1.5　分离过程的选择

选择分离过程最基本的原则是经济性。然而经济性受到很多因素的制约，这些因素包括对市场的预测、过程的可靠性、技术改造带来的风险和资金情况等。在这方面，分离过程与任何其他过程没有区别。下面以两个极端情况为例说明这些因素的影响。

①单位产品价值高和市场寿命短的产品。

②大吨位产品，但生产厂家多，市场竞争激烈。

对于第一种情况，应选择成熟的分离方法。因为其经济效益取决于在出现竞争之前就占领市场，且应在仍然畅销时销售尽可能多的产品。然而，如果市场信息已证明该产品有持续的生命力，那么按原设计扩建生产装置是可取的。随着时间的推移和激烈竞争，该产品已属于第二种情况。

对于第二种情况，过程开发和设计受时间和投资的制约。然而，设计者应着眼于生产装置的经济效益，尽可能深入细致地开展工作，通过对多种方案的开发和评价，选择在经济上接近最优的方法，提高产品的竞争能力。

在选择分离过程中，首先要规定产品的纯度和回收率。产品的纯度取决于它的用途，回收率的规定应保证过程的经济性。回收率本应是过程设计最佳化的一个变量，但实际上由于受设计工作量的限制，常按经验确定。

影响选择分离过程的因素归纳如下。

1.5.1　可行性

分离过程在给定条件下的可行性分析能筛选掉一些显然不合适的分离方法。例如，若分离丙酮和乙醚二元混合物，由于它们是非离子型有机化合物，因此可以断定用离子交换、电渗析和电泳等方法是不合适的，因为这些分离过程所基于的性质差异，对该物系不存在。

过程的可行性分析应考察分离过程所使用的工艺条件。在常温、常压下操作的分离过程，相对于要求很高或很低的压力和温度等苛刻的过程，应优先考虑。

对大多数分离过程，分离因子反映了被分离物质可测的宏观性质的差异。对精馏而言，相应的宏观性质是蒸汽压。对吸收和萃取而言，是溶解度等。这些宏观性质的差异归根结底反映了分子本身性质的差异。表1-3表示了各种分离过程的分离因子对分子性质的依赖性。从表1-3可以看出，在确定不同分离过程的分离因子时，不同的分子性质的重要性基本上是不同的。例如，精馏过程中，分离因子反映为蒸汽压，最终反映了分子间力的强弱。而在结晶过程中，分离因子主要反映了各种分子会聚在一起的能力，这时分子的大小和形状等这些简单的几何因素就显得更重要了。

对于任何给定的混合物，按分子性质及其宏观性质的差异选择可能的分离过程是十分有用的。例如，如果混合物中各组分的极性相差很大，就有可能采用精馏过程；如果各组分的挥发度相差不大，则可能采用极性溶剂进行萃取或萃取精馏。如果极性大的分子以很低的浓度存在于混合物中，那么采用极性吸附剂的吸附过程可能是合适的。

1.5.2　分离过程的类型

由各类分离过程在应用中的优缺点，可归纳出某些选择原则。

一般说来，采用能量分离剂的过程，其热力学效率较高。这是因为对采用质量分离剂的过程，由于向系统中加入了另一个组分，以后又要将它分离必定要花费能量。因此，选用有质量分离剂的过程，它一般应有比能量分离剂过程更大的分离因子。萃取精馏和（或）萃取选择的原则是，其分离因子按精馏<萃取精馏<萃取的次序增加。

不同分离过程采用多级操作的难易程度是不同的。膜分离过程和其他速率控制过程采用多级操作比较复杂，因为需要把分离剂加到每一级，还常常要把每一级放在彼此隔开的容器内。另一方面，精馏塔却可以把多级放在一个设备中；各种形式的色层分离可在一个装置中提供更多的分离级，适用于分离因子接近于1和纯度要求很高的分离情况。与此相反，膜分离过程最适用于分离因子较大的系统。

比较各类分离过程，精馏是应用能量分离剂的平衡过程，从能量消耗的观点看，它是合理的。精馏过程不必加入有污染作用的质量分离剂，并且易在一个设备内分为多级。因此在选择分离过程时，精馏应是首先考虑的对象。通常不采用精馏操作的因素是，产品因受热而损害（表现在产品的变质、变色、聚合等方面），分离因子接近于1，以及需要苛刻的精馏条件。

由于能源价格上涨，有人对取代精馏的过程做了评价。其结论是，共沸精馏、萃取精馏、萃取和变压吸附的应用有明显的增长，结晶和离子交换有一定程度的增加。

1.5.3　生产规模

分离过程的生产规模与分离方法的选择密切相关。例如，很大规模的空气分离装置（空气处理量超过2832m³/h），采用低温精馏过程最经济，而小规格的空气分离装置往往采用变压吸附或中空纤维气体膜分离等方法更为经济。又如在选择海水淡化方案时，当进料量小于80×10⁶L/d时，选择反渗透比多级闪蒸或蒸发更经济，但对于很大的装置则情况正好相反。

任何所选择的分离过程必须适于工业生产规模。在工业装置中常见到两或三条生产线并行操作。若生产线再多，则整个装置显得庞大。对于高价值产品，最多可允许十条生产线并行操作。

很多分离过程的单机设备有一个极限的生产能力，它限制了采用该分离操作的生产规模。在某些情况下，最大生产能力表示了某些物理现象对过程的制约；在另外一些情况下则反映了制造工业装置的水平。

1.5.4　设计的可靠性

在影响分离过程选择的所有因素中，设计的可靠性是最重要的。然而设计的可靠性不能定量地确定，因为它与在工业装置设计之前的大量试验工作密切相关。有关几个分离过程可靠性的情况简述如下。

（1）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二元组分的气液平衡数据，就可以完成整个精馏过程的设计。偶尔也需要对某些小规模设备进行实验，但是精馏过程的放大方法是所有分离方法中最可靠的。

（2）吸收

与精馏相似，已建立了可靠的设计方法。对于工程上广泛遇到的物系，可根据物性数据、气液平衡数据和设备结构参数等进行设计，几乎不必做实验即可完成设计。对于不熟悉的新物系或新设备，一般只需测定气液平衡关系、必要的热力学和传递性质以及板效率数据即可。

（3）萃取

如果已知被分离组分和所选择的萃取溶剂之间的相平衡关系以及物系中有关的物性数据（如密度、表面张力、黏度等），即可完成萃取过程的初步设计。该法可用于溶剂的选择、确定操作条件和萃取设备选型等，有足够的可靠性。然而，并未达到精馏设计那样的准确程度。因此在同类装置中进行小规模试验是必要的，而设备的放大以借助于萃取设备的专利最为可靠。若使用公开发表的计算方法，则应评价放大方法的可靠性。

（4）结晶

结晶设备的设计是很困难的。仅有相平衡和物性数据尚不能预测结晶过程，因此台架实验总是需要的。在设计结晶过程之前，通常需要在小型工业装置上做中试。即使如此，在实际工业装置生产出合格产品之前仍需调整操作，而且不可避免会有失败的情况。然而，因为结晶过程往往能提供最纯净的产品，与其他分离方法相比，结晶所消耗的能量最少，所以应用前景十分广阔。随着广泛地使用和大规模地试验，设计的可靠性将增强。

（5）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，则通常必须用实际混合物进行试验，因为多组分等温线性能一般不能由单组分等温线来预测。

（6）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实验设备上，用实际物料进行小试。试验的目的不仅仅是为了确定膜的操作特性，而且也要确定原料的预处理方法，以防止膜件堵塞和受损。当小试提供了可靠的设计依据之后，反渗透设备的设计是有把握的，因为大规模的反渗透装置不过是由大量的膜组件并联构成的，应能重复小试结果。

（7）气体膜分离

对反渗透过程的论述完全适用于气体膜分离。

（8） 超滤

超滤过程的设计必须以广泛的台架实验结果为基础，并且往往还需中间试验。通过试验不仅确定设备设计，而且确定适宜的操作条件（如操作循环比）。超滤设备有多种结构类型，若要选择最适宜结构，必须逐一进行试验，因为不可能通过其他数据预测特定超滤设备的结构特性。同时也必须通过试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。因为膜的截留相对分子质量仅仅是标定值，与实际应用有较大的差别。

（9）离子交换

虽然离子交换系统能借助少量小试结果进行设计。但一般推荐进行中试，因为在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。

（10）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。

（11）电泳

电泳目前还仅使用于小批量分离过程。提高生产能力的唯一方法是在工业装置中对实际物料进行实验，确定其分离特性。因此，电泳过程可靠的放大方法也只是设计多条并联生产线，以便扩大生产能力。

1.5.5　分离过程的独立操作性能

一般来说，在单个分离设备中完成预期的分离要求是最经济的，然而在生产中将不同类型的分离过程组织在一起共同完成分离任务的情况是常见的。分离流程的繁简是影响产品经济性的重要因素。

（1）精馏

如果被分离的组分间不形成共沸物，一个二元混合物在单个精馏塔中可分离成纯组分。在多元混合物情况下，采用侧线出料可得到多于两个纯组分的馏分。含M个组分的混合物在M-1个塔中可得到完全的分离。

（2）吸收

吸收流程有两种类型。一类是吸收剂不需要再生的流程，吸收塔底直接得到产品或中间产品。对于脱除气体中微量杂质的吸收塔，吸收液可直接排放或送去废水处理。另一类是吸收剂需要再生的流程，吸收塔必须与解吸塔集成，溶质解吸后吸收剂循环使用。

（3）萃取

若萃取液本身就是产品，并且萃取溶剂不污染萃取液，那么仅用一个萃取设备即可完成分离任务，但这种情况是不多见的。实际上为得到要求纯度的产品，必须从萃取液中回收萃取物，并且通常也必须回收溶解在萃余相中的少量溶剂，以避免溶剂损失或污染萃余产品。为此最常采用的辅助分离过程是精馏。

（4）结晶

不形成共熔体的二元固体溶液通过逆流多级熔融结晶可分离为纯组分。但很多系统生成共熔体，所以结晶过程必须与破坏共熔的辅助分离过程相配合。

在溶液结晶情况下，通常一个产品是结晶，另一个是母液。固体产品继而进行洗涤和过滤，得到纯的结晶产品。

（5）吸附

吸附过程是选择性地附着一个或多个组分在固体吸附剂上。如果吸附剂需要再生或以被吸附质作为产品，则吸附必须与再生相结合。

（6）反渗透

反渗透的产品是纯溶剂和被浓缩溶液，所以它不是一个完整的分离过程。如果希望完全分离或使溶剂有高回收率，则必须附加其他过程。

（7）气体膜分离

通过采用高选择性的膜和降低膜的低压侧渗透组分的分压，或采用多级的完全级联操作，从理论上可实现二元气体混合物的完全分离。然而，只采用膜分离方法达到高纯度和高回收率是不经济的，应辅助以其他分离过程。

（8）超滤

如果不同的高分子溶质的分子尺寸有足够大的差别（如相差10倍），理论上超滤能将它们完全分离。当分子尺寸差别不十分大时，通过级联仍可能实现完全的分离。在任何情况下，超滤的两产品都是稀溶液，如果要求纯产品，尚需辅助分离过程。

（9）离子交换

离子交换类似于吸附，需要再生阶段，回收产品和使床层再生。此外，经离子交换的产物通常是水溶液。如果要求纯产品，尚需附加操作。对于水的净化，无离子水为离子交换产品，不需进一步加工。

（10）渗析和反渗析

这两个过程类似于萃取，是选择传质过程，不能达到混合物的完全分离。如果希望得到纯产品，需辅助过程。与萃取不同的是，溶剂不含污染产品，因膜两侧的溶剂是相同的。