淺析特殊精餾技術論文
精餾是過程工業中應用最廣的分離操作,據估計,90% ~95%的產品提純和回收由精餾實現,這除了由于其技術比較成熟的原因外,最主要的是因其通常只需要提供能量和冷卻劑,就能得到高純度產品,操作簡單,一般比較經濟。一般的蒸餾或精餾操作是以液體混合物中各組分的相對揮發度差異為依據的。組分間揮發度差別愈大愈容易分離。但對于某些液體混合物,不宜或不能用一般精餾方法分離。而從技術上,經濟上又不適用于其它方法分離時,則需要采用特殊精餾方法,另外隨著生物技術、中藥現代化和環境化工等領域的不斷發展和興起,人們對蒸餾技術提出了很多新的要求( 低能耗、無污染等) ,由此也促進了許多精餾技術的產生,主要有以下幾個方面: 耦合精餾、特殊物料精餾、節能技術精餾等。
1 耦合精餾
截至目前所開發出的耦合精餾方法有膜蒸餾、催化精餾、吸附精餾、萃取精餾等等。
1. 1 反應精餾
反應精餾是化學反應和精餾分離耦合在一個設備中進行的操作。反應精餾自1860 年以來已經被應用于各種化工過程中,但直到1921 年,反應精餾概念才由Backhaus 提出, 70 年代初, Sennewald 等則首先對催化精餾過程進行了描述。根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工藝) 和非均相催化反應精餾( 即通常所稱的催化蒸餾) ; 根據投料操作方式,反應精餾可以分為連續反應精餾和間歇反應精餾; 根據化學反應速度的快慢,反應精餾分為瞬時、快速和慢速反應精餾。
反應精餾與常規精餾都是在普通的蒸餾塔中進行,但由于精餾操作和化學反應的相互影響,反應精餾具有自身顯著的優點,主要有以下幾點:
( 1) 提高了反應物的轉化率和選擇性,有些情況下可使反應物的轉化率接近100%。化學反應過程容易控制。
( 2) 減少設備投資費用和操作費用,也減少能量消耗。由于化學反應和精餾操作在一個精餾塔中進行,所以化學反應不需要專門的反應器,不必進行未參與反應的反應物二次蒸餾和重回反應器的操作,減少了能量消耗。若化學反應是放熱反應,則產生的反應熱可以被蒸餾操作直接利用,減少了再沸器提供的能量。
( 3) 設備緊湊,減少操作所需要占用的空間。
( 4) 可以有效地避免共沸物的形成給精餾分離操作所帶來的困難。在反應精餾中,由于化學反應的存在,在常規精餾中存在的共沸體系在反應精餾中可能消失。
對于一些用常規精餾難以分離的物系,使用反應精餾可以獲得比較純凈的目的產物。如間二甲苯和對二甲苯是同分異構體,使用常規精餾分離,需要較多的理論塔板數和較大的回流比,使用對二甲苯鈉作為夾帶劑只需要6 塊塔板即可有效分離。對于催化蒸餾,催化劑填充層起著加速化學反應速率和傳質的作用。
反應精餾最早應用于甲基叔丁基醚( MTBE) 和乙基叔丁基醚( ETBE) 等合成工藝中,現在反應精餾過程能夠應用于以下反應類型: ( 1) 酯化反應; ( 2) 乙烯基乙酸鹽的合成; ( 3) 酯交換反應; ( 4) 水解反應; ( 5) 縮醛化作用; ( 6) 水合/脫水作用; ( 7)烷化/烷基交換作用/脫烷作用; ( 8) 異構化作用; ( 9) 氯化作用;( 10) 氫化作用/脫氫加硫; ( 11) 二聚/齊聚作用; ( 12) 硝基作用; ( 13) 乙醇胺的生產; ( 14) 碳酰基化; ( 15) 氨化作用; ( 16) 醇解反應; ( 17) 氨基化作用。但是反應精餾過程的應用還是有其局限性的,它只適用于化學反應和精餾過程可在同樣溫度和壓力范圍內進行的工藝過程。此外,在反應和精餾相互耦合過程中,還有許多的問題,長期以來,對于反應精餾僅限于工藝的研究,直到上世紀80 年代,反應精餾的基礎理論性研究才開始引起研究人員的興趣和重視,當前反應精餾的研究熱點主要集中在催化劑的選擇、催化劑的裝填形式、反應精餾塔內的反應動力學、熱力學和流體力學等基礎理論以及反應精餾的建模仿真技術。
目前,反應精餾技術已在多個領域實現了產業化,對某些新領域的開發也取得了一定進展。隨著節能和環保的要求日益提高,反應精餾技術將會發揮更大作用,是解決能源危機和緩解三廢污染的有效途徑。結合了先進的計算機模擬工具,相信反應精餾工藝在未來幾十年將會有更好的發展。
1. 2 膜蒸餾
膜蒸餾( Membrane Distillation,簡稱MD)是近幾十年得到迅速發展的一種新型高效的膜分離技術。這種技術基于膜兩側水蒸氣壓力差的作用,熱側的水蒸氣通過膜孔進入冷側,然后在冷側冷凝下來,這個過程同常規蒸餾中的蒸發- 傳遞-冷凝過程一樣。與其他膜分離過程相比,膜蒸餾具有可在常壓和稍高于常溫的條件下進行分離的獨特優點,可以充分利用太陽能、工業余熱和廢熱等低價能源,且設備簡單、操作方便。可用于海水和苦咸水淡化、超純水制備、濃縮水溶液以及醫藥、環保等諸多方面,所以膜蒸餾技術的發展越來越引起人們的重視。根據在膜冷側收集水蒸氣的方式不同,膜蒸餾的類型可分為:
( 1) 直接接觸式膜蒸餾( 水吸式或外冷式) ( DCMD)該組件內,膜兩側的液體直接與膜面接觸。其一面是經過加熱的原溶液為熱側,另一面是冷卻水為冷側,膜孔內為汽相( 蒸氣和空氣) ,在熱側膜面上生成的水蒸氣透過膜至冷側凝結成水,并和冷卻水合而為一。
( 2) 氣隙式膜蒸餾( 內冷式) ( AGMD)該組件內,膜的冷側裝有冷卻板。在其間就是氣隙室。當熱側水蒸氣透過膜在氣隙室擴散端冷壁凝結成液態導出,而冷卻水在組件內部降溫。凝結水和冷卻水各有通道,互不混合。和直接接觸膜蒸餾組件相反,蒸發面和冷卻面之間有一定距離( 氣隙室寬度) ,這樣通量和熱傳導均受到了阻力。其優點是熱量損失小,熱效率高; 不需另加熱能回收裝置。缺點是組件結構較直接法復雜;其膜通量比直接法小。
( 3) 掃氣式膜蒸餾該組件內,膜的冷側通常以隋性氣體( 如氮氣等) 作載體,將透過膜的水蒸氣帶至組件外冷凝。
( 4) 減壓膜蒸餾與氣隙式膜蒸餾相類似,只是將冷側施以低壓處理。
膜蒸餾具有很多的優點,主要有:該過程幾乎在常壓下進行,設備簡單、操作簡便,在技術力量較弱的地區也有可能實現。
在該過程中無需把溶液加熱到沸點,只要膜兩側維持適當的溫差,該過程便可以運行這就有可能利用太陽能、地熱、溫泉等廉價的天然能源以及工廠的余熱等,對在能源日趨緊張的情況下,利廢節能是很有意義的; 在非揮發性溶質水溶液的膜蒸餾過程中,因為只有水蒸氣能透過膜孔,所以蒸餾十分純凈,有望成為大規模低成本制備超純水的手段; 膜蒸餾耐腐蝕、抗輻射,故能處理酸性、堿性和有放射性的溶液; 膜蒸餾組件很容易設計成潛熱回收的形式,可進一步降低能耗。膜蒸餾可廣泛應用于海水和苦咸水淡化,污水和工業廢水的處理,非揮發性酸、堿性溶液、揮發性溶液的濃縮和提純以及在醫藥、食品加工等方面的應用。
另外膜蒸餾也有許多的缺點,主要有:
( 1) 膜成本高蒸餾通量小;
( 2) 由于溫度極化和濃度極化的影響,運行狀態不穩定;
( 3) 研究工作多處于實驗階段,對傳質和傳熱機理及參數影響的定量分析還很不夠;
( 4) 研究所用物料一般都是簡單的水溶液。對一些工業廢水的研究甚少。
膜蒸餾過程的開發最初完全是以海水淡化為目的,現在膜精餾技術已廣泛應用到化學物質的濃縮和回收,例如對蔗糖糖漿的濃縮; 水溶液中揮發性溶質的脫除和回收,如從水溶液中脫除甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、氯仿、同時脫除乙醇和丙酮、同時脫除丙酮、丁醇和乙醇、甲基異丁基酮、鹵代揮發性有機化合物等; 果汁、液體食品的濃縮,如直接接觸式膜蒸餾濃縮蘋果汁、集成膜過程濃縮檸檬汁和胡蘿卜汁等; 廢水處理。
從近幾年有關文獻的數量和質量上都可看到膜蒸餾過程研究的發展十分迅速,人們不再滿足于對膜蒸餾過程普遍規律的描述,而是根據各自研究體系的特點,從機理的角度建立數學模型,考慮包括溫度極化、濃度極化在內的各種相關參數,使數學模型的預測結果更符合實際. 盡管人們目前考慮問題的角度、解決問題的方法不同,但基本都是以KudSen 擴散、分子擴散、Poiseuille 流動為基礎,隨著研究工作的深人發展,有可能殊途同歸,得到更精確、普適的數學模型。膜蒸餾技術中尚有很多基礎性課題有待更深人的研究,實際應用并實現產業化更是重要的發展方向。相信膜蒸餾技術會在研究和應用的生產實踐中不斷發展,一步步地走向成熟。
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