1、煉油、石化生產過程中大量存在的分離、換熱和反應工序,節(jié)能潛力巨大。能源是社會發(fā)展和進步的重要物質基礎。我國的能源儲量以及一次能源的開發(fā)和消費量居世界前列,而能源的總利用率則遠低于歐美和日本。化學工業(yè)是個耗能大戶,能耗量約占全國能源總消費的9%-10%,占工業(yè)用能的13%-15%,因此,化工節(jié)能對緩解我國能源的供需矛盾影響很大。在當前世界性的能源危機面前,化學工業(yè)必須首先關注節(jié)能降耗和節(jié)能新技術的研究應用。本文就我國化學工業(yè)中最普通也是能耗較多的分離過程這一領域中的一些節(jié)能現(xiàn)狀作一粗略介紹。一 精餾過程的節(jié)能降耗精餾技術是化工領域中最為成熟，應用最為廣泛且必不可少的單元操作，同時也是工業(yè)過程中能

2、耗和設備投資高的設備，在煉油、石化等行業(yè)中，其能耗占全過程總能耗的一半以上。因此對精餾過程節(jié)能技術的研究具有極其重要的意義。國內外已開發(fā)并應用了一些節(jié)能型耦合精餾塔，如反應精餾塔（Reactive Distillation Column）、熱耦合精餾塔（Petlyuk Column）、隔板精餾塔（Dividi Wall Column，簡稱DWC）等。精餾過程的節(jié)能主要有以下幾種基本方式:提高塔的分離效率,降低能耗和提高產品回收率;采用多效精餾技術;采用熱泵技術等。1.1板式塔1.1.1高效導向篩板高效導向篩板具有生產能力大、塔板效率高、塔壓降低、結構簡單、造價低廉、維修方便的特點,目前已廣泛應

3、用于化學工業(yè)、石油化工、精細化工、輕工化工、醫(yī)藥工業(yè)、香料工業(yè)、原子能工業(yè)等。1.1.2板填復合塔板板填復合塔板充分利用板式塔中塔板間距的空隙,設置高效填料,以降低霧沫夾帶,提高氣體在塔內的流速和塔的生產能力。同時氣液在高效填料表面再次傳質,進一步提高了塔板效率。由于負荷下限未變而上限大幅度提高,因此塔的操作彈性也大為提高。板填復合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多種物系中得到成功應用。1.1.3復雜精餾塔傳統(tǒng)的精餾塔及其精餾序列已不適應當前過程集成、設備集成的發(fā)展趨勢。武吳宇【1】等進行了復雜精餾塔的研究,與傳統(tǒng)精餾塔的一股進料二股產品的精餾塔比較,能夠產生相當大的能量消耗及成本上的節(jié)約

4、。復雜塔還適合更新設計,因為它經常可以通過對現(xiàn)有塔進行微小的改動來實行。在所有可能的多組分精餾過程新方案中,熱偶精餾在能量和投資費用的節(jié)約上都非常有前途。他們采用 Underwood方程和Vmin分析了多組分熱偶精餾的最小能耗;主要探討了用詳細的塔模型來進行多組分熱偶精餾塔的設計,所建立的塔模型既能夠描述傳統(tǒng)塔又可以描述熱偶精餾塔,并允許不同的選擇結構互相比較:提出了以能量消耗最小為目標的,多組分混合物分離的熱偶精餾序列的整體優(yōu)化方法。他們以四組分烷烴混合物的分離為例,根據詳細的熱偶精餾塔數學模型,計算了熱偶精餾的能耗、年總費用,并比較了各種熱偶方案的節(jié)能效果。以能量消耗最小為目標,對兩種熱偶

5、精餾序列進行了整體優(yōu)化。1.2填料塔填料是填料塔最重要的傳質內件,其性能主要取決于填料表面的濕潤程度和氣液兩相流體分布的均勻程度。1.2.1新型高效規(guī)整填料高效導向篩板是北京化工大學科研人員在對包括篩板塔板在內的各種塔板進行深入研究、綜合比較的基礎上,結合塔板上流體力學、傳質學的研究結果。新型高效規(guī)整填料主要包括金屬板波紋填料和金屬絲網波紋填料兩大類,在將其進行物理的和化學的方法處理后,填料的分離效率大為提高。主要優(yōu)點有:(1)理論塔板數高,通量大,壓力降低;(2)低負荷性能好,理論板數隨氣體負荷的降低而增加,沒有低負荷極限;(3)放大效應不明顯;(4)適用于減壓精餾,能夠滿足精密、大型、高真

6、空精餾裝置的要求,為難分離物系、熱敏性物系及高純度產品的精餾分離提供了有利的條件。1.2.2新型高效散堆填料(1)金屬鮑爾環(huán)填料,它采用金屬薄板沖軋制成,由于在環(huán)壁上開了許多窗孔,使得填料層內的氣、液分布情況及傳質性能比拉西環(huán)有較大的改善。(2)金屬階梯環(huán)填料,這種填料降低了環(huán)的高度,并在環(huán)的2個側端增加了錐形翻邊,使其性能較鮑爾環(huán)填料有了較大的進步。在同樣液體噴淋密度下,其泛點氣速較鮑爾環(huán)提高了10%20%;在同樣氣速下,壓力降較鮑爾環(huán)低30%40%。(3)金屬環(huán)矩鞍填料,國內簡稱為英特洛克斯填料。這種填料巧妙地把環(huán)形和鞍形兩類填料的特點綜合成為一體,使它既有環(huán)形填料通量大的特點,又有鞍形填

7、料液體分布性能好的特點,從而成為當前散堆填料中的佼佼者【2】。(1)高效導向篩板在甲醇精餾過程中一般可以達到擴產50%100%,并可提高分離效率,降低塔壓降，可用于降低廢水中污染物的產生量。(2)新型高效填料具有通量大、效率高、壓降小的特點,在精餾過程技改中可以達到大規(guī)模擴產節(jié)能、降耗的效果，可用于降低廢氣中污染物的產生量。(3)高效導向篩板與新型高效填料已是成熟技術,在化工及甲醇精餾過程中得到了廣泛應用,并取得了巨大的經濟效益。高效導向篩板與新型高效填料【12】在化工技改中占有重要的位置,一般可以很容易地達到大幅度擴產、節(jié)能、降耗的效果,在甲醇精餾及合成氨技術改造中,已經發(fā)揮了巨大的作用。1

8、.2.3三塔精餾分別為預精餾塔、加壓精餾塔和常壓精餾塔。在預精餾塔中除去溶解性氣體及低沸點雜質,在加壓塔和常壓塔中除去水及高沸點雜質,從而制得合格的精甲醇產品。在三塔精餾中通過應用高效絲網波紋規(guī)整填料并配套使用新型氣液分布器、蒸發(fā)式冷凝器等,基本實現(xiàn)清潔生產“節(jié)能、降耗、減污、增效”的目的,符合循環(huán)經濟“低消耗、低排放、高效率”的基本特征,在節(jié)約能源的同時,實現(xiàn)了裝置生產污水零排放。（11）1.3提高熱的利用率首先,增強再沸器和冷凝器中的傳熱面積可使傳熱溫差下降。增強傳熱表面有兩大類型:(1)多孔相變化傳熱面:包括微孔沸騰表面及特殊處理的冷疑表面,均可使沸騰或冷凝給熱系數較之光管提高1030倍

9、;(2)擴展的傳熱面:包括翅片管或開槽溝擴大傳熱面,可以使傳熱系數提高不少。其次,采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器代替水冷凝器可以避免積垢,水電綜合能耗也較低,而且節(jié)省用水。再次,如果塔釜液是無關重要的廢液,則可以把它的顯熱變成潛熱加以利用。另外,采用低品位熱能也是節(jié)能的有效方法【3】。1.4超聲波技術【13】撫順石油化工研究院已將超聲技術成功應用于秸稈燃料乙醇生產時的稀乙醇提濃工藝開發(fā)中,替代了傳統(tǒng)的精餾共沸精餾或者精餾分子篩脫水的工藝。由于纖維路線乙醇的發(fā)酵液中乙醇濃度很低(通常低于10%),因此,乙醇的精餾工段成為燃料乙醇生產最大的能耗所在,開發(fā)節(jié)能型的乙醇提濃工藝非常重要。撫研院已建設了一套

10、乙醇超聲提濃裝置,在室溫,常壓和超聲頻率1.8MHz條件,通過兩級超聲提濃,可將乙醇濃度從10%提高至45%。日本超聲釀酒(Ultra2soundBrewery)公司認為采用超聲技術可比精餾法節(jié)省能源10%以上。1.5近年來，國外對隔板精餾技術【14】的研究和應用都十分重視，特別是在三組分混合物分離的工業(yè)化應用方面已相當成功，例如合成氨聯(lián)產甲醇技術中，聯(lián)醇生產中主要采用兩塔精餾流程，兩塔分別脫除輕組分雜質和重組分雜質。該流程采用隔板精餾技術同樣可以達到分離要求。此外，DWC還有可能應用在以下領域：空氣分離流程、直接法合成苯基氯硅烷生產流程等等。而我國在此領域尚處于起步階段，加快此項技術的開發(fā)和

11、工業(yè)化應用步伐，并且擁有獨立的知識產權，對降低工業(yè)生產的能源消耗，推動我國石油和化工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。德國拜耳（Bayer）公司在隔板精餾技術領域一直處于世界領先地位。拜耳技術服務有限公司（Bayer Technology Service，簡稱 BTS）建立并運行了一套隔板精餾塔實驗室裝置。反應隔板精餾【14】（Reactive DiviColumn，RDWC）技術的研究與應用。Mueller提出反應隔板精餾的概念，將反應精餾過程與隔板精餾耦合2在一起。并完成了碳酸二甲酯（DMC）與乙醇酯交換生成碳酸二乙酯（DEC）的反應與分離的過程模擬，高純度的產品DEC從塔底采出，副產物和未反應的乙

12、醇側線出料，塔頂為含有甲醇和DMC二元共沸物的流股；研究結果表明該新型的反應分離裝置能最大程度地提高該平衡反應的轉化率，獲得高純度的產品，并有效地抑制副反應。RDWC是反應過程與多組分分離過程的耦合。在化工工業(yè)中過程的高度耦合能大幅度減少設備體積，簡化流程，降低能耗，提高效益。1.6反應精餾集成技術反應與分離相結合技術已在多個領域實現(xiàn)了產業(yè)化，對某些新領域的開發(fā)也取得了一定進展。國內也在積極開展研究開發(fā)工作，但對其規(guī)律性掌握的還不夠，實際應用面還不夠廣。隨著全球節(jié)能和環(huán)保的要求益提高，反應與分離集成技術將會發(fā)揮更大作用是解決能源危機和緩解三廢污染的有效途徑。反應精餾【15】是一種將反應過程和精

13、餾過程結合在一起的新型技術，是在同一個蒸餾塔內進行的禍合過程,它具有投資少，流程簡單，節(jié)能，產品收率高等優(yōu)點，可以替代某些傳統(tǒng)工藝過程如醚化，芳烴烷基化，加氫，酯化等反應。目前許多工藝已較成熟，且借助于計算機模擬手段，研究范圍得到進一步擴大。出現(xiàn)了許多新的應用類型,依據反應體系及采用催化劑的不同，反應精餾可分為均相反應精餾，包括催化和非催化反應精餾和非均相催化反應精餾，即通常所稱的催化蒸餾。1.7新蒸餾過程的探索與開發(fā)為提高分離效率,降低能耗,需要尋求一些特殊的蒸餾方法以分離一些特殊的物料,諸如熱敏物料,共沸熱料等。一般有下列幾個方面:(1)添加物蒸餾。在蒸餾過程中加入某些添加物以利用溶液的非

14、理想性,增大某一組分的揮發(fā)性,使組分容易分離,達到高效、節(jié)能目的。(2)耦合蒸餾。蒸餾過程與其它過程同時進行,以達到強化作用和簡化過程的目的。(3)動態(tài)蒸餾。包括可控的不穩(wěn)定蒸餾與分批蒸餾,能提高傳質效率和縮短操作時間,達到增產和節(jié)能的目的。(4)場效應蒸餾。包括帶電、磁、激光、重力、功能微粒7等場效應的蒸餾,對傳質過程有不同程度的促進【4】。天津大學針對苯酚，鄰、對苯二酚等高凝固點類化工產品的分離過程，開發(fā)成功具有高凝固點，高粘度和熱敏特征的難分離復雜物系精餾節(jié)能新技術，采用該技術設計的精餾塔已在萬噸級苯酐裝置獲得應用，分離效率提高2-3倍，熱能耗降低30%-50%。根據蒸餾科學的特點和現(xiàn)狀

15、，要深化蒸餾過程就必須突破傳統(tǒng)的研究方法，探索新理論，吸收其他最新研究成果，對分離過程設備進行強化，以開發(fā)環(huán)保，高效，節(jié)能并符合精餾過程的設備。二 干燥操作的節(jié)能問題干燥過程是各種工業(yè)過程廣泛采用的單元操作,其能量消耗相當大,因此干燥過程的節(jié)能問題尤為重要。干燥過程的主要節(jié)能措施如下:2.1選用合適的干燥流程及設備干燥操作流程和設備有各種形式,適應于各種場合。如何選用合適的干燥流程與設備對于干燥過程的節(jié)能是相當重要的,這方面主要依據干燥物料的特性和干燥產品的要求以及生產的實際情況而定。2.2降低干燥裝置的熱能供給量首先應對原料進行預處理,盡量采用機械分離方法脫除一部分游離水分,因為機械分離方法

16、比熱處理分離方法消耗的能量要少得多;其次是改善干燥介質的熱狀態(tài):(1)盡可能提高干燥介質的進氣溫度,減少干燥過程中的干燥介質消耗量,則干燥廢氣帶走的熱能相應減少,熱效率提高,針對物料的熱敏性問題,可考慮采用中間加熱的辦法。(2)降低干燥介質的出口溫度,提高其濕度,同樣可以減少干燥介質的消耗量,提高干燥操作的熱效率,但為防止干燥產品返潮以及設備的堵塞和設備材料的腐蝕問題,氣體離開干燥器的溫度需高于進入干燥器時的絕熱飽和溫度2050【8】。2.3利用先進的節(jié)能技術(1)采用部分廢氣循環(huán)的干燥流程。將含有大量熱量的部分廢氣返回預熱室,與新鮮空氣混合使用,可將廢氣中的余熱重新利用,并降低了空氣加熱器的

17、熱負荷,能耗將下降10%。目前,一般的廢氣循環(huán)量控制在20%左右。(2)采用熱效率高的傳熱設備。為了提高傳熱系數,減少換熱面積,降低設備投資費用,需采用高效的換熱設備。如新型換熱器空心環(huán)管換熱器,它采用空心環(huán)支承雙面強化傳熱管管束的強化技術與一般的管殼型換熱器相比在相同的傳熱條件下總傳熱系數可以得到提高，換熱面積也可減少。2.5采用熱管技術熱管吸熱段吸收廢氣熱量,并通過管壁傳給管內工質,工質吸熱后蒸發(fā)成蒸汽,蒸汽在壓差的作用下上升至放熱段,與管外冷流體換熱,蒸汽冷凝并向外放出汽化潛熱,冷凝液在重力的作用下回到吸收段。熱管技術具有傳熱效率高,流動阻力損失少等優(yōu)點,廣泛地應用于廢氣余熱的回收【2】

18、。(4)采用熱泵技術。熱泵是利用液態(tài)工作介質(氨、氟里昂、水等)在蒸發(fā)器中減壓蒸發(fā),從較低溫度的干燥廢氣中吸收余熱,而氣態(tài)工作介質經壓縮機后進人冷凝器,在較高溫度下冷凝放出潛熱預熱新鮮空氣。熱泵的流程可分為閉路循環(huán)式和開放式兩種。利用閉路循環(huán)式熱泵技術,空氣可循環(huán)使用,而開放式熱泵技術,廢氣經熱量回收后排出干燥系統(tǒng)。2.6加強設備操作管理和管路保溫加強設備和管路的保溫隔熱,以減少干燥系統(tǒng)的熱損失。同時優(yōu)化送風系統(tǒng),減少因熱氣的漏出和冷氣的滲人造成的能量損失。三 結晶分離的節(jié)能技術結晶分離是分離混合物常用的方法之一。傳統(tǒng)的結晶分離,如濃縮結晶,冷卻(冷凍)結晶,耗能很大。目前國際上新型結晶技術已

19、取得了突破性進展,并得到實際應用【9】。3.1萃取結晶技術萃取結晶技術是萃取技術與結晶技術的藕合技術。可很好地用于沸點等物性相近的混合物。例如,在對二甲苯 -間二甲苯混合物中,加入四氯化碳,可以將對二甲苯從混合液中分離出來,對二甲苯收率高達90%。萃取結晶技術也應用于無機混合物的分離。例如,用1,4 -二氧雜環(huán)乙烷從KIO3和KI的水溶液中分離KIO3;用有機胺絡合萃取劑,以氯化鉀和磷酸為原料,生產磷酸二氫鉀等。又如,在碳酸鈉水溶液中加入正丁醇,結晶出碳酸鈉,在實際生產中得到了滿意的結果。萃取結晶技術也可用于有機物-水-無機鹽體系中使有機物與無機鹽分離。例如在制造有機羥醛的試驗中,在羥 -水-

20、硫酸鈉體系中,常溫下加入甲醇,成功地將硫酸鈉分離出來,使其分離后的混合溶液中,硫酸鈉含量小于5%。萃取結晶技術關鍵是尋找到合適的萃取絡合劑。3.2熔融結晶技術由于近90%的有機化合物為低共熔型,70%的化合物熔點在0200,只有10%左右低于 0,因此,用熔融結晶法更易分離。大多有機化合物的結晶,不需深冷分離,而且可利用廢熱、余熱。新型熔融結晶技術特點:(1)低能耗,結晶相變潛能僅是精餾的1/31/7;(2)低操作溫度;(3)高選擇性,可制取高純或超純(99.9%色譜純)產品;(4)環(huán)境污染較小。國際上熔融結晶裝置目前有復合式懸浮結晶型和逐步凍凝型。天津大學已成功地開發(fā)了液膜結晶設備,并已成功

21、地應用于4200t鄰位與對位二氯苯的分離。3.3高壓結晶技術高壓結晶是利用加壓下物系的液固相變化的分離技術。其原理為:物系中包含的雜質使其熔點下降,對應相變壓力上升,隨著結晶過程的進行,固相份數增加,液相雜質濃度提高,相變壓力不斷上升,在共晶壓力下,物系中就只有高純目的物晶體和母液共存,排除母液經減壓發(fā)汗,可分離得到更純的目的物晶體。高壓結晶尤其適應于有機物的提純精制。四 新型萃取4.1雙水相萃取雙水相萃取技術目前仍不是十分成熟【16-18】,在其運用中存在一定的問題,成相聚合物價格昂貴是阻礙該技術應用于工業(yè)生產的主要因素。葡聚糖價格很高,用粗品代替精制品又會造成葡聚糖相粘度太高,使分離困難。

22、PEG并不是雙水相體系最適合的聚合物,磷酸鹽又會帶來環(huán)境問題,故開發(fā)新的聚合物是該技術應用急需解決的問題,Nisson等人【19】利用改性淀粉代替dextran取得了比較好的結果。4.2凝膠萃取凝膠萃取(GelExtraction)是Cussler等在1984年首次提出的分離技術,它利用凝膠在溶劑中溶脹特性和凝膠網絡對大分子、微粒等的排斥作用達到溶液濃縮分離的目的。該技術與其它分離方法相比設備簡單、能耗低,所用的凝膠再生簡單,有著良好的應用前景【20-22】。凝膠萃取根據凝膠在發(fā)生相變時,外界條件的不同,可以分為溫敏型、酸敏型和電敏型【23】。凝膠萃取,不論其是溫敏、酸敏或電敏型,均可能成為取

23、代超濾或蒸發(fā)濃縮高分子溶液的新分離技術,尤其是電敏凝膠,具有快速、簡便和無污染的特點 ,很有可能更快的獲得工業(yè)應用【24】,但凝膠本身的性質由很多種因素確定,但主要的影響因素則是凝膠的離子度和濃度。對凝膠脹縮機理目前有兩種不同的解釋,其確切的闡述還需要進一步試驗研究。4.3反膠團萃取技術為使許多高附加值生物工程產品實現(xiàn)大規(guī)模產業(yè)化生產,急需開發(fā)從發(fā)酵液或細胞培養(yǎng)液中連續(xù)提取目的產物的分離技術,以減少對產品生物活性的影響,并保證產品的純度。一種新的生化分離技術2反膠團萃取方法,它具有成本低、選擇性高、操作方便、放大容易、萃取劑(反膠團相)可循環(huán)利用、蛋白質不易變性等優(yōu)點,在蛋白質混和物的分離、2

24、淀粉酶的濃縮、細胞內醇的直接提取、蛋白質的復性、從植物中同時提取油和蛋白質等方面有著重要的應用。隨著研究的不斷深入,相信該分離方法為人類提供生化產品已為時不遠了,并較之其他的分離方11法有更大的優(yōu)越性和經濟合理性【25】。4.4固相微萃取1989年,Belardi與Pawliszyn提出固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)技術以來,固相萃取作為化學分離和純化的工具出現(xiàn)了。近些年來,SPME研究成為一個熱點,正在進一步完善,SPME發(fā)展與其他儀器,如傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、電感耦合等離子體質譜儀(ICP2M5)及拉曼光譜儀聯(lián)用的情況也有報道。SP

25、ME正朝著多樣化、儀器化、標準化的方向發(fā)展。4.5微波萃取微波萃取技術(microwave2ass1 sted ExtractionTechnique)是指使用微波及合適的溶劑在微波反應器中,從各種物質中提取各種化學成分的技術和方法。與傳統(tǒng)的萃取技術、樣品制備技術相比較,微波萃取技術具有以下特點:質量高、產量大、對萃取物料具有較高的選擇性,反應或萃取快、能耗低、安全、無污染。但到目前為止,其研究處于初期階段。萃取機理論上還有待于深一步地研究。鑒于微波能對萃取過程中傳質傳熱的促進作用,將其應用于生物成分的提取和濃縮必然會產生很好的效果。同時,如果能在儀器設計上實現(xiàn)突破,使微波萃取像超臨界流體萃取

26、那樣與檢測儀器實現(xiàn)在線聯(lián)機,則該方法將會得到進一步發(fā)展。4.6超臨界萃取超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,SFE)是新型的提取技術,它以超臨界條件下的氣體作為萃取劑,從液體或固體中萃取出某些成分并進行分離。SFE技術已走出實驗室進入規(guī)模化生產階段,萃取產品種類不斷涌現(xiàn)。但大規(guī)模應用于工業(yè)生產,還需研究SFE的熱力學特性和傳質規(guī)律,建立萃取系統(tǒng)的動態(tài)傳質模型,以預測并且要進一步探討萃取機理,開發(fā)萃取工藝,特別是探討溶劑、物料性質對萃取過程及對食品物料大分子以提高萃取率和產品度【26】。目前,應用于工業(yè)生產的萃取設備還未實現(xiàn)規(guī)范化,配套性也不盡合理。對此

27、,應以傳遞模型為基礎,建立設備放大的數學模型,以便工業(yè)設計,同時還應降低設備成本、以便利于推廣。4.7萃取精餾 由于資源綜合利用、節(jié)能減排及環(huán)境保護等發(fā)展方向的需求,所以更應該強調化工單元應用的重要性,萃取精餾技術在工業(yè)過程中的應用及對節(jié)能、減排有重要的影響;在煉油、精細化學品、醫(yī)藥及環(huán)保應用領域中,常遇到難分離的共沸物、小沸點差的混合溶液,對于這類介質采取萃取分離技術是行之有效的。比如利用萃取精餾技術來制備乙醛酯及對混合二氯苯分離過程的影響,在設計的工藝方案中,采用三對角距陣法模擬萃取分離結果,考察物料進料位置、進料量、回流比及塔板數對分離過程的影響,優(yōu)化分離過程的工藝條件,實驗和模擬計算結

28、果為工業(yè)生產提供指導意見。決定萃取分離效果的主要因素是溶劑,除此以外,還與溶劑與進料的比例、回流比及進料位置等因素有關。采用有效的溶劑與進料的比例、回流比及進料位置等能取得較好的結果。五 膜分離技術節(jié)能膜分離技術是利用特定膜的滲透作用,在外界能量或化學位差的推動下,對氣相或液相混合物進行分離、分級、提純和富集,膜分離過程大多無相變,常溫操作,高效、節(jié)能、工藝簡便、污染小。20世紀80年代以來我國膜技術跨入應用階段,同時也是新膜過程的開發(fā)階段。在這一時期,膜技術在食品加工、海水淡化、純水、超純水制備、醫(yī)藥、等領域得到了較大規(guī)模的開發(fā)和應用【10】。目前,膜分離技術已廣泛應用于化工、輕工、紡織、冶

29、金、石油等行業(yè)。2l世紀的膜分離技術除了將在以上行業(yè)起重要作用外 ,還將在以下三個方面【27-28】發(fā)揮作用。(1)節(jié)能技術。隨著膜分離性能的提高以及流程的改進,膜分離的能耗將會進一步減少。(2)生物技術。與傳統(tǒng)的生物產品分離方法相比,膜分離減化了分離過程,降低了成本,提高了質量,膜分離技術在生物技術中主要用于生物反應器、下游產品處理和作為吸附介質。(3)環(huán)境工程。膜分離技術在環(huán)境工程特別是工業(yè)廢水中能實現(xiàn)閉路循環(huán),在消除污染的同時變廢為寶,取得更大的經濟效益與社會效益。目前,已經工業(yè)化應用的膜分離過程有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、滲析(D)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、

30、滲透汽化(PV)、乳化液膜（ELM) 等。5.1離子膜技術離子膜燒堿不但能生產出高純度燒堿和氫氣,而且節(jié)能效果顯著,比隔膜法節(jié)約能耗約 30%。因此,離子膜法將逐步取代隔膜法生產燒堿。離子膜也開始應用于醫(yī)療、食品工業(yè)除去電解質,分離氨基酸及海水淡化等。5.2氣體分離膜技術【29】膜分離氫氣技術已成功地用在合成氨廠從馳放氣中回收氫氣,甲酸裝置從合成氣、水煤氣脫氫氣得到90%的一氧化碳,煉廠從催化重整過剩氣中分離出95%含量的氫氣作為加氫裂解原料等。從空氣中富集濃縮氧和氮,比深冷分離法要節(jié)能得多。氣體分離膜可給氣體分離技術帶來大量效益。常規(guī)技術如空氣制冷蒸餾;冷凝法從氣體混合物中去除冷凝的有機蒸氣

31、;胺吸收法去除酸性氣體,如從天然氣中去除二氧化碳,都需要使被分離的氣體混合物產生氣-液相變化。相變化分離增大了能量費用。而氣體膜法分離無需相變。此外,氣體分離膜設施比各種類型裝置如胺汽提裝置要小得多,因此占地也相對較小。小型化有利于淺海氣體加工平臺應用。膜系統(tǒng)的另一優(yōu)點是無復雜的機械設備。現(xiàn)在,氣體分離膜已廣泛應用于以下工業(yè)領域:氫氣分離,如合成氨裝置中氫/氮分離、石油化工中氫/烴分離;從空氣中分離氮氣;從天然氣中去除CO和水;從空氣或氮氣流中去除有機蒸氣。新材料的應用：陶瓷膜、混合基質膜、碳膜。5.3膜萃取技術膜萃取是膜過程與液-液萃取過程相結合的分離過程,特點是:(1)萃取劑選擇范圍寬;(

32、2)料液夾帶損失小;(3)過程不受“反混”的影響和“液泛”條件的限制;(4)可實現(xiàn)同級萃取和反萃取過程;(5)可提高傳質效率。膜萃取技術在分離生物化工產品和實現(xiàn)發(fā)酵耦合過程方面正成為研究工作的熱點【11】。5.4膜蒸餾技術1 膜蒸餾【30】是膜技術與蒸發(fā)過程相結合的膜分離過程,所用的膜為不被待處理的溶液潤濕的疏水微孔膜，膜的一側與熱的待處理溶液直接接觸(稱為熱側),另一側直1接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側),熱側溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化,通過膜進入冷側并被冷凝成液相,其他組分則被疏水膜阻擋在熱側,從而實現(xiàn)混合物分離或提純的目的。在膜蒸餾過程中,不存在液體的混合和霧沫夾帶現(xiàn)象,對離子

33、、膠體、大分子等不揮發(fā)組分和無法擴散透過膜的組分的截留達到100%。5.5基于滲透汽化過程集成過程【15】簡稱滲透汽化，是一種新型的膜分離過程，被認為是分離近沸 恒沸混合物的有效手段，該技術具有分離系數高，操作簡單和易于實施等優(yōu)點，因而已經發(fā)展成為一種具有經濟競爭力的實用分離工藝相對于其他的膜分離過程而言，滲透汽化的研究起步較晚，但經過近年的迅速發(fā)展，已經在有機溶劑脫水，水中脫除微量有機物等分離方面取得了重要的研究成果和應用。但滲透汽化單獨使用的經濟性并不好，工業(yè)上應用于集成過程或組合過程，即與其他分離過程結合起來使用，可以發(fā)揮有關分離過程的優(yōu)點，達到優(yōu)化的目的。當前，基于組合過程受到重視，正

34、在進行更多的研究和開發(fā)利用。5.6液膜分離技術【31】最初是由美國埃克森研究工程公司的在年提出來的。以后逐漸發(fā)展成為分離科學上的一門新技術。迄今，日本，西德，英國，加拿大，蘇聯(lián)，匈牙利,等國相繼開展了研究，已發(fā)表了數百篇文章和專利。從機理具體應用到設備等方面均進行了深入的研究，廣泛應用于化工，醫(yī)學，生化，環(huán)保，原子能等方面液膜分離技術適用于從稀溶液中回收有用的物質，從廢水中除去有毒有害的物質分離物理化學性質相似的碳氫化合物氣體等物質，它與現(xiàn)有的化工分離方法，溶劑萃取，汽體反滲透等，比較其有獨特之點，具有選擇性好，相際傳遞面積大，傳遞速率快，分離效果好等，因此它是分離技術的一個最新成就，是很有發(fā)

35、展前途的新技術液膜分離技術的應用。5.7超濾、微濾和納濾5.7.1超濾膜簡稱UFM【32】，一般是由聚礬，中空纖維，醋酸纖維和芳香聚酞胺等制成的對稱微孔膜孔徑。其推動力是靜壓差，其分離特點是不需外加分離劑，設備和操作簡單，能耗較少，適合于高分子有機物蛋白質，多糖類，病毒，巨大的大分子等及無機膠體粒子等的分離，多用于食品工業(yè)廢水處理和紡織工業(yè)脫漿水的處理等，并用于回收淀粉酶和聚乙烯醇。5.7.2微孔濾膜簡稱MFM【32】，通常是由特種纖維素酯或高分子聚合物制成的高度均勻的對稱微孔膜孔徑。推動力為靜壓差，屬篩網狀過濾介質，它具有材質薄濾速快，吸附少，化學及熱穩(wěn)定性好和無介質脫落等優(yōu)點；在醫(yī)學微生物

36、學和分子生物學中用于檢驗微生物，除去微粒；在電子工業(yè)中制備純水和光致抗蝕劑以及食品工業(yè)中用于消毒和澄清過濾等，可截留細菌、重金屬及其他固體懸浮物。5.7.3納濾膜【33】及其應用納濾膜常用于水的軟化，水的脫色等凈化處理【34】。劉俏等用中空纖維聚砜超濾膜，對處理豆腐廢水過程中膜阻力的分布進行了研究，預處理及超濾條件不同，其過濾阻力構成也不同【35】。劉久清等以廢水回用為目的，研究了利用納濾膜處理含磷廢水的工藝方法，系統(tǒng)討論了進料流量、操作壓力等因素對過程的影響，得出了合適工藝條件【36】。Vader Bruggen應用幾種不同納濾膜對農藥微污染地下水進行研究。Riina Liikune應用多種

37、納濾膜對經臭氧化氯化鐵絮凝氣浮過濾處理后的地表水再進行了納濾處理。在國外,納濾膜最大應用市場的飲用水領域,主用于脫除三鹵甲烷中間體(THM)、異味、色度、農、合成洗滌劑、可溶有機物、Ca、Mg等硬度成分。今國內在此領域會逐步有較大突破。目前在飲用水域還主要使用與反滲透膜材質相同的聚酰胺納濾。納濾膜另一個很有前途的應用領域是環(huán)保和廢處理;納濾膜應用開發(fā)較為熱門的一個領域是各醫(yī)藥、生化、食品、化工物料水溶液的分離、精制或縮過程。5.8電滲析在日本，電滲析技術發(fā)展較快，如電滲析殺菌法，旨在代替氯氣成為處理水的一種新型實用滅菌方法。在烴系膜領域，最近開發(fā)的工程塑料樹脂素材的高性能膜正推動廢酸回收再利用

38、技術的進步；還有利用太陽能電滲析脫鹽等都為很好的發(fā)展方向【37】。張煒銘等用大孔樹脂吸附處理2，6-二羥基苯甲酸合成廢水【38】，汪建芳用離子交換膜電滲析法濃縮回收硫酸鈉溶液，證實其為理想新型處理方法【39】。王偉祖等研究了在分離不同醇水體系時交聯(lián)劑量對交聯(lián)殼聚糖膜分離性能的影響，并就交聯(lián)前后膜對體系的分離性能發(fā)生變化的原因進行了探討【40】，張雷對大欽島電滲析苦咸水淡化工程運行12年的狀況進行了全面探析【41】。5.9液膜液膜分離法是一種集萃取與反萃取與一體的分離技術，在兩相間形成界面液相膜，利用物質的選擇性滲透，使物質達到分離或提純。液膜分離技術具有膜薄，選擇性高、傳質速率大的特點，近年來

39、，在精細化工廢水回收可利用資源方面獲得了廣泛應用，前景廣闊。馬國芳等用重差分相式液膜法提取了Cu+離子【44】，用并非為最佳萃取劑為載體，HSO為反萃劑，可達到理想效果，既保留了乳狀液膜的萃取和反萃取同時進行的特點，效率高，還不需要制乳和破乳，表面活性劑用量少，工藝簡化，易放大。5.9.1滲透蒸餾是等溫下的膜傳質過程,具有常溫、常壓下操作及非揮發(fā)性組份透過率低的優(yōu)點。但是由于過程傳質推動力小,傳質速率低,處理量受到一定限制。在工業(yè)應用中,通常需要與其它膜分離技術相配合,例如食品飲料行業(yè)中,對果汁和葡萄酒的濃縮;近年來還開發(fā)了滲透蒸餾與精餾技術集成的新1工藝,例如發(fā)酵液中醇的脫 。5.9.2滲透

40、蒸發(fā)也是分離液體混合物的一種新型膜分離技術,其分離因子高,適用范圍廣,與傳統(tǒng)分離方法相比,污染小、,能耗低。可用于有機溶劑脫水,從水中脫有機物以及有機物之間的分離。尤其對傳統(tǒng)方法不能分離的物系,如共沸物、近沸點物的分離極為有效。但是滲透蒸發(fā)過程通量小,在應用上有一定的局限性,單獨使用常常是不經濟的,甚至是不可行的,而與傳統(tǒng)分離方法如精餾、吸附、吸收等過程集成,會集各個過程的優(yōu)點并充分顯示出該新型膜分離技術的優(yōu)越性,例如用于乙醇脫水、異丙醇脫2,3水、甲基叔丁基醚(MTBE)產物等物系的分離。滲透蒸餾還可以與其它過程的集成比如與精餾過程的集成，與反應過程相結合以及與吸附過程的集成。【15】5.1

41、0透析膜【32】利用膜兩側的濃度差從溶液中分離出小分子物質的過程稱為透析。目前，透析膜通過分子量以下低分子物質不能透過蛋白質能除去尿素肌酸，尿酸等尿中毒素，工業(yè)上曾利用透析從人造毛和合成絲廠的纖維素中回收。5.11在工業(yè)廢水處理中的應用環(huán)境問題是當今世界所面臨的重大問題之一，在環(huán)境污染中，工業(yè)廢水的污染影響最大，所以，研究工業(yè)廢水處理方法顯得尤為重要，目前在工業(yè)廢水處理中應用非常廣泛。5.11.1有機合成工業(yè)廢水的處理【42】有機合成工業(yè)廢水過去大多采用先濃縮再焚燒或濕式空氣氧化的處理方法，現(xiàn)采用納濾膜法使有機合成工業(yè)廢水中的有機物得到有效濃縮與脫鹽與過去的方法相比較具有操作成本低能耗低，且無

42、再次污染環(huán)境的問題。例如公司設計安裝的膜設備，每套設備每天可處理有機合成工業(yè)廢水，其滲透液再經簡單生物處理即可達到排放標準。5.11.2含鈾廢水的處理【43】李民權等人【44】對于鈾礦山和鈾礦水冶廠所產生的含鈾廢水，采用乳化型液膜處理，在含鈾廢水中加入石灰乳可除去鈾的衰變子體，如鐳等，待澄清后，將上部清液轉為硝酸體系并與等體積的乳化型液膜在混合澄清槽以中混合，混合澄清槽串聯(lián)形式連接新液膜，從槽的混合室下部加人從槽的澄清室上部流出，而新的含鈾廢水從槽的混合室上部加人與液膜逆流而行，最后從槽的澄清室下部流出，經液膜處理后的一回水含鈾量從降至限八收的鈾經活化后可做核材料使用達到回收鈾和保護環(huán)境的雙重

43、效果。5.11.3含氰廢水的處理【45】氰化鈉是一種劇毒物質，黃金生產電鍍，工業(yè)及化肥工業(yè)等都會產生含氰污水，常規(guī)的污水處理法如堿性氯化法，不能回收氰化物空氣吹脫法和電解法能耗大，酸性吸收法以設備投資高，腐蝕性強，處理后的廢液難達到排放標準。采用液膜法除氰效率高，并能回收氰化物連續(xù)逆流萃取一次處理后即可達到排放標準處理工的膜且可重復使用。5.11.4高濃度凹印擦版油墨廢水的處理【46】對油墨廢水先進行機械預分離去除較大的顆粒物質將分離后的淡液送人超濾裝和置進行分離。利用膜對水小分子量物質的選擇性透過能力將油墨渣和其它有機類的。物質分離掉清液經調整后可直接回用于生產，而濃縮液和預分離的濃縮液一起

44、濃縮干燥成為含水率低于的干油墨渣可供綜合利用。經多次循環(huán)的清液還可通過反滲透裝置定期加以分離和再生出水仍可回用實現(xiàn)了無廢水排放的閉路循環(huán)。5.11.4含酚廢水【47】經過液膜可脫酚技術處理后的含酚水，酚的含量控制在10-6g/l以下，脫除率達99.9%以上，而用溶劑萃取共縮聚和吸附脫酚等方法處理后的含酚水，酚的含量仍在10-3一10-4g/l。（17）5.11.5海水淡化膜應用現(xiàn)狀及最新進展【48】國外已有多套日產水量為10萬噸級以上的反滲透海水淡化裝置，目前正在運行的大型卷式膜海水淡化裝置的單機能力多為日產水量6000t。國內目前建成的反滲透海水淡化裝置的規(guī)模為日產水量350-2500t。河

45、北建設的日產水量18000t的“亞海水”脫鹽裝置是國內最大的使用海水淡化膜的反滲透裝置。今后國內海水淡化膜的應用會進入一個新時期。日本的三家膜公司已開發(fā)出可耐9.0MPa以上壓力的海水淡化膜,使用此膜,日本的水處理工程公司已在西班牙建造了水回收率高達60%的兩段反滲透海水淡化裝置。目前在日本福岡,已開始建設日產58000t的高回收率反滲透海水淡化裝置。美國海德能公司已開始在大型飲用水項目上,提供對硼離子有高脫除率的海水淡化膜。5.11.6印染廢水【49】膜分離技術處理印染廢水主要是通過對廢水中的污染物的分離、濃縮、回收而達到廢水處理目的的,改變了以前廢水處理過程復雜、污染嚴重、,能耗高的局面,

46、使印染廢水處理相對簡單、無二次污染,而且能回收可再利用物質,具有節(jié)能、無相變、設備簡單、操作方便等特點。5.12最新應用開發(fā)動向進行以水處理為主的膜材料及膜研究,如大通量、高表面積的反滲透膜研究、界面縮聚法制備納濾膜活性層的方法;大通量高選擇性氣體分離膜研究;二氧化碳分離、有機廢氣處理的研究;從水中分離有機物的高選擇性膜研究和有機物/有機物分離膜研究;另外還有膜過程在環(huán)境保護及治理、水資源再生、燃料電池隔膜的理論和應用研究;具有更好耐酸堿、耐熱、耐壓、耐有機溶劑性能、抗氧化、抗污染性能和易清，洗性能的高聚物膜、無機膜和生物膜材料;結合多種膜過程優(yōu)點的集成膜過程;取代反滲透和蒸發(fā)工藝的膜蒸餾過程

47、等。六 其他分離技術6.1變壓吸附技術高壓吸附可用于分離氣體混合物并制取純氣體,它是利用特定的吸附劑對各種氣體吸附能力的差異進行氣體分離的。適用氣源廣,產品純度高,工藝簡單,節(jié)能效果顯著,可在常溫和在較寬的壓力范圍內操作。原化工部西南化工研究院對此項技術進行了卓有成效地研究,已成功地應用在從合成氨馳放氣、焦爐煤氣中回收純氫氣;從含一氧化碳混合氣中制取純一氧化碳;合成氨變換氣脫碳;天然氣凈化提純甲烷;濃縮乙烯空氣分離制取富氧和純氮等工業(yè)生產過程中,取得了驕人的節(jié)能效果和經濟效益【5】。6.2機械分離方法的節(jié)能問題6.2.1新型機械分離裝置的開發(fā)在現(xiàn)代工業(yè)中 ,離心分離技術【50】已越來越重要。這

48、不僅由于離心機和其它分離機械相比,可得到含濕量低的固相和高純度的液相,而且具有減輕勞動強度、改善勞動條件,并具有連續(xù)運轉、自動遙控、占地面積小等優(yōu)點。特別是隨著能源、環(huán)保和生物醫(yī)藥工程的發(fā)展,更促使了我國離心分離技術的迅速發(fā)展。以沉降式離心分離機為例,這種機器多數為皮帶驅動方式,但因為回轉體大,所以選擇適當的馬達能產生相當大的節(jié)能效果,對于標準處理量為7m3·h-1的裝置,當使用直接起動方式驅動時需要22kW的馬達,而使用液力變速器和離心離合器起動方式時,由于減少了起動負荷,所以只用15kW的馬達就足夠了【6】。6.2.2機械分離裝置的小型化在間歇操作中,由于能在很大程度上靈活地確定

49、操作壓力和分離時間,使之與被分離的物料相適應,因而對分離速度幾乎不產生影響,故多數情況下能夠實現(xiàn)小型化。在連續(xù)操作的情況下,被分離物質在小型裝置中停留時間減少,分離時間變短,為了加以彌補,就必須改變操作條件:通過增加壓力、改善物料預處理方法等提高分離速度;或者通過降低運轉速度,使處理量做出某種程度的犧牲等。關于連續(xù)式離心過濾機的小型化問題,最近已有報道。6.2.3設備操作管理的優(yōu)化進行機械分離時,通過預處理來改善固液混合物的性質和通過幾種機械分離方法的并用來提高工作效率,確定最佳的操作壓力、分離時間等工藝條件。如最佳過濾時間的確定。這些必須根據合理的設計方針和可靠的實踐經驗來把握,重要的是要充

50、分運用以達到節(jié)能的目的。6.3蒸發(fā)操作的節(jié)能問題蒸發(fā)是從含有不揮發(fā)溶質的稀溶液中脫除大量溶劑的最有效的分離方法,但同時需要消耗大量的加熱蒸汽,能耗較高。目前,蒸發(fā)操作采用的主要節(jié)能措施【7】如下 :6.3.1采用多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)的采用是蒸發(fā)操作節(jié)能的有效手段。采用多個蒸發(fā)器可以提高加熱蒸汽的利用率 (加熱蒸汽與蒸發(fā)水分量之比 D/W)。多效蒸發(fā)中,前一效的二次蒸汽 (低壓蒸汽)作為后一效的加熱蒸汽使用,故提高了加熱蒸汽的利用率,亦即提高了熱能的經濟性,降低了能耗。6.3.2引出額外蒸汽在多效蒸發(fā)流程中,有時將某一效的二次蒸汽引出一部分作為其他加熱設備的熱源,只要二次蒸汽的溫位能滿足于其他加熱設

51、備的需要,引出額外蒸汽總是有利的,而且,引出額外蒸汽的效數越往后移,生蒸汽的利用率越高,越有利于節(jié)能。6.3.3利用冷凝水的熱量蒸發(fā)裝置消耗大量的加熱蒸汽,必產生大量的冷凝水。較高溫位的冷凝水可用于預熱原料液,或者采用熱泵式冷凝水回收裝置、汽壓罐式冷凝水回收裝置和密閉式高溫冷凝水回收裝置來回收熱能。6.3.4再壓縮二次蒸汽可利用機械壓縮和蒸汽動力壓縮的方法對二次蒸汽進行再壓縮,使二次蒸汽溫度升高后重新作為加熱蒸汽使用,只需補充一定的能量,便可利用其大量潛熱,十分有利于節(jié)能。6.4泡沫分離法又稱氣浮法，是利用泡沫與水界面的物理吸附作用以表聚物形式去污凈水的方法世紀。20初泡沫浮選廣泛應用于礦冶工

52、業(yè)，后來又被用于脫除廢水中的表面活性物質（如表面活性劑蛋白質酶等）和洗滌劑；提取可與表面活性劑絡合或鰲合在一起的物質，如金屬離子；也可作為一種濃縮過程，對高濃度可生化性較差的表面活性劑廢水進行處理；在生化制品領域中，還可以通過泡沫分離技術進行病毒分離以及蛋白質酶的提煉。6.5泡沫分離技術展望泡沫分離技術【51】是一種新型的分離技術，在化工，生化，醫(yī)藥，污水處理等領域，它的應用和發(fā)展前景都十分廣闊，因此，對泡沫分離技術分離效率的影響因素及其影響程度的研究就顯得十分重要。為提高泡沫分離的效率，改善泡沫分離設備的性能，有關各種表面活性劑在氣液界面處發(fā)生分離的吸附機理以及吸附特性還有待于繼續(xù)研究，尤其

53、是吸附動力學以及表面活性物質混合物的競爭吸附有關。吸附動力學和流體力學行為，目前還沒有統(tǒng)一的數學模型 此外，由于吸附而引起的溶液粘度等物性的變化，也可能會影響到泡沫排液和泡沫穩(wěn)定性，并對分離效率有顯著的作用，所有會影響聚并的因素也應加以研究。單級半間歇及連續(xù)操作的泡沫塔的分離能力已有較詳細的論述，而多級逆流或錯流模型還需進一步考察。七 結語現(xiàn)代化工分離技術具有生產能力強、分離效率高、操作穩(wěn)定、節(jié)能降耗、投資回收期短、經濟效益高等優(yōu)點。將高效導向篩板、新型高效填料和超臨界流體技術應用在化工、環(huán)保領域,可以大大減少副反應的發(fā)生、降低污染物的排放量,避免環(huán)境污染發(fā)生,達到綠色化學生產的目的。隨著人們

54、環(huán)保意識的不斷增強和現(xiàn)代化工分離技術的不斷完善,相信現(xiàn)代化工分離技術將會在化工生產、環(huán)境保護等各個領域得到更為廣泛的應用。以上僅對化工生產中混合物分離這一領域的節(jié)能技術作了一個粗略的介紹,化工生產中其它領域節(jié)能技術、新工藝正在不斷地涌現(xiàn),如新型催化劑的研究應用、新設備的研制應用、新材料的研究應用等。筆者認為,任何新技術開發(fā)成功,關鍵在于工業(yè)化應用。因此,應加強化工工程、設備的開發(fā)研究,使新技術能迅速轉化為生產力,節(jié)約能源,增加效益。在生產上的應用,應根據本企業(yè)的實際情況,對各種新技術,進行詳細分析比較。參考文獻【1】武昊宇.多組分熱偶精餾的節(jié)能設計與優(yōu)化R&D。青島:青島科技大學,20

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