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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进展及展望
摘要:
简要介绍了分离工程产生和发展历史,各主要分离技术发展现状,研究前沿以及未来发展方向.分离工程过去在化学工程以及相近产业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发展,并在高新技术领域发展中大显身手.评述10余年来在分离科学及工程领域进展,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技术基础学科,是过程工程核心技术之一。
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、反应及分离。
分离即负担反应后未反应物料及产物分离,也包括目标产物及副产物间分离、排放到环境中废气、水、固体物料及有用产物分离,以及原料中杂质分离等等。
随着高新技术发展,成千上万种新化合物被发现、设计和合成,尤其是产物多样化及深度加工,环境保护严格标准实施,都对化工分离技术提出了新任务和更高要求。
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高效分离并富集方法。
随着关系到国计民生和战略储备矿产资源枯竭,处理贫矿,复杂矿和回收利用二次资源将成为必然趋势,从而对分离技术要求越来越高。
此外,包括我国在内世界各国对环境保护日益重视,对废气,废水,废渣排放制定出越来越严格标准。
国外报道,过程工业总投资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及工程发展十分重视。
随着化学工程科学发展,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。
分离技术研究是过程工程关键性和前沿性项目之一。
把握分离过程基本规律,吸取和发展化工学科交叉特点,拓宽分离技术辐射领域,是分离科学及技术发展根本所在。
近年来,国外对分离科学、分离工艺和分离工程研究十分活跃,除一般化工、化学杂志不断介绍分离方面研究成果外,国际性分离专业杂志不下十余种。
每年还举办大量各种分离技术国际会议。
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若干分离技术中带有共性、基础性课题进行深层次研究,在逐步进行传统分离技术及设备根本性改造同时,研究和开创具有高效性、针对性和无害化新型分离技术,完善分离技术工程开发,形成知识产权,科学地发展新分离过程、分离方法、分离体系及分离设备,促进我国高新技术产业可持续发展,提高我国工业整体水平,实现整个“过程工业”现代化,是亟待解决带有战略性研究任务。
十年来,我国以萃取分离、精馏分离及膜分离等为代表分离科学及技术研究取得了较大成就,扩大了国际上影响,形成科技成果己在国民经济诸多领域中得到广泛应用,取得了十分显著经济效益和社会效益。
本文重点就这些方面新进展进行评价和介绍。
1 分离技术诞生及发展
最早分离技术可以追朔到中国夏,商朝酿酒业中蒸酒技术;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,是最重要分离方法之一.二十世纪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,如焦炉气中苯脱出;或环保要求,如烟道气脱硫等.到现在,其技术成熟度及工业应用度也几乎完美.
1.3 结晶
及精馏和吸收一样,结晶也是一古老传统分离技术,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分离方法,其应用最广也是能耗最多分离操作之一,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及干燥无关.在过去20~30年间,干燥领域主要技术进步如下;
(1)流态化干燥.诞生于1921年,目前应用最广,技术最成熟设备是卧式振动流化床.
(2)喷雾干燥.其独特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)真空干燥及真空冷冻干燥.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优势几乎不可替代,已成为近20年来发展最快干燥技术之一.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年代全球性能源危机,是超临界萃取技术催生剂和催化剂,世界各国对超临界流体溶解能力和相平衡特性进行了大量研究,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事.上个世纪50~60年代,人们已经开始意识到能源潜在危机,传统高能耗分离技术面临巨大威胁,不得不寻求新节能分离方法.于是,50年代为膜科学及技术基础研究阶段,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混合物具有独特优势,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情况.目前,气体混合物分离工业应用较为成熟有,如美国Monsanto公司开发气体膜分离器用于分离H2和CO2;液体混合物分离方面,较成功应用有反渗透用于海水淡化和医药及微电子工业无菌水制造;超滤用于酶和蛋白质生产中大分子产品分离提纯,食品工业中乳制品,果汁,酒浓缩,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,它解决了聚合物膜化学稳定性和热稳定性差问题,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.目前已工业化有反应精馏,所发生脂化反应在精馏塔中进行,及时分离反应生成水和脂,是反应持续向脂化方向进行,如醋酸丁脂生产.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,使发酵罐生产能力大大提高.其它一些传统分离技术,如溶剂萃取,气固吸附,离子交换等,技术成熟度及工业应用度也相当成熟.
2 新世纪分离工程及其未来
新世纪全人类所面临四大问题:
环保,能源,粮食及健康医疗,每个都及化学工程及分离工程相
关.现已普遍使用分离技术,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气液均布问题,反应精馏进一步开发.结晶方面,将重点开发沉淀技术,将传统沉淀技术及界面现象结合,前沿课题如在纳米级均匀颗粒或薄膜制备中采用均匀沉淀技术;生产有色金属超细材料反萃沉淀技术;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乳化液膜沉淀技术;将喷雾干燥及沉淀结合喷雾沉淀技术等.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分离过程;如生物活体提取,天然动植物中有效成分提取;扩张床将固液分离,吸附分离和浓缩集成,简化了工艺,提高了产品回收率,将成为生化分离关键技术,现已用于基因工程人工血清蛋白制取.干燥方面,干燥理论及过程模型化研究始终落后于干燥设备及其工业应用,因此这方面研究尤其是干燥过程中传热问题是其前沿课题,如出结果将是十分诱人.干燥过程节能也始终是具有重大意义课题,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冲击穿透干燥技术;可使干燥过程在瞬间完成对撞流干燥技术;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物理化学性质,如具有液体良好溶解能力和气体良好扩散性,以及密度,粘度,介电常数,扩散性能随温度和压力微小变化而发生显著变化特性,使其在分离工程中起着独到作用.超临界流体反应;以及前面所提到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重要理论研究超临界结晶机理,干燥机理等研究将对这些技术应用起着至关重要作用.
2.3 膜分离技术
有人断言,21世纪是“膜”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质量以及开发其在非电解HCL方面应用是研发方向.微滤,超滤和反渗透方面,微滤主要用于分离水溶液中物质,除去尺寸为500Lm~50Lm微粒,一般其膜是一次性使用,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~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,提高膜性能将是其研究方向;反渗透能够除去水溶液3~~12~溶质,可除去除H+和OH-以外无机离子。
分离技术发展及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,工艺简单方法从发酵液中提取乙醇是一重要课题,正在研究乙醇选择性透过膜可由含乙醇4%—8%发酵液中制成80%乙醇,使制备无水乙醇能耗降为常规精馏法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).反应及渗透蒸发耦合,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问题一直没有解决,因此长寿命液膜研究是诱人课题.其余具有开发研究价值膜分离技术还有膜反应器;酶膜反应器;具有催化活性络合金属高分子膜;离子传导膜;膜在医疗上应用,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及技术课程,因此荷兰学者H·Strathmann认为,严重问题存在于教育领域
2.4 分离工程及生物工程
作为高科技核心之一,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传统面貌,将带来巨大变革.分离技术在生物工程中作用是不可替代.生物分离分为培养液和发酵液预处理及固—液分离;产物提取;产物纯化和精制;产品加工等.已成功应用分离技术有离心分离,超滤膜分离;适合于生物特点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 分离工程及环境保护
环境保护现已成为世界各国及全人类关注问题,对环境监视度和对环境保护投入在不断提高,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酚及其它有害杂质,液膜分离用于废水中重金属离子富集等.进一步开发将集中在对排放废物中和利用上,如纸厂废碱收中和利用,废电池回收及中和利用等
3 结束语
21世纪是生物科学技术时代,是信息时代,是全人类为生存,为健康,为保卫人类共同家园—地球而奋斗时代.相信分离工程将会在新世纪科学技术进步起更大作用,取得更辉煌成就.
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