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分离工程中重要分离技术的进展及展望
别离工程中重要别离技术的进展与展望
摘要:
简要介绍了别离工程产生和开展历史,各主要别离技术的开展现状,研究前沿以及未来的开展向.别离工程过去在化学工程以及相近产业的开展中起了重要作用,也将在现在和未来推动现代化工和相关工业的开展,并在高新技术领域的开展显身手.评述10余年来在别离科学与工程领域的进展,这些领域包括:
萃取别离(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,膜别离,反响强化别离等面的研究简况。
关键词:
别离技术,新进展,展望
引言:
化工别离技术是一个面对经济建立,广泛应用于多种工业的技术根底学科,是过程工程的核心技术之一。
化工、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、反响与别离。
别离即负担反响后未反响物料与产物的别离,也包括目标产物与副产物间的别离、排放到环境中的废气、水、固体物料与有用产物的别离,以及原料中杂质的别离等等。
随着高新技术的开展,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,环境保护的格标准的实施,都对化工别离技术提出了新的任务和更高要求。
例如,大局部生物技术产品以低浓度存在于水溶液中,需要开展在低温条件下的高效别离并富集的法。
随着关系到国计民生和战略储藏的矿产资源的枯竭,处理贫矿,复杂矿和回收利用二次资源将成为必然趋势,从而对别离技术的要求越来越高。
此外,包括我国在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格的标准。
国外报道,过程工业总投资的50%~90%用于别离设备,操作费用60%以上用于别离工序。
因此国外均对别离科学与工程的开展十分重视。
随着化学工程科学的开展,不仅其共性应用根底研究扩展为过程工程,而且将研究目标提升为产品工程。
别离技术的研究是过程工程的关键性和前沿性的工程之一。
把握别离过程的根本规律,吸取和开展化工学科穿插的特点,拓宽别离技术的辐射领域,是别离科学与技术开展的根本所在。
近年来,国外对别离科学、别离工艺和别离工程的研究十分活泼,除一般的化工、化学杂志不断介绍别离面的研究成果外,国际性的别离专业杂志不下十余种。
每年还举办大量的各种别离技术的国际会议。
因此,对关系到我国“过程工业〞如化学工业、油化工、环境工程、生物化工等支柱产业21世纪初在国际上竞争力和综合实力的假设干别离技术中带有共性、根底性的课题进展深层次的研究,在逐步进展传统别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别离技术,完善别离技术的工程开发,形成知识产权,科学地开展新的别离过程、别离法、别离体系及别离设备,促进我国高新技术产业的可持续开展,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,我国以萃取别离、精馏别离与膜别离等为代表的别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。
本文重点就这些面的新进展进展评价和介绍。
1 别离技术的诞生与开展
最早的别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开展起来,随之别离工程也诞生并开展起来.1901年英国学者戴维斯在其著作?
化学工程手册?
中首先确定了别离操作的概念,1923年美国学者易斯和麦克亚当斯合著出版了?
化工原理?
从而确立了别离工程理论。
.
1.1 精馏
精馏用于别离液体混合物广泛应用于炼油,化工,轻工食品以及空气别离等,是最重要的别离法之一.二十世纪的油化工技术使精馏技术得以大大提高.生产能力大,别离效率高,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,别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
吸收用于别离气体混合物,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别离技术,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别离出对位二甲苯,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展提纯精制.
1.4 枯燥
枯燥也是一古老传统的别离法,其应用最广也是能耗最多的别离操作之一,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枯燥无关.在过去20~30年间,枯燥领域的主要技术进步如下;
(1)流态化枯燥.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)喷雾枯燥.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)间接加热枯燥(也称接触枯燥).这种枯燥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)真空枯燥与真空冷冻枯燥.真空可以降低枯燥温度,因此这种枯燥式对于热敏性物料的优势几乎不可替代,已成为近20年来开展最快的枯燥技术之一.真空冷冻枯燥是集冷冻和枯燥为一体,20
世纪70年代开发研究,其产品质量均优于普通真空枯燥,但本钱高,现仅用于高附加值产品,如人参等.
1.5 超临界萃取
提到别离技术,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展了大量的研究,我国也不例外.目前,这一技术已工业化应用于天然物别离.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);超临界枯燥(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 膜别离
同超临界萃取技术一样,提起别离技术,不得不提膜别离技术.其诞生和开展是近五十年的事.上个世纪50~60年代,人们已经开场意识到能源的潜在危机,传统高能耗的别离技术面临巨大威胁,不得不寻求新的节能别离法.于是,50年代为膜科学及技术的根底研究阶段,60~70年代为开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别离技术阶段.膜别离技术开展到今天可分为:
微滤;超滤;反渗透;电渗析;气体扩散;渗透蒸发;液膜别离等.膜别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,工业上有用膜别离来取代或局部取代精馏的情况.目前,气体混合物的别离工业应用较为成熟的有,如美国Monsanto公司开发的气体膜别离器用于别离H2和CO2;液体混合物别离面,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分子产品的别离提纯,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,反响—别离耦合技术也是近年开展起来的新兴技术,它是利用反响促进别离或利用别离促进反响.该技术因可以提高反响的转化率,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响精馏,所发生的脂化反响在精馏塔中进展,及时别离反响生成的水和脂,是反响持续向脂化向进展,如醋酸丁脂的生产.又如生化反响中,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.其它的一些传统别离技术,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 新世纪的别离工程与其未来
新世纪全人类所面临的四大问题:
环保,能源,粮食与安康医疗,每个都与化学工程及别离工程相
关.现已普遍使用的别离技术,如萃取,吸附,离子交换,膜别离仍大有用武之地.以下就具体谈谈别离工
程的研究前沿及预测未来开展向.
2.1 各传统别离技术面
精馏,吸收,结晶,溶剂萃取,过滤,枯燥等,将向进一步完善向开展,开发高效节能设备,提高自动化程度,拓宽适用围等.如精馏,应研究改善大直径填料精馏塔的气液均布问题,反响精馏的进一步开发.结晶面,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,在湿法冶金和生物别离面有广阔前景的乳化液膜沉淀技术;将喷雾枯燥与沉淀结合的喷雾沉淀技术等.吸附面,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,环保以及食品保鲜面前景广阔;层析应用于纯化度要求高的别离过程;如生物活体的提取,天然动植物中有效成分的提取;扩床将固液别离,吸附别离和浓缩集成,简化了工艺,提高了产品的回收率,将成为生化别离的关键技术,现已用于基因工程人工血清蛋白的制取.枯燥面,枯燥理论及过程模型化的研究始终落后于枯燥设备及其工业应用,因此这面的研究尤其是枯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.枯燥过程的节能也始终是具有重大意义的课题,此外,食品和生物物料枯燥技术;可大幅度提高纸和织物枯燥强度的冲击穿透枯燥技术;可使枯燥过程在瞬间完成的对撞流枯燥技术;真空冷冻枯燥技术;各种特殊枯燥技术,如超临界枯燥技术等,都将是枯燥技术的研究开展向.
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,使其在别离工程中起着独到的作用.超临界流体反响;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,超临界流体枯燥等均为研究前沿.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,枯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 膜别离技术
有人断言,21世纪是“膜〞的世纪,这有一定道理,可见膜别离技术在未来科学技术中举足轻重的作用.在离子交换膜面,改良电解槽构造,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面的应用是研发向.微滤,超滤和反渗透面,微滤主要用于别离水溶液中的物质,除去尺寸为500Lm~50Lm的微粒,一般其膜是一次性使用的,因此降低膜本钱和拓宽应用围将是研发向;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。
别离技术的开展与展望和低分子有机物,现主要用于脱盐,研究开展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,降低膜本钱,拓宽应用领域等.气体别离领域,氢气别离中变压吸附和深冷别离法具有明显优势,空气富氧化面,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).反响与渗透蒸发耦合,利用渗透蒸发使生成物不断排除,促进可逆反响的进展,如脂化反响,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别离技术还有膜反响器;酶膜反响器;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;反响—膜别离耦合等.即使膜技术进步是如此突飞猛进,膜工业可以说是工业,可是在教育领域却无法跟上形势,在兴旺,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,重问题存在于教育领域
2.4 别离工程与生物工程
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.别离技术在生物工程中的作用是不可替代的.生物别离分为培养液和发酵液的预处理及固—液别离;产物提取;产物纯化和精制;产品加工等.已成功应用的别离技术有离心别离,超滤膜别离;适合于生物特点的别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别离技术有亲和膜别离,亲和超滤,扩床技术,高效层析技术等
2.5 别离工程与环境保护
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,别离工程也将在其中扮演重要角色.传统别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,吸附别离有害气体,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,液膜别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 完毕语
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,为安康,为保卫人类共同的家园—地球而奋斗的时代.相信别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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