化工分離技術(shù)是化學(xué)工程的一個重要分支，無論是石油煉制、塑料化纖、濕法冶金、同位素分離，還是生物制品的精制、納米材料的制備、煙道氣的脫硫和化肥農(nóng)藥的生產(chǎn)等等都離不開化工分離技術(shù)。化工生產(chǎn)中的原料和產(chǎn)物絕大多數(shù)都是混合物，需要利用體系中各組分物性的差別或借助于分離劑使混合物得到分離提純。它往往是獲得合格產(chǎn)品、充分利用資源和控制環(huán)境污染的關(guān)鍵步驟。

伴隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，分離技術(shù)也獲得了高速的發(fā)展。一方面，對傳統(tǒng)分離技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷進(jìn)步，分離效率提高，處理能力加大，工程放大問題逐步得到解決，新型分離裝置不斷出現(xiàn)；另一方面，為了適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步提出了新的分離要求，膜分離技術(shù)、超臨界萃取技術(shù)、吸附技術(shù)等現(xiàn)有分離技術(shù)的開發(fā)、研究和應(yīng)用已成為分離工程研究的前沿課題。

化工分離過程的重要性

化工分離過程是把混合物分開組成各不相同的兩種（或幾種）產(chǎn)品的操作。一個標(biāo)準(zhǔn)的化工生產(chǎn)設(shè)備裝置，主要是由一個反 應(yīng)器與具有提 純原料、中間 產(chǎn)物與產(chǎn)品的多 個分離設(shè)備構(gòu)成；首先分離過程為化學(xué)反應(yīng)供給符合品質(zhì)的原料，去除有害物且使收率提高；再者對反應(yīng)物在分離提純時獲得合格品，并使未反應(yīng)的得到循環(huán)利用價值；另外，分離過程在資源的充分利用與保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮不可多得的作用，所以分離過程在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所占的地位非常明顯。

分離過程的分類和特征

化工生產(chǎn)中常用的分離過程可分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類。機(jī)械分離過程的分離對象是由兩相以上所組成的混合物。其目的只是簡單地將各相加以分離，只要用簡單的機(jī)械方法就可將兩相分離，而兩相間并無物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生；例如，過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離和靜電除塵等。

而傳質(zhì)分離過程用于各種均相混合物的分離，其特點是有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生，按所依據(jù)的物理化學(xué)原理不同，在工業(yè)上常用的傳質(zhì)分離過程又分為平衡分離過程和速率分離過程，也即是以能量與物質(zhì)分離的過程。

該過程是借助分離媒介使均相混合物系統(tǒng)變成兩相系統(tǒng)，再以混合物中各組分在處于相平衡的兩相中不同等的分配為依據(jù)而實現(xiàn)分離。例如：蒸發(fā)、蒸餾、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、結(jié)晶、離子交換等。

例如在傳統(tǒng)萃取的過程中，其能量無規(guī)則地傳遞給萃取劑， 接著萃取劑擴(kuò)散到基體物質(zhì)， 最后由基體溶解或夾帶多種成分?jǐn)U散出來。微波萃取就是一種采取使微波能萃取效率得到提高的新型技術(shù)，因存在介電常數(shù)不同的物質(zhì)， 在微波能吸收的程度會有所不同， 因此所產(chǎn)生的熱 能與給周邊環(huán)境傳遞的熱能也存在異同。

在微波場中，其吸收能力的大小致使基體物質(zhì)的部分區(qū)域被選擇性的加熱，從中使得被萃取物質(zhì)經(jīng)基體中分離出來， 然后進(jìn)入到微波吸收能力比較弱、介電常數(shù)相對較小的萃取劑中。

微波萃取的工藝流程：

微波萃取的工藝流程大致為：原料預(yù) 處理 （清洗、粉碎或切片）→物料混合與溶劑→微 波萃取→過濾 →濃縮 →分離 →萃取成分

圖1微波萃取的工藝流程

平衡分離過程經(jīng)歷了長時期的應(yīng)用實踐，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和高新產(chǎn)業(yè)的興起，日趨完善不斷發(fā)展，演變出多種具有特色的新型分離技術(shù)。在傳統(tǒng)分離的過程中，精餾仍列為石油和化工分離過程的首位，因此強化方法在不斷地研究和開發(fā)中。

速率分離過程是在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實現(xiàn)組分的分離。這類過程所處理的原料和產(chǎn)品通常屬于同一相態(tài)，僅有組成上的差別。

膜分離技術(shù)原理是利用流體中各組分對膜的滲透速率的差別而實現(xiàn)組分分離的單元操作。膜可以是固態(tài)或液態(tài)，所處理的流體可以是液體或氣體，過程的推動力可以是壓力差、濃度差或電位差。

微濾、超濾、反滲透、滲析和電滲析為較成熟的膜分離技術(shù)，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用和市場。其中，前四種的共同點是用來分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮料的液體，溶劑或小分子溶質(zhì)透過膜，溶質(zhì)或大分子溶質(zhì)被膜截留，不同膜過程所截留溶質(zhì)粒子的大小不同。電滲析則采用荷電膜，在電場力的推動下，從水溶液中脫出或富集電解質(zhì)。

氣體分離和滲透蒸發(fā)是兩種正在開發(fā)應(yīng)用中的膜技術(shù)。氣體分離更成熟些，工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用有空氣中氧、氮的分離，從合成氨廠混合氣中分離氫，以及天然氣中二氧化碳與甲烷的分離等。滲透蒸發(fā)是有相變的膜分離過程，利用混合液體中不同組分在膜中溶解與擴(kuò)散性能的差別而實現(xiàn)分離。由于它能用于脫除有機(jī)物中的微量水、水中的微量有機(jī)物，以及實現(xiàn)有機(jī)物之間的分離，應(yīng)用前景廣闊。

乳化液膜是液膜分離技術(shù)的一個分支，是以液膜為分離介質(zhì)，以濃度差為推動力的膜分離操作。液膜分離涉及三相液體，含有被分離組分的原料相，接受被分離組分的產(chǎn)品相，處于上述兩相之間的膜相。液膜分離主要應(yīng)用于烴類分離、廢水處理和金屬離子的提取和回收等。

傳質(zhì)分離過程中的精餾、吸收、萃取等一些具有較長歷史的單元操作已經(jīng)應(yīng)用很廣，膜分離和場分離等新型分離技術(shù)在產(chǎn)品分離、節(jié)約能耗和環(huán)保等方面已顯示出它們的優(yōu)越性。

分離方法的類型與選用的原則

物料的分離方法存在多種不同類型，那是因為有多種多樣的化工生產(chǎn)物料，而在選擇分離方法的過程中，往往是按照物料被分離中各種組分的化學(xué)與物理的不同性質(zhì)來確定選擇；按照化學(xué)與物理性質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，有如下五種類型常見的分離方法：①固體混合物分離方法，②氣固相混合物分離方法，③液體混合物分離方法，④液固相混合物分離方法，⑤氣體混合物分離方法。

在分離方法選用之時，需對產(chǎn)品的精細(xì)化程度與產(chǎn)品生產(chǎn)的產(chǎn)值進(jìn)行考慮，對于精細(xì)化程度高與產(chǎn)值高的產(chǎn)品，不需考慮分離成本，可選用部分高效分離方法，對于一些相對較低產(chǎn)值而很大產(chǎn)量的產(chǎn)品，則需要對分離成本進(jìn)行考慮，可以選用那些分離步驟較少或相對簡便的分離方法。

盡量避免含有固體的物流在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)，應(yīng)盡可能預(yù)先除盡物流中的固體，由于它們在輸送中能量的消耗相對較大，而且含液體或氣體的物流相當(dāng)容易形成管道堵塞。

在進(jìn)行多種不同物質(zhì)混合的物料分離時，其分離順序應(yīng)考慮的原則為：為避免其工藝過程受到影響，應(yīng)盡量先分離易導(dǎo)致極其有害與副反應(yīng)的物質(zhì)，同時對需要高壓方可分離的物質(zhì)，也應(yīng)考慮進(jìn)行先分離；另外，首先被分離出來的是最容易分離的組分，而留到最后分離的是最難分離的組分。

選擇分離方法的主要原則還是要從經(jīng)濟(jì)上的合理性與技術(shù)上的可靠性進(jìn)行考慮。例如精餾與萃取兩者均為分離液體混合物的方法，依技術(shù)成熟的程度而言，精餾在于萃取之上，若能夠采取精餾分離的物料，應(yīng)盡可避免采用萃取，若混合 物的沸點出現(xiàn)較大偏差時，利用蒸餾即可簡單進(jìn)行分離，就勿需采用精 餾，如此的操作費用與選擇投資都相對較低。

分離方法的選用一定要有針對性地進(jìn)行，因為它是一項技術(shù)性相當(dāng)強的工作，只有對被分離出物料的化學(xué)、物理性質(zhì)，以及分離的要求均清楚把握后方可進(jìn)行最佳的選擇。

化工廣泛的應(yīng)用，環(huán)境的需要都說明化工分離過程在國計民生中所占有的地位和作用，并展示了分離過程的廣闊前景，現(xiàn)代社會離不開分離技術(shù)，分離技術(shù)發(fā)展于現(xiàn)代社會。

1.氣液相反應(yīng)器的基本類型

氣液相反應(yīng)器按氣液相接觸形態(tài)可分為：

（1）氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的鼓泡塔反應(yīng)器、攪拌鼓泡釜式反應(yīng)器和板式反應(yīng)器；

（2）液體以液滴狀分散在氣相中的噴霧、噴射和文氏反應(yīng)器等；

（3）液體以膜狀運動與氣相進(jìn)行接觸的填料塔反應(yīng)器和降膜反應(yīng)器等。

(a)填料塔反應(yīng)器；（b）板式塔反應(yīng)器；（c）降膜反應(yīng)器；（d）噴霧塔反應(yīng)器；（e）鼓泡塔反應(yīng)器；（f）攪拌鼓泡釜式反應(yīng)器；（g）噴射或文氏反應(yīng)器

2.氣液相反應(yīng)器的特點

(1)鼓泡塔反應(yīng)器

特點：a.氣相既與液相接觸進(jìn)行反應(yīng)同時攪動液體以增加傳質(zhì)速率；

　　　b.鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易控制、易維修、防腐問題易解決，用于高壓時也無困難。

　　　c.鼓泡塔內(nèi)液體返混嚴(yán)重，氣泡易產(chǎn)生聚并，故效率較低。

應(yīng)用：這類反應(yīng)器適用于液體相也參與反應(yīng)的中速、慢速反應(yīng)和放熱量大的反應(yīng)。

(2)填料塔反應(yīng)器

特點：a.液體沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而與氣相接觸進(jìn)行反應(yīng)，故液相主體量較少。

　　　b.填料塔反應(yīng)器氣體壓降很小，液體返混極小，是一種比較好的氣液相反應(yīng)器。

應(yīng)用：適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)。

（3）板式塔反應(yīng)器

特點:a.板式塔反應(yīng)器中的液體是連續(xù)相而氣體是分散相，借助于氣相通過塔板分散成小氣泡而與板上液體相接觸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；

　　b.能在單塔中直接獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率；

　　c.板式塔反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)系數(shù)較大，可以在板上安置冷卻或加熱元件，以適應(yīng)維持所需溫度的要求；

　　d.但是板式塔反應(yīng)器具有氣相流動壓降較大和傳質(zhì)表面較小等缺點。

應(yīng)用：板式塔反應(yīng)器適用于快速及中速反應(yīng)。

（4）膜反應(yīng)器

特點：a.通常借助管內(nèi)的流動液膜進(jìn)行氣液反應(yīng)，管外使用載熱流體導(dǎo)入或?qū)С龇磻?yīng)熱。

　　　b.降膜反應(yīng)器還具有壓降小和無軸向返混的優(yōu)點。

　　　c.由于降膜反應(yīng)器中液體停留時間很短，

　　　d.降膜管的安裝垂直度要求較高，液體成膜和均勻分布是降膜反應(yīng)器的關(guān)鍵，工程使用時必須注意。

應(yīng)用：降膜反應(yīng)器可用于瞬間、界面和快速反應(yīng)，它特別適用于較大熱效應(yīng)的氣液反應(yīng)過程；不適用于慢反應(yīng)；也不適用于處理含固體物質(zhì)或能析出固體物質(zhì)及粘性很大的液體。

（5）噴霧塔反應(yīng)器

特點：a.液體以細(xì)小液滴的方式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相，

　　　b.具有相接觸面積大和氣相壓降小等優(yōu)點。

　　　c.具有持液量小和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)過小，氣相和液相返混較為嚴(yán)重的缺點。

應(yīng)用：適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)，也適用于生成固體的反應(yīng)。

（6）攪拌鼓泡釜式反應(yīng)器

特點：a.反應(yīng)器內(nèi)氣體能較好地分散成細(xì)小的氣泡，增大氣液接觸面積。

　　　b.反應(yīng)器內(nèi)液體流動接近全混流，同時能耗較高。

應(yīng)用：攪拌釜式反應(yīng)器適用于慢反應(yīng)，尤其對高粘性的非牛頓型液體更為適用。

（7）高速湍動反應(yīng)器

噴射反應(yīng)器、文氏反應(yīng)器等屬于高速湍動接觸設(shè)備。

特點：氣膜傳遞過程的速率大，因而獲得很高的反應(yīng)速率。

應(yīng)用：它們適用于瞬間反應(yīng)。

幾種常用的氣液相反應(yīng)器的特性參數(shù)：

3、工業(yè)生產(chǎn)對氣液相反應(yīng)器的選用要求

（1）具備較高的生產(chǎn)能力

在一般情況下，當(dāng)氣液相反應(yīng)過程的目的是用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品時，應(yīng)考慮選用填料塔；如果反應(yīng)速率極快可以選用填料塔和噴霧塔；如果反應(yīng)速率極快，同時熱效應(yīng)又很大，可以考慮選用膜式塔；如果反應(yīng)速率極快而處于氣膜控制時，以選用噴射和文氏反應(yīng)器等高速湍動的反應(yīng)器為宜；如果反應(yīng)速率為快速或中速時，宜選用板式塔；對于要求在反應(yīng)器內(nèi)能處理大量液體而不要求較大相界面積的動力學(xué)控制過程，以選用鼓泡塔和攪拌釜式反應(yīng)器為宜；對于要求有懸浮均勻的固體粒子催化劑存在的氣液相反應(yīng)過程，一般選用攪拌釜式反應(yīng)器。

（2）有利于反應(yīng)選擇性的提高

反應(yīng)器的選型應(yīng)有利于抑制副反應(yīng)的發(fā)生。如平行反應(yīng)中副反應(yīng)較主反應(yīng)為慢，則可采用持液量較少的設(shè)備，以抑制液相主體進(jìn)行緩慢的副反應(yīng)的發(fā)生；如副反應(yīng)為連串反應(yīng)，則應(yīng)采用液相返混較少的設(shè)備（如填料塔）進(jìn)行反應(yīng)，或采用半間歇（液體間歇加入和取出）反應(yīng)器。

（3）有利于降低能量消耗

反應(yīng)器的選型應(yīng)考慮能量綜合利用并盡可能降低能耗。若氣液反應(yīng)在高于室溫進(jìn)行，則應(yīng)考慮反應(yīng)熱量的回收；如氣液反應(yīng)在加壓進(jìn)行，則應(yīng)考慮壓力能量的綜合利用。除此之外，為了造成氣液兩相分散接觸，需要消耗一定的動力。研究表明：就造成比表面積而言，噴射反應(yīng)器能耗最少，其次是攪拌釜式反應(yīng)器和填料塔反應(yīng)器，而文氏管和鼓泡反應(yīng)器的能耗更大些。

（4）有利于反應(yīng)溫度的控制

氣液相反應(yīng)絕大部分是放熱的，因而如何移熱防止溫度過高是經(jīng)常碰到的實際問題。當(dāng)氣液相反應(yīng)熱效應(yīng)很大而又需要綜合利用時，降膜反應(yīng)器是比較合適的。除此之外，板式塔和鼓泡反應(yīng)器可借助于安置冷卻盤管來移熱。但在填料塔中，移熱比較困難，通常只能提高液體噴淋量，以液體顯熱的形式移除。

（5）能在較少液體流率下操作

為了得到較高的液相轉(zhuǎn)化率，液體流率一般較低，此時可選用鼓泡塔、攪拌釜和板式塔反應(yīng)器，但不宜選用填料塔、降膜塔和噴射型反應(yīng)器。例如，當(dāng)噴淋密度低于3m3/(m2·h)時，填料就不會全部潤濕，降膜反應(yīng)器也有類似的情況，噴射型反應(yīng)器在液氣比較低時將不能造成足夠的接觸比表面。