文章来源于：化工技术宝典公众号
化工分离技术是化学工程的一个重要分支，无论是石油炼制、塑料化纤、湿法冶金、同位素分离，还是生物制品的精制、纳米材料的制备、烟道气的脱硫和化肥农药的生产等等都离不开化工分离技术。化工生产中的原料和产物绝大多数都是混合物，需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。它往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。
伴随着化工行业的快速发展，分离技术也获得了高速的发展。一方面，对传统分离技术的研究和应用不断进步，分离效率提高，处理能力加大，工程放大问题逐步得到解决，新型分离装置不断出现；另一方面，为了适应技术进步提出了新的分离要求，膜分技术、超临界萃取技术、吸附技术等现有分离技术的开发、研究和应用已成为分离工程研究的前沿课题。
化工分离过程的重要性
化工分离过程是把混合物分开组成各不相同的两种（或几种）产品的操作。一个标准的化工生产设备装置，主要是由一个反 应器与具有提 纯原料、中间 产物与产品的多 个分离设备构成；首先分离过程为化学反应供给符合品质的原料，去除有害物且使收率提高；再者对反应物在分离提纯时获得合格品，并使未反应的得到循环利用价值；另外，分离过程在资源的充分利用与保护环境方面发挥不可多得的作用，所以分离过程在化学工业生产中所占的地位非常明显。
分离过程的分类和特征
化工生产中常用的分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物。其目的只是简单地将各相加以分离，只要用简单的机械方法就可将两相分离，而两相间并无物质传递现象发生；例如，过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。
而传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生，按所依据的物理化学原理不同，在工业上常用的传质分离过程又分为平衡分离过程和速率分离过程，也即是以能量与物质分离的过程。
1平衡分离过程
该过程是借助分离媒介使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不同等的分配为依据而实现分离。例如：蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、结晶、离子交换等。
例如在传 统萃取的过程 中， 其能量无规 则地传递给萃取剂， 接着萃 取剂扩散到基体物 质， 最后由基体溶解或夹带多种成分扩散出来。微波萃取就是一种采取使微波能萃取效率得到提高的新型技术，因存在介电常数不同的物质， 在微波能吸收的程度会有所不同， 因此所产生的热 能与给周边环境传递的热能也存在异同。
在微波场中，其吸收能力的大小致使基体物质的部分区域被选择性的加热，从中使得被萃取物质经基体中分离出来， 然后进入到微波吸收能力比较弱、介电常数相对较小的萃取剂中。
微波萃取的工艺流程：
微波萃取的工艺流程大致为：原料预 处理 （清洗、粉碎或切片）→物料混合与溶剂→微 波萃取→过滤 →浓缩 →分离 →萃取成分
图1微波萃取的工艺流程
平衡分离过程经历了长时期的应用实践，随着科学技术的进步和高新产业的兴起，日趋完善不断发展，演变出多种具有特色的新型分离技术。在传统分离的过程中，精馏仍列为石油和化工分离过程的首位，因此强化方法在不断地研究和开发中。
2速率分离过程
速率分离过程是在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。这类过程所处理的原料和产品通常属于同一相态，仅有组成上的差别。
膜分离技术原理是利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是液体或气体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。
微滤、超滤、反渗透、渗析和电渗析为较成熟的膜分离技术，已有大规模的工业应用和市场。其中，前四种的共同点是用来分离含溶解的溶质或悬浮料的液体，溶剂或小分子溶质透过膜，溶质或大分子溶质被膜截留，不同膜过程所截留溶质粒子的大小不同。电渗析则采用荷电膜，在电场力的推动下，从水溶液中脱出或富集电解质。
气体分离和渗透蒸发是两种正在开发应用中的膜技术。气体分离更成熟些，工业规模的应用有空气中氧、氮的分离，从合成氨厂混合气中分离氢，以及天然气中二氧化碳与甲烷的分离等。渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。由于它能用于脱除有机物中的微量水、水中的微量有机物，以及实现有机物之间的分离，应用前景广阔。
乳化液膜是液膜分离技术的一个分支，是以液膜为分离介质，以浓度差为推动力的膜分离操作。液膜分离涉及三相液体，含有被分离组分的原料相，接受被分离组分的产品相，处于上述两相之间的膜相。液膜分离主要应用于烃类分离、废水处理和金属离子的提取和回收等。
传质分离过程中的精馏、吸收、萃取等一些具有较长历史的单元操作已经应用很广，膜分离和场分离等新型分离技术在产品分离、节约能耗和环保等方面已显示出它们的优越性。
分离方法的类型与选用的原则
1分离方法的类型
物料的分离方法存在多种不同类型，那是因为有多种多样的化工生产物料，而在选择分离方法的过程中，往往是按照物料被分离中各种组分的化学与物理的不同性质来确定选择；按照化学与物理性质进行区分，有如下五种类型常见的分离方法：①固体混合物分离方法，②气固相混合物分离方法，③液体混合物分离方法，④液固相混合物分离方法，⑤气体混合物分离方法。
2分离方法选用的原则
在分离方法选用之时，需对产品的精细化程度与产品生产的产值进行考虑，对于精细化程度高与产值高的产品，不需考虑分离成本，可选用部分高效分离方法，对于一些相对较低产值而很大产量的产品，则需要对分离成本进行考虑，可以选用那些分离步骤较少或相对简便的分离方法。
尽量避免含有固体的物流在生产过程中出现，应尽可能预先除尽物流中的固体，由于它们在输送中能量的消耗相对较大，而且含液体或气体的物流相当容易形成管道堵塞。
在进行多种不同物质混合的物料分离时，其分离顺序应考虑的原则为：为避免其工艺过程受到影响，应尽量先分离易导致极其有害与副反应的物质，同时对需要高压方可分离的物质，也应考虑进行先分离；另外，首先被分离出来的是最容易分离的组分，而留到最后分离的是最难分离的组分。
选择分离方法的主要原则还是要从经济上的合理性与技术上的可靠性进行考虑。例如精馏与萃取两者均为分离液体混合物的方法，依技术成熟的程度而言，精馏在于萃取之上，若能够采取精 馏分离的物料，应尽可避免采用萃取，若混合 物的沸点出现较大偏差时，利用蒸馏即可简单进行分离，就勿需采用精 馏，如此的操作费用与选择投资都相对较低。
分离方法的选用一定要有针对性地进行，因为它是一项技术性相当强的工作，只有对被分离出物料的化学、物理性质，以及分离的要求均清楚把握后方可进行最佳的选择。
化工广泛的应用，环境的需要都说明化工分离过程在国计民生中所占有的地位和作用，并展示了分离过程的广阔前景，现代社会离不开分离技术，分离技术发展于现代社会。
1.气液相反应器的基本类型
气液相反应器按气液相接触形态可分为：
（1）气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器；
（2）液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等；
（3）液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器和降膜反应器等。
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
气液相反应器的主要类型示意图
(a)填料塔反应器；（b）板式塔反应器；（c）降膜反应器；（d）喷雾塔反应器；（e）鼓泡塔反应器；（f）搅拌鼓泡釜式反应器；（g）喷射或文氏反应器
2.气液相反应器的特点
(1)鼓泡塔反应器（图片）
特点：a.气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率；
b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。
c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
应用：这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
(2)填料塔反应器（图片）
特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。
b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。
应用：适用于瞬间、界面和快速反应。
（3）板式塔反应器（图片）
特点:a.板式塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；
b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；
c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；
d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。
应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。
(4)膜反应器（图片）
特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。
b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。
c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，
d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。
应用：降膜反应器可用于瞬间、界面和快速反应，它特别适用于较大热效应的气液反应过程；不适用于慢反应；也不适用于处理含固体物质或能析出固体物质及粘性很大的液体。
（5）喷雾塔反应器（图片）
特点：a.液体以细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，
b.具有相接触面积大和气相压降小等优点。
c.具有持液量小和液侧传质系数过小，气相和液相返混较为严重的缺点。
应用：适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生成固体的反应。
（6）搅拌鼓泡釜式反应器（图片）
特点：a.反应器内气体能较好地分散成细小的气泡，增大气液接触面积。
b.反应器内液体流动接近全混流，同时能耗较高。
应用：搅拌釜式反应器适用于慢反应，尤其对高粘性的非牛顿型液体更为适用。
(7)高速湍动反应器（图片）
喷射反应器、文氏反应器等属于高速湍动接触设备。
特点：气膜传递过程的速率大，因而获得很高的反应速率。
应用：它们适用于瞬间反应。
几种常用的气液相反应器的特性参数。
型式 | 反应器 |
|
| 液含率 |
低持液量 | 填料塔 | 1200 | 100 | 0.08 |
板式塔 | 1000 | 150 | 0.15 | |
喷淋塔 | 1200 | 60 | 0.05 | |
高存液量 | 鼓泡塔 | 20 | 20 | 0.98 |
搅拌釜 | 200 | 200 | 0.90 |
3、工业生产对气液相反应器的选用要求
(1)具备较高的生产能力
在一般情况下，当气液相反应过程的目的是用于生产化工产品时，应考虑选用填料塔；如果反应速率极快可以选用填料塔和喷雾塔；如果反应速率极快，同时热效应又很大，可以考虑选用膜式塔；如果反应速率极快而处于气膜控制时，以选用喷射和文氏反应器等高速湍动的反应器为宜；如果反应速率为快速或中速时，宜选用板式塔；对于要求在反应器内能处理大量液体而不要求较大相界面积的动力学控制过程，以选用鼓泡塔和搅拌釜式反应器为宜；对于要求有悬浮均匀的固体粒子催化剂存在的气液相反应过程，一般选用搅拌釜式反应器。
(2）有利于反应选择性的提高
反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如平行反应中副反应较主反应为慢，则可采用持液量较少的设备，以抑制液相主体进行缓慢的副反应的发生；如副反应为连串反应，则应采用液相返混较少的设备（如填料塔）进行反应，或采用半间歇（液体间歇加入和取出）反应器。
(3）有利于降低能量消耗
反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。若气液反应在高于室温进行，则应考虑反应热量的回收；如气液反应在加压进行，则应考虑压力能量的综合利用。除此之外，为了造成气液两相分散接触，需要消耗一定的动力。研究表明：就造成比表面积而言，喷射反应器能耗最少，其次是搅拌釜式反应器和填料塔反应器，而文氏管和鼓泡反应器的能耗更大些。
（4）有利于反应温度的控制
气液相反应绝大部分是放热的，因而如何移热防止温度过高是经常碰到的实际问题。当气液相反应热效应很大而又需要综合利用时，降膜反应器是比较合适的。除此之外，板式塔和鼓泡反应器可借助于安置冷却盘管来移热。但在填料塔中，移热比较困难，通常只能提高液体喷淋量，以液体显热的形式移除。
（5）能在较少液体流率下操作
为了得到较高的液相转化率，液体流率一般较低，此时可选用鼓泡塔、搅拌釜和板式塔反应器，但不宜选用填料塔、降膜塔和喷射型反应器。例如，当喷淋密度低于3m3/(m2·h)时，填料就不会全部润湿，降膜反应器也有类似的情况，喷射型反应器在液气比较低时将不能造成足够的接触比表面。
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