2.4.1　過程耦合技術(shù)

廣義地講，過程耦合技術(shù)是將兩個或兩個以上的單元操作或單元過程有機(jī)結(jié)合成一個完整的操作單元，進(jìn)行聯(lián)合操作的過程，如反應(yīng)萃取、加鹽萃取精餾、萃取發(fā)酵等。過程耦合不是單元操作或單元過程的簡單的先后組合，而是有機(jī)結(jié)合在同一操作中完成的。合理設(shè)計耦合過程，對于提高過程的效率和經(jīng)濟(jì)性，開發(fā)環(huán)境友好過程都十分有效，而且可能獲得單元操作或單元過程簡單加和而無法得到的效果。因此，過程耦合技術(shù)的研究成為化工分離工程和化學(xué)反應(yīng)工程的最為活躍的應(yīng)用技術(shù)研究熱點之一。

分離過程與分離過程的耦合可以形成新的分離過程。新的分離過程可以減少分離能耗，簡化分離過程，提高分離效率，降低生產(chǎn)成本。

例如，萃取與反萃取耦合可以形成同級萃取反萃取過程。過程中萃取和反萃取同時進(jìn)行、一步完成。待分離溶質(zhì)從料液相向萃取相轉(zhuǎn)移，同時又由萃取相向反萃相傳遞，它并不在萃取相中發(fā)生積累。因此，萃取相中溶質(zhì)濃度總是達(dá)不到與料液水相平衡的濃度，存在一定的推動力，使傳質(zhì)過程持續(xù)進(jìn)行。同級萃取反萃取過程存在的相平衡狀態(tài)則體現(xiàn)為料液水相、萃取相和反萃水相之間的溶質(zhì)的相平衡。

又如，精餾分離過程與結(jié)晶分離過程的耦合可以形成精餾-結(jié)晶耦合過程，利用這一過程分離二氯苯的同分異構(gòu)體，過程效率出現(xiàn)明顯的提高。有報道稱，精餾-結(jié)晶耦合過程分離二氯苯比精餾法分離二氯苯節(jié)約投資近50％，減少塔頂?shù)睦鋮s負(fù)荷及降低塔底的能耗均超過50％^［15］。

再如，結(jié)晶過程與其他分離過程耦合可以出現(xiàn)鹽析結(jié)晶過程、萃取結(jié)晶過程、乳化結(jié)晶過程等。溶劑預(yù)浸取-超臨界流體萃取結(jié)晶組合分離過程，是將傳統(tǒng)的溶劑預(yù)浸取與超臨界CO₂梯度結(jié)晶技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使多組分物質(zhì)在預(yù)置的結(jié)晶器上結(jié)晶析出并形成梯度分布，在結(jié)晶器的不同部位獲得相應(yīng)組成的產(chǎn)物，未能結(jié)晶的部分可以在分離釜內(nèi)利用超臨界萃取進(jìn)行分離^［15］。

分離過程與反應(yīng)過程的耦合可以形成新的過程，這種新過程特別適用于強(qiáng)化各種可逆反應(yīng)過程及存在產(chǎn)物抑制作用的反應(yīng)過程等。

分離過程與反應(yīng)過程的耦合過程的主要特點在于：反應(yīng)產(chǎn)物不斷地移出可以消除化學(xué)反應(yīng)平衡對轉(zhuǎn)化率的限制，最大限度地提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；若連串反應(yīng)的中間反應(yīng)產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物時，中間產(chǎn)物的連續(xù)移出，避免發(fā)生連串反應(yīng)，可以提高反應(yīng)的選擇性和目標(biāo)產(chǎn)物的收率；生物反應(yīng)和產(chǎn)物分離過程的耦合可以實現(xiàn)高底物濃度的發(fā)酵或酶轉(zhuǎn)化，消除或減輕產(chǎn)物對生物催化劑的抑制，提高反應(yīng)速率，延長生產(chǎn)周期；可以部分或全部省去產(chǎn)物分離過程及未反應(yīng)物循環(huán)過程，簡化工藝流程^{［16，17］}。

在工程中實現(xiàn)應(yīng)用的分離-反應(yīng)耦合過程有催化反應(yīng)過程與蒸餾過程耦合的催化反應(yīng)蒸餾過程，生化反應(yīng)過程與萃取分離過程耦合的萃取發(fā)酵過程，反應(yīng)過程與結(jié)晶過程耦合的反應(yīng)結(jié)晶過程，絡(luò)合反應(yīng)過程與吸附分離過程耦合的絡(luò)合吸附過程，在超臨界萃取條件下的反應(yīng)過程等。

過程耦合技術(shù)的實施可以使設(shè)備簡化、流程縮短、能耗降低，同時提高轉(zhuǎn)化率和選擇性，它是強(qiáng)化過程的有效途徑，是提高生產(chǎn)能力和過程效率的重要措施。

近年來，膜及膜技術(shù)的研究進(jìn)展推動了耦合技術(shù)的發(fā)展，將膜過程與傳統(tǒng)的分離過程或反應(yīng)過程結(jié)合起來，形成新的耦合膜過程，如膜萃取過程、膜蒸餾過程、膜吸收過程、滲透汽化過程、膜生物反應(yīng)過程，已經(jīng)成為過程耦合技術(shù)的發(fā)展方向之一^［18］。

膜分離過程與蒸發(fā)過程耦合可以形成滲透汽化過程。滲透汽化是利用待分離的液體混合物中的組分在膜內(nèi)溶解與擴(kuò)散速率不同來實現(xiàn)分離的過程。過程推動力是膜兩側(cè)的組分蒸氣壓差。在滲透汽化過程中，膜的原料一側(cè)為常壓下的液體混合物，在滲透物一側(cè)則需要維持很低的滲透物蒸氣壓，使?jié)B透物以蒸氣形式不斷移出。可以采用載氣吹掃或抽真空的方法來維持低壓。滲透汽化過程中組分透過膜的傳質(zhì)過程主要包括原料側(cè)膜的選擇性吸附、透過膜的選擇性擴(kuò)散、滲透物側(cè)脫附到蒸氣相三個步驟。滲透汽化主要用于從液體混合物中分離或去除體系中的少量組分。例如，有機(jī)液體（如乙醇、異丙醇、乙酸乙酯等有機(jī)原料，汽油、苯、己烷等碳?xì)浠衔?，氯乙烯等含氯碳?xì)浠衔铮┲猩倭克拿摮猩倭坑袡C(jī)物（如醇、酸、酯、酮以及含氯碳?xì)浠衔铮┑拿摮B透汽化不受組分間汽液平衡關(guān)系的限制且有很高的分離系數(shù)。當(dāng)然，與水優(yōu)先透過膜的研究相比較，有機(jī)物優(yōu)先透過膜的研究起步較晚?？梢灶A(yù)見，隨著現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)物優(yōu)先透過滲透汽化膜在水中少量有機(jī)物分離和有機(jī)物-有機(jī)物分離領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。

膜過程與反應(yīng)過程的耦合可以形成膜反應(yīng)過程。膜反應(yīng)過程可以分為兩種形式：一種形式是膜介質(zhì)只具備分離功能，例如，親和-膜過濾過程，或者膜裝置作為獨立的分離單元與反應(yīng)器聯(lián)合操作；另一種形式是膜既具備分離功能，同時又作為反應(yīng)器壁或催化劑載體具備催化功能，如酶膜反應(yīng)器、親和膜色譜等。