浅析特殊精馏技术论文

　　精馏是过程工业中应用最广的分离操作，据估计，90% ～95%的产品提纯和回收由精馏实现，这除了由于其技术比较成熟的原因外，最主要的是因其通常只需要提供能量和冷却剂，就能得到高纯度产品，操作简单，一般比较经济。一般的蒸馏或精馏操作是以液体混合物中各组分的相对挥发度差异为依据的。组分间挥发度差别愈大愈容易分离。但对于某些液体混合物，不宜或不能用一般精馏方法分离。而从技术上，经济上又不适用于其它方法分离时，则需要采用特殊精馏方法，另外随着生物技术、中药现代化和环境化工等领域的不断发展和兴起，人们对蒸馏技术提出了很多新的要求( 低能耗、无污染等) ，由此也促进了许多精馏技术的产生，主要有以下几个方面: 耦合精馏、特殊物料精馏、节能技术精馏等。

　　1 耦合精馏

　　截至目前所开发出的耦合精馏方法有膜蒸馏、催化精馏、吸附精馏、萃取精馏等等。

　　1. 1 反应精馏

　　反应精馏是化学反应和精馏分离耦合在一个设备中进行的操作。反应精馏自1860 年以来已经被应用于各种化工过程中，但直到1921 年，反应精馏概念才由Backhaus 提出， 70 年代初， Sennewald 等则首先对催化精馏过程进行了描述。根据反应体系及采用催化剂的不同，反应精馏可分为均相反应精馏( 包括催化和非催化反应精馏工艺) 和非均相催化反应精馏( 即通常所称的催化蒸馏) ; 根据投料操作方式，反应精馏可以分为连续反应精馏和间歇反应精馏; 根据化学反应速度的快慢，反应精馏分为瞬时、快速和慢速反应精馏。

　　反应精馏与常规精馏都是在普通的蒸馏塔中进行，但由于精馏操作和化学反应的相互影响，反应精馏具有自身显著的优点，主要有以下几点:

　　( 1) 提高了反应物的转化率和选择性，有些情况下可使反应物的转化率接近100%。化学反应过程容易控制。

　　( 2) 减少设备投资费用和操作费用，也减少能量消耗。由于化学反应和精馏操作在一个精馏塔中进行，所以化学反应不需要专门的反应器，不必进行未参与反应的反应物二次蒸馏和重回反应器的操作，减少了能量消耗。若化学反应是放热反应，则产生的反应热可以被蒸馏操作直接利用，减少了再沸器提供的能量。

　　( 3) 设备紧凑，减少操作所需要占用的空间。

　　( 4) 可以有效地避免共沸物的形成给精馏分离操作所带来的困难。在反应精馏中，由于化学反应的存在，在常规精馏中存在的共沸体系在反应精馏中可能消失。

　　对于一些用常规精馏难以分离的物系，使用反应精馏可以获得比较纯净的目的产物。如间二甲苯和对二甲苯是同分异构体，使用常规精馏分离，需要较多的理论塔板数和较大的回流比，使用对二甲苯钠作为夹带剂只需要6 块塔板即可有效分离。对于催化蒸馏，催化剂填充层起着加速化学反应速率和传质的作用。

　　反应精馏最早应用于甲基叔丁基醚( MTBE) 和乙基叔丁基醚( ETBE) 等合成工艺中，现在反应精馏过程能够应用于以下反应类型: ( 1) 酯化反应; ( 2) 乙烯基乙酸盐的合成; ( 3) 酯交换反应; ( 4) 水解反应; ( 5) 缩醛化作用; ( 6) 水合/脱水作用; ( 7)烷化/烷基交换作用/脱烷作用; ( 8) 异构化作用; ( 9) 氯化作用;( 10) 氢化作用/脱氢加硫; ( 11) 二聚/齐聚作用; ( 12) 硝基作用; ( 13) 乙醇胺的生产; ( 14) 碳酰基化; ( 15) 氨化作用; ( 16) 醇解反应; ( 17) 氨基化作用。但是反应精馏过程的应用还是有其局限性的，它只适用于化学反应和精馏过程可在同样温度和压力范围内进行的工艺过程。此外，在反应和精馏相互耦合过程中，还有许多的问题，长期以来，对于反应精馏仅限于工艺的研究，直到上世纪80 年代，反应精馏的基础理论性研究才开始引起研究人员的兴趣和重视，当前反应精馏的研究热点主要集中在催化剂的选择、催化剂的装填形式、反应精馏塔内的反应动力学、热力学和流体力学等基础理论以及反应精馏的建模仿真技术。

　　目前，反应精馏技术已在多个领域实现了产业化，对某些新领域的开发也取得了一定进展。随着节能和环保的要求日益提高，反应精馏技术将会发挥更大作用，是解决能源危机和缓解三废污染的有效途径。结合了先进的计算机模拟工具，相信反应精馏工艺在未来几十年将会有更好的发展。

　　1. 2 膜蒸馏

　　膜蒸馏( Membrane Distillation，简称MD)是近几十年得到迅速发展的一种新型高效的膜分离技术。这种技术基于膜两侧水蒸气压力差的作用，热侧的水蒸气通过膜孔进入冷侧，然后在冷侧冷凝下来，这个过程同常规蒸馏中的蒸发- 传递-冷凝过程一样。与其他膜分离过程相比，膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点，可以充分利用太阳能、工业余热和废热等低价能源，且设备简单、操作方便。可用于海水和苦咸水淡化、超纯水制备、浓缩水溶液以及医药、环保等诸多方面，所以膜蒸馏技术的发展越来越引起人们的重视。根据在膜冷侧收集水蒸气的方式不同，膜蒸馏的类型可分为:

　　( 1) 直接接触式膜蒸馏( 水吸式或外冷式) ( DCMD)该组件内，膜两侧的液体直接与膜面接触。其一面是经过加热的原溶液为热侧，另一面是冷却水为冷侧，膜孔内为汽相( 蒸气和空气) ，在热侧膜面上生成的水蒸气透过膜至冷侧凝结成水，并和冷却水合而为一。

　　( 2) 气隙式膜蒸馏( 内冷式) ( AGMD)该组件内，膜的冷侧装有冷却板。在其间就是气隙室。当热侧水蒸气透过膜在气隙室扩散端冷壁凝结成液态导出，而冷却水在组件内部降温。凝结水和冷却水各有通道，互不混合。和直接接触膜蒸馏组件相反，蒸发面和冷却面之间有一定距离( 气隙室宽度) ，这样通量和热传导均受到了阻力。其优点是热量损失小，热效率高; 不需另加热能回收装置。缺点是组件结构较直接法复杂;其膜通量比直接法小。

　　( 3) 扫气式膜蒸馏该组件内，膜的冷侧通常以隋性气体( 如氮气等) 作载体，将透过膜的水蒸气带至组件外冷凝。

　　( 4) 减压膜蒸馏与气隙式膜蒸馏相类似，只是将冷侧施以低压处理。

　　膜蒸馏具有很多的优点，主要有:该过程几乎在常压下进行，设备简单、操作简便，在技术力量较弱的地区也有可能实现。

　　在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程便可以运行这就有可能利用太阳能、地热、温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等，对在能源日趋紧张的情况下，利废节能是很有意义的; 在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸气能透过膜孔，所以蒸馏十分纯净，有望成为大规模低成本制备超纯水的手段; 膜蒸馏耐腐蚀、抗辐射，故能处理酸性、碱性和有放射性的溶液; 膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收的形式，可进一步降低能耗。膜蒸馏可广泛应用于海水和苦咸水淡化，污水和工业废水的处理，非挥发性酸、碱性溶液、挥发性溶液的浓缩和提纯以及在医药、食品加工等方面的应用。

　　另外膜蒸馏也有许多的缺点，主要有:

　　( 1) 膜成本高蒸馏通量小;

　　( 2) 由于温度极化和浓度极化的影响，运行状态不稳定;

　　( 3) 研究工作多处于实验阶段，对传质和传热机理及参数影响的定量分析还很不够;

　　( 4) 研究所用物料一般都是简单的水溶液。对一些工业废水的研究甚少。

　　膜蒸馏过程的开发最初完全是以海水淡化为目的，现在膜精馏技术已广泛应用到化学物质的浓缩和回收，例如对蔗糖糖浆的浓缩; 水溶液中挥发性溶质的脱除和回收，如从水溶液中脱除甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿、同时脱除乙醇和丙酮、同时脱除丙酮、丁醇和乙醇、甲基异丁基酮、卤代挥发性有机化合物等; 果汁、液体食品的浓缩，如直接接触式膜蒸馏浓缩苹果汁、集成膜过程浓缩柠檬汁和胡萝卜汁等; 废水处理。

　　从近几年有关文献的数量和质量上都可看到膜蒸馏过程研究的发展十分迅速，人们不再满足于对膜蒸馏过程普遍规律的描述，而是根据各自研究体系的特点，从机理的角度建立数学模型，考虑包括温度极化、浓度极化在内的各种相关参数，使数学模型的预测结果更符合实际. 尽管人们目前考虑问题的角度、解决问题的方法不同，但基本都是以KudSen 扩散、分子扩散、Poiseuille 流动为基础，随着研究工作的深人发展，有可能殊途同归，得到更精确、普适的数学模型。膜蒸馏技术中尚有很多基础性课题有待更深人的研究，实际应用并实现产业化更是重要的发展方向。相信膜蒸馏技术会在研究和应用的生产实践中不断发展，一步步地走向成熟。