徐广通教授:从中石化的光谱过程分析技术到三聚氰胺

2008年11月04日 08:47:59 来源: 光谱会议组委会、分析测试百科
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——纪念我国光谱事业30年,第十五届全国分子光谱学学术会议专家采访报道系列

     在这个丰收的金秋季节,我国的光谱学界也迎来了属于自己的收获――第十五届全国分子光谱学学术会议在京隆重召开。此次会议的规模、参会人数以及期刊论文数堪称历届会议之最。在会议召开之前,会务组、分析测试百科网、中国光谱网组成了宣传报道小组,希望尽可能忠实地记录和纪念我国光谱事业的30年,并展现会议的盛况。

 

徐广通教授:从中石化的光谱过程分析技术到三聚氰胺

徐广通教授

    记者:请您简单谈谈您个人的研究经历。

    徐广通教授:谈到这个话题首先应感谢在学术上给过我指导的几位导师,上世纪80年代中后期在浙江大学读硕士期间在陈耀祖院士、竺安教授和侯镜德教授的指导下从事有机结构和色谱分析的研究工作,到90年代中期来到石油化工科学研究院,本想随陆婉珍院士从事色谱的研究,陆院士则提出开展一些近红外光谱的研究,当时近红外光谱和现在热热闹闹的场面大不相同,仪器、软件都没有现成的,所以在当时我们从仪器的开发到化学计量学方法的研究到应用研究开展了一系列的工作,在当时也许我是第一个从事现代近红外光谱分析的博士生,随着近红外光谱技术的日趋成熟,近年来基于研究院工作的需要,我的工作重点从油品分析逐步转移到催化剂分析表征上来,对我而言这是个新的领域,这期间闵恩泽院士、陆婉珍院士都给过我很多的指导和帮助,在我从事过的几个研究方向都能得到大师的指点,应当说我是幸运的,他们的做人、做事方式也对我产生很大的影响。

    这次我们是开光谱会,还是回到光谱的主体上来吧。石科院是中国石化直属的研究机构,身在企业,我们的科研课题很多是基于生产的需求考虑,近红外光谱这个学科在国内的引出和发展也正是基于这样一种“适应生产需求”的思路。按常规方法,石化产品的质量控制具有分析项目多、周期长、人耗和物耗都比较高的特点,而石油化工的生产则开始大规模采用先进过程控制系统(APC),显然传统的分析技术满足不了APC系统的要求,随着计算机技术的快速发展和化学计量学方法的普及,当时近红外光谱在国外石化和农业领域的应用已显现出它的巨大潜力,陆院士认为,光谱的“快”是其他分析技术所不能比拟的,结合我们的生产工艺需求,做出了向光谱领域进军的决策。

    由于当时实验室尚没有商品化的仪器选用,我当时所做的工作主要有三个方面,一是在当时已有的CCD实验室样机的基础上进行改进以使其达到商用机的要求;二是研究近红外光谱分析中的化学计量学问题;三是以柴油为对象研究近红外光谱的应用。通过系列的工作使我们对近红外光谱技术从仪器要求到软件设计在到实际应用有了系统的认识。当时我们所做的工作对推动近红外光谱技术在国内的发展多少起到了一点作用,孟广政老师前些日子通报了一下《光谱学与光谱分析》杂志的论文情况,我们2000年在该杂志发表的一篇系统介绍近红外光谱的论文有过上千次的引用和几千次的浏览,陆院士还组织编写了一本《现代近红外光谱分析技术》的小册子,也有很高的引用率,成为国内近红外光谱研究和应用的经典书籍。从那时起,近红外光谱在石化领域逐步进入实际应用阶段,为企业社会和经济效益的提高发挥了较好的作用。

 

    记者:请您举例谈谈如何通过光谱技术提高企业的效率。

    徐广通教授:在我们中国石化,通过光谱技术提高运行效率主要表现在两个方面,一是在生产企业将光谱技术运用于生产装置运行状况和产品质量的监控,二是在流通领域,用光谱技术进行油品质量的快速评价。有一个小故事,98年我带课题组研制的样机在炼厂进行一些现场考察实验,炼厂化验室每天9点之前从不同装置的采样口采十几个样品,,每个样品有十多个分析项目,一般情况这是一个班组一天的工作量,当我建立了汽、柴油的分析模型,十多个样品的主要指标一个人只需半个多小时就完成了,由于没有试剂和设备消耗,分析的成本几乎为零,工人们戏称我带去了一台能省钱的“下岗机”。当然数据的快速反馈可以对中间产品和最终产品的质量进行快速的跟踪,减少甚至杜绝质量事故的发生。在流通领域,油品的来源和周转是一个比较复杂的系统,一船或一车油到了,质量情况如何需要尽快进行评估,如按老办法等一天出数据,这等候过程占船、占车、占码头的费用都是很高的,而有了光谱快速质量评估的手段,就可以将等候的时间缩到很短,运行的效率自然就大大提高。所以红外光谱技术在过程在线分析、现场分析领域大有用武之地。

 

    记者:您能展望一下过程分析技术未来的应用么?

    徐广通教授:过程分析技术应当说不是一个新名词,不同的是我们将红外光谱做为“软仪表”用于过程分析,和我们过去采用直接测量的仪表不同,红外光谱测量物料的组成和性质是一种模拟测量技术,是基于光谱仪器测量的光谱和标准方法测量的基础数据,通过化学计量学方法建立校正模型,即建立光谱与组成或性质数据之间的关系,当快速测量未知样品的光谱后,通过计算机来处理可快速地预测它的组成和性质。比如在汽油管道调和系统中的应用,在国内,汽油调合至少有3~4个组分,我们有90、93、97号不同规格的汽油产品,不同标号的汽油对于组成、性质的要求是不一样的,而不同的规格的汽油调合成本也有较大的差异,为保证产品质量合格的同时尽量的减少生产成本,实现生产效益的最大化,我们有个提法叫实现“质量卡边控制”,即必须要满足质量要求,但质量指标不能富裕。如生产93号汽油,辛烷值达到93就可以了,你如果是94了,生产成本肯定会提高。因为一个辛烷值单位,大约相当于50多元/吨汽油的成本,如果一个炼油企业2000吨/天的汽油产量,一年因为质量富裕导致的效益损失可能达几千万元。光谱分析除在质量卡边控制中发挥重要作用外,由于其快速分析的特点,能做到实时的控制,在油品“管道调合”系统中也发挥重要作用。所谓“管道调合”就是各装置生产的调合组分,不要再进储罐,直接通过管道调合系统生产出不同规格的产品。如果按常规,每一调合组分都搞上一个甚至几个罐来储运,油打到组分罐里,再从这个罐打到另个罐进行调合,罐本身要占有大量的“罐区”,不仅增加生产成本,也有了很多不安全的隐患。目前一台光谱光谱仪器通过光纤接口可对多达8~12个通道的物料进行测量(1分钟切换一个管道),以满足多通道的过程分析要求。

 

    记者:关于过程分析,您觉得除了近红外还有什么其它方法、仪器吗?

    徐广通教授:对于不同的检测需求可能有不同的优化选择。在我们这个部门,汽柴油是主要的产品,用近红外的方式可能比较方便一些(液体、固体样品且测量的不是微量信息)。对于气体的样品,由于灵敏度的原因近红外的适应性差一些,采用在线色谱更适合。测量的手段一定要负载上样品的信息,还和测量的目标有关系,有些在线分析用在线小核磁也很方便,测定氢信号。我们的实验室有十几个门类的分析仪器,并非最先进的才是最好的。我的观点是,我们要解决一个特定的问题,要选择一个最便利、信息最可靠、最适合它的分析工具,最合理的、最便利的也才是最合适、最有效的。在工业控制上,信息可靠性是最重要的。应当指出的是近年来我感觉近红外光谱在有些部门有应用过度之嫌,甚至成了万金油,进行了简单的偏差评估或相关分析就认为建立了一个新的方法,缺乏对数据误差或光谱信号的深层次分析,这是很危险的。所以我认为近红外光谱可以作为质量监控的有效工具,不能象标准方法作为判别是非的工具,但课题提供一些参考。

 

    记者:您在石化领域制定过标准,不知对食品行业三聚氰胺的问题有什么看法?或有什么经验?什么建议?

    徐广通教授:我当时看到三聚氰胺的消息后曾在网上贴了一篇帖子,因为做过一些标准化的管理工作,又是从事分析化学专业的,对技术标准有点敏感性。我谈到“这里面固然有不法企业、不法奶农的问题,但更重要的是质检部门技术标准的缺失或缺陷。”通过凯氏定氮来推算牛奶中蛋白质的含量的前提是测量的所有氮元素均来自于牛奶蛋白质,也就是说存在一个氮形态问题,标准中如果加上这么有一句话:“所测量的氮要必须是以蛋白方式存在的氮,不允许有其它人为填加的含氮物质”,然后质检部门建立抽查制度,不法奶农和企业也就没有可钻的空子。其实在标准里有这么一句话,就可以达到防微杜渐的效果。再比如前几天我们在讨论生物柴油的标准,也有类似的问题。生物柴油是把各种油脂加工生成脂肪酸甲酯,用红外光谱的方法检测脂肪酸甲脂的含量,但也有一些潜在的问题,因为我们国内的问题比国外来得复杂,我们整体的社会道德观还没有达到一个很高的层面,也就存在一些不计后果钻空子的不法分子。对于脂肪酸甲酯,用红外1740 cm-1左右的这个羰基吸收来推算脂肪酸甲酯的含量。我们就讨论标准中是否要加句话:“羰基必须以脂肪酸甲酯的形式存在,而不能以其它的形式存在,比如油脂”。因为油脂比如废油不加工直接掺入柴油,也可检测出羰基,但它不是以脂肪酸甲酯的形式存在,而没加工的油脂可能对汽车的性能产生不良的影响。有了这么一句话,并有配套的技术措施,就可以堵住不法分子。

 

    记者:我们也了解一些标准制定部门,他们制定标准的困难是标准定得不能都使用昂贵的仪器,因为要考虑到推广和普适性。

    徐广通教授:是有这个问题,标准的级别越高,普适性越宽,技术水平可能就越低。行业标准、地方标准往往会高于国家标准,企业特别是一些优质的企业,标准会更高,会提出更苛刻的要求。

 

附录:徐广通教授简介

主要研究方向:光谱分析、色谱分析、工业催化剂表征和油品分析技术研究
出生年月:1964年10月
职称职位:
中国石化石油化工科学研究院分析研究室副主任
国家石油化工催化材料与反应工程重点实验室
博士 教授级高工
中国分析测试学会理事
光谱学与光谱分析杂志常务编委
作为项目负责人曾两次次获中国石化科技进步二等奖,因近红外光谱技术研究及其在石油炼制中的应用获侯祥麟科学基金奖。

 

专题:第十五届分子光谱学学术会议