现代分离技术论文

分离技术的发展现状和展望摘要:简要阐述了分离技术的产生和发展概况，各主要常规和新型分离技术的发展现状、研究前沿及未来的发展方向，并讨论了分离技术将继续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。关键词:分离技术；发展现状；展望DevelopmentStatusandprospectonseparationtechnologyAbstract:Thehistoryofproduceanddevelopmentonseparationengineeringisbrieflyintroduced.Thestatusandstudyadvanceofmosttraditionalandnewseparationtechniquesanditsdevelopingdirectioninfutureisbriefed.Inthepast,separationtechnologybroughtintoimportantplayinchemicalengineering.Itisdiscussedthatitwillalsoimpelmodernchemicalengineeringandrelativeindustriesinfuture.Moreoveritwillstrutitsstuffinhightechnology.Keywords:separationtechnology;development;prospect本文从分离技术的产生和发展概况入手，综述了精馏、吸附、干燥等常规分离技术和超临界流体分离、膜分离、耦合分离等新型分离技术的研究，并分析了各种技术在现代化工中的重要作用。1概述分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提取或纯化的一门新型学科。1901年英国学者戴维斯[1]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[1]合著出版了《化工原理》，从而确立了分离工程理论，并得以充实和完备；20世纪后期，分离技术不断深化与拓宽。而从近年的发展来看，各国都在根据自身特点和条件加速发展分离技术，例如美国的研究工作兼具新颖性和实用性的特点，法国重视核领域和数学模型的研究，德国重视实验技术和工程研究等。我国分离技术的研究和应用从50年代以来也取得了重大的进展。展望新的世纪，分离技术将在高新科技的发展中起更大的作用。1.1化工分离技术重要性化工分离技术是化学工程的一个重要分支，任何化工生产过程都离不开这种技术[2]。绝大多数反应过程的原料和反应所得到的产物都是混合物，需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。随着对产品的质量及物质纯度的要求随之提高，同时煤炭与石油危机所引起的能源危机对资源利用与清洁生产也提出了要求。正因为如此，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取等不断改进、完善和发展，并使一些特色明显的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取以及耦合技术等得到重视和发展。1.2化工分离技术的多样性由于化工分离技术的应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性。按机理划分，可大致分成五类，即：生成新相以进行分离（如蒸馏、结晶）；加入新相进行分离（如萃取、吸收）；用隔离物进行分离（如膜分离）；用固体试剂进行分离（如吸附、离子交换）和用外力场或梯度进行分离（如离心萃取分离、电泳）等，它们的特点和设计方法有所不同。Kelley[3]于1987年总结了一些常用分离方法的技术成熟度和应用成熟度的关系图(图1)。十余年来，化工分离技术虽然有了很大的发展，但图中指出的方向仍可供参考。例如,精馏、萃取、吸收、结晶等仍是当前使用最多的分离技术[4-5]。液膜分离虽然构思巧妙,但由于技术上的局限性,仅在药物缓释等方面得到有限的应用。图1分离过程的技术和应用成熟度[3]Fig.1Thetechnologyandusematurityoftheseparatingprocess2传统分离技术精馏虽然是最早期的分离技术之一，几乎与精馏同时诞生的传统分离技术,如吸收、蒸发、结晶、干燥等，经过一百多年的发展，至今仍然在化工、医药、冶金、食品等工业中广泛应用并起着重要作用。2.1精馏技术精馏是关键共性技术，已经被广发应用了200多年，从技术和应用的成熟程度考虑，目前仍然是工厂的首选分离方法[6]。精馏市场的经济效益至今仍是令人刮目相看的。而近年来，随着相关学科的渗透、精馏学科本身的发展及经济全球化的冲击，我国精馏技术正向新一代转变，以迎接所面临的挑战。其特征[7]为：（1）精馏学科正由传统的依靠经验、半经验过渡到凭半理论以至理论；（2）精馏过程正由传统的单一分离过程过渡到耦合和复杂的优化分离过程，以提高分离效率和节能；（3）由对环境造成严重污染的一代向注重环保的一代转变；（4）由走加工的道路向技术集成创新型转变；（5）通过我国自己的技术进步解决装置大型化、长周期运行，通过创新解决精馏技术问题，以降低成本、提高国际竞争力。常规精馏包括简单精馏、分批精馏、连续精馏和多侧线精馏。在化工生产中，简单的精馏往往难以达到理想分离效果，因此特殊精馏便应运而生[8]。新型和特殊精馏主要有以下几方面：添加物精馏（如萃取精馏或共沸精馏方法）；耦合精馏（如反应精馏、吸附精馏和膜精馏）和热敏物料精馏（分子精馏技术等）[9]。2.2吸附分离技术吸附分离过程是利用混合物中各组分在固体吸附剂与流体相间分配不同的性质，使混合物中难吸附与易吸附组分得到分离的技术。其特点为利用吸附剂巨大的比表面积能吸附分离低浓度或微量的溶质成分，且适合的高性能吸附剂对性质相近的溶质成分有很高的吸附选择性。因此，吸附分离非常适用于采用传统分离方法（蒸馏等）难于分离的混合物体系。此外，吸附分离过程的操作条件较为温和，适合生化产物的分离。吸附分离过程已经广泛地应用于化工、炼油、轻工、食品、制药、环保及能源等各行业中。对于液相混合物体系的吸附分离，其应用领域主要有：食品工业中油类的脱色、脱臭，无水乙醇生产中的脱水，石油馏分的脱色、干燥，以及水源保护和污水处理等。对于气体混合物体系的分离，工业化程度最高，其应用领域主要有：空气的净化及其常温下的氧氮分离制备氧气和氮气，电子工业中高纯气体的制备，工业废气的净化如废气中SO2、NOx、氟利昂、挥发性有机气体和焚烧烟气中二噁英的脱除，以及核废气的处理等。2.3干燥技术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，可以说几乎没有哪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有[10]：（1）流态化干燥。诞生于1921年，日前应用最广。（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。3新世纪的分离技术及其展望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。因此，分离技术的不断改善和发展，将成为新兴产业发展的关键。3.1超临界流体分离技术当物质处于临界温度与临界压力以上，即为超临界流体。物质于超临界流体状态表现出一些重要特性：（1）当接近临界温度时，流体有很大的可压缩性，且超临界流体的密度和液体的密度接近；（2）当接近超临界压力时，适当增加压力可使流体密度很快增到接近普通液体的密度，使超临界流体具有类似液体对溶质的溶解能力；（3）超临界流体的黏度接近气体，受温度和压力的影响不太大；（4）超临界流体的扩散能力接近于普通气体；（5）超临界流体表面张力趋于零，因此在超临界流体状态下去除溶剂可以很好保护材料的微、纳米孔道。正由于上述特性，其可以广泛应用于化工分离和反应过程中，从而形成许多超临界技术。超临界流体技术大体的发展包括三个阶段：19世纪70年代以前研究阶段，研究内容以含超临界流体体系的相平衡、过程传质为主；20世纪70到90年代的迅猛发展阶段，出现了重要的超临界水养化技术、超临界流体粉体化技术等；20世纪90年代以来的全面发展阶段，以绿色化学、能源开发为理念的反应以及耦合分离等技术得到全面的研究和应用。超临界流体由于具有绿色化学的特点，因此其技术在天然产物、废弃物中高附加值产品的分离中仍然具有很好的前景，其优点越来越受到人们的广泛关注，已在食品、医药、香精香料、化学工业、能源工业等领域显示出广泛的应用前景。杨敏等[11]以13%甲醇与CO2为流动相，采用超临界流体色谱分离技术（SFC）测定吴茱萸中吴茱萸次碱与吴茱萸碱含量，与传统方法相比，SFC可在简单的流动相条件下对吴茱萸中的吴茱萸次碱和吴茱萸碱进行良好分离，且分析时间仅为6min。王晓丹、史桂云[12]分别采用水提取法、传统乙醇提取法、微波提取法、超临界CO2萃取法提取柿叶总黄酮，结果表明超临界CO2萃取法提取总黄酮含量最高，且得到的萃取物纯净，色泽金黄，纯度高，无异味。3.2膜分离技术膜分离技术是一种使用半透膜分离方法，其分离原理是依据物质分子尺度的大小，借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级提纯和富集，从而达到分离、提纯和浓缩的目的。与传统分离方法(蒸发、萃取或离子交换等)相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离与浓缩，具有高效、节能，工艺过程简单、投资少、污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。数十年来，膜分离技术发展迅速，特别是90年代以后，膜分离技术的应用领域已经渗透到人们生活和生产的各个方面。膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术，已经被广泛应用于化工、环保、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。国外有关专家甚至把膜分离技术的发展称为“第三次工业革命”。膜分离技术被认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前途的高新技术之一[13-15]。目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。正在开发研究中新的膜过程有：膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。微滤主要用于分离水溶液中的物质，除去尺寸为500um-50um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1.2nm-50nm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中0.3nm-1.2nm的溶质，可除去除H+和OH一以外的无机离子和低分子有机物，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)。反应与渗透蒸发藕合，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