离子交换分离技术的应用

1、3、离子交换分离技术的应用、离子交换分离技术的应用 离子交换分离技术的应用具有以下特点：离子交换剂使用寿命长，选择性高，能够在常温下进行，节省能耗，产品纯度高等。因此，广泛应用于水处理、湿法冶金、工业废水处理、生化提取等领域。(1)、水处理、水处理 水处理包括水的软化、脱盐、高纯水或超纯水的制备。 、水的软化、水的软化 水中含有许多金属离子，其中Ca2+、Mg2+的总浓度称为水的硬度。硬水会给水的使用带来很多麻烦，如使锅炉产生锅垢、染色和洗净工艺中会引起沉淀等。水的软化是使硬水通过钠式阳离子交换树脂，水中的钙、镁离子与树脂上的钠离子发生离子交换被吸附在树脂上，无害的一价钠离子进入水中,而后用8

2、%10%的食盐水进行再生，树脂循环使用。 、水的脱盐、水的脱盐 普通水中含有100300mg/kg的无机盐，作家庭用水可以，但作工业用水如高压锅炉用水、无线电工业中微型或精细零部件的洗涤用水等就不行了。水的脱盐是将盐水先与H+型阳离子交换树脂接触除去阳离子，随后再与OH-型阴离子交换树脂接触除去水中的阴离子。脱盐后的离子交换树脂可分别用酸、碱再生。 、制备高纯水和超纯水、制备高纯水和超纯水 在医药上要求使用不纯物含量在10-6以下，且无细菌、热源和还原性物质的水，在一些精细制造业中甚至要求用杂质含量在0.1mg/kg以下的水，常用离子交换法与其他方法(如过滤等)结合来制备。(2)、湿法冶金、湿

3、法冶金 利用离子交换技术进行湿法冶金,可从矿石浸取液中分离提纯、回收的金属元素不下70余种,如核燃料(铀)的提取纯化、单一稀土元素的分离、金银等的有色金属的提取分离等。(3)、工业污染的控制、工业污染的控制 从环境保护出发,工业废水必须进行处理,采用离子交换法可以有效地处理无机废水、有机废水以及放射性废水等。如氯碱厂含汞废水处理时,先用盐酸将淤泥中的汞溶解,生成(HgC14)2-，用强碱性氯型阴离子交换树脂吸附,再用盐酸洗脱再生,洗脱液中的汞经电解回收。处理过的水可循环使用。(4)、生物化工中的应用、生物化工中的应用 利用离子交换技术可进行发酵产物的提取与精制以及天然生物物质的提取与精制等。如

4、从淀粉或糖蜜的发酵液中提取谷氨酸生产味精；制糖工业中稀糖汁的纯化；制药工业中从猪血、人发、废羊毛等蛋白质原料的水解液中提取药用氨基酸等。五、生物分离技术五、生物分离技术 生物分离是对发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液分离、纯化生物产品的过程。它是生物技术转化为生产力所不可缺少的重要环节，生物分离技术的进步程度对于保持和提高各国在生物技术领域内的经济竞争力是至关重要的。为突出其在生物技术领域中的地位和作用，常称它为生物技术下游加工过程。1、生物分离的特点、生物分离的特点 生物产品包括传统的生物技术产品(如用发酵生产的有机溶剂、氨基酸、有机酸、抗生素)和现代生物技术产品(如用重组DNA技术生产的医

5、疗性多肽和蛋白质)它们与一般的化学品的生产过程不同,具有自身的特点。 、发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液。、发酵液或培养液是产物浓度很低的水溶液。除了少数特定的生化反应系统外,在其他大多数生化反应过程都是以水作溶剂,而且由于受到物理和生产条件的限制,生物产品在溶剂中的浓度都很低,而杂质含量却很高。 、培养液是多组分的混合物。、培养液是多组分的混合物。细胞的组成十分复杂,发酵产物也是一个复杂的多相系统,其中包括大分子量物质(如核酸、蛋白质、多糖)和小分子量的中间产物(如氨基酸、有机酸和碱)；既有可溶性物质,也有以胶体悬浮物和粒子形态存在的组分。 、生化产物的稳定性较差。、生化产物的稳定性较差

6、。生物活性物质通常很不稳定,会由于化学降解或微生物降解作用而失活。另外某些生化产物会因染菌而产生毒素和降解酶,从而引人新的杂质或导致产物失活。 、对最终产品的质量要求很高。、对最终产品的质量要求很高。由于许多生化产品属于医药、生物制剂或食品等精细产品,这些产品质量的优劣直接关系到人民的身体健康和生命安全,因此,必须达到药典、 试剂标准和食品规范的要求。 由上可知，生物技术产品一般是从各种杂质的总含量远大于目标产物的混合物中开始进行制备的,只有经过分离和纯化等下游加工过程才能制得符合使用要求的高纯度产品。据各种资料统计，分离与纯化的费用要占产品总成本的40%80%。显然,开发新的生物分离技术是提

7、高经济效益或减少投资的重要途径。2、生物分离的一般步骤和单元操作、生物分离的一般步骤和单元操作 大多数生物技术下游加工过程可按生产过程的顺序分为四个步骤： 、发酵液的预处理与液固分离,目的是除去不溶物; 、初步纯化,目的是提取产物; 、高度纯化,目的是精制产物; 、应产物的最终用途和要求进行成品加工。其一般的工艺流程见下图。 在生物产品的精制过程中,传统的方法例如精馏、蒸发很少采用,而采用高效的新型分离技术,下面简要介绍色层分离、泡沫分离、纳米膜过滤。3、新型生物分离工艺、新型生物分离工艺(1)、纳米膜过滤技术、纳米膜过滤技术 纳米膜过滤是介于反渗透与超滤之间的一种以压力为推动力的新型膜分离过

8、程,它能截留透过超滤膜的小分子有机物,透析被反渗透所截留的无机盐。由于该膜在渗透过程中截留率大于95%的最小分子约为1nm,故被命名为纳滤膜。 纳米膜过滤的特点是： 、因其具有纳米级的孔径,使其对水中的分子量为数百的有机小分子成分具有分离性能; 、由于膜本身带有电荷,对于不同价态的阳离子存在Donnan效应; 、操作压力低,由于无机盐能通过纳滤膜,使其渗透压远比反渗透膜的低。 因此,在通量一定时,纳滤过程所需的外加压力比反渗透的低得多;而在同样压力下,纳滤的通量则比反渗透大得多。 由于纳滤具有上述特点,使其广泛用于饮用水和工业用水的纯化、废水净化处理、工艺流体中有价值成分的浓缩等方面。、纳滤膜

9、的性质及分离机理、纳滤膜的性质及分离机理 大多数纳滤膜是由多层聚合薄膜组成,膜材料基本上与反渗透膜材料相同,活性层通常带负电荷化学基团。一般认为纳滤膜为多孔性的,其平均孔径为2nm,具有良好的热稳定性,pH值稳定性和对有机溶剂的稳定性,商用的纳滤膜组件多为卷式,另外还有管式和中空纤维式。 纳滤膜也显示了建立在离子电荷密度基础上的选择性,因为膜的离子选择性,对于含有不同自由离子的溶液,透过膜的离子分布是不相同的,这就是Donnan效应。其分离规律是： A、对于阴离子,截留率按下列顺序递增：NO3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-； B、对于阳离子,截留率递增的顺序为H+、Na+、K+、C

10、a2+、Mg2+、Cu2+； C、一价离子渗透,多价阴离子滞留(高截留率); D、截留分子量在2001000之间,分子大小为1nm的溶解组分的分离。、纳滤的操作方法、纳滤的操作方法 由于纳滤膜通量大、易污染,故在实际应用中须严格控制膜的通量,纳滤过程通常有三种形式,见以下各图。、纳滤膜过滤技术的应用、纳滤膜过滤技术的应用A、纳滤浓缩、纳滤浓缩6-APA 6-氨基青霉烷酸简称6-APA,分子式C8H12O3N2S,相对分子质量为216.28，是青霉素分子的母核,是生产各种半合成青霉素如氨苄西林、阿莫西林的中间体。工业上一般采用青霉素G钾盐粗品,在青霉素酰化酶作用下裂解生成6-APA和苯乙酸,6-

11、APA经适当处理结晶后,母液中仍有0.3%0.4%的6-APA,6-APA受热极易分解,而且母液中含有一定量的有机溶剂难以处理。采用纳滤技术成功的实现了6-APA母液回收,总收率超过55%,结晶中6-APA含量大于95%,同时透过液中COD、BOD大大减少,降低了对环境的污染。B、多肽的浓缩和纯化、多肽的浓缩和纯化 在制药工业中,常用色谱法从混合有机物或水溶液中纯化肽和多肽化合物,辅助洗脱液的蒸发操作即可浓缩。也可采用纳滤法进行肽和多肽的浓缩,其优点是可在低温下进行,操作时间短,能将非常小的有机污染物和低相对分子质量的盐分除去,产品完整而且纯度高。(2)、泡沫分离技术、泡沫分离技术 泡沫分离又

12、称泡沫吸附分离技术。它是以气泡为介质,依据各组分的表面活性的差异而分离混合物的方法。泡沫分离的分类见下图。 图中的泡沫分离按分离对象是溶液还是含有固体物质的悬浮液、胶体溶液而分为泡沫分馏和泡沫浮选。 泡沫分馏用于分离溶液物质,若溶液中的组分是表面活性剂,或能与某一类型的表面活性物质结合,当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫层而与液相主体分离。 泡沫浮选适用于不溶解物质的分离,按被分离对象是分子还是胶体,以及颗粒的大小又可分为： 、矿物浮选(用于矿石和脉石离子的分离); 、粗粒浮选和微粒浮选(用于共生矿中单质的分离,前者的粒子直径约为110mm,后者的粒子直径约为1m1mm)； 、离子浮选和分子浮选

13、(用于分离非表面活性的离子或分子,需向体系中加入浮选捕集剂与被分离组分形成难溶或不溶物,然后以浮渣形式将其除去); 、沉淀浮选(首先改变溶液的pH值或加入某种絮凝剂,使需脱除的离子形成沉淀,再用浮选法将沉淀除去); 、吸附胶体浮选 (以胶体粒子作为捕集剂,选择性地吸附所需分离的溶质,再用浮选法除去)。 无泡沫分离是指用鼓泡方法进行分离,但不一定形成泡沫层。可分为鼓泡分离(从塔设备底部通气鼓泡,表面活性物质被气泡富集并上升至塔顶和液相主体分离)和溶媒浮选(在溶液的顶部置有一种与其不互溶的溶剂,用它来萃取或富集由塔底鼓出的气泡所吸附的表面活性物质)。、基本原理、基本原理 A、泡沫分离过程、泡沫分离

14、过程 是首先利用待分离的物质本身具有表面活性或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起,在鼓泡塔内被吸附于气泡表面,得以表面富集。然后借气泡上升带出溶液主体并进行收集,再用化学、热或机械的方法破坏泡沫,将溶质提取出来以达到净化主体溶液、浓缩待分离物质的目的。可见,塔的分离作用主要决定于组分在气液界面上吸附的选择性和程度,即各组分在溶液中表面活性的差异。 B、分离机理、分离机理 利用了表面活性剂的界面作用。在溶液中加入表面活性剂的目的是使溶液表面张力显著降低,表面活性剂的化学结构一般由非极性集团(亲油性)和极性集团(亲水性)两部分组成。溶入溶液后具有两个基本性质： 、当气体在水溶液中发泡时,

15、溶解在溶液中的表面活性剂分子立即在气泡表面排成亲油基指向气泡内部,亲水基指向溶液呈单向分子排列,使气体与水的接触面减少, 从而使表面张力按比例急剧下降。同时,气泡上多余的分子则在溶液内部形成分子状态的聚集体胶束,并分布在液相主体内。此状态相当于下图中的曲线的斜线部分。 、当溶液中表面活性剂的浓度超过形成胶束的临界浓度时,溶液的表面张力不再降低,此状态相当于曲线中的水平部分。但在相界面上由于上述定向排列的单分子层的作用而具有选择性定向吸附作用,会显著地改变原溶液的界面性质,造成各种界面作用。泡沫分离就是充分利用上述表面活性剂的界面作用而发展起来的一种新型分离方法。、泡沫分离流程、泡沫分离流程 泡

16、沫分离的流程可分为间歇式、连续式两类。 A、间歇式泡沫分离过程、间歇式泡沫分离过程 气体从塔底连续鼓入,形成的泡沫液从塔顶连续排出,原料液因不断形成泡沫而减少,可在塔的下部补充适当表面活性剂,以弥补其在分离过程中的减少。流程见右图。 B、连续式泡沫分离过程面、连续式泡沫分离过程面 这种过程料液和表面活性剂连续加入塔内,泡沫液和残液连续从塔内排出。 按照原料液引人塔内的位置不同,可将连续泡沫分离分为浓缩塔(或称精馏塔)、提馏塔和两者叠加的复合塔,可分别得到不同的分离效果。流程见下图中(a)、(b)、(c)。、泡沫分离技术的应用、泡沫分离技术的应用A、大肠杆菌的分离、大肠杆菌的分离 用月桂酸、硬脂

17、酰胺或辛胺作表面活性剂,对初始细胞浓度为7.2108个/cm3的大肠杆菌进行泡沫分离,结果用1min时间能除去90%的细胞,用10min时间就能除去99%的 细胞。B、酵母细胞的分离、酵母细胞的分离 酿成的啤酒,一般含有2040g/L酵母,含水率达75%,需进行酵母的分离。对于酵母浆的脱水,可使用许多方法,如浮选、分离、蒸发、干燥等。浮选法分离酵母较其他方法具有一系列的优点,如可大大减少分离塔的数目,总投资经济等。C、蛋白质和酶的分离浓缩、蛋白质和酶的分离浓缩 泡沫分离可用于各种蛋白质和酶的浓缩,如胆酸和胆酸钠混合物中分离胆酸、从非纯制剂中分离磷酸酶、从粗的人体胎盘匀浆中分离蛋白酶、从胃蛋白酶

18、和血管紧张肽原酶混合物中分离胃蛋白酶、从苹果组织中回收蛋白质络合物。(3)、色层分离技术、色层分离技术、分类、分类 色层分离是一组相关分离方法的总称,又叫色谱法、层离法、层析法等。它的机理是多种多样的。但不管哪种方法都必须包括两个相：一相是固定相,通常为表面积很大的或多孔性固体；另一相是流动相,为液体或气体。当流动相流过固定相时,由于物质在两相间的分配情况不同,易分配于固定相中的物质移动速度慢,易分配于流动相中的物质移动速度快,因而达到分离目的。 根据分离机理不同,色谱法可分为： A、吸附色谱法(靠吸附力不同而分离); B、分配色谱法(靠物质在两液相间的分配系数不同而分离); C、离子交换色谱

19、法(靠物质对离子交换树脂的化学亲和力不同而分离); D、凝胶色谱法(靠各物质的分子大小或形状不同而分离)。 根据固定相形状不同,可分为:柱色谱法、纸色谱法、薄层(板)色谱法、凝胶色谱 法、旋转薄层色谱法等。 根据流动相的物态不同,可分为气相色谱法、液相色谱法。 根据实验技术不同,可分为迎头法、顶替法、洗脱分析法。 迎头法迎头法是将混合物连续通过色谱柱,只有吸附力最弱的组分以纯粹状态最先自柱中流出,其他各组分都不能达到分离; 顶替法顶替法是利用一种吸附力比各吸附组分都强的物质来洗脱,这种物质称为顶替剂,此法处理量较大,且各组分分层清楚,但层与层相连,故不易将各组分分离完全; 洗脱分析法洗脱分析法

20、是先将混合物尽量浓缩,使体积缩小,引人色谱柱的上部,然后用纯粹的溶剂洗脱,洗脱溶剂可以是原来的溶解混合物的溶剂,也可以选用其他溶剂。此法能使各组分分层且分离完全,层与层间隔着一层溶剂。此法应用最广,而迎头法和顶替法则很少采用。 色谱法的优点是：分离效率高,设备简单,操作方便,条件温和,能适应各种不同要求的分离。 其缺点是：处理量少,不能连续操作。但据报道,国外能利用计算机控制每次循环中的加料、展层、鉴定等操作。 色谱法的应用主要有：成品和中间品的鉴定、成品的精制、制备产品三个方面。、基本原理、基本原理 色层分离过程可以用洗脱分析法为例说明。 见下图,将欲分离的混合物从色谱柱的上部加人如(a),

21、然后加入洗脱剂(流动相)冲洗如(b)。若各组分和固定相不发生作用,则各组分都以流动相的速度向下移动,因而得不到分离。但实际上各组分的移动速度小于流动相的速度,若亲和力不等,则各组分的移动速度也不一样,因而能得到分离。图中各组分对固定相的亲和力的次序为白球分子。黑球分子三角形分子。当继续加入洗脱剂时,如色谱系统选择适当且柱有足够长度,则三种组分逐渐分层如(c) (g),三角形分子跑在最前面,最先从柱中流出,依次为黑球分子、白球分子,分别收集起来,再用其他方法提纯。其中加入洗脱剂而使各组分分层的操作称为展开,而展开后各组分的分布情况称为色谱图。 总之,色层分离法的操作包括：固定相准备、加料(加样)

22、、冲洗展层、分部收集、再生等步骤。溶质在两相中移动速度的差别是色谱法的基础,溶质在色谱柱中的移动可以用阻滞因数或洗脱容积来表征。两者都表示溶质分子在流动相方向的移动速度或在流动相中的停留时间。在一定的色谱系统中,各种物质有不同的阻滞因数或洗脱容积。改变固定相、流动相和操作条件,可使阻滞程度从完全阻滞到自由定向移动的很大范围内变化。A、阻滞因数、阻滞因数Rf 阻滞因数是在色层分离系统中溶质的移动速度和一个理想标准物质(通常是和固定相没有亲和力的流动相,即KD = 0的物质)的移动速度之比:移动速度流动相在色层系统中的溶质的移动速度fR的移动距离前缘在同一时间内溶剂溶质移动的距离)( Rf值大表示

23、系统中溶质的移动速度快,反之,则慢。Rf在01之间变化。Rf值与分配系数KD有关,其数学式如下:式中Am移动相的平均截面积; As固定相的平均截面积。 可见,KD越大Rf值越小,此外还与Am、As有关,即与层析柱的安装、大小、长短有关。sDmmfAKAARB、洗脱容积、洗脱容积Ve 在柱色层分离法中,使溶质从柱中流出时所通过的流动相体积,称为洗脱容积。令层析柱的总长度为L,设在t时间内流过的流动相的体积为V,则流动相的体积速度为V/t。则溶质从柱中流出所需要的时间为于是此时流过的流动相体 V/t 积为: Ve = L(Am + KDAs) = Vm + KDVs式中Vm层析柱中移动相的总体积;

24、 Vs层析柱中固定相的总体积。tVAKALsDm/)(C、色谱法分离的理论塔板、色谱法分离的理论塔板 塔板理论研究了溶质在柱中的分布和各组分的分离程度与柱高之间的关系。如果某段柱高中流出的液体(流动相)和其中固定相的平均浓度成平衡关系,称这样一段柱高为理论塔板高度。整个柱中有几个理论塔板高度就等于几块理论板。、色层分离技术的应用、色层分离技术的应用A、吸附色谱法精制丝裂霉素、吸附色谱法精制丝裂霉素 丝裂霉素的发酵滤液用活性炭吸附,丙酮洗脱,蒸去丙酮的浓缩水溶液,用氯仿萃取。氯仿萃取液上氧化铝柱,先用氯仿冲洗,能部分分带,接着以氯仿-丙酮(3:2)展开,约2h后分出的色带中蓝紫色色带d为有效成分

25、丝裂霉素C。将柱推出,切取蓝紫色部分,用10%甲醇-氯仿洗脱,减压蒸干,在甲醇-苯中结晶,即可得到蓝紫色丝裂霉素C的结晶。B、纸色谱法提纯链霉素、纸色谱法提纯链霉素 链霉素的毒性和二链霉胺有关,因此在生产过程中要考虑二链霉胺的存在。利用纸色谱法,以正丁醇:吡啶:甲酸:水为15:10:3:12的溶剂系统,用下行法展开24h,可以将二链霉胺与链霉素分开,两者移动距离之比为0.41。C、疏水作用色层分离法分离互换酶、疏水作用色层分离法分离互换酶 兔子肌肉中含有a和b两种糖原磷化酶,可以采用配套疏水层析小柱进行分离,酶a保留在Seph-C1柱上,可用NaCl梯度洗脱,而酶b完全吸附在Seph-C4或更

26、高序列的柱上,可用0.4mol/L咪唑拧檬酸缓冲液洗脱,从而分开两种酶。六、分离过程的选择六、分离过程的选择 在本章以前的各章节,讲述的传质分离技术按传质机理来划分,可分为平衡分离过程和速率分离过程两大类。平衡分离过程是借助于分离媒介(热能、溶剂、吸附剂),使均相混合系统变成两相系统,再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。如蒸馏、吸收、萃取、干燥、吸附等。速率控制分离过程是在某种推动力(如压差、浓度差、电位差等)的作用下,有时选择某种介质(如半透膜)配合下利用各组分扩散速率差异而实现分离的目的,如反渗透、超滤、电渗析、气体膜分离等。随着科学技术的发展,分离方法愈来

27、愈多,每种分离方法都有它的长处和不足。化工生产中若需要分离操作, 首先就应选择合适的方法。 选择分离过程要有工程观念,即以经济性为核心,同时还要综合考虑理论上的正确性、技术上的可行性、操作上的安全性。下面提供一些准则,可做选择时参考。 1、技术上的可行性、技术上的可行性 要选择合适的分离方法,首先应考虑它的可行性。通过可行性的论证,可以筛选合适的分离方法。如从分离原理的角度、从分离过程的工艺条件的角度,若是多组分系统分离为几种较纯的产品时还要从分离路线的角度考虑其可行性,然后再从技术和经济合理性的角度对这些可行的分离过程进行优选。这里以分离混二甲苯为例说明可行性的论证。 混二甲苯是二甲苯的三个

28、异构体(即邻、间、对二甲苯)与乙苯的均相混合物。这四种化合物分子量相同,他们的部分物性数据如下表。 对于此均相混合物系,由于不存在离子,所以不能用离子交换法,又由于各组分都是可挥发的,所以不能用蒸发法。若采用精馏操作,从混合物各组分沸点看,邻二甲苯与间二甲苯、对二甲苯的沸点差别较大,间、对位二甲苯对邻二甲苯的相对挥发度大约为1.16,而对二甲苯对间二甲苯的相对挥发度仅为1.02,需用100块以上的塔板精馏得到邻二甲苯; 又根据乙苯的沸点可知需用300块以上的塔板精馏才能得到乙苯,而间二甲苯与对二甲苯的相对挥发度太小,用精馏方法分离更为困难。即使改变操作压力以改变相对挥发度也无济于事。由此可知,

29、混二甲苯用精馏方法分离的可行性很小。 由分子结构可知,间二甲苯和对二甲苯之间的区别在于甲基的位置不同，所以分子形状不同,对二甲苯结构比较对称,分子是狭长的,而间二甲苯则比较圆一些。由于结构对称, 对二甲苯分子容易聚结在一起,形成晶体结构,因此它有比较高的凝固点。再者,由于分子形状不同,间二甲苯不很容易掺杂在对二甲苯的结晶中。因此,按用部分冷冻法冷却到一定温度就可得到较纯净的对二甲苯结晶,然后再用机械方法将结晶与液体分开,这种方法分离在工程上是可行的。 如果采用萃取法,以氟化氢和三氟化硼的混合物为萃取剂与混二甲苯接触,充分混合, 则形成络合物,在这些络合物中,以与间二甲苯生成的络合物最为稳定,而

30、且所形成的络合物可溶在过量的HF中,而未反应的二甲苯则不溶。因此,可通过多级萃取操作将间二甲苯分出,然后再用精馏方法将对二甲苯、邻二甲苯和乙苯分开,通过加热可使间二甲苯形成的络合物分解,得到间二甲苯并回收萃取剂。由此可知,萃取法在工程上也是可行的。 另外,还可采用分子筛进行吸附分离, 萃取结晶法等,具体应采用哪一种可行性分离方法,应再根据技术和经济的合理性进行选择。2、分离过程类型的选择、分离过程类型的选择 前已述及,分离过程分为两大类,即平衡分离过程和速率控制分离过程,而平衡分离过程又分为添加能量型和添加物质型。 对于分离因子不大而需采用多级分离过程时,考虑到能量消耗的高低,应首先选择平衡

31、分离过程,再选择速率控制过程。平衡分离过程对于达到相同的分离效果,采用能量分离剂比采用质量分离剂能量消耗低,这是因为物质分离剂过程引人了另一组分,此组分又必须从一个产品中除去(即再生)而循环使用,并且部分分离剂损耗需补充新的分离剂,与能量添加型相比能耗较大。例如在丙烷-丙烯-丙二烯混合物的分离过程中,首先选择蒸馏、萃取蒸馏次之、萃取再次之。 对于分离因子接近于1的,而且又要求产品纯度十分高的分离过程,应优先考虑色层分离,因其可在一个装置中提供更多的分离级,而费用也不大。 对于分离因子较大的系统,应尽量采用单级和级数不多的分离过程。此时可优先选用速率控制分离过程。这样可避免在每一级都要加相同能量

32、或物质的缺点。如海水淡化可采用反渗透,果汁浓缩可采用超滤等。 总之,比较各类分离过程,从能量消耗的观点看,精馏操作是合理的,精馏过程不必加入有污染作用的质量分离剂,且可在一个设备内分为多级,因此,精馏是优先考虑的分离过程。只有当产品因受热而损害(表现为产品变质、变色、聚合等),或分离因子接近于1以及需要苛刻的精馏条件时(如塔板数太多、压力过高等),才不采用精馏操作。另外,目前由于能源短缺,价格上涨,共沸精馏、萃取精馏、萃取和变压吸附等低能耗的分离过程的应用有明显的增长,结晶和离子交换有一定程度的增加。3、根据生产能力确定分离方法、根据生产能力确定分离方法 分离过程的生产规模与分离方法密切相关。

33、例如：当进行大规模的空气分离时,采用低温精馏过程最为经济;而进行小规模的空气分离时,采用变压吸附或中空纤维气体渗透分离等方法更为经济。各类分离方法所需的设备及操作费用差异很大,产品的价值与生产规模之间通常是不一致的,即往往分离高价值的物质,进行小规模生产;通常混合物分离的难易程度严重影响分离操作的费用,对难以分离的贵重物质应考虑采用新型的、特殊的分离手段。蒸馏、吸收、萃取等较容易实行大规模生产,但色层分离因起传质作用的只是薄层固相很难进行大规模的生产。 很多分离过程的单机设备都有一个极限的生产能力,它表示了在某些情况下某些物理现象对过程的制约;在另一些情况下则反映了制造工业装置的水平。它限制了

34、该分离操作的生产规模,因此,在工业装置中常见到两条或三条生产线并行操作,生产线过多则显得整个装置很庞大,对于高价值的产品,最多可允许十条生产线并行操作。 下表7-6列出了主要分离过程在单生产线操作时的极限生产能力。4、设计的可靠性、设计的可靠性 在选择分离过程的所有影响因素中,设计的可靠性是最重要的。但是,由于它与在工业装置设计之前的大量实验工作密切相关,所以设计的可靠性不能定量地确定。下面对主要分离过程的可靠性作简单介绍。 精馏精馏 经过多年工业规模设备的扩大试验和工业实践,已经建立了可靠的精馏设计方法。只要给出被分离混合物中有关组分的物性数据和各对二元组分的气液平衡数据,就可以完成整个精馏

35、过程的设计。虽然有时也需要进行某些小规模的实验,但是精馏过程的放大设计方法是所有分离方法中最可靠的。 萃取萃取 如果已知被分离组分和所选择的萃取剂所形成的混合物系的相平衡关系以及物系中有关的物性数据(如密度、粘度、表面张力等),可完成萃取过程的初步设计。该法可用于萃取剂的选择、确定操作条件和萃取设备选型等,有足够的可靠性。但是没有达到精馏设计那样的准确程度,因此,需要先在同类装置中进行小规模实验。设备的放大以借助于设备的专利最为可靠。若使用公开发表的计算方法,则应评价放大设计方法的可靠性。 结晶结晶 结晶设备的设计是很困难的。在已知相平衡关系和物性数据的基础上,还需要进行台架实验,而且,在设计

36、结晶过程之前,通常需要在小型工业装置上进行中试。即使如此,在实际工业装置生产出合格产品之前仍需调试,此时,不可避免地会有失败的情况。随着结晶操作的广泛的使用和大规模的试验,设计的可靠性将逐渐增强。 吸附吸附 如果在所选择的吸附床层上,有实测的吸附等温线数据和能够确定物料传质特性的一定数量的小试结果,那么,能够对吸附设备和操作循环做可靠的设计。如果所处理的物料包含几个吸附组分,通常必须用实际混合物进行试验,确定多组分吸附等温线数据。 反渗透反渗透 反渗透设备的设计通常需先做实验。在单个膜组件或小型设备上,用实际物料进行小试,目的是确定膜的操作特性,确定原料的预处理方法以防止膜组件堵塞和受损。当小

37、试提供了可靠的设计依据之后,反渗透设备的设计才是有把握的,这是由于大规模的反渗透装置是由大量的膜组件按一定方式组装而成的,只是重复小试的结果。 气体膜分离气体膜分离 对反渗透过程的论述完全适用于气体膜分离过程。 超滤超滤 超滤过程的设计必须以广泛的台架实验结果为基础,并且往往还需要进行中试。目的是确定设备的设计和适宜的操作条件。超滤设备有多种结构型式,若要选择最适宜的结构,必须逐一进行实验,因为不可能通过其他数据预测特定超滤设备的结构特性。同时也必须通过实验确定超滤所透过或截留的组分,以及它们随时间和操作条件而变化的情况,因为膜的截留分子量仅仅是标定值,与实际应用有较大的差别。 离子交换离子交换 离子交换设备的设计需借助少量小试的结果,一般情况下应进行中试,因为工业装置中出现的床层堵塞和交换能力降低的现象在小试中难以观察,同时只有在中试中才能模拟工业装置再生阶段所采用的大循环量操作工况。 渗析和电渗析渗析和电渗析 对反渗透的论述完全适用于选择性膜的渗析和电渗析。 电泳电泳 电泳操作目前只适用于小批量的分离过程。若想提高生产能力,需在工业装置中对实际物料进