第一部分 分离单元技术
第1章 分离技术现状与发展趋势
1.1 分离技术现状
石油化学工业是国民经济发展的重要组成部分，它直接影响农业、国防、轻工业及其他行业的发展。化学工业分为无机化学工业和有机化学工业。20世纪70年代我国引进13套30万t/年合成氨装置，带动了整个无机化学工业和农业的发展，80年代引进4套1000万t/年炼油装置，通过对生产工艺和装备进行不断消化和吸收，有机化学工业规模、生产方式、品种及质量实现历史性的跨越，产品遍及医药、生物、农药、染料、材料、环境及军事技术领域。
有机化学工业主要涉及基础原料、基础有机化工等7个领域。基础有机化工，包含一氧化碳、氢、甲烷、乙炔、烯烃和芳烃等加工制造及醇、酸、醚和酯类精细化学品等；“三药”工业，包含试剂、药剂、黏合剂、涂料、有机杀虫剂、香料及染料中间体等；材料工业，包含塑料、合成橡胶、人造纤维、合成纤维及成膜材料等；燃料工业，包含天然气、石油、煤、木材及泥炭的化学加工工业等；发酵工业，包含糖、油脂、蛋白质、饮料及生物化学产品等；轻工业，包含造纸、制革及橡胶加工等；冶金工业，如焦油炼制等。
尽管上述产品属于不同的领域，具有不同的生产方式，但产品加工环节均具有共性的过程及装置。从原料到产品都需要经过若干个阶段，除有不同的化学反应过程外，其余步骤皆可归纳为若干个基本的物理过程，如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等，此外，还有原料供应、环保工程、公用工程及产品的储存与输送等方面的共性单元，将这些基本单元操作串联就可构成一个完整的工业制造过程。
近年来，分离技术在资源深加工、产品质量提升及副产物和废弃物循环利用领域中越来越受到重视，在传统分离单元的基础上，需进一步开发和应用分离新技术及装置。按照分离介质，分离基本单元可分为图1-1所示类型[1]。在炼油、精细化学品、医药、生化及环保应用领域中，对于固液相、混合液相及混合气体多组成分离等问题，采取常规分离单元技术是行之有效的。在全面发展煤、石油、天然气及生物质资源深加工与综合利用领域，无论是汽化、液化及热解技术，还是在制造高端精细化学品、提升产品质量、副产物资源化利用及减排方面，分离技术都是关键，尤其特种分离是解决难题的关键。在石化产品产业链生产中，已形成连续管式裂解、精馏、重整、萃取抽提及结晶加工工艺，石油化工等行业的加工体系已基本形成，但生产方式和装备需要由间歇式向连续化方向转变，产品的质量及副产品的综合利用还有待进一步提高，如石油炼制中产生大量的90号、120号、200号溶剂油及裂解和重整中形成的重芳油深加工技术有待开发，只有实现系列溶剂油中小沸点差、共沸及同分异构体的物质分离，才能实现资源的最大化利用。从天然气开发到材料的合成已形成较为完整的体系，但裂解及分离过程所产生馏分的加工过程还有待改进，产品质量有待进一步提高，需要引进和采用新的分离和精制技术，实现现有资源的最大化利用，如合成气的利用、二烯烃的提取及碳五的开发均需要先进的分离技术和装备。随着经济的快速发展，煤炭、石油及天然气供应明显不足，加强生物质的利用已成为化工、生化、医药、能源及环境行业急需解决的问题，20世纪80年代进行了一些生物质加工利用，包括生物质成型燃料、畜禽养殖场沼气发电、生物质气化(炭化)发电及深加工成清洁产品，实现了一些生物、医药及化工产品的生产，但生产规模、综合利用及清洁化生产未能达到一定水准，按照现有状况，生产的方法、工艺及设备还有待改进，需要大胆采用先进的分离技术，推进绿色化生产工艺及多功能环保型设备的产业化。
图1-1 化工分离基本单元类型
1.2 分离技术特点及发展趋势
近40多年来，石油化学工业结构发生了根本性变化，一是实施绿色化生产，调整产品生产的原料路线，由煤炭资源逐渐转向以天然气和石油为原料，显著降低了生产成本；二是生产规模化和产品系列化，形成由资源向基础原料、基础有机化工原料、精细化工、医药和农药中间体、新材料及特种功能材料等系列产品方向发展；三是注重绿色化生产工艺，在连续化反应和分离技术、多功能集成装置、副产品与废弃物回收利用及“三废”综合处置方面取得进展，但与发达国家相比，产品的生产方法、过程的转化率或收率、产品质量、副产物综合利用及废弃物的处置还存在明显差距。对于这些问题的解决，先进的分离技术尤为重要，连续化的分离单元及其集成技术具有提高产品质量、副产品资源化及废弃物综合利用等功能。
与国外跨国公司相比，国内企业在精细化学品生产过程中主要存在严重“三废”问题，究其原因有5点：一是工艺或方法落后，过程转化率或收率偏低，与生产过程“零”排放相距较远；二是产品质量有待进一步提升；三是装置运行方式及结构陈旧，停留在20世纪80～90年代，缺乏创新性；四是副产物或废弃物深加工与循环利用力度不够，副产物及废弃物占比较大，严重浪费资源，造成环境污染；五是高能耗，在传统石化生产中，分离能耗占总能耗的70%左右，导致生产成本高，缺乏市场竞争力。为了解决和改变以上问题，需要在4个方面进行强化：一是调整原材料路线，采用绿色环保型原料；二是过程简单化，选用新方法和新工艺对传统过程进行优化改造，提高过程的转化率或收率，关键是反应和分离的技术研发和应用；三是设计创新性微型化装置，对生产关键设备的结构进行优化设计，提高过程转化率或收率，降低生产过程中副产物的量，实现生产环节接近零排放；四是采用预处理与深度处理融合，实现副产物中有机物的回收和循环利用，最终实现过程零排放。
第2章 蒸馏及其新型技术
2.1 蒸馏
蒸馏是分离均相液体的常用方法，利用液体中组分之间挥发性的差异实现分离，达到目标产品的精制、稀溶液中有效成分回收及废液净化的目的。蒸馏是石油化工、医药、染料及环境等领域中广泛使用的分离单元。
2.1.1 蒸馏基本原理及类型
混合液体中不同组分之间的挥发性用挥发度或相对挥发度来表示。设定气液平衡时，i组分在气相中分压和组成分别为pi和yi、液相组成为xi，对于1、2两组分混合液，挥发度表示为式(2-1)和式(2-2)，相对挥发度表示为式(2-3)。
(2-1)
(2-2)
(2-3)
当α12＞1时，说明组分1相对于组分2挥发性大，组分1称为易挥发组分，组分2称为难挥发组分。当加热混合液时，组分1易汽化，经冷凝变为含组分1较高的轻组分，采用该方式多次操作，实现组分1和组分2的分离，达到提高组分1纯度的目的，该过程称为蒸馏过程。
根据分离混合液的组分性质和难易程度，可采用不同蒸馏方式进行分离，目前采用的方法[2-4]如表2-1所示。按照操作原理，可分为简单蒸馏、平衡蒸馏及连续精馏；按照生产过程，可分为间歇精馏过程和连续精馏过程；按照操作压力，可分为常压精馏、减压精馏及加压精馏；按照待分离组分，可分为双组分分离精馏和多组分分离精馏；按照组分的沸点和共沸等性质，可分为普通精馏、共沸精馏及萃取精馏。
表2-1 蒸馏操作方式
展开
