1.4　分離過程的集成

過程集成是20世紀80年代發(fā)展起來的過程綜合領(lǐng)域中一個最活躍的分支。在過程工業(yè)領(lǐng)域中，過程集成的基本目標是實施清潔工藝，使物料及能源消耗最小，達到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.4.1　反應(yīng)過程與分離過程的耦合

為改善不利的熱力學(xué)和動力學(xué)因素，減少設(shè)備投資和操作費用，節(jié)約資源和能源，分離過程與反應(yīng)過程多種形式的耦合已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用。

化學(xué)吸收是反應(yīng)和分離過程耦合的單元操作，當(dāng)被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)時，增加了傳質(zhì)推動力和液相傳質(zhì)系數(shù)，因而提高了過程的吸收率，降低了設(shè)備的投資和能耗。

化學(xué)萃取是伴有化學(xué)反應(yīng)的萃取過程。溶質(zhì)與萃取劑之間的反應(yīng)類型很多，例如絡(luò)合反應(yīng)，水解、聚合、離解及離子積聚等。萃取機理也多種多樣，例如中性溶劑絡(luò)合、螯合、離子交換、離子締合、協(xié)同效應(yīng)等。

反應(yīng)和精餾結(jié)合成一個過程，形成了蒸餾技術(shù)中的一個特殊領(lǐng)域——反應(yīng)（催化）精餾。它一方面成為提高分離效率而將反應(yīng)和精餾相結(jié)合的一種分離操作；另一方面則成為提高反應(yīng)收率而借助于精餾分離手段的一種反應(yīng)過程。目前，已從單純工藝開發(fā)向過程普遍性規(guī)律研究的方向發(fā)展。反應(yīng)精餾在過程工業(yè)中的應(yīng)用是很廣泛的，例如酯化、酯交換、皂化、胺化、水解、異構(gòu)化、烴化、鹵化、脫水、乙酰化和硝化等過程。催化精餾的典型應(yīng)用是甲基叔丁基醚的生產(chǎn)。

膜反應(yīng)器是將合成膜的優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)相結(jié)合，在反應(yīng)的同時，選擇性地脫除產(chǎn)物，以移動化學(xué)反應(yīng)平衡，或控制反應(yīng)物的加入速率，提高反應(yīng)的收率、轉(zhuǎn)化率和選擇性。如多孔陶瓷膜催化反應(yīng)器進行丁烯脫氫制丁二烯，丙烯脫氫制丙二烯；對氧化反應(yīng)，用膜控制氧的加入量，減少深度氧化。膜反應(yīng)器還用于控制生化反應(yīng)中產(chǎn)物對反應(yīng)的抑制作用，用膜循環(huán)發(fā)酵器進行乙醇等發(fā)酵制品的連續(xù)生產(chǎn)和用膜反應(yīng)器進行輔酶反應(yīng)等都具有很好的開發(fā)前景。

控制釋放是將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定的速率通過擴散等方式釋放到環(huán)境中。其優(yōu)點是可將藥物濃度控制在需要的濃度范圍內(nèi)，延長藥效作用時間，減少服用量和服用次數(shù)。這在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥的使用上都極有價值。

膜生物傳感器是模仿生物膜對化學(xué)物質(zhì)的識別能力制成的，它由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)換裝置組成為酶膜傳感器或微生物傳感器。這些傳感器具有很高的識別專一性，已用于發(fā)酵過程中葡萄糖、乙醇等成分的在線檢測。目前膜生物傳感器已作為商品進入市場。

1.4.2　分離過程與分離過程的耦合

不同的分離過程耦合在一起構(gòu)成復(fù)合分離過程，能夠集中原分離過程之所長，避其所短，適用于特殊物系的分離。

萃取結(jié)晶亦稱加合結(jié)晶，是分離沸點、揮發(fā)度等物性相近組分的有效方法及無機鹽生產(chǎn)的節(jié)能方法。對于無機鹽結(jié)晶，某些有機溶劑的加入使待結(jié)晶的無機鹽水溶液中的一部分被水萃取出來，促進了無機鹽的結(jié)晶過程。例如，以正丁醇為溶劑萃取結(jié)晶生產(chǎn)碳酸鈉。對于有機物結(jié)晶，溶劑的加入使原物系中某有機組分形成加合物，而使另一組分結(jié)晶出來。例如，以2-甲基丙烷為加合劑能從鄰甲酚和酚的混合物中分離出酚。

吸附蒸餾是吸附和蒸餾在同一設(shè)備中進行的氣-液-固三相分離過程。吸附分離具有分離因子高、產(chǎn)品純度高和能耗低等優(yōu)點，但吸附劑用量大，收率低。而傳統(tǒng)的蒸餾過程處理能力大，設(shè)備比較簡單，工藝成熟。由這兩個分離過程耦合的復(fù)合蒸餾過程能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補了各自的不足。它特別適用于共沸物和沸點相近物系的分離及需要高純度產(chǎn)品的情況。

不同蛋白質(zhì)在一定pH值的緩沖溶液中，其溶解度不同，在電場作用下，這些帶電的溶膠粒子在介質(zhì)中的泳動速度不同，利用這種性質(zhì)可以實現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離，該法稱之為電泳分離。而電泳萃取是電泳與萃取耦合形成的新分離技術(shù)。電泳萃取體系由兩個（或多個）不相混的連續(xù)相組成，其中一相含有待分離組分，另一相是用于接受被分離組分的溶劑，兩相中分別裝有電極，由于電場的作用，消除了對流的不利影響，提高了收率和生產(chǎn)能力。該分離技術(shù)在生物化工和環(huán)境工程中有較大的應(yīng)用潛力。

1.4.3　過程的集成

（1）傳統(tǒng)分離過程的集成

精餾、吸收和萃取是最成熟和應(yīng)用最廣的傳統(tǒng)分離過程，大多數(shù)過程工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)都離不開這些分離過程。在流程中合理組合這些過程，揚長避短，才能達到高效、低耗和減少污染。

共沸精餾往往與萃取集成。例如，從環(huán)己烷/苯二元共沸物生產(chǎn)純環(huán)己烷和苯，選擇丙酮為共沸劑，由于丙酮與環(huán)己烷形成二元最低共沸物，所以從共沸精餾塔底得到純苯，丙酮/環(huán)己烷共沸物的分離則采用以水為萃取劑的萃取過程，環(huán)己烷產(chǎn)品為萃取塔的一股出料，另一股出料是丙酮水溶液，經(jīng)精餾塔提純后，丙酮返回共沸精餾塔進料，水返回萃取塔循環(huán)使用。由于此流程分別采用了丙酮和水兩個循環(huán)系統(tǒng)，整個過程基本上沒有廢物產(chǎn)生，并且能耗較低，符合了清潔工藝的基本要求。

共沸精餾與萃取精餾的集成也是常見的，例如，使用極性和非極性溶劑從含丙酮、甲醇、四亞甲基氧和其他氧化物的混合物中分離丙酮和甲醇。

（2）傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成

傳統(tǒng)分離過程工藝成熟，生產(chǎn)能力大，適應(yīng)性強；膜分離過程不受平衡的限制，能耗低，適于特殊物系或特殊范圍的分離。將膜技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)分離過程中，如吸收、蒸餾、萃取、結(jié)晶和吸附等過程，可以集各過程的優(yōu)點于一體，具有廣闊的應(yīng)用前景。

滲透蒸發(fā)和蒸汽滲透可應(yīng)用于有機溶劑脫水，水中少量有機物的脫除以及有機物之間的分離，特別適于恒沸、近沸點物系的分離。將它作為補充技術(shù)與精餾組合在一起，在過程工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了特殊的作用。例如，發(fā)酵液脫水制無水乙醇，在乙醇高濃區(qū)，精餾的分離效率極低，在共沸組成處無法分離。而恰恰在這一區(qū)域，滲透蒸發(fā)能達到很高的分離程度。所以滲透蒸發(fā)和精餾集成是降低設(shè)備費和操作費的最有效的方案。

類似的過程還有：蒸汽滲透、精餾的集成流程進行異丙醇脫水；滲透蒸發(fā)、吸附劑集成用于吸附劑再生過程；滲透蒸發(fā)、吸收集成用于回收溶劑；滲透蒸發(fā)、催化精餾組合方案生產(chǎn)甲基叔丁基醚等。

（3）膜過程的集成

膜分離過程的類型很多，各有不同的特點和應(yīng)用，它們的集成無疑能取長補短，提高總體效益。例如，懸浮液原料的濃縮可采用一個膜過程的集成方案，將超濾、反滲透和滲透蒸餾組成在一起，能得到高固體含量的濃縮物產(chǎn)品，操作費用大大降低。