分离工程中重要分离技术的进展与展望.docx

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分离工程中重要分离技术的进展与展望

分离工程中重要分离技术的进展与展望

摘要：

简要介绍了分离工程产生和发展历史,各主要分离技术的发展现状,研究前沿以及未来的发展方向.分离工程过去在化学工程以及相近产业的发展中起了重要作用,也将在现在和未来推动现代化工和相关工业的发展,并在高新技术领域的发展中大显身手.评述10余年来在分离科学与工程领域的进展，这些领域包括：

萃取分离（反胶团萃取，双水相萃取，液膜萃取，，超临界萃取，凝胶萃取，胶团萃取）。

吸附蒸馏，膜分离，反应强化分离等方面的研究简况。

关键词：

分离技术，新进展，展望

引言：

化工分离技术是一个面对经济建设,广泛应用于多种工业的技术基础学科,是过程工程的核心技术之一。

化工、石化，冶金、医药等所谓“过程工业”一般均包括三大工序,即原料准备、反应与分离。

分离即负担反应后未反应物料与产物的分离,也包括目标产物与副产物间的分离、排放到环境中的废气、水、固体物料与有用产物的分离,以及原料中杂质的分离等等。

随着高新技术的发展,成千上万种新的化合物被发现、设计和合成,尤其是产物的多样化及深度加工,环境保护的严格标准的实施,都对化工分离技术提出了新的任务和更高要求。

例如,大部分生物技术产品以低浓度存在于水溶液中,需要发展在低温条件下的高效分离并富集的方法。

随着关系到国计民生和战略储备的矿产资源的枯竭,处理贫矿，复杂矿和回收利用二次资源将成为必然趋势,从而对分离技术的要求越来越高。

此外,包括我国在内的世界各国对环境保护日益重视,对废气，废水，废渣的排放制定出越来越严格的标准。

国外报道,过程工业总投资的50%~90%用于分离设备,操作费用60%以上用于分离工序。

因此国内外均对分离科学与工程的发展十分重视。

随着化学工程科学的发展,不仅其共性应用基础研究扩展为过程工程,而且将研究目标提升为产品工程。

分离技术的研究是过程工程的关键性和前沿性的项目之一。

把握分离过程的基本规律,吸取和发展化工学科交叉的特点,拓宽分离技术的辐射领域,是分离科学与技术发展的根本所在。

近年来,国外对分离科学、分离工艺和分离工程的研究十分活跃,除一般的化工、化学杂志不断介绍分离方面的研究成果外,国际性的分离专业杂志不下十余种。

每年还举办大量的各种分离技术的国际会议。

因此,对关系到我国“过程工业”如化学工业、石油化工、环境工程、生物化工等国家支柱产业21世纪初在国际上竞争力和综合实力的若干分离技术中带有共性、基础性的课题进行深层次的研究,在逐步进行传统分离技术与设备的根本性的改造的同时,研究和开创具有高效性、针对性和无害化的新型的分离技术,完善分离技术的工程开发,形成知识产权,科学地发展新的分离过程、分离方法、分离体系及分离设备,促进我国高新技术产业的可持续发展,提高我国工业整体水平,实现整个“过程工业”的现代化,是亟待解决的带有战略性的研究任务。

十年来,我国以萃取分离、精馏分离与膜分离等为代表的分离科学与技术的研究取得了较大的成就,扩大了国际上的影响,形成的科技成果己在国民经济的诸多领域中得到广泛应用,取得了十分显著的经济效益和社会效益。

本文重点就这些方面的新进展进行评价和介绍。

1　分离技术的诞生与发展

最早的分离技术可以追朔到中国夏,商朝的酿酒业中的蒸酒技术;古人制糖和盐掌握了蒸发浓缩和结晶技术;用蒸馏方法从煤焦油中提取油品.十八世纪英国工业革命,使化学工业这个巨人真正诞生和发展起来,随之分离工程也诞生并发展起来.1901年英国学者戴维斯在其著作《化学工程手册》中首先确定了分离操作的概念,1923年美国学者刘易斯和麦克亚当斯合著出版了《化工原理》,从而确立了分离工程理论。

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1.1　精馏

精馏用于分离液体混合物广泛应用于炼油,化工,轻工食品以及空气分离等,是最重要的分离方法之一.二十世纪的石油化工技术使精馏技术得以大大提高.生产能力大,分离效率高,能耗低,流动阻力小的新型精馏塔不断涌现,常规精馏技术几乎完美,分离复杂物系的特殊精馏,如恒沸精馏,萃取精馏,加盐精馏,分子精馏陆续问世并不断完善.

1.2　吸收

吸收用于分离气体混合物,目的有直接制取产品如用水吸收HCL制取盐酸;或对原料气实行净化,如焦炉气中苯的脱出;或环保的要求,如烟道气脱硫等.到现在,其技术成熟度与工业应用度也几乎完美.

1.3　结晶

与精馏和吸收一样,结晶也是一古老传统的分离技术,它多在蒸发下游,最终获得固体产品.其技术在二十世纪50年代取得重大进展,最著名的是采用深冷结晶法从混合二甲苯中分离出对位二甲苯,但设备庞大复杂,而且能耗很高,工业应用受阻.至20世纪80年代,多级分步结晶技术逐步工业化,使结晶技术取得突破性进展,多级分步结晶最大的优点是能耗低.据统计至少有1500中产品采用了这一技术进行提纯精制.

1.4　干燥

干燥也是一古老传统的分离方法,其应用最广也是能耗最多的分离操作之一,用来脱出水分或湿分以获得固体产品,可以说几乎没有那个行业完全与干燥无关.在过去20～30年间,干燥领域的主要技术进步如下；

（1）流态化干燥.诞生于1921年,目前应用最广,技术最成熟的设备是卧式振动流化床.

（2）喷雾干燥.其独特的优势为可以直接由溶液或悬浮液制成粉状或粒状产品.

（3）间接加热干燥（也称接触干燥）.这种干燥方式的特点是热气体不直接接触物料,而是通过器壁或管壁加热,如可以用废气作为加热介质而又不会污染产品.

（4）真空干燥与真空冷冻干燥.真空可以降低干燥温度,因此这种干燥方式对于热敏性物料的优势几乎不可替代,已成为近20年来发展最快的干燥技术之一.真空冷冻干燥是集冷冻和干燥为一体,20

世纪70年代开发研究,其产品质量均优于普通真空干燥,但成本高,现仅用于高附加值产品,如人参等.

1.5　超临界萃取

提到分离技术,不得不提超临界萃取技术.20世纪70～80年代的全球性能源危机,是超临界萃取技术的催生剂和催化剂,世界各国对超临界流体的溶解能力和相平衡特性进行了大量的研究,我国也不例外.目前,这一技术已工业化应用于天然物分离.已经工业化的有萃取脂溶性高沸点热敏物质.将超临界萃取技术用于精馏;超临界溶液快速膨胀（RESS）;超临界流体脱溶（SAS）;超临界逆向结晶（SRC）;超临界干燥（SD）;超临界流体色谱;超临界流体重结晶提纯以及制备微细颗粒材料.

1.6　膜分离

同超临界萃取技术一样,提起分离技术,不得不提膜分离技术.其诞生和发展是近五十年的事.上个世纪50～60年代,人们已经开始意识到能源的潜在危机,传统高能耗的分离技术面临巨大威胁,不得不寻求新的节能分离方法.于是,50年代为膜科学及技术的基础研究阶段，60～70年代为发展并实现工业化阶段,80年代至今为技术深化完善,扩大应用,并研发高难度新型膜分离技术阶段.膜分离技术发展到今天可分为:

微滤;超滤;反渗透;电渗析;气体扩散;渗透蒸发;液膜分离等.膜分离过程一般无需相变化,因此对热敏性,相对挥发度小或存在共沸点的混合物具有独特的优势,同时还节省能耗,工业上有用膜分离来取代或部分取代精馏的情况.目前,气体混合物的分离工业应用较为成熟的有,如美国Monsanto公司开发的气体膜分离器用于分离H2和CO2;液体混合物分离方面,较成功的应用有反渗透用于海水淡化和医药及微电子工业无菌水的制造;超滤用于酶和蛋白质生产中大分子产品的分离提纯,食品工业中乳制品,果汁,酒的浓缩,超滤还应用于环保中废水处理,如汽车制造业中电泳涂料清洗用水的处理,纸厂纸浆废水处理等.

近年来,无机膜应用于微滤和超滤取得了重大进展,它解决了聚合物膜的化学稳定性和热稳定性差的问题,而且选择性也大大提高了.此外,反应—分离耦合技术也是近年发展起来的新兴技术,它是利用反应促进分离或利用分离促进反应.该技术因可以提高反应的转化率,简化工艺过程,节省投资及操作费用而倍受重视.目前已工业化的有反应精馏,所发生的脂化反应在精馏塔中进行,及时分离反应生成的水和脂,是反应持续向脂化方向进行,如醋酸丁脂的生产.又如生化反应中,利用萃取发酵生产乳酸,乙醇,丙酮丁醇,可以提高转化率,使发酵罐的生产能力大大提高.其它的一些传统分离技术,如溶剂萃取,气固吸附,离子交换等,技术成熟度与工业应用度也相当成熟.

2　新世纪的分离工程与其未来

新世纪全人类所面临的四大问题:

环保,能源,粮食与健康医疗,每个都与化学工程及分离工程相

关.现已普遍使用的分离技术,如萃取,吸附,离子交换,膜分离仍大有用武之地.以下就具体谈谈分离工

程的研究前沿及预测未来发展方向.

2.1　各传统分离技术方面

精馏,吸收,结晶,溶剂萃取,过滤,干燥等,将向进一步完善方向发展,开发高效节能设备,提高自动化程度,拓宽适用范围等.如精馏,应研究改善大直径填料精馏塔的气液均布问题,反应精馏的进一步开发.结晶方面,将重点开发沉淀技术,将传统的沉淀技术与界面现象结合,前沿课题如在纳米级均匀颗粒或薄膜制备中采用的均匀沉淀技术;生产有色金属超细材料的反萃沉淀技术;具有快速,节能,专一特点,在湿法冶金和生物分离方面有广阔前景的乳化液膜沉淀技术;将喷雾干燥与沉淀结合的喷雾沉淀技术等.吸附方面,模拟移动床不仅在化工而且在制糖以及医疗中具有独特作用;变压吸附在冶金,材料,医疗,环保以及食品保鲜方面前景广阔;层析应用于纯化度要求高的分离过程;如生物活体的提取,天然动植物中有效成分的提取;扩张床将固液分离,吸附分离和浓缩集成,简化了工艺,提高了产品的回收率,将成为生化分离的关键技术，现已用于基因工程人工血清蛋白的制取.干燥方面,干燥理论及过程模型化的研究始终落后于干燥设备及其工业应用,因此这方面的研究尤其是干燥过程中的传热问题是其前沿课题,如出结果将是十分诱人的.干燥过程的节能也始终是具有重大意义的课题,此外,食品和生物物料干燥技术;可大幅度提高纸和织物干燥强度的冲击穿透干燥技术;可使干燥过程在瞬间完成的对撞流干燥技术;真空冷冻干燥技术;各种特殊干燥技术,如超临界干燥技术等,都将是干燥技术的研究发展方向.

2.2　超临界流体技术

超临界流体因其具有独特的物理化学性质,如具有液体良好的溶解能力和气体良好的扩散性,以及密度,粘度,介电常数,扩散性能随温度和压力的微小变化而发生显著变化的特性,使其在分离工程中起着独到的作用.超临界流体反应;以及前面所提到的超临界溶液快速膨胀,超临界流体脱溶,超临界逆向结晶,超临界流体干燥等均为研究前沿.特别是对过程起着支配作用的重要理论研究超临界结晶机理,干燥机理等的研究将对这些技术的应用起着至关重要的作用.

2.3　膜分离技术

有人断言,21世纪是“膜”的世纪,这有一定道理,可见膜分离技术在未来科学技术中举足轻重的作用.在离子交换膜方面,改进电解槽结构,致力于提高全氟离子交换膜的质量以及开发其在非电解HCL方面的应用是研发方向.微滤,超滤和反渗透方面,微滤主要用于分离水溶液中的物质,除去尺寸为500Lm～50Lm的微粒,一般其膜是一次性使用的,因此降低膜成本和拓宽应用范围将是研发方向;超滤也主要是从水溶液中除去12~～500~的大分子及高分子化合物,胶体,病毒等,根据市场需要,增加品种,提高膜的性能将是其研究方向;反渗透能够除去水溶液3~～12~的溶质,可除去除H+和OH-以外的无机离子。

分离技术的发展与展望和低分子有机物,现主要用于脱盐,研究发展方向将是提高通量和脱盐率,膜的耐热及耐氧化性,组件大型化,降低膜成本,拓宽应用领域等.气体分离领域,氢气分离中变压吸附和深冷分离法具有明显优势,空气富氧化方面,正在积极开发燃烧用膜式空气富氧化系统.渗透蒸发已成功用于制取无水乙醇.开发低能耗,工艺简单的方法从发酵液中提取乙醇是一重要课题,正在研究的乙醇选择性透过膜可由含乙醇4%—8%的发酵液中制成80%的乙醇,使制备无水乙醇的能耗降为常规精馏法的25%,一旦成功,传统精馏法生产乙醇将受到挑战,但膜是否能循环使用是个问题（抗污染性）.反应与渗透蒸发耦合,利用渗透蒸发使生成物不断排除,促进可逆反应的进行,如脂化反应,这一课题前景光明。

液体膜,至今几乎无大规模工业应用,主要是由于液膜寿命短的问题一直没有解决,因此长寿命液膜的研究是诱人的课题.其余具有开发研究价值的膜分离技术还有膜反应器;酶膜反应器;具有催化活性的络合金属高分子膜;离子传导膜;膜在医疗上的应用,如人工肾;反应—膜分离耦合等.即使膜技术进步是如此突飞猛进,膜工业可以说是朝阳工业,可是在教育领域却无法跟上形势,在发达国家,仍有不少大学没有开设膜科学与技术课程,因此荷兰学者H·Strathmann认为,严重问题存在于教育领域

2.4　分离工程与生物工程

作为高科技的核心之一,现代生物技术将改变医学,农业,食品,能源,化学,环境保护甚至信息领域的传统面貌,将带来巨大的变革.分离技术在生物工程中的作用是不可替代的.生物分离分为培养液和发酵液的预处理及固—液分离;产物提取;产物纯化和精制;产品加工等.已成功应用的分离技术有离心分离,超滤膜分离;适合于生物特点的分离技术还有离子交换层析,电泳,双水相萃取,反胶束萃取;另外,以高效及大规模为目标开发的生物分离技术有亲和膜分离,亲和超滤,扩张床技术,高效层析技术等

2.5　分离工程与环境保护

环境保护现已成为世界各国及全人类关注的问题,对环境监视的度和对环境保护的投入在不断提高,分离工程也将在其中扮演重要角色.传统分离技术应用于保的有吸收用于工业废气脱硫，沉淀用于除去废渣,吸附分离有害气体,过滤废液或废渣,蒸发回收用物质,离子交换用于回收贵重金属及处理放射性废水,萃取用于脱除废水中的酚及其它有害杂质,液膜分离用于废水中重金属离子的富集等.进一步开发将集中在对排放废物的中和利用上,如纸厂废碱收的中和利用,废电池的回收及中和利用等

3　结束语

21世纪是生物科学技术的时代,是信息时代,是全人类为生存,为健康,为保卫人类共同的家园—地球而奋斗的时代.相信分离工程将会在新世纪的科学技术进步起更大作用,取得更辉煌的成就.

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