韌性、高強度和高脆性等難切削的材料，可以用于那些孔細小，形狀復雜，具有特殊結構的工件的加工，因此，特種加工在未來的機械加工工藝中將有很好的應用前景。該方法的工作原理就是利用化學能、電能、聲能、機械能以及光能和熱能對金屬或非金屬材料進行加工，特點就是加工工具與零件之間零接觸或者是間接接觸，較少了加工過程中的熱變形及變形力，進一步提高了零件的加工精度。
4 結論
隨著機械加工工藝技術水平的不斷提高，我國的加工技術也在快速發展。為了進一步提高零部件加工企業所生產出來的零部件精度更高，減少零部件生產的不合格率，實現了企業的經濟效益，提高零部件生產企業的綜合競爭力，需要零部件企業加強機械加工工藝的研究和投入，把影響零件精度的外在因素和內在因素降到最低程度。
【參考文獻】
關鍵詞：火電廠 煙氣脫硫技術 煙氣脫硝技術 聯合脫硫脫硝 同時脫硫脫硝
中圖分類號：X511 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0103-03
空氣污染嚴重影響著人類的健康和生存，這一話題受到各界人士的關注。火力發電廠排放的煙氣中含有SO2、NOx以及一些粉塵性的顆粒，這是形成酸雨和霧霾的主要原因。近幾年我國的大氣污染日趨嚴重，因此煙氣脫硫脫硝已成為控制大氣污染的必然趨勢。
脫硫脫硝技術大致可以分為單獨脫硫、單獨脫硝、聯合脫硫脫硝和同時脫硫脫硝等。聯合脫硫脫硝和同時脫硫脫硝又稱為一體化技術，是目前國內外研究的重點。本文主要綜述傳統的脫硫脫硝方法和近幾年發展較快的煙氣脫硫脫硝技術，分析其機理、技術特點和最新研究進展。
1 煙氣脫硫技術
煙氣脫硫技術是減少煙氣中SO2含量的有效方法之一，傳統的煙氣脫硫方法有干法脫硫[1]、半干法脫硫[2]和濕法脫硫[3]。
干法脫硫的原理是用催化劑或吸收劑來脫除煙氣中SO2，這些催化劑或吸收劑是固態的粉末或顆粒。典型的干法脫硫技術有氧化物法和活性炭法[4]等，此技術在含硫量較低的情況下脫硫率較高，但脫硫產物不能循環使用；半干法是介于干法和濕法之間的脫硫方法。主要有噴霧半干法、爐內噴鈣爐后活化法、灰外循環增勢半干法和煙道流化床脫硫法等[5]。與干法脫硫相比，脫硫效率高，但反應產物的灰循環效率低，不能進行連續的運行；濕法脫硫則與干法脫硫完全不同，所用給的吸收劑是液體，液體吸收劑來吸收煙氣中的SO2。常用的濕法脫硫工藝有石灰石/石灰-石膏、海水脫硫工藝[6]。濕法脫硫技術是我國大部分電廠所采用的煙氣脫硫技術，此技術的成本較低、循環性大、脫硫效率高、脫硫后的產品易于回收利用，但系統比較復雜、設備成本比較高。
傳統的脫硫方法仍有很多缺點，近幾年研究者們提出了更有效的煙氣脫硫工藝。祁貴生等人[7]在超重力旋轉填料床中，以尿素溶液為吸收劑進行煙氣中SO2的吸收試驗研究。研究表明脫硫率受到液氣比、填料床轉速、尿素溶液溶度的影響，最終得到最佳的工藝參數。在最佳工藝參數的基礎上，當溫度為70 ℃的條件時脫硫率可達到92%。該方法是在尿素脫硫工藝的基礎上引進了超重力技術，二者結合實現了高效脫硫。超重力尿素脫硫工藝具有設備體積小、液氣比低、投資少等優點。其脫硫工藝流程如圖1所示。
徐硯和朱群益[8]在干法活性炭脫硫的基礎上研制出一種新型的活性炭脫硫劑，椰殼活性炭擔載Cu脫硫劑在煅燒溫度為250 ℃時脫硫效果最好。黃祥等人[9]則利用核桃殼為原料來制備脫硫活性炭，新型柱狀活性炭比傳統的活性炭吸附能力提高。
2 煙氣脫硝技術
煙氣脫硝技術是煙氣通過還原劑把NOx還原為N2的一種技術。目前我國的脫硝技術還尚不成熟，主要以國外引進的技術為主。國外應用較多的是選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）以及聯合法（SNCR-SCR）。
選擇性催化還原法是指在催化劑的作用下，利用NH3或尿素將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。SCR法是世界上應用最多且最為成熟最有效的煙氣脫硝技術，其脫硝效率可達到90%。但也存在以下缺點：催化劑價格昂貴，氨水對管道腐蝕性強且氨易泄露，還原劑的消耗大等。
選擇性非催化還原法是在沒有催化劑的條件，高溫噴入還原劑使其迅速分解為NH3，NH3與煙氣中的NOx進行反映生成N2。SNCR工藝簡單，操作簡單，投資成本低，適用于老機組的改造，但脫硝效率較低，一般為25%～40%。
聯合脫硝技術是一種SCR技術和SNCR技術的結合，將還原劑直接噴進爐膛內，高溫下脫去部分NOx，然后未反應的還原劑進入SCR反應器與剩余的NOx進行催化反應。脫硫率可達80%，其優缺點介于SCR和SNCR之間。
在2012年孫墨杰等人[10]提出了一種新型的煙氣脫硝技術-反硝化菌煙氣脫硝技術。反硝化菌在適宜的碳源下，利用氮氧化物合成自身生長所需的有機氮，并通過異化反硝化作用使其轉化為N2，最終排放到大氣中。其工藝流程圖如圖2所示。反硝法的出現確實為煙氣脫硝提供了新的思路，但仍有不足之處。此方法只能在處理低濃度NOx的煙氣時具有優勢，機理還不夠完善，有待進一步的探索。
煙氣脫硝技術種類較多，實際應用時一般將多種技術聯合到一起已達到脫硝的要求。
3 聯合脫硫脫硝技術
迄今為止，國內外的學者大量的研究了脫硫和脫硝技術，其工藝得到了大幅度的提高，但仍然存在不足。進而煙氣脫硫脫硝一體化技術引起了工程界的普遍關注。一體化技術是將脫硫脫硝工藝合并到一套工藝流程當中，不但可以減少設備裝置、降低投資經費，而且還可以減少廢物排放同時達到脫硫脫硝的目的。按照脫除機理的不同，脫硫脫硝一體化技術可以分為兩大類：一類是聯合脫硫脫硝技術；另一類是同時脫硫脫硝技術[11]。
3.1 SNRB聯合脫硫脫硝技術
SNRB技術是用一個高溫布袋除塵器來凈化煙氣中的SO2和NOx[12]。其特點是占地面積小，設備中管道的腐蝕性較小，脫硫率能達到80%，脫硝率為90%。其工藝流程如圖3所示。
3.2 SNOx聯合脫硫脫硝技術
SNOx工藝是兩種催化反應的結合，一是SCR的催化反應，一是SO2的催化反應，兩者相互結合達到脫硫脫硝的目的。機理主要是SO2催化氧化為SO3，然后在冷凝塔中制成硫酸；NOx在NH3中催化還原為N3和H2O[13]。其特點為脫硫和脫硝效率分別能達到95%和94%，無二次污染但是硫酸的儲運比較困難。其工藝流程如圖4所示。
DESONOx脫硫脫硝技術與SNOx工藝相似，不同之處在于該工藝中的NOx和SO2的氧化在同一反應其中進行[11]。
3.3 活性炭/活性焦工藝[14～15]
活性炭/活性焦脫硫脫硝工藝是將煙氣吸收然后進行化學分解，最后是產物的回收。煙氣先首先進入吸附塔，在吸附塔內SO2與鄰近吸附態的O2反應生成SO3，然后與H2O反應生成硫酸儲存于活性焦的微孔中，SO2被脫除；然后煙氣中的NOx與噴入的氨氣發生反應，生成N2和H2O。工藝流程如圖5所示。
其特點是吸附劑來源廣，成本低、工藝簡單。但存在活性炭易揮發，管道易腐蝕等缺點。此外還有循環流化床聯合脫硫脫硝技術[16]、粉煤灰脫硫脫硝技術[17]、半干噴霧脫硫脫硝技術[18]、MEROS煙氣凈化技術等。
4 同時脫硫脫硝技術
4.1 電子束照射法
電子束照射法是將煙氣中SO2和NOx等氣態污染物置于高能等離子束下發生氧化反應，生成HNO3和H2SO4，最后與加入煙氣中的NH3反應生成NH4NO3和（NH4）2SO4[19]。此方法可分別達到90%的脫硫率和80%的脫硝率，且不產生污染物，普遍認為它是一種有前景的煙氣凈化技術。但此方法仍存在以下問題：設備的可靠性低，加速器能耗較高，副產品的捕集困難，還有氨泄露等問題。工藝流程如圖6所示。
4.2 電暈放電法
脈沖電子暈脫硫脫硝技術（PPCP）的機理與電子束法基本一致，不同之處在于高能源不同，PPCP法是利用高壓脈沖來產生活化電子，以此破壞煙氣中SO2和NOx的化學鍵，生成對環境無害的物質，從而達到脫硫脫硝的目的[20]。其特點是不需要電子槍和輻射屏蔽；不產生二次污染；脫硫脫硝效率高。但目前實驗研究不充分無法大范圍的使用。工藝流程如圖7所示。
4.3 煙氣循環流化床技術
傳統的煙氣循環流化床技術中的吸收劑不能既脫硫又脫硝。針對這一問題，張毅等人[21]研制的“高氧型高活性吸收劑”實現了同時脫硫脫硝的目的。吸收劑與煙氣中的SO2反應生成CaSO3和CaSO4，與NOx反應生成Ca（NO3）2，與單質汞反應生成HgCl2或HgO，并被固體顆粒吸收，從而達到同時脫硫脫硝的目的。工藝流程圖如8所示。
目前國內外興起的同時脫硫脫硝技術還有NaClO2氧化吸收法[22]、光催化氧化法[23]、NOXSO技術[24]等。
5 結語
火電廠煙氣脫硫脫硝技術的研究已經成為煙氣凈化技術的發展趨勢。筆者對近傳統的脫硫脫硝和近幾年國內外脫硫脫硝技術的研究機理和發展狀態進行了綜述。目前出現的新方法理論仍不完善，尚處于試驗初期，許多方面還需要深入研究。因此，為了真正實現大氣污染的控制，還加大力度研究脫硫脫硝技術。今后可以從無污染的吸收劑、設備革新、工藝創新等方面來進行研究。
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【關鍵詞】高速；加工機理；優勢；推廣價值
1.前言
高速切削加工是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術，在常規切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應用能夠得到解決。“高速切削”的概念是由德國物理學家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度與切削溫度理論。該理論的核心是：在常規的切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高，當到達某一速度極限后，切削溫度隨著切削速度的提高反而降低。隨后，高速切削技術的發展經歷了4個階段：高速切削的設想與理論探索階段（193l—l971年），高速切削的應用探索階段（1972-1978年），高速切削實用階段（1979--1984年），高速切削推廣階段（20世紀90年代至今）。
對高速切削加工的界定有以下幾種劃分思路：一是以主軸轉速作為界定高速切削加工的尺度，認為主軸轉速在10000-20000r/min以上即為高速切削加工；二是以主軸直徑D和主軸轉速n的乘積Dn來界定，當Dn值達到（5～2000）×105mm.r/min，則認為是高速切削加工，新近開發的加工中心主軸DN值大都已超過100萬；三是以切削速度高低來區分，認為切削速度跨越常規切削速度5至10倍即為高速切削加工。
2.數控高速切削加工的優勢
隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，從而縮短了產品的制造周期，提高了產品的市場競爭力。同時，高速切削加工的“量小速快”使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應力變形，十分有利于剛性差和薄壁零件的加工。高速切削加工中，主軸轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離了機床的低階固有頻率，提高了切削系統的剛性，進而使產品表面質量獲得提高。
數控高速切削加工和常規切削相比的主要優勢可歸納為：第一，生產效率可提高3～10倍。第二，切削力可降低30%以上。第三，切削熱95%被切屑及時帶走，特別適合加工容易熱變形的零件。第四，機床的激振頻率遠離工藝系統的固有頻率，工作平穩，適合加工精密零件。第五，經濟效益明顯。
3.數控高速切削加工的應用
數控高速切削工藝的應用，能使制造成本降低20%左右，產生新的經濟增長點。以某鍛造廠加工曲軸和連桿鍛模為例，傳統的加工工序為：外形粗加工仿形銑粗加工型槽熱處理外形精加工數控電火花粗、精加工型槽鉗工打磨拋光型槽表面強化處理。而采用高速切削加工后的工序為：外形粗加工熱處理外形精加工高速銑加工型槽表面強化處理。通過高速銑削加工直接完成淬硬鋼模具，使生產成本從傳統工藝的27000多元降到22000元。
高速切削加工具備過程平穩、振動小的特點，與常規切削相比，可提高加工精度1～2級，并能取消后續的光整加工。同時，采用數控高速切削加工工藝，可以在一臺機床上實現對復雜整體結構件的粗、精加工，減少了轉工序中多次裝夾帶來的定位誤差，也有利于提高工件的加工精度。如某企業加工的鋁質模具，模具型腔長達1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。原先的制造工藝為：粗刨半精刨精刨鏟刮拋光，制造周期為60小時。采用高速切削加工工藝后，改為半精加工和精加工，加工周期僅需6小時，加工效率提高近10倍。可見，高速切削加工在制造業中有著廣闊的應用前景。
4.數控高速切削加工的關鍵環節
高速切削加工不僅包含著切削過程的高速，還包含了工藝過程的集成和優化，可謂是加工工藝的統一。高速切削加工是在數控裝置、機床結構及材料、機床設計、制造工藝、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造工藝、高效高精度測量測試工藝、高速切削工藝等諸多技術均獲得充分成熟之后綜合而形成，可謂是一個復雜的系統工程。
高速切削加工應用中還存在著一些有待解決的問題，如對高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損內因的研究，高速切削數據庫的建立，適用于高速切削加工狀態的監控技術和綠色制造技術的開發等。數控高速切削加工所用的CNC機床、刀具和CAD/CAM軟件等，價格昂貴，初期投資較大，在一定程度上也制約著高速切削技術的推廣應用。實現數控高速切削加工的關鍵環節如下：
4.1高速切削機理的研究
高速切削加工過程是導致工件表面層產生高應變速率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦行為形成的為熱、力耦合不均勻強應力場的制造工藝。與傳統的切削加工相比，加工中工件材料的力學性能、切屑形成、切削力學、切削溫度和已加工表面形成等都有其不同的特征和規律。
各類材料在高速加工前提下，切屑的形成機理，切削力、切削熱的轉變規律，刀具磨損規律及對加工概況質量的影響規律，都有了極大的變化。通過對以上理論的研究，有利于促進高速切削工藝規范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝擬定能夠提供理論依據。
4.2高速切削機床的配備
高速切削機床是實現高速切削加工的必備條件，高速主軸系統、快速進給系統和高速CNC控制系統是關鍵。它要求具備高性能的主軸單元和冷卻系統、高剛性的機床結構、安全裝置和監控系統以及優良的靜動力特性，具有技術含量高、機床制造難度大等特點。通常，選用高速數控車床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床，它們都具有高速主軸系統和高速進給系統。一般主軸轉速在10000r/min以上，有的甚至高達60000-100000r/min，且要保證動態和熱態機能。也可釆用高速絲桿或直線電機，提高機床進給系統的快速響應。目前，直線電機最高加速度可達2-10G（G為重力加速度），最大進給速度可達60-200m/min或更高。
4.3高速切削工藝的刀具
隨著切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工藝都要能適應新的環境。刀具系統必需具有較高的幾何精度和裝夾再定位精度，以及較高的裝夾剛度。高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必需滿足動平衡要求，盡可能減輕刀體質量，以減輕高速扭轉時所受到的離心力。高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石等，高速切削刀具刀刃的外形正向著高剛性、復合化、多刃化和超精加工方向發展。
4.4數控編程系統要求
高速切削有著比傳統切削更特殊的工藝要求，除了要具備高速切削機床和高速切削刀具外，還要有合適的CAM編程軟件。高速加工的CAM編程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優化處理功能、待加工軌跡監控功能、刀具軌跡編輯優化功能和加工殘余分析功能等特點。高速切削應用程序首先要注意加工的安全性和有效性；其次，要保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命；第三，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。通常，使用的CNC軟件中的編程功能都不能滿足在整個切削過程中保證切削載荷不變的要求，需要由人工加以填補和優化，這在一定程序上降低了高速切削的價值。因此，必需研究一種全新的編程方式，使切削數據適合高速主軸的功率特征，充分發揮數控高速切削加工的優勢。目前，引進的CAM軟件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添適合于高速切削的編程模塊，為高速切削加工的應用提供了良好的條件。
5.結束語
由于數控高速切削加工在提高生產效益、降低制造成本中潛力巨大，美國、日本等國早在上世紀60年代初，就起動了超高速切削機理的研究。1978年美國完成了對高速加工數控銑床的改造，完成主軸轉數30000r/min與100000r/min的重要參數指標。現在，歐美等發達國家生產的各類超高速機床已經實現商業化，在飛機、汽車及模具制造行業中獲得了大量的應用。
我國在研究和開發高速切削工藝方面，與國外工業發達國家相比，仍存在著較大的差距。為適應社會經濟發展需要，滿足航空航天、汽車、模具等各行業的制造需求，必需加強對高速加工工藝基本理論的研究，加快高速主軸單元和高速進給單元的開發，努力實現高速機床的國產化，開發適應高速加工的CAD/CAM自主軟件系統和后置系統，建立新型檢測工藝監控系統。發展數控高速切削加工是提高加工效率和質量、降低成本的主要途徑，把當前的高速切削水平實用化，使我國機械加工業整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業發達國家的差距，是我國從事制造行業專業人員在新世紀的奮斗目標。
參考文獻：
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關鍵詞：煤基甲醇 制烴行業 發展現狀 分析
作為一項新的能源技術――煤基甲醇制烯烴，主要是通過使用煤炭替代石油來生產甲醇進而再向乙烯、聚烯烴、丙烯等方向發展。由于我國煤礦資源豐富，而汽油和天燃氣嚴重缺乏的能源特點決定了國民經濟的可持續發展必須依靠調整和優化能源結構, 充分利用我國煤炭資源優勢,從而降低對外國石油進口的依存度，對保障能源安全、部分替代石油以及促進我國經濟的可持續發展具有現實和長遠的意義。同時，煤基甲醇制烯烴技術在我國不斷受到業內人士的重視，具有誘人的發展前景。
一、我國煤基甲醇制烯烴行業的政策
調查顯示,當前我國煤基甲醇制烯烴行業正處于工業示范階段。按國家發改委《關于加強煤化工項目建設管理促進產業健康發展的通知》(發改工業[2006]1350號)規定,通常情況下不會批準年產規模小于60萬t的煤基烯烴項目。同時，依照石化產業調整振興規劃, 2009年~2011年,原則上不再安排新的煤化工試點項目,而是把重點放在現有煤基烯烴等類示范工程之上。目前，我國正在建設的煤基烯烴示范項目總共有3個,包括規模為60萬t/a烯烴的大唐國際煤基烯烴項目，規模約60萬t/a丙烯的神華包頭煤基烯烴項目和50萬t/a聚丙烯的神華寧煤煤基烯烴項目。
二、在我國發展煤基甲醇制烯烴產業的必要性
1.逐步取代進口，滿足國內市場的需求
雖然近些年來我國石油化工產業的發展迅速，但還不能滿足國內的基本社會活動正常需要，還需大量進口。因為國內烯烴市場自給率依然不足，需要依靠大量進口。所以，我們可以結合我國的實際情況，充分利用我國豐富的煤炭資源，采用先進的煤化工技術來大力發展煤基烯烴產業，從而提高國內烯烴及其下游產品的自給率，并滿足國內不斷增長的化工產品市場需求。
2.與我國煤多油少的能源結構特點相符
由于近年來我國經濟的快速發展，使得國內對石油資源需求的日益增長，并逐漸成為石油消費大國。同時，我國石油缺口逐年增大已是不容置辯的問題，并且能源的安全供應直接影響到我國社會的可持續發展以及國民經濟的平穩向前。所以，發展煤基甲醇制烯烴產業符合我國當前的資源結構特點，有利于緩解我國石油資源緊缺的局面，是有保障我國石油戰略安全的一項有力國策。
3.有利實現我國的節能減排政策
相關數據表明，煤基甲醇制烯烴工藝路線是采用目前世界上最先進的污染物處理技術和潔凈煤技術，與傳統的煤直接燃燒方式不同，它主要是通過集中處理的方式來減少污染物的排放，從而有效地降低了環境污染。
4.有利于調整我國煤炭企業產業結構
與國際市場相比，我國的煤炭及其產品地價格相對低廉，從而使得煤炭行業經濟效益長期在低位徘徊。發展煤基烯烴產業，有利于將低價值的煤轉變為具有高附加值的化工產品，從而在一定程度上提高我國煤炭企業的經濟效益。所以，大力倡導煤基烯烴產業，可實現我國對煤炭企業產業結構的有效調整。
三、我國煤基甲醇制烯烴行業的發展現狀分析
調查顯示，當前國外開發研究比較成功的甲醇制烯烴工藝主要有德國Lurgi公司的MTP技術以及UOP/HYDRO公司的MTO技術。而國內主要有中石化的SMTO技術、大連化物所DMTO技術以及清華大學FMTP技術。
1.中石化的甲醇制烯烴技術
其前期的研究工作包括C4以上組分回煉技術和SAPO-34催化劑的開發等主要是通過上海石化研究院來完成的。而華東理工大學課題組合完成了結焦動力學、反應動力學以及催化劑再生動力學的研究工作。同時，前幾年中石化在北京燕山石化建立了100 t/d甲醇制烯烴工業試驗裝置,將所產的乙烯和丙稀之類產品直接送至燕山石化現有裝置,從而實現甲醇制烴技術的連續運行。該裝置使用流化床反應器，并由中國石化工程建設公司進行裝置設計及承建,同時采用了上海石化研究院提供的SAPO-34分子篩催化劑。在2008年底,該技術完實現了甲醇年進料180萬t的甲醇制烯烴工藝包開發任務,并且具備了設計和建設大型甲醇制烯烴工業化裝置的條件。
2.大連化物所的甲醇制烯烴技術
經過多年的研究工作，中科院大連化物所終于開發出具有自主知識產權的甲醇制烯烴技術。相關數據表明，在改化物所在十年前就完成了日處理能力達到1 t的甲醇制烯烴試驗，同時，在2004年, 洛陽煉油設計院、大連化物所以及陜西新興煤化工公司經過三方的合作,并在陜西建設了年處理甲醇1. 67萬t甲醇制烯烴工業化中試裝置, 并于2005年12月建成該裝置, 以及在2006年2月20日一次投料試車成功。經考察探究可知,該工業化試驗裝置工作時運行穩定、安全可靠、技術指標先進，屬于具有自主知識產權的創新技術。其中所涉及的主要指標為: 乙烯/丙烯選擇性不小于78%，甲醇轉化率在99. 0%以上，相關技術指標達到國際先進水平。
3.清華大學的循環流化床甲醇轉化丙烯技術
經過投入一定的科研資本后，清華大學對甲醇制丙烯工藝進行了改進，它是以SPO-34作為催化劑，同時使用固氣并流的下行式流化床短接觸反應器。通過使原料與催化劑在氣固并流下行式流化床得超短接觸反應器中發生化學反應。由于物流方向為下行的，然而反應產物及催化劑出反應器后及時中止反應的進行，從而有效地抑制了二次反應的發生，若果分離出的催化劑進入再生器中，催化劑將在系統中連續反應并循環進行。從而有效地降低了后續分離工藝的難度，并減小了副產物烷烴的產生與增加了低碳烯烴的產量，其中低碳烯烴收率不小于93%，甲醇轉化率也在98%之上。目前,由清華大學/中國化學工程集團公司和安徽淮化集團有限公司一起合作，正利用該技術在安徽淮化集團廠區內建設一套3萬t/a的甲醇制丙烯工業試驗裝置。
四、結語
綜上所述，從我國經濟發展格局、能源結構、煤企整合以及環境保護等各方面分析，煤基甲醇制烯烴的發展技術上切實可行，并且十分必要對我國煤基甲醇制烯烴產業進一步的分析與發展。本文主要是結合我國當前國情對國內煤基甲醇制烯烴行業發展的現狀進行分析探討，希望有助于促進我國甲醇制烯烴技術的發展，并有利于扭轉我國當前所面臨的石油主要靠進口的局面。
參考文獻：
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【關鍵詞】非金屬管道 新型材料 腐蝕問題
1 非金屬管道應用現狀
由于埋地鋼質管道使用存在腐蝕和防腐材料老化問題，新工藝的不斷涌現，對防腐技術的要求逐漸提高，金屬管道的維修成本迅速升高。而非金屬管道在解決油田腐蝕問題上具有金屬管道所無法比擬的優勢，有效的緩解了因管道內腐蝕而污染介質的問題。由于各類非金屬管道在使用環境、介溫、壓力等方面具有不同的特點，其應用環境及效果也各不相同。
1.1 注水系統
目前，在注水系統中應用的非金屬管道主要為高壓玻璃鋼管和鋼骨架塑料復合管，具有良好的承壓性能，壓力為16MPa～25Mpa，管道內壁光滑，不易結垢結蠟，對輸送介質無二次污染。
1.2 集輸系統
用于集輸系統的非金屬管材主要有連續增強塑料復合管、鋼骨架聚乙烯塑料復合管和玻璃鋼管。
1.2.1連續增強塑料復合管
連續增強塑料復合管是以48股×10mm鋼絲編織成網狀骨架或以鋼帶纏繞骨架，內層為交聯聚乙烯、外層為中密度聚乙烯復合而成，且為連續軟管，可盤卷，對敷設地形要求低，無焊口，不會出現因焊口質量不過關而造成滲漏的現象。
1.2.2鋼骨架聚乙烯塑料復合管
鋼骨架聚乙烯塑料復合管采用低碳鋼絲編網，并高速點焊、塑料擠出填注同步成型技術，兩種材料均勻復合，管壁內外層塑料通過管壁中間的金屬網孔連接為一體，以法蘭和電熔兩種方式連接，長期輸送介質溫度介于0℃～70℃之間，承壓相對較低。
1.2.3玻璃鋼管
玻璃鋼管道采用無堿增強纖維為增強材料，環氧樹脂和固化劑為基質，經過連續纏繞成型、固化而成的，主要用于集輸系統輸送氣液混合油，壓力為3.5MPa～7.0MPa。
2 油田非金屬管道存在的問題分析
非金屬管道是一種非均質工程材料，其原材料、生產工藝，結構特性等與傳統的鋼制管道有很大差異。因此，在應用過程中時有滲漏、穿孔或斷裂等問題發生，影響了非金屬管道耐蝕優勢的發揮，目前油田應用的兩大類非金屬管道，即復合管和玻璃鋼管。
2.1 復合管在生產中常見問題總結
2.2.1管線破裂穿孔
（1）復合管道材質多為脆性或柔性、抗外界沖擊能力差，因此，在穿越井排公路時均需加套管保護，以防止地面載荷損壞管道。在使用鋼套管保護時，管線頻繁振動，使非金屬管道產生局部應力磨損，易造成管線滲漏或斷裂。
（2）非金屬管道在敷設時，管溝溝底應盡量均勻平整，溝底高低不平會造成管道受力不均，使管線產生不均勻沉降，回填時，高起處會產生應力集中，損壞管道或造成不必要的磨損，在管道系統中有脈動壓力時，這種現象將更為嚴重。
（3）非金屬管道是一種脆性材質，如果在裝卸搬運、施工時管材受到外力沖擊，在長期內壓作用下至使管線斷裂穿孔，因此，在施工過程中應嚴格執行施工操作規程。
2.2.2連接處滲漏
（1） 連續增強塑料復合管
連續增強塑料復合管為連續軟管，其連接采用扣壓式接頭，早期的接口內部采用六瓣密封，在管線運行過程中，在內壓作用下，液體易從縫隙間滲出，出現滲漏現象；連續增強塑料復合管保溫性差，在凍土層中發生故障率高于土層深埋，因此敷設時按施工要求操作，應越過凍土層。
（2）鋼骨架聚乙烯塑料復合管
鋼骨架聚乙烯塑料復合管在與管道連接時多采用電熔方式連接，主要用于埋地供水、污水輸送，應用效果較好，但因部分鋼骨架聚乙烯塑料復合管的電熔連接套筒內無鋼骨架加強層，耐壓強度不夠，因此管線埋地敷設時采用電熔連接，地面敷設可以采用法蘭連接。
2.3 玻璃鋼管在生產中常見問題總結
2.3.1玻璃鋼管線接頭漏及玻璃鋼管線與鋼管連接處漏
玻璃鋼管線接頭及玻璃鋼管與鋼管連接處滲漏，漏點多集中在管線出站前和穿越井排公路的兩側。為防止玻璃鋼管的振動發生磨損或者引起與鋼管連接處滲漏，在鋼管的一側或靠近鋼制轉換接頭處安裝固定支座，在管線內壓作用下，兩種管道的振幅和頻率不一，在連接處產生扭應力，長期在這種應力的作用下至使玻璃鋼管螺紋接頭滲漏或斷裂。
2.3.2管線破裂穿孔
玻璃鋼管道的樹脂基體屬于脆性材料，當變形率達到2%～3%時，材料就會產生永久性破壞，因此管線的彎曲度不得大于管道的最小彎曲半徑，否則管道在運行前已經受到彎曲應力的作用，在運行過程中則容易出現管體環向開裂，甚至在接頭的應力集中處出現斷裂。因此管道在儲存、裝卸、安裝過程中及生產運行或作業施工中，避免受外力沖擊，尤其易受機械損傷。
3 認識及建議
（1）從非金屬管道在油田應用效果看：
水系統：
①高壓玻璃鋼管道從設計、施工到生產管理技術已經成熟，適宜在高壓注水系統使用；
②在供水、水處理管道中，可選用低壓玻璃鋼管和鋼骨架塑料復合管。
油系統：從抗腐蝕性和環保角度，非金屬管道宜用在低洼地、夏秋積水面廣、腐蝕級別高的區域應用。
（2）非金屬管道無法像金屬管道一樣能用儀器探測到，因此，應加強非金屬管道標志樁的管理，避免丟失。
（3）在施工階段，礦及小隊應做好在新建非金屬管道情況統計表，明確非金屬管道的井號、起點、終點、長度、管道類型、管道規格、生產廠家等相關資料，有助于日后的維修。
（4）非金屬材質為電的絕緣體，不易于熱力解堵，管道在應用過程中應加強日常維護管理，防止管線凍堵現象發生，同時盡可能減少因交叉作業及其它人為因素而造成的機械損傷和滲漏。
作者簡介
劉麗娟，女，1981年生，工程師。2003年畢業于齊齊哈爾大學化學工程與工藝專業，現在大慶油田第七采油廠規劃設計研究所從事地理信息系統工作。
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
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4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
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