化工单元操作技术最新进展

膜蒸馏过程在膜蒸馏器中进行。根据蒸汽扩散 到 冷 侧 冷 凝 方 式 的 不 同 ，膜 蒸 馏 器 分 为 直 接 冷 凝 式 、 气隙式、气扫 式 和 真 空 式 。 ［２］ 各 种 方 式 的 膜 蒸 馏 器 各有其特点，而直 接 冷 凝 式 结 构 简 单、渗 透 量 大，颇 受 研 究 者 重 视 ，适 用 于 主 原 料 为 水 的 情 况 。
２０１４ 年 第 ５ 期 蔡 宏 国 ：化 工 单 元 操 作 技 术 最 新 进 展
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１．２ 分 子 蒸 馏 （ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ） 分子蒸馏利用不同物质的分子运动平均自由程
的差异实 现 混 合 组 分 的 分 离。 分 子 运 动 平 均 自 由 程 ，是 指 一 定 条 件 下 ，一 个 气 体 分 子 在 连 续 ２ 次 碰 撞 之间可能通过的各段自由程的平均值。它与物质分 子 有 效 直 径 、所 处 温 度 和 压 力 有 关 ，而 与 沸 点 和 挥 发 性无直接关系，因而 有 可 能 解 决 传 统 蒸 馏 过 程 中 因 沸点差不大而造成的分离困难。
近发展的冷冻干燥和超临界流体干燥就是在新的干 燥理论基础上发展起来的新型技术。 ２．１ 冷 冻 干 燥 （ｆｒｅｅｚｅ－ｄｒｙｉｎｇ）
冷冻 干 燥 全 称 为 真 空 冷 冻 干 燥，它 是 先 将 被 干 燥物料冷冻成固体，在 低 温 减 压 条 件 下 利 用 水 的 升 华性能，使物料低温 脱 水 而 达 到 干 燥 目 的 的 一 种 干 燥 方 法 。 水 的 三 相 态 研 究 发 现 ，通 常 情 况 下 ，固 态 冰 开始加热 升 温 时 首 先 变 成 液 态 水，继 而 变 成 气 态。 然而在压力低于６１０．５Ｐａ时，固态冰加热升温 时 不 出现液化过程而直接由固态转化为气态 。 ［７］ 这 就 是 真空冷冻干燥的基 本 原 理，这 一 原 理 立 足 于 水 的 相 转 过 程 ，因 而 仅 适 用 于 含 水 物 料 的 干 燥 。
收 稿 日 期 ：２０１４－０８－３１ 作者简介：蔡宏国，男，１９６３年 出 生，１９８５ 年 毕 业 于 太 原 机 械 学 院 化 学 工 程 系 ，学 士 学 位 ，高 级 工 程 师 ，从 事 精 细 化 工 产 品 研 发 工 作 。
纯净的产品。但是，由 于 蒸 馏 操 作 建 立 在 组 分 之 间 存在一定沸点差的 基 础 上，且 产 品 在 蒸 馏 过 程 中 受 热 时 间 较 长 ，因 此 ，不 适 用 于 沸 点 差 较 小 或 者 某 一 组 分对热敏感的物料。而新近发展的蒸馏方法都从一 定程度上解决了这些问题。 １．１ 膜 蒸 馏 （ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）
DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2014.05.007
总第１５３期 ２０１４ 年 第 ５ 期
综述与论坛
山 西 化 工 ＳＨＡＮＸＩ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
Ｔｏｔａｌ １５３ Ｎｏ．５，２０１４
化工单元操作技术最新进展
蔡宏国
（山西省化工研究院 ，山西 太原 ０３０００１） 摘要：化工单元操作是化工工艺过程中 的 重 要 组 成 部 分 ，其 技 术 进 展 推 动 着 化 工 工 艺 的 进 步 。 综 述 了 蒸馏、萃取、干燥、过滤与分离等单元操作领域的新理论 、新装置和应用技术 ，并与传统操作进 行 对 比 ，介 绍了这些新型技术的特点和应用领域。 关 键 词 ：化 工 单 元 操 作 ；蒸 馏 ；干 燥 ；萃 取 ；过 滤 与 分 离
２ 干燥
干燥是指借助于热能从湿物料中除去水分或其 他湿分的操作过 程。 干 燥 操 作 在 干 燥 器 中 进 行，其 效率通过产品质量和操作能耗来评价。在实际生产 过程中，干燥效 率 及 干 燥 器 与 物 料 的 选 择 有 关。 物 料的性质和产品的 质 量 要 求，是 选 择 干 燥 方 法 和 设 备 的 重 要 依 据 。 近 年 来 ，干 燥 作 为 一 个 成 熟 的 行 业 ， 在我国化工行业的 发 展 中 发 挥 了 很 大 作 用，不 仅 为 化工过程提供了可 供 选 择 的 各 类 干 燥 设 备，从 降 低 能耗、提高产量、降 低 劳 动 强 度 等 方 面 做 出 了 努 力， 而且在新的干燥理论及其应用方面取得了成效。新
膜蒸 馏 是 以 疏 水 微 孔 膜 为 介 质、以 膜 两 侧 蒸 汽 压力差为传质驱动力的膜分离过程。它是传统蒸发 过程和膜技术的结合。膜蒸馏所用的膜要求为疏水 微孔膜且不能被混 合 液 润 湿，膜 的 一 侧 与 热 混 合 液 直接接触 （热 侧 ），另 一 侧 直 接 与 冷 液 接 触 （冷 侧 ）。 热侧混合液中易挥 发 的 组 分 在 膜 的 表 面 汽 化，并 通 过膜进入冷侧冷凝 成 液 相，其 他 组 分 则 被 疏 水 膜 阻 挡 在 热 侧 ，从 而 实 现 混 合 物 分 离 。
１ 蒸馏
蒸馏 是 混 合 液 体 分 离 最 常 用 的 操 作 技 术，由 蒸 发和冷凝２个单元操作组合而成。它利用了液体混 合物中各组分沸点 不 同 因 而 挥 发 度 不 同 的 特 点，实 现混合组分的分 离。 蒸 馏 技 术 历 史 悠 久，应 用 十 分 广 泛 ，操 作 过 程 中 不 需 引 入 其 他 组 分 ，因 而 可 得 到 较
膜蒸馏几乎 是 在 常 压 下 进 行，操 作 方 便。 与 传 统 的 蒸 馏 过 程 相 比 ，设 备 简 单 ，且 能 得 到 更 纯 净 的 馏 出 液 ；操 作 温 度 比 传 统 的 蒸 馏 操 作 低 得 多 ，因 而 能 耗 较 低。 目 前，膜 蒸 wk.baidu.com 技 术 已 在 海 水 淡 化、超 纯 水 制 备 、水 溶 液 的 浓 缩 与 提 纯 、废 水 处 理 以 及 共 沸 组 分 的 蒸馏方面获得应用 。 ［３］
中 图 分 类 号 ：ＴＱ０２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－７０５０（２０１４）０５－００２２－０４
化工产品的生产过程都是由若干个物理操作和 化学反应构成的。 尽 管 化 工 产 品 千 差 万 别，化 学 反 应多种多样，但生产 过 程 中 所 包 含 的 物 理 过 程 并 不 太多。这些包含在 不 同 的 化 工 产 品 生 产 过 程 中，发 生 同 样 的 物 理 变 化 、遵 循 共 同 的 物 理 学 规 律 、使 用 相 似 设 备 、具 有 相 同 功 能 的 基 本 物 理 操 作 ，称 为 单 元 操 作。单元操作的 分 类 方 法 很 多，申 奕 在 ［１］ 其 所 著 的 《化 工 单 元 操 作 技 术 》中 ，将 单 元 操 作 分 为 流 体 输 送 、 沉降与过 滤、传 热、蒸 发、蒸 馏、吸 收、吸 附、萃 取、干 燥 、膜 分 离 等 。 根 据 工 艺 开 发 的 需 要 ，还 有 可 能 产 生 新的单元操作。同 时，传 统 的 单 元 操 作 还 可 以 相 互 结 合 ，使 传 统 的 操 作 更 加 完 善 ，或 者 派 生 出 新 的 单 元 操作 类 型。 本 文 综 述 了 近 年 来 蒸 馏、萃 取、干 燥、过 滤与分离等重要单 元 操 作 方 面 新 的 理 论、设 备 和 应 用 技 术 ，以 期 反 映 化 工 单 元 操 作 技 术 的 最 新 进 展 。
实际操作 中，干 燥 过 程 在 冷 冻 干 燥 机 中 进 行。 待干 物 料 在 －５０ ℃ ～ －１０ ℃ 下 冻 结 固 定，再 在 １．３Ｐａ～１３．０Ｐａ的 真 空 下 加 热 ，使 样 品 中 的 水 分 不 经液态直接升华 成 气 态，最 终 实 现 物 料 的 干 燥。 冷 冻 干 燥 集 合 了 真 空 、冷 冻 和 干 燥 的 综 合 技 术 ，涉 及 多 学科如传热传质、流 体 力 学、制 冷、自 动 控 制 等 领 域 的先进技术，是干 燥 领 域 中 设 备 最 复 杂、能 耗 最 大、 干燥成本最高的一种方法。
在分 子 蒸 馏 装 置 中，通 常 将 混 合 料 分 散 到 蒸 发 面上，在液面上方大 于 重 分 子 平 均 自 由 程 而 小 于 轻 分子平均自由程的 位 置 设 置 冷 凝 面，重 分 子 达 不 到 冷凝面而返回液面，轻 分 子 则 不 断 地 在 冷 凝 面 上 冷 凝并收集，从而使混 合 液 中 的 轻 分 子 不 断 地 从 液 相 逸出，最终达到 混 合 液 完 全 分 离 的 目 的。 根 据 这 一 原理，分子蒸馏中混 合 组 分 的 分 子 平 均 自 由 程 差 别 越 大 ，蒸 馏 效 果 越 好 。 同 时 ，蒸 馏 系 统 处 于 较 高 的 真 空 度 ，保 持 蒸 发 面 和 冷 凝 面 之 间 尽 可 能 大 的 温 度 差 ， 能够获得良好的蒸馏效率。
根据 混 合 物 布 料 方 式 的 不 同，分 子 蒸 馏 器 可 分 为降膜式、刮 膜 式 和 离 心 式 。 ［４］ 降 膜 式 分 子 蒸 馏 器 的物料从顶部进入，靠 重 力 作 用 在 蒸 发 表 面 流 动 形 成薄膜；刮膜式分子 蒸 馏 器 依 靠 设 置 在 蒸 发 面 上 部 的刮膜器实现料液 的 均 匀 涂 布；离 心 式 分 子 蒸 馏 器 内部设有一个高速 旋 转 的 圆 锥 形 蒸 发 盘，物 料 受 离 心力作用，在高速旋 转 的 转 盘 上 沿 蒸 发 面 自 由 向 外 移 动 ，形 成 均 匀 薄 膜 。 其 中 ，离 心 式 分 子 蒸 馏 器 因 为 转盘高速旋转之下 能 够 形 成 极 薄 的 液 膜，蒸 发 速 率 和 分 离 效 率 极 高 ，物 料 在 蒸 发 面 上 停 留 时 间 极 短 ，再 配 合 真 空 系 统 ，降 低 物 料 的 受 热 温 度 ，非 常 适 用 于 热 敏性强及高黏度的 物 料 分 离，是 目 前 工 业 上 较 理 想 的分子蒸馏装置，已 广 泛 用 于 食 品、医 药、香 料 和 其 他精细化工行业 。 ［５－６］
超临界流体是一种温度和压力处于临界点以上 的无气液界面区别、兼 具 液 体 性 能 和 气 体 性 质 的 物 质 相 态 。 超 临 界 流 体 密 度 接 近 普 通 液 体 ，而 黏 度 接 近 普通气 体，扩 散 系 数 为 普 通 液 体 的 １０ 倍 ～１００ 倍。 Ｋｉｓｔｌｅｒ利用了超临界流体 的 这 些 特 点，在 制 备 气 凝 胶的过程中，开创了超临界流体干燥技术 。 ［１０］
气凝 胶 是 一 种 具 有 高 比 表 面 积、高 孔 体 积 和 孔 径、低表观堆密度 的 纳 米 材 料，在 催 化 剂、热 绝 缘 材 料、超细粒子、航天、环 境 保 护 方 面 具 有 特 别 重 要 的 意义。气凝胶的制备过程中不可避免地碰到湿凝胶 的干燥问题，而传统 的 干 燥 过 程 很 难 阻 止 干 燥 过 程
冷冻干燥表现出许多传统干燥方法不具备的特 点 。 由 于 物 料 是 在 低 于 水 的 三 相 点 压 力 （６１０．５Ｐａ） 以 下 干 燥 ，相 应 的 相 平 衡 温 度 低 ，且 处 于 高 度 缺 氧 状 态，因此，适用于干 燥 极 为 热 敏 和 极 易 氧 化 的 物 料； 物料在冻结时形成 稳 定 的 固 体 骨 架，水 分 升 华 后 骨 架基本固定 且 呈 多 孔 结 构，这 对 于 催 化 剂、超 微 粉 体、纳米材料等领域的应用非常重要［８］；冷冻干 燥 可 以除去物料中９５％以上的水分，使 产 品 能 在 室 温 或 较高的温度下长 期 保 存，且 质 量 轻、易 运 输，特 别 适 合中草药、食品 加 工 中 除 去 植 物 中 的 水 分。 因 为 加 工温度低，保证了药 品 中 的 有 效 成 分 和 食 品 中 的 营 养成分不受破坏 。 ［９］ ２．２ 超 临 界 流 体 干 燥 （ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｒｙｉｎｇ）