1.5　分離過程的選擇

選擇分離過程最基本的原則是經濟性。然而經濟性受到很多因素的制約，這些因素包括對市場的預測、過程的可靠性、技術改造帶來的風險和資金情況等。在這方面，分離過程與任何其他過程沒有區別。下面以兩個極端情況為例說明這些因素的影響。

①單位產品價值高和市場壽命短的產品。

②大噸位產品，但生產廠家多，市場競爭激烈。

對于第一種情況，應選擇成熟的分離方法。因為其經濟效益取決于在出現競爭之前就占領市場，且應在仍然暢銷時銷售盡可能多的產品。然而，如果市場信息已證明該產品有持續的生命力，那么按原設計擴建生產裝置是可取的。隨著時間的推移和激烈競爭，該產品已屬于第二種情況。

對于第二種情況，過程開發和設計受時間和投資的制約。然而，設計者應著眼于生產裝置的經濟效益，盡可能深入細致地開展工作，通過對多種方案的開發和評價，選擇在經濟上接近最優的方法，提高產品的競爭能力。

在選擇分離過程中，首先要規定產品的純度和回收率。產品的純度取決于它的用途，回收率的規定應保證過程的經濟性。回收率本應是過程設計最佳化的一個變量，但實際上由于受設計工作量的限制，常按經驗確定。

影響選擇分離過程的因素歸納如下。

1.5.1　可行性

分離過程在給定條件下的可行性分析能篩選掉一些顯然不合適的分離方法。例如，若分離丙酮和乙醚二元混合物，由于它們是非離子型有機化合物，因此可以斷定用離子交換、電滲析和電泳等方法是不合適的，因為這些分離過程所基于的性質差異，對該物系不存在。

過程的可行性分析應考察分離過程所使用的工藝條件。在常溫、常壓下操作的分離過程，相對于要求很高或很低的壓力和溫度等苛刻的過程，應優先考慮。

對大多數分離過程，分離因子反映了被分離物質可測的宏觀性質的差異。對精餾而言，相應的宏觀性質是蒸汽壓。對吸收和萃取而言，是溶解度等。這些宏觀性質的差異歸根結底反映了分子本身性質的差異。表1-3表示了各種分離過程的分離因子對分子性質的依賴性。從表1-3可以看出，在確定不同分離過程的分離因子時，不同的分子性質的重要性基本上是不同的。例如，精餾過程中，分離因子反映為蒸汽壓，最終反映了分子間力的強弱。而在結晶過程中，分離因子主要反映了各種分子會聚在一起的能力，這時分子的大小和形狀等這些簡單的幾何因素就顯得更重要了。

對于任何給定的混合物，按分子性質及其宏觀性質的差異選擇可能的分離過程是十分有用的。例如，如果混合物中各組分的極性相差很大，就有可能采用精餾過程；如果各組分的揮發度相差不大，則可能采用極性溶劑進行萃取或萃取精餾。如果極性大的分子以很低的濃度存在于混合物中，那么采用極性吸附劑的吸附過程可能是合適的。

1.5.2　分離過程的類型

由各類分離過程在應用中的優缺點，可歸納出某些選擇原則。

一般說來，采用能量分離劑的過程，其熱力學效率較高。這是因為對采用質量分離劑的過程，由于向系統中加入了另一個組分，以后又要將它分離必定要花費能量。因此，選用有質量分離劑的過程，它一般應有比能量分離劑過程更大的分離因子。萃取精餾和（或）萃取選擇的原則是，其分離因子按精餾<萃取精餾<萃取的次序增加。

不同分離過程采用多級操作的難易程度是不同的。膜分離過程和其他速率控制過程采用多級操作比較復雜，因為需要把分離劑加到每一級，還常常要把每一級放在彼此隔開的容器內。另一方面，精餾塔卻可以把多級放在一個設備中；各種形式的色層分離可在一個裝置中提供更多的分離級，適用于分離因子接近于1和純度要求很高的分離情況。與此相反，膜分離過程最適用于分離因子較大的系統。

比較各類分離過程，精餾是應用能量分離劑的平衡過程，從能量消耗的觀點看，它是合理的。精餾過程不必加入有污染作用的質量分離劑，并且易在一個設備內分為多級。因此在選擇分離過程時，精餾應是首先考慮的對象。通常不采用精餾操作的因素是，產品因受熱而損害（表現在產品的變質、變色、聚合等方面），分離因子接近于1，以及需要苛刻的精餾條件。

由于能源價格上漲，有人對取代精餾的過程做了評價。其結論是，共沸精餾、萃取精餾、萃取和變壓吸附的應用有明顯的增長，結晶和離子交換有一定程度的增加。

1.5.3　生產規模

分離過程的生產規模與分離方法的選擇密切相關。例如，很大規模的空氣分離裝置（空氣處理量超過2832m³/h），采用低溫精餾過程最經濟，而小規格的空氣分離裝置往往采用變壓吸附或中空纖維氣體膜分離等方法更為經濟。又如在選擇海水淡化方案時，當進料量小于80×10⁶L/d時，選擇反滲透比多級閃蒸或蒸發更經濟，但對于很大的裝置則情況正好相反。

任何所選擇的分離過程必須適于工業生產規模。在工業裝置中常見到兩或三條生產線并行操作。若生產線再多，則整個裝置顯得龐大。對于高價值產品，最多可允許十條生產線并行操作。

很多分離過程的單機設備有一個極限的生產能力，它限制了采用該分離操作的生產規模。在某些情況下，最大生產能力表示了某些物理現象對過程的制約；在另外一些情況下則反映了制造工業裝置的水平。

1.5.4　設計的可靠性

在影響分離過程選擇的所有因素中，設計的可靠性是最重要的。然而設計的可靠性不能定量地確定，因為它與在工業裝置設計之前的大量試驗工作密切相關。有關幾個分離過程可靠性的情況簡述如下。

（1）精餾

經過多年工業規模設備的擴大試驗和工業實踐，已經建立了可靠的精餾設計方法。只要給出被分離混合物中有關組分的物性數據和各二元組分的氣液平衡數據，就可以完成整個精餾過程的設計。偶爾也需要對某些小規模設備進行實驗，但是精餾過程的放大方法是所有分離方法中最可靠的。

（2）吸收

與精餾相似，已建立了可靠的設計方法。對于工程上廣泛遇到的物系，可根據物性數據、氣液平衡數據和設備結構參數等進行設計，幾乎不必做實驗即可完成設計。對于不熟悉的新物系或新設備，一般只需測定氣液平衡關系、必要的熱力學和傳遞性質以及板效率數據即可。

（3）萃取

如果已知被分離組分和所選擇的萃取溶劑之間的相平衡關系以及物系中有關的物性數據（如密度、表面張力、黏度等），即可完成萃取過程的初步設計。該法可用于溶劑的選擇、確定操作條件和萃取設備選型等，有足夠的可靠性。然而，并未達到精餾設計那樣的準確程度。因此在同類裝置中進行小規模試驗是必要的，而設備的放大以借助于萃取設備的專利最為可靠。若使用公開發表的計算方法，則應評價放大方法的可靠性。

（4）結晶

結晶設備的設計是很困難的。僅有相平衡和物性數據尚不能預測結晶過程，因此臺架實驗總是需要的。在設計結晶過程之前，通常需要在小型工業裝置上做中試。即使如此，在實際工業裝置生產出合格產品之前仍需調整操作，而且不可避免會有失敗的情況。然而，因為結晶過程往往能提供最純凈的產品，與其他分離方法相比，結晶所消耗的能量最少，所以應用前景十分廣闊。隨著廣泛地使用和大規模地試驗，設計的可靠性將增強。

（5）吸附

如果在所選擇的吸附床層上，有實測的吸附等溫線數據和能夠確定物料傳質特性的一定數量的小試結果，那么能夠對吸附設備和操作循環做可靠的設計。如果所處理的物料包含幾個吸附組分，則通常必須用實際混合物進行試驗，因為多組分等溫線性能一般不能由單組分等溫線來預測。

（6）反滲透

反滲透設備的設計通常需先做實驗。在單個膜組件或小型實驗設備上，用實際物料進行小試。試驗的目的不僅僅是為了確定膜的操作特性，而且也要確定原料的預處理方法，以防止膜件堵塞和受損。當小試提供了可靠的設計依據之后，反滲透設備的設計是有把握的，因為大規模的反滲透裝置不過是由大量的膜組件并聯構成的，應能重復小試結果。

（7）氣體膜分離

對反滲透過程的論述完全適用于氣體膜分離。

（8） 超濾

超濾過程的設計必須以廣泛的臺架實驗結果為基礎，并且往往還需中間試驗。通過試驗不僅確定設備設計，而且確定適宜的操作條件（如操作循環比）。超濾設備有多種結構類型，若要選擇最適宜結構，必須逐一進行試驗，因為不可能通過其他數據預測特定超濾設備的結構特性。同時也必須通過試驗確定超濾所透過或截留的組分，以及它們隨時間和操作條件而變化的情況。因為膜的截留相對分子質量僅僅是標定值，與實際應用有較大的差別。

（9）離子交換

雖然離子交換系統能借助少量小試結果進行設計。但一般推薦進行中試，因為在工業裝置中出現的床層堵塞和交換能力降低的現象在小試中難以觀察，同時只有在中試中才能模擬工業裝置再生階段所采用的大循環量操作工況。

（10）滲析和電滲析

對反滲透的論述完全適用于選擇性膜的滲析和電滲析。

（11）電泳

電泳目前還僅使用于小批量分離過程。提高生產能力的唯一方法是在工業裝置中對實際物料進行實驗，確定其分離特性。因此，電泳過程可靠的放大方法也只是設計多條并聯生產線，以便擴大生產能力。

1.5.5　分離過程的獨立操作性能

一般來說，在單個分離設備中完成預期的分離要求是最經濟的，然而在生產中將不同類型的分離過程組織在一起共同完成分離任務的情況是常見的。分離流程的繁簡是影響產品經濟性的重要因素。

（1）精餾

如果被分離的組分間不形成共沸物，一個二元混合物在單個精餾塔中可分離成純組分。在多元混合物情況下，采用側線出料可得到多于兩個純組分的餾分。含M個組分的混合物在M-1個塔中可得到完全的分離。

（2）吸收

吸收流程有兩種類型。一類是吸收劑不需要再生的流程，吸收塔底直接得到產品或中間產品。對于脫除氣體中微量雜質的吸收塔，吸收液可直接排放或送去廢水處理。另一類是吸收劑需要再生的流程，吸收塔必須與解吸塔集成，溶質解吸后吸收劑循環使用。

（3）萃取

若萃取液本身就是產品，并且萃取溶劑不污染萃取液，那么僅用一個萃取設備即可完成分離任務，但這種情況是不多見的。實際上為得到要求純度的產品，必須從萃取液中回收萃取物，并且通常也必須回收溶解在萃余相中的少量溶劑，以避免溶劑損失或污染萃余產品。為此最常采用的輔助分離過程是精餾。

（4）結晶

不形成共熔體的二元固體溶液通過逆流多級熔融結晶可分離為純組分。但很多系統生成共熔體，所以結晶過程必須與破壞共熔的輔助分離過程相配合。

在溶液結晶情況下，通常一個產品是結晶，另一個是母液。固體產品繼而進行洗滌和過濾，得到純的結晶產品。

（5）吸附

吸附過程是選擇性地附著一個或多個組分在固體吸附劑上。如果吸附劑需要再生或以被吸附質作為產品，則吸附必須與再生相結合。

（6）反滲透

反滲透的產品是純溶劑和被濃縮溶液，所以它不是一個完整的分離過程。如果希望完全分離或使溶劑有高回收率，則必須附加其他過程。

（7）氣體膜分離

通過采用高選擇性的膜和降低膜的低壓側滲透組分的分壓，或采用多級的完全級聯操作，從理論上可實現二元氣體混合物的完全分離。然而，只采用膜分離方法達到高純度和高回收率是不經濟的，應輔助以其他分離過程。

（8）超濾

如果不同的高分子溶質的分子尺寸有足夠大的差別（如相差10倍），理論上超濾能將它們完全分離。當分子尺寸差別不十分大時，通過級聯仍可能實現完全的分離。在任何情況下，超濾的兩產品都是稀溶液，如果要求純產品，尚需輔助分離過程。

（9）離子交換

離子交換類似于吸附，需要再生階段，回收產品和使床層再生。此外，經離子交換的產物通常是水溶液。如果要求純產品，尚需附加操作。對于水的凈化，無離子水為離子交換產品，不需進一步加工。

（10）滲析和反滲析

這兩個過程類似于萃取，是選擇傳質過程，不能達到混合物的完全分離。如果希望得到純產品，需輔助過程。與萃取不同的是，溶劑不含污染產品，因膜兩側的溶劑是相同的。