分离集成关键技术研发与应用(顾正桂)

分离集成关键技术研发及应用顾正桂2015-12-16Tel.:[phone]E-mail:[e-mail]一、石化及医药行业面临问题与解决的途径石化及制药工业是国民经济发展的基础,产品品种成千上万,在各行各业中均有广泛的应用。尽管种类繁多,但生产过程均包含如下环节:随着资源和能源的紧张，开发新方法和典型装置成为研究及转化的重要内容。加工过程原料材料反应过程分离过程传热过程环保工程公用工程近年，国家发改委、财政部等部门在制定“十二五”规划，针对本领域明确重点支持三大领域，包括新型功能材料、资源深加工与综合利用及节能减排技术。国家“十二五”规划加快资源利用的目的：（1）利用现有资源开发新品种；（2）解决资源及能源紧张状况；（3）减排，环境友好。燃料石油化工能源精细化工40-50%30-40%10-30%比例煤化工生物制药冶金行业燃料日常生活1、目前工业生产中面临问题与行业中跨国公司相比，存在如下问题:（1）方法和工艺滞后，过程转化率及产品质量有待进一步提高；（2）装置缺乏新型性；（3）资源利用不够，产品及副产物深加工与综合利用力度不够，副产物及废弃物占比例较大，资源浪费严重；（4）高能耗、污染，传统分离过程中，精馏能耗占总能耗70%左右，能耗大导致生产成本高，缺乏市场竞争力。2、解决的有效途径（1）过程简单化。调整原材料路线、选用新方法、对工艺进行优化，实现过程中资源和能源的综合循环利用。关键：集成技术的研发和应用。（2）装置微型化。对过程典型设备结构进行设计和优化，实现装置创新。达到最大限度的利用原材料，减少生产过程中副产物及残余物的排放，实现生产环节零排放，最终实现过程零排放。3、石油化工及医药发展趋势（1）原材料路线调整（绿色环保路线）（2）规模化形成石油加工石油化工精细化工、医药中间体（3）资源综合利用（a）原料深加工与综合利用（b）产品综合利用（c）装置综合利用（d）能源综合利用（4）集成技术发展（5）新型材料（功能材料、改性助剂等）（6）节能减排技术完整体系二、分离集成技术的设计1、精馏集成定义及关键定义：将多个精馏塔集成在同一工艺或装置中完成，达到简化生产过程，在保证产品质量同时，提高过程转化率、降低能耗及副产物的产生与排放。类型：侧线精馏、间壁精馏、组合式精馏、共沸精馏、萃取精馏、超重力精馏、共沸萃取精馏、反应萃取精馏等。关键：方案设计、装置及关键部件。详见：顾正桂等编著，《化工单元集成技术及工业应用》、《化工分离集成技术与应用》，化学工业出版社，2010.2、传统工艺与集成技术的不同在传统工艺生产中，对于多元组成的分离，一般采用顺序流程（按沸点高低）进行分离，这样的流程工艺流程长、投资大、占地面积大、能耗高。【例1】含A、B、C及D的混合液的分离【例2】石化行业裂解气的分离和混合芳烃的分离裂解气是石油经高温裂解制备烯烃的过程，生成产物由若干种混合物构成，主要由H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H8、C4H10及C5、C6及C7等高沸组成构成。3、几种精馏集成技术（1）精馏及超重力精馏适用于有沸点差、无共沸的二元组分分离，对于共沸溶液、小沸点差溶液不适用。（2）间壁精馏、侧线精馏及组合式精馏适用于有沸点差、无共沸的三元组分分离，对于共沸溶液、小沸点差溶液不适用。顾正桂.内降液式双精馏段组合装置（专利：ZL201320068870.3）顾正桂.填料塔节与进、侧线出料口组合构成的精馏装置（专利：ZL200820034290.1）（3）侧线精馏适用于有沸点差、无共沸的三元以上组分分离，对于共沸溶液、小沸点差溶液不适用。顾正桂.两股侧线出料精馏装置（专利：ZL200920036138.1）顾正桂.多股侧线出料复合式精馏装置（专利：ZL200920284581.0）顾正桂.脱尘侧线出料精馏装置（专利：ZL201220519904.1）顾正桂.侧线出料收集器（专利：ZL200720043425.6）顾正桂.塔内旋转汽液分布与侧线出料口集成装置（专利：ZL201120129226.3）（4）萃取精馏对于小沸点差、存在共沸及同分异构体的溶液分离，特别适用。设计方案1：如反应生产产物为多组分共沸溶液，可设计为先萃取，后精馏或特种分离方法。工艺方案见图所示，共沸溶液（A+B+C）先经萃取，提取A物质，剩余（B+C）再经精馏或萃取进一步分离，萃取剂（S）循环使用。如甲缩醛+甲醇+水的分离。设计方案2：如反应生产产物为多组分共沸溶液，可设计为先精馏，后萃取精馏或特种分离方法。工艺方案见图所示，共沸溶液（A+B+C）先经精馏，提取A物质，剩余（B+C）再经萃取精馏进一步分离，萃取剂（S）循环使用。如甲醇+乙醇+水的分离。（5）复合萃取精馏方式复合萃取：将两次萃取过程集成在同一萃取装置上完成。关键：两种萃取剂的选择。萃取剂除具有一般萃取剂条件以外，还须具备相互间沸点差大、无共沸现象。对象：对于某些混合溶液的分离，采用一次萃取分离，很难得到高纯度产物，如从醋酸乙酯-乙醇-水混合液提取99.8%以上酯，采用一次萃取，醇含量达0.5%以上，采用复合萃取可以将醇、水含量同时降低。顾正桂.混合二氯苯的萃取结晶分离方法.ZL200410065090.9.顾正桂.连续单塔多股侧线出料精馏法提取混合氯化苯中的二氯苯馏分的方法.ZL200810025464.2.（6）共沸精馏对于小沸点差、存在共沸溶液分离，特别适用。【例】乙醇与苯的分离乙醇（tb:78.3℃)和苯（tb:80.1℃)沸点差仅为2℃、同时形成共沸，精馏无法分离，但可以采用加共沸剂进行分离。（7）反应精馏与萃取精馏集成将传统反应、精馏与萃取精馏集成，简化生产过程，在保证产品质量同时，显著提高转化率，降低设备投资和过程能耗。*几种外循环装置*集成方式将改进后的反应精馏单元与萃取精馏单元集成，形成反应精馏过程。简化生产过程，在保证产品质量同时，减少过程能耗。【例】电子级精细化学品甲缩醛合成过程图2反应精馏单元与萃取精馏顾正桂.反应精馏和萃取结合制备二甲氧基甲烷的方法.ZL200710024849.2图3反应精馏单元与萃取精馏单元集成顾正桂.外循环反应萃取精馏法制备丙醛的方法.ZL201010250956.9【例】甘氨酸乙酯盐酸盐合成过程【例】外循环反应精馏制备脂肪酸甲酯制备固体酸催化剂Zr(SO4)2/TiO2粒子，并进行表征。采用美国Nicolet公司NEXUS670傅里叶红外光谱仪(FTIR)对固体酸催化剂Zr(SO4)2/表面官能团进行分析，分析范围在2000-400cm-1。采用德国Bruker公司D8型X射线粉末衍射仪(XRD)对固体酸催化剂Zr(SO4)2/TiO2粒子进行分析，测试条件：铜靶，工作电压40kv，工作电流30mA，扫描速度为3°/min，扫描范围2θ角20°～80°。采用日本电子公司JSM-5610型扫描电镜(SEM)对固体酸Zr(SO4)2/TiO2催化剂表面微观结构进行扫描分析。外循环反应精馏制备棕榈酸甲酯21345图13外循环反应精馏装置图Fig.13Apparatusofexternal-cyclingreactiondistillation1、恒流泵2、反应釜3、4、塔节5、冷凝器1、constantpump2、reactionkettle3、4、towersection5、condenser因素No.ABC考察指标Zr(SO4)2负载量(%)焙烧温度(℃)焙烧时间(h)棕榈酸转化率（%）11(60)1(400)1(2)83.2521(60)2(430)2(2.5)85.8631(60)3(450)3(3)80.4242(65)1(400)2(2.5)89.5252(65)2(430)3(3)88.4762(65)3(450)1(2)86.1373(70)1(400)3(3)83.9883(70)2(430)1(2)85.0393(70)3(450)2(2.5)84.25K1249.53256.75254.41——K2264.12259.36259.63——K3253.26250.80252.87——k183.1885.5884.80——k288.0486.4586.54——k384.4283.6084.29——R4.862.852.25——表3正交实验的结果Tab.3Resultsoforthogonalexperiment因素No.ABC考察指标反应时间(h)催化剂用量(%)醇酸料液比(mL/g)棕榈酸转化率（%）11(3)1(6)1(2)83.5121(3)2(7)2(2.5)87.7531(3)3(8)3(3)90.3942(4)1(6)2(2.5)86.6952(4)2(7)3(3)88.4562(4)3(8)1(2)89.9373(5)1(6)3(3)86.2083(5)2(7)1(2)86.9093(5)3(8)2(2.5)91.92K1261.75256.40260.34——K2265.07263.10266.36——K3265.02272.24265.04——k187.2585.4786.78——k288.3687.7088.79——k388.3490.7588.35——R1.115.282.01——表4正交实验的结果Tab.4Resultsoforthogonalexperiment以固体酸Zr(SO4)2/TiO2为催化剂、棕榈酸和甲醇为原料，采用外循环反应精馏制备棕榈酸甲酯，考察反应时间、固体酸Zr(SO4)2/TiO2催化剂的用量以及醇酸料液比等因素对此反应的影响。结果表明：在醇酸料液比为2.5mL/g、固体酸Zr(SO4)2/TiO2催化剂用量为棕榈酸质量的8%以及反应时间为4h时，反应转化率达到91.9%，高于间隙反应的转化率（71.2%）。【如】芳烃混合物的分离碳九芳烃综合利用装置顾正桂.复合溶剂萃取精馏法提取加氢裂解C9中三甲苯馏分的方法.ZL200910264447.9化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心【如】酯-醇-水混合物的分离对于目标对象含量低的混合溶液，一般先进行预处理，然后再进行萃取，这样比较经济。预处理一般采用精馏方法。【如】酯-醇-水混合物的分离。醋酸甲酯-甲醇-水、醋酸乙酯-乙醇-水、醋酸丁酯-丁醇-水及丙酸丁酯-丁醇-水等。20000吨/年醋酸酯萃取抽提项目顾正桂.加盐复合萃取精馏分离乙酸乙酯-乙醇-水混合液的方法.ZL200510039257.9.化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心【如】苯氯化副产物的分离12万吨/年苯氯化副产物深加工工业化研究装置顾正桂.混合二氯苯的萃取结晶分离方法.ZL200410065090.9.顾正桂.连续单塔多股侧线出料精馏法提取混合氯化苯中的二氯苯馏分的方法.ZL200810025464.2.化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心【如】医药中废弃溶剂丙酮-甲醇-二氯甲烷-水等的分离10000吨/年丙酮-二氯乙烷-甲醇-水萃取分离装置顾正桂.共沸和复合萃取精馏集成从丙酮-二氯甲烷-甲醇-水混合液中提取丙酮的方法及其设备.201010246127.3化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心（8）液液萃取方式按照萃取方式，可以分为简单萃取、多级错流萃取及多级逆流萃取过程。简单萃取（又称为单级萃取）多级错流萃取化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心多级逆流萃取化学与材料科学学院江苏省萃取分离工程研究中心*多级逆流萃取装置广泛用于药用辅料提取、精细化学品精制及生化产品制备。如玉米芯发酵提取糠醛，甘草提取脉络宁主料、烟草提取辅酶Q10合成原料茄尼醇及治疗心血管疾病酮康唑及重芳烃中提取萘、均四甲苯及甲基萘等。*填料式多级逆流萃取装置；*搅拌式多级逆流萃取装置；*填料搅拌多级逆流萃取装置。顾正桂.ZL200420079511.9.多级搅拌式逆流萃取塔顾正桂.ZL200620126152.7.填充和搅拌结合式多级逆流液液萃取塔化学与材料科学学院