分離技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

分離技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用分離技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用摘要：主要介紹了膜分離技術(shù)、超濾技術(shù)、新型吸附技術(shù)、微波萃取、耦合分離技術(shù)的原理、現(xiàn)狀、化工生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；超濾技術(shù)；新型吸附技術(shù)；微波萃取；耦合分離前言化工分離技術(shù)是化學(xué)工程的一個(gè)重要分支，無(wú)論是石油煉制、塑料化纖、濕法冶金、同位素分離，還是生物制品的精制、納米材料的制備、煙道氣的脫硫和化肥農(nóng)藥的生產(chǎn)等等都離不開(kāi)化工分離技術(shù)。化工生產(chǎn)中的原料和產(chǎn)物絕大多數(shù)都是混合物，需要利用體系中各組分物性的差別或借助于分離劑使混合物得到分離提純。它往往是獲得合格產(chǎn)品、充分利用資源和控制環(huán)境污染的關(guān)鍵步驟。伴隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，分離技術(shù)也獲得了高速的發(fā)展。一方面，對(duì)傳統(tǒng)分離技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷進(jìn)步，分離效率提高，處理能力加大，工程放大問(wèn)題逐步得到解決，新型分離裝置不斷出現(xiàn)；另一方面，為了適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步提出了新的分離要求，膜分離技術(shù)、超臨界萃取技術(shù)、吸附技術(shù)等現(xiàn)有分離技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究和應(yīng)用已成為分離工程研究的前沿課題。1膜分離技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)是一種借助外界能量或化學(xué)位的推動(dòng),以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì),對(duì)兩組分或多組分氣體或液體進(jìn)行分離、分級(jí)和富集的。與傳統(tǒng)分離方法(蒸發(fā)、萃取或離子交換等)相比,它是在常溫下操作,沒(méi)有相變,最適宜對(duì)熱敏性物質(zhì)和生物活性物質(zhì)的分離與濃縮;具有高效、節(jié)能,工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,投資少,污染小等優(yōu)點(diǎn),因而在化工、輕工、電子、醫(yī)藥、紡織、生物工程、環(huán)境治理、冶金等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。膜技術(shù)被認(rèn)為是固液分離的新型技術(shù),由于化工母液具有高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn),因此對(duì)膜分離過(guò)程提出了更高的要求。鄭捷[1]利用膜分離方法提取合成氨施放氣中的氫,通過(guò)二級(jí)膜分離流程,回收氫的濃度達(dá)98%以上,回收的氫用于合成氨生產(chǎn)可增產(chǎn)2%~3%,加上節(jié)電等效應(yīng),因此能給企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。李仲民[2]在實(shí)驗(yàn)中利用超濾法回收造紙黑液中的木質(zhì)素,結(jié)果顯示能回收95.9%木質(zhì)素。趙宜江[3]利用陶瓷微濾膜澄清鈦白廢酸,研究結(jié)果顯示陶瓷膜對(duì)鈦白廢酸具有很好的澄清效果,滲透液濁度小于0.5NTU,并提出了壓力、溫度、濃度與通量的相互關(guān)系。王志斌[4]等人用微濾膜對(duì)天然脫落酸進(jìn)行了分離研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定操作工藝條件下能有效的除去母液中的水分。周花[5]等人采用SNF-150膜對(duì)活性紅3BS進(jìn)行了脫鹽濃縮研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)染料的著色強(qiáng)度達(dá)到150%左右,提高了約50%;料液濃縮達(dá)3倍,染料的固含量從11.7%提高到20%~30%,且中試設(shè)備的平穩(wěn)膜通量可達(dá)50L/m2·h以上。柴紅[6]等人用CA鈉濾膜對(duì)苯胺藍(lán)染料水溶液的脫鹽濃縮進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)染料的截留率大于99.9%,總脫鹽率達(dá)到51%,染料的濃度提高了2.76倍,回收率達(dá)到約97%。何毅[7]等人利用CA50納濾膜對(duì)水溶性黃染料進(jìn)行了分離試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,納濾技術(shù)能將主體染料的純度提高20%,且染料工業(yè)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益得到了顯著提高,楊剛[8]等人利用CA納濾膜對(duì)熒光增白染料進(jìn)行了過(guò)濾研究,結(jié)果表明Nacl濃度由1.05mol/L降到0.023mol/L,NT濃度由0.14mol/L提高到0.25mol/L以上,且NT產(chǎn)品穩(wěn)度和白度提高,NT成分平均截留率達(dá)到99.8%。馮暉[9]等人利用DK納濾膜對(duì)活性黑染料進(jìn)行間歇恒容滲透的研究,研究結(jié)果表明,在25℃和1MPa條件下,經(jīng)過(guò)7次80h的過(guò)濾后,染料純度從76%提高到87%以上,在提高活性黑染料產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),還降低了后續(xù)干燥工序中的能耗。Yu[10]等人將納濾脫鹽和濃縮技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,結(jié)果使得濃縮液中染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%,鹽質(zhì)總分?jǐn)?shù)低于1%,納濾膜的使用壽命超過(guò)了33年。膜分離雖然在化工中得到廣泛應(yīng)用,但對(duì)化工生產(chǎn)中高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的介質(zhì)而言,對(duì)膜材提出了特殊要求,因此需要開(kāi)發(fā)出適用化工生產(chǎn)范圍廣的膜材料;此外,化工生產(chǎn)一般規(guī)模較大,需要的處理量也大,所以需要研究出過(guò)濾時(shí)間長(zhǎng)、通量大的強(qiáng)化膜過(guò)程。2超濾技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用超濾是一種新型膜分離技術(shù)，能夠?qū)⑷芤簝艋?、分離或者濃縮。超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜分離過(guò)程。在所有膜分離手段(如微濾、超濾、反滲透、滲透、電滲析及氣體膜分離)中，超濾技術(shù)的應(yīng)用最廣泛，也最成熟。自1977年Heztherball等人研究并利用超濾技術(shù)榨蘋(píng)果汁以來(lái)，超濾技術(shù)得到了迅速發(fā)展。超濾膜是超濾技術(shù)的心臟，超濾膜的優(yōu)劣直接關(guān)系到超濾性能。2.1合成氨(1)可用于高壓機(jī)后新鮮氣油分離。采用超濾技術(shù)除去新鮮氣中的油水塵等雜質(zhì)，大大改善了冷交換器的油污和積炭堵塞現(xiàn)象，進(jìn)一步優(yōu)化了操作條件，降低了能耗，有效保護(hù)了合成塔觸媒。(2)用于氨分離改造?？蓪?shí)現(xiàn)高效氨分離，能降低從氣體分離出的霧狀液氨的入塔氨含量，降低能耗，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。(3)用于循環(huán)機(jī)后油分離器。主要作用是除去氣體中夾帶的油－水雜質(zhì)，保護(hù)合成觸媒，降低能耗。(4)用于變換器后過(guò)濾器。主要作用是除去變換器中的油－水雜質(zhì)，保護(hù)變換觸媒。2.2尿素生產(chǎn)主要用于除去CO2氣體中的油污，降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。如某化肥廠在CO2壓縮機(jī)后使用了超濾技術(shù)。使用后發(fā)現(xiàn)一、二段分解加熱器的油污情況大為改善，傳熱效果明顯提高，尿素產(chǎn)品質(zhì)量提高。2.3硝酸生產(chǎn)主要用于除去氨氣中的油污，保護(hù)昂貴的觸煤鉑網(wǎng)，延長(zhǎng)其工作壽命。如某硝銨廠在硝酸氧化爐前，氣氨過(guò)濾器采用了超濾過(guò)濾器。使用后，氧化爐鉑金屬絲網(wǎng)壽命延長(zhǎng)，現(xiàn)已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3年多，同時(shí)其過(guò)濾清洗周期比原布袋過(guò)濾器長(zhǎng)，減少了不少工作量。2.4硝銨生產(chǎn)主要用于除去氨氣中夾帶的油污，防治氨氣帶油進(jìn)入硝銨中和工段，提高系統(tǒng)安全性，防止意外。如某化肥廠硝銨車(chē)間，在氨壓縮機(jī)氣氨檔板過(guò)濾器之后加裝了超濾過(guò)濾器，根據(jù)2000年8月份投產(chǎn)以來(lái)的情況看，氣氨中的油氣體積分?jǐn)?shù)，由進(jìn)口的50～60μL/L降至6～10μL/L，完全滿(mǎn)足了硝銨中和工段的要求，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到了重要的作用。3超臨界萃取技術(shù)超臨界流體萃取（SuperCriticalFluidExtraction)的原理是在超臨界狀態(tài)下,將超臨界流體與待萃取的物質(zhì)接觸,利用超臨界流體（SCF）的高滲透性、高擴(kuò)散性和高溶解能力,對(duì)萃取物中的目標(biāo)組分進(jìn)行選擇性提取,然后借助減壓、升溫的方法,使SCF變?yōu)槠胀怏w,被萃取物質(zhì)則基本或完全排出,從而達(dá)到分離提純的目的。超臨界流體與萃出物即溶質(zhì)的分離方法有3種:恒溫減壓溶質(zhì)與氣體分離;恒壓升溫溶質(zhì)與氣體分離;吸附分離（在分離器中加入吸附劑吸附不需要的溶質(zhì)后,萃取物的目標(biāo)產(chǎn)物與氣體分離)。3.1超臨界萃取分離技術(shù)在天然香料提取中的應(yīng)用3.1.1精油的萃取采用傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法來(lái)提取精油,只能收集到漂浮在水面上的油珠，得到的揮發(fā)油量極小，而且只能提取其中的水溶性成分,部分脂溶性成分如酮、酯等物質(zhì)則不能被取出，并且高溫操作條件下對(duì)有效成分造成破壞嚴(yán)重。超臨界萃取避免了水蒸氣蒸餾過(guò)程中熱敏組分的分解，以及可能由水解和增溶作用造成的組分的流失[11]。蔡定建應(yīng)用科技2009年7月21日第十七卷第14期等人[12]采用超臨界萃取技術(shù)從桂樹(shù)皮中提取桂皮油，在相對(duì)較低的壓力和溫度下就獲得了高質(zhì)量的桂皮油。最佳提取工藝條件為:萃取壓力120bar,萃取溫度45℃,萃取時(shí)間150min,桂皮油的收率為3.75%，其出油率高于傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法。張峰等人[13]采用超臨界二氧化碳萃取玫瑰精油，最佳工藝條件為：壓力24MPa，溫度35℃，萃取時(shí)間2h。由于二氧化碳是非極性分子，而玫瑰精油中的香味主要來(lái)自于具有一定極性的芳樟醇等醇類(lèi)，因此在萃取時(shí)需加入少量極性溶劑作夾帶劑對(duì)萃取過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，提高萃取收率。研究表明選擇水和乙醇-水作為夾帶劑，可以增加精油收率，且不影響玫瑰油的品質(zhì)。夾帶劑的流量為0.17L/min時(shí)，玫瑰油的收率最高可達(dá)1.38%，遠(yuǎn)高于水蒸氣蒸餾法0.3%的收率。另外，超臨界流體萃取還廣泛用于從甜橙皮中提取橙皮油[14]，從八角茴香中提取八角茴香油[15]以及生姜中特性成分姜油的提取[16]等。3.1.2浸膏的萃取浸膏的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是使用有機(jī)溶劑在低溫時(shí)浸提。姚渭溪等人[17]采用超臨界流體二氧化碳提取桂花浸膏。研究表明，用超臨界流體萃取所得浸膏在氣味和色澤方面均優(yōu)于化學(xué)溶劑提取的浸膏，且超臨界萃取分離技術(shù)及其在精細(xì)化工領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)物收率從0.3%提高到0.5%。另外，超臨界二氧化碳萃取工藝還用于啤酒花浸膏的生產(chǎn)，萃取率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值[18]。3.2超臨界萃取分離技術(shù)在食品添加劑中的應(yīng)用3.2.1天然色素的萃取西北大學(xué)的王玉琪等人[19]采用超臨界萃取法制備辣椒紅色素。采用傳統(tǒng)的溶劑法提取的辣椒紅色素有機(jī)溶劑的殘留量較高，使產(chǎn)品的應(yīng)用受到很大的限制。王玉琪等以溶劑法生產(chǎn)出的辣椒樹(shù)脂為原料，采用超臨界CO2萃取法進(jìn)行辣椒紅色素的分離純化，最優(yōu)工藝參數(shù)為：萃取壓力20MPa，萃取溫度35℃，萃取時(shí)間6h。制取的辣椒紅色素產(chǎn)品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要指標(biāo)色價(jià)、己烷殘留等均優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求。另外,超臨界萃取技術(shù)還用于番茄紅素[20]等天然色素的提取。3.2.2天然食品抗氧化劑茶多酚的萃取茶多酚具有顯著的杭氧化性和積極的清除自由基的能力，是一種理想的天然食品抗氧化劑。另外茶多酚還是良好的除臭劑、保色劑、保鮮劑，在食品工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。李軍、王朝瑾等人[21,22]均研究了超臨界二氧化碳萃取茶多酚的工藝。研究表明，茶多酚的萃取需加入乙醇水溶液作夾帶劑。在壓力為350bar、溫度為50℃時(shí)茶多酚的萃取率為10.5%。產(chǎn)品不含咖啡因,這是目前其他茶多酚萃取方法所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。3.3超臨界萃取分離技術(shù)在生物堿的提取中的應(yīng)用生物堿是動(dòng)植物中一類(lèi)具有堿性的含氮物質(zhì)。它們大多是極有價(jià)值的藥物。中草藥含有很多種生物堿，其療效大多是由此而來(lái)。由于生物堿往往具有一定的極性,因此在萃取時(shí)也需加入少量極性溶劑作夾帶劑，提高生物堿在超臨界二氧化碳中的溶解度,提高和維持萃取的選擇性[23]。如在咖啡堿的提取中，純超臨界CO2幾乎不能從干燥的咖啡豆中萃取出咖啡堿，而預(yù)先加入水，可減弱咖啡堿與咖啡母體間化學(xué)健的強(qiáng)度，使咖啡堿游離出來(lái)溶于超臨界CO2之中[24]。又如在益母草總生物堿的提取研究中，葛發(fā)歡[25]等采用常規(guī)方法提取時(shí)總生物堿的收率僅為0.20%，純度為2.67%。采用超臨界萃取技術(shù)，以氯仿為夾帶劑，優(yōu)化工藝條件后，益母草總生物堿收率達(dá)1.73%，純度為26.6%，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)提取方法相比，超臨界萃取最大的優(yōu)點(diǎn)在于可在近常溫條件下提取分離不同極性、不同沸點(diǎn)的化合物，幾乎保留藥材中所有的有效成分，沒(méi)有有機(jī)溶劑殘留。因此，其產(chǎn)品純度高，收率高，操作簡(jiǎn)單，節(jié)約能源[26]。超臨界流體技術(shù)具有許多傳統(tǒng)技術(shù)所沒(méi)有的快速、高效、低能耗、污染少等優(yōu)點(diǎn),而且超臨界流體無(wú)毒、不易燃、不污染環(huán)境。與傳統(tǒng)提取方法相比,超臨界流體萃取法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在近常溫的條件下提取分離,有利于熱敏性合物的提取分離;苯、氯苯、苯酚、苯胺、水楊酸、萘磺酚等苯環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)物的吸附與回收等。5微波萃取微波萃?。∕icrowaveExtraction）的基本原理是微波直接與被分離物作用,微波的激活作用導(dǎo)致樣品基體內(nèi)不同成分的反應(yīng)差異使被萃取物與基體快速分離,進(jìn)入溶劑中。微波萃取時(shí),不同的基體所使用的溶劑不同。影響微波萃取的主要因素是萃取溶劑、萃取時(shí)間、萃取溫度以及試樣中水分或濕度。微波萃取的特點(diǎn)有如下幾方面:①選擇性。極性較大的分子可獲得較多的微波能,因而運(yùn)動(dòng)速度較快,利用這一性質(zhì)可選擇性地提取一些極性成分。②快速。被加熱的樣品往往放在微波透明且為熱的不良導(dǎo)體的容器中,所以微波不需要加熱容器而直接加熱樣品,使樣品迅速升溫。③加熱均勻。若微波場(chǎng)是均勻的,樣品受熱也是均勻的。④高效。微波萃取具有設(shè)備簡(jiǎn)單、使用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省試劑、污染小的優(yōu)點(diǎn),在中藥和天然香料提取分離中得到應(yīng)用。6耦合分離技術(shù)近年來(lái),諸如催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應(yīng)萃取、絡(luò)合吸附、反膠團(tuán)、膜萃取、發(fā)酵萃取、化學(xué)吸收和電泳萃取等新型耦合分離技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)。它們綜合了兩種分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),具有獨(dú)到之處。催化精餾在MTBE等工藝中的成功應(yīng)用和反應(yīng)萃取在己內(nèi)酰胺工藝中的成功應(yīng)用充分說(shuō)明了這類(lèi)新方法具有簡(jiǎn)化流程、提高收率和降低消耗的突出優(yōu)點(diǎn)。耦合分離技術(shù)還可以解決許多傳統(tǒng)的分離技術(shù)難以完成的任務(wù),因而在生物工程、制藥和新材料等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。如發(fā)酵萃取和電泳萃取在生物制品分離方面得到了成功的應(yīng)用。采用吸附樹(shù)脂和有機(jī)絡(luò)合劑的絡(luò)合吸附具有分離效率高和解析再生容易的特點(diǎn)。電動(dòng)耦合色譜可高效地分離維生素。CO2超臨界萃取和納米過(guò)濾耦合可提取貴重的天然產(chǎn)品等。由于耦合分離技術(shù)往往比較復(fù)雜,設(shè)計(jì)放大比較困難,因此也推動(dòng)了化工數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法的研究。在新世紀(jì)到來(lái)之際,分離工程的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,在從事分離工程研究與開(kāi)發(fā)的科技工作者的努力下,本學(xué)科將為化學(xué)工業(yè)和相關(guān)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步做出重大的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：[1]鄭捷.膜分離法提取合成氨弛放氣中的氫及其應(yīng)用[J].陜西化工,1997,2:5～7。[2]李仲民,童張法.超濾法回收造紙黑液中木質(zhì)素的研究[J].化學(xué)工程,2003,31(1):49～52。[3]趙宜江,邢衛(wèi)紅,徐南平.陶瓷微濾膜澄清鈦白廢酸研究[J].化學(xué)工程,2003,31(5):58～61。[4]王志斌,陳文梅,唐必文.旋轉(zhuǎn)流過(guò)濾在脫落酸中的應(yīng)用與膜管再生研究[J].過(guò)濾與分離,2002,12(4):1～2。[5]周花,蔣林煜,藍(lán)偉光,等.納濾在制備高濃度活性紅3BS中的應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù),2001,21(5):42～47。[6]柴紅,周志軍,陳歡林.納濾膜脫鹽濃縮染料的研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2000,14(5):461～464。[7]何毅,蘇鵬祥,李光明,等.納濾膜在染料工業(yè)脫鹽濃縮中的應(yīng)用[J].水處理技術(shù),2005,31(2):73～76。[8]楊剛,邢衛(wèi)紅,徐南平.應(yīng)用膜技術(shù)精制水溶液染料[J].膜科學(xué)與技術(shù),2002,22(2):24～28。[9]馮暉,吳滬寧,沙文博,等.活性黑染料納濾脫鹽濃縮的研究[J].化工時(shí)代,2004,18(7):46～47。[10]朱家文.化工分離工程與高新科技發(fā)展［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2000，2：1~5。[11]高彥祥，超臨界CO2萃取香料精油的研究[J]。食品與發(fā)酵工業(yè)，1996（6）：8-12。[12]蔡定建，周玉琴，毛春林。趙林杰萃取GC-MS分析桂皮又成分研究[J]。中國(guó)食品添加劑，2008（6）：91-98。[13]張峰，劉蕓，王志祥。超臨界CO2萃取玫瑰精油的研究[J]。精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品，2008（16）13:11-13。[14]郭明學(xué)。超臨界CO2萃取甜橙皮油的研究[J]，化學(xué)工程，1990，（1）：28-31超臨界萃取分離技術(shù)及其在精細(xì)化工領(lǐng)域的應(yīng)用.[15]李飄英，鄒德正。用超臨界技術(shù)提取八角茴香油的研究[J]。廣西大學(xué)精細(xì)化工研究所會(huì)議論文，1993:79-8