1.4　分离过程的集成

过程集成是20世纪80年代发展起来的过程综合领域中一个最活跃的分支。在过程工业领域中，过程集成的基本目标是实施清洁工艺，使物料及能源消耗最小，达到最大的经济效益和社会效益。

1.4.1　反应过程与分离过程的耦合

为改善不利的热力学和动力学因素，减少设备投资和操作费用，节约资源和能源，分离过程与反应过程多种形式的耦合已经开发和应用。

化学吸收是反应和分离过程耦合的单元操作，当被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应时，增加了传质推动力和液相传质系数，因而提高了过程的吸收率，降低了设备的投资和能耗。

化学萃取是伴有化学反应的萃取过程。溶质与萃取剂之间的反应类型很多，例如络合反应，水解、聚合、离解及离子积聚等。萃取机理也多种多样，例如中性溶剂络合、螯合、离子交换、离子缔合、协同效应等。

反应和精馏结合成一个过程，形成了蒸馏技术中的一个特殊领域——反应（催化）精馏。它一方面成为提高分离效率而将反应和精馏相结合的一种分离操作；另一方面则成为提高反应收率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。目前，已从单纯工艺开发向过程普遍性规律研究的方向发展。反应精馏在过程工业中的应用是很广泛的，例如酯化、酯交换、皂化、胺化、水解、异构化、烃化、卤化、脱水、乙酰化和硝化等过程。催化精馏的典型应用是甲基叔丁基醚的生产。

膜反应器是将合成膜的优良分离性能与催化反应相结合，在反应的同时，选择性地脱除产物，以移动化学反应平衡，或控制反应物的加入速率，提高反应的收率、转化率和选择性。如多孔陶瓷膜催化反应器进行丁烯脱氢制丁二烯，丙烯脱氢制丙二烯；对氧化反应，用膜控制氧的加入量，减少深度氧化。膜反应器还用于控制生化反应中产物对反应的抑制作用，用膜循环发酵器进行乙醇等发酵制品的连续生产和用膜反应器进行辅酶反应等都具有很好的开发前景。

控制释放是将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定的速率通过扩散等方式释放到环境中。其优点是可将药物浓度控制在需要的浓度范围内，延长药效作用时间，减少服用量和服用次数。这在医药、农药、化肥的使用上都极有价值。

膜生物传感器是模仿生物膜对化学物质的识别能力制成的，它由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成为酶膜传感器或微生物传感器。这些传感器具有很高的识别专一性，已用于发酵过程中葡萄糖、乙醇等成分的在线检测。目前膜生物传感器已作为商品进入市场。

1.4.2　分离过程与分离过程的耦合

不同的分离过程耦合在一起构成复合分离过程，能够集中原分离过程之所长，避其所短，适用于特殊物系的分离。

萃取结晶亦称加合结晶，是分离沸点、挥发度等物性相近组分的有效方法及无机盐生产的节能方法。对于无机盐结晶，某些有机溶剂的加入使待结晶的无机盐水溶液中的一部分被水萃取出来，促进了无机盐的结晶过程。例如，以正丁醇为溶剂萃取结晶生产碳酸钠。对于有机物结晶，溶剂的加入使原物系中某有机组分形成加合物，而使另一组分结晶出来。例如，以2-甲基丙烷为加合剂能从邻甲酚和酚的混合物中分离出酚。

吸附蒸馏是吸附和蒸馏在同一设备中进行的气-液-固三相分离过程。吸附分离具有分离因子高、产品纯度高和能耗低等优点，但吸附剂用量大，收率低。而传统的蒸馏过程处理能力大，设备比较简单，工艺成熟。由这两个分离过程耦合的复合蒸馏过程能充分发挥各自的优势，弥补了各自的不足。它特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。

不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不同，在电场作用下，这些带电的溶胶粒子在介质中的泳动速度不同，利用这种性质可以实现不同蛋白质的分离，该法称之为电泳分离。而电泳萃取是电泳与萃取耦合形成的新分离技术。电泳萃取体系由两个（或多个）不相混的连续相组成，其中一相含有待分离组分，另一相是用于接受被分离组分的溶剂，两相中分别装有电极，由于电场的作用，消除了对流的不利影响，提高了收率和生产能力。该分离技术在生物化工和环境工程中有较大的应用潜力。

1.4.3　过程的集成

（1）传统分离过程的集成

精馏、吸收和萃取是最成熟和应用最广的传统分离过程，大多数过程工业产品的生产都离不开这些分离过程。在流程中合理组合这些过程，扬长避短，才能达到高效、低耗和减少污染。

共沸精馏往往与萃取集成。例如，从环己烷/苯二元共沸物生产纯环己烷和苯，选择丙酮为共沸剂，由于丙酮与环己烷形成二元最低共沸物，所以从共沸精馏塔底得到纯苯，丙酮/环己烷共沸物的分离则采用以水为萃取剂的萃取过程，环己烷产品为萃取塔的一股出料，另一股出料是丙酮水溶液，经精馏塔提纯后，丙酮返回共沸精馏塔进料，水返回萃取塔循环使用。由于此流程分别采用了丙酮和水两个循环系统，整个过程基本上没有废物产生，并且能耗较低，符合了清洁工艺的基本要求。

共沸精馏与萃取精馏的集成也是常见的，例如，使用极性和非极性溶剂从含丙酮、甲醇、四亚甲基氧和其他氧化物的混合物中分离丙酮和甲醇。

（2）传统分离过程与膜分离的集成

传统分离过程工艺成熟，生产能力大，适应性强；膜分离过程不受平衡的限制，能耗低，适于特殊物系或特殊范围的分离。将膜技术应用到传统分离过程中，如吸收、蒸馏、萃取、结晶和吸附等过程，可以集各过程的优点于一体，具有广阔的应用前景。

渗透蒸发和蒸汽渗透可应用于有机溶剂脱水，水中少量有机物的脱除以及有机物之间的分离，特别适于恒沸、近沸点物系的分离。将它作为补充技术与精馏组合在一起，在过程工业生产中发挥了特殊的作用。例如，发酵液脱水制无水乙醇，在乙醇高浓区，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离。而恰恰在这一区域，渗透蒸发能达到很高的分离程度。所以渗透蒸发和精馏集成是降低设备费和操作费的最有效的方案。

类似的过程还有：蒸汽渗透、精馏的集成流程进行异丙醇脱水；渗透蒸发、吸附剂集成用于吸附剂再生过程；渗透蒸发、吸收集成用于回收溶剂；渗透蒸发、催化精馏组合方案生产甲基叔丁基醚等。

（3）膜过程的集成

膜分离过程的类型很多，各有不同的特点和应用，它们的集成无疑能取长补短，提高总体效益。例如，悬浮液原料的浓缩可采用一个膜过程的集成方案，将超滤、反渗透和渗透蒸馏组成在一起，能得到高固体含量的浓缩物产品，操作费用大大降低。