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1、浙江大学生物工程研究所分离技术概论浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士3/16/20231浙江大学生物工程研究所主要内容主要内容新型分离技术概念与进展新型分离技术概念与进展分离技术选择的一般规则分离技术选择的一般规则3/16/20232浙江大学生物工程研究所新型分离技术概念与进展新型分离技术概念与进展3/16/20233浙江大学生物工程研究所各种分离技术的成熟度和应用度各种分离技术的成熟度和应用度3/16/20234浙江大学生物工程研究所新型分离技术新型分离技术第1类对传统技术或方法加以改良的分离技术：超临界流体萃取、色谱分离、分子精馏等；第2类基于材料科学发展形成的分离技术：反渗透、超
2、滤、气体分离、渗透汽化等膜技术与亲和分离、印记分离；第3类基于场分离技术：磁场分离、电场分离；第4类二种分离或分离与反应耦合、集成分离技术：反应精馏、膜反应器等。3/16/20235浙江大学生物工程研究所基于传统分离方法的新型分离技术基于传统分离方法的新型分离技术传统化工分离技术：蒸馏、萃取、吸收、吸附等。在工业过程产物的提取、分离、浓缩与纯化方面起到重要作用。绝大多数的化工产物的生产离不开这些分离过程。3/16/20236浙江大学生物工程研究所特种蒸馏技术特种蒸馏技术萃取精馏 待分离的二元混合液中加入的第三组分能改变原液组待分离的二元混合液中加入的第三组分能改变原液组分的蒸汽压，使原液组分的
3、相对挥发度增大，而达到混分的蒸汽压，使原液组分的相对挥发度增大，而达到混合物在塔内分离的技术。合物在塔内分离的技术。恒沸精馏 待分离二元混合液中加入的第三组分能与原液中的一待分离二元混合液中加入的第三组分能与原液中的一个或两个组分形成最低恒沸物，形成恒沸物纯组分径个或两个组分形成最低恒沸物，形成恒沸物纯组分径流体系，达到混合物在塔内分离的技术。流体系，达到混合物在塔内分离的技术。加盐精馏 待分离含水有机混合液中加入盐，会产生盐析或盐溶效待分离含水有机混合液中加入盐，会产生盐析或盐溶效应，增大有机物的相对挥发度；或使共沸点发生位移，应，增大有机物的相对挥发度；或使共沸点发生位移，甚至消失，由此达
4、到混合物在塔内分离的技术。甚至消失，由此达到混合物在塔内分离的技术。3/16/20237浙江大学生物工程研究所特种蒸馏技术特种蒸馏技术反应(催化)精馏 在物料进行化学反应的同时，耦合精馏及时将生成的产物在物料进行化学反应的同时，耦合精馏及时将生成的产物移走或去除，使反应朝有利的方向进行的一种反应分移走或去除，使反应朝有利的方向进行的一种反应分离技术离技术 。分子精馏 轻、重不同的分子受热从液面逸出到气相时，其分子运轻、重不同的分子受热从液面逸出到气相时，其分子运动平均自由程不同，利用轻分子比重分子的分子平均自动平均自由程不同，利用轻分子比重分子的分子平均自由程大，使轻分子到达冷凝板冷凝来实现轻
5、重分子分离由程大，使轻分子到达冷凝板冷凝来实现轻重分子分离的技术。的技术。膜蒸馏 利用微孔膜的疏水性、以及由膜两侧的温差所导致的两利用微孔膜的疏水性、以及由膜两侧的温差所导致的两侧水蒸汽压差，使易挥发组分的水蒸汽从膜孔透过，来侧水蒸汽压差，使易挥发组分的水蒸汽从膜孔透过，来达到溶液浓缩的一种新技术。达到溶液浓缩的一种新技术。3/16/20238浙江大学生物工程研究所分子蒸馏技术原理分子蒸馏技术原理3/16/20239浙江大学生物工程研究所新型萃取技术新型萃取技术超临界萃取(supercritical fluid extraction)以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、以超临界流体为萃取剂，
6、利用其对脂肪酸、植物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作用植物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作用，从固态或液态混合物中将这些物质提取出来的，从固态或液态混合物中将这些物质提取出来的技术。技术。双水相萃取(aqueous two-phase extraction)某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓度后可形成两相，利用待分离组分在两水相中的度后可形成两相，利用待分离组分在两水相中的分配系数差异来分离的萃取技术。分配系数差异来分离的萃取技术。3/16/202310浙江大学生物工程研究所新型萃取技术新型萃取技术凝胶萃取 (gel extraction)
7、利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性、以及凝胶网络对利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性、以及凝胶网络对大分子、微粒等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离大分子、微粒等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离与浓缩的技术。与浓缩的技术。膜基萃取（membrane based extraction)利用微孔膜的亲水或疏水性，使萃取剂与萃取液的两相利用微孔膜的亲水或疏水性，使萃取剂与萃取液的两相传质界面固定在膜的一侧表面上，来实现萃取的一种新传质界面固定在膜的一侧表面上，来实现萃取的一种新技术技术 支撑液膜萃取(support liquid membrane extraction)支撑液膜孔内充满膜溶剂，将料液相
8、与反萃相分隔，实支撑液膜孔内充满膜溶剂，将料液相与反萃相分隔，实现渗透溶质的选择性萃取回收或去除的分离技术。现渗透溶质的选择性萃取回收或去除的分离技术。3/16/202311浙江大学生物工程研究所反相胶团萃取 二二-(3-乙基己基乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠琥珀酸酯磺酸钠(AOT)3/16/202312浙江大学生物工程研究所新型新型 吸附、离子交换与色谱技术吸附、离子交换与色谱技术吸附分离 基于吸附剂与溶质间的物理力或化学结合力，使基于吸附剂与溶质间的物理力或化学结合力，使 溶液溶液中的有机溶质或其它亲物质的吸附，达到有机物的脱除中的有机溶质或其它亲物质的吸附，达到有机物的脱除或溶液的纯化。或溶液
9、的纯化。离子交换 基于离子交换树脂对不同离子亲和力差异，实现二种离基于离子交换树脂对不同离子亲和力差异，实现二种离子的交换平衡，达到离子去除与溶液纯化的分离技术。子的交换平衡，达到离子去除与溶液纯化的分离技术。色谱分离 利用不同组分在固定相和流动相之间的相平衡差异，使利用不同组分在固定相和流动相之间的相平衡差异，使得各组分在固定相内的保留能力不同而达到分离的一种得各组分在固定相内的保留能力不同而达到分离的一种技术。根据固定相的性质，可分为吸附色谱、离子色谱、技术。根据固定相的性质，可分为吸附色谱、离子色谱、亲和色谱、凝胶色谱等。亲和色谱、凝胶色谱等。3/16/202313浙江大学生物工程研究所
10、各种膜分离技术应用状况各种膜分离技术应用状况3/16/202314浙江大学生物工程研究所 几种工业化膜过程的基本特征几种工业化膜过程的基本特征 3/16/202315浙江大学生物工程研究所基于场效应的分离技术基于场效应的分离技术重力场、压力场、离心力场分离 利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特征带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分征带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分离的技术。离的技术。磁场分离 利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分离混合物的技术离混合物的技术。3/16/202316浙江大学
11、生物工程研究所力场中速度差分离原理与改进力场中速度差分离原理与改进重力场的能源成本为零重力场的能源成本为零3/16/202317浙江大学生物工程研究所基于场效应的分离技术静电除尘 荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动，利用荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动，利用荷电粒子的移动速度及方向差异来进行分离的技术。荷电粒子的移动速度及方向差异来进行分离的技术。电泳 利用分子大小、荷电性与荷电量、以及溶液的酸碱度利用分子大小、荷电性与荷电量、以及溶液的酸碱度（pHpH）等的差异。）等的差异。双极膜水解离 利用阴、阳离子膜复合而成的双极膜，在直流电场的作用利用阴、阳离子膜复合而成的双极膜
12、，在直流电场的作用下，使双极膜间的水解离并使下，使双极膜间的水解离并使OHOH 和和H H分别透过阴、阳膜分别透过阴、阳膜来实现酸或碱回收、食盐的电解等。来实现酸或碱回收、食盐的电解等。3/16/202318浙江大学生物工程研究所电泳分离技术指带电粒子在电场中朝与自身带相反电荷的电极移动的现象CATHODEANODE+-+3/16/202319浙江大学生物工程研究所用支持体的电泳技术1.滤纸电泳2.醋酸纤维薄膜电泳3.薄层电泳4.非凝胶性支持体区带电泳(淀粉，纤维素粉，玻璃粉，硅胶等)5.凝胶支持体区带电泳(聚丙烯酰胺凝胶，琼脂糖凝胶)不用支持体的电泳技术 Tiselius或微量电泳 操作形式
13、：1.区带电泳2.等速电泳3.等电点电泳电泳形式分类3/16/202320浙江大学生物工程研究所平板型电场除尘技术3/16/202321浙江大学生物工程研究所双极膜结构示意图3/16/202322浙江大学生物工程研究所双极膜电渗析过程示意图3/16/202323浙江大学生物工程研究所光催化反应净化空气3/16/202324浙江大学生物工程研究所耦合与集成分离技术耦合与集成分离技术将反应与分离、或分离与分离两种或两种以上的将反应与分离、或分离与分离两种或两种以上的单元操作耦合或结合在一起，并用于工业分离的单元操作耦合或结合在一起，并用于工业分离的过程称为集成过程过程称为集成过程（integrat
14、ed process），或），或杂化过程（杂化过程（Hybrid process）。集成过程的最大特点：为实现物料与能量消耗的集成过程的最大特点：为实现物料与能量消耗的最小化、工艺过程效率的最大化，或为达到清洁最小化、工艺过程效率的最大化，或为达到清洁生产的目的，或为实现混合物的最优分离和获得生产的目的，或为实现混合物的最优分离和获得最佳的产物浓度。最佳的产物浓度。3/16/202325浙江大学生物工程研究所 耦合与集成技术耦合与集成技术1.传统单元操作间的集成传统单元操作间的集成2.反应分离的耦合与集成反应分离的耦合与集成3/16/202326浙江大学生物工程研究所蒸馏共沸精馏制取无水酒精蒸
15、馏共沸精馏制取无水酒精3/16/202327浙江大学生物工程研究所异丙醇脱水的蒸馏渗透汽化工异丙醇脱水的蒸馏渗透汽化工(一级一级PV)3/16/202328浙江大学生物工程研究所精馏渗透汽化工艺制取无水乙醇精馏渗透汽化工艺制取无水乙醇（二级（二级PV）3/16/202329浙江大学生物工程研究所精馏渗透汽化工艺制取无水乙醇精馏渗透汽化工艺制取无水乙醇（三级（三级PV）3/16/202330浙江大学生物工程研究所精馏渗透汽化工艺用于乙醇脱水精馏渗透汽化工艺用于乙醇脱水(中间中间PV)3/16/202331浙江大学生物工程研究所反应反应-精馏精馏-侧线渗透汽化集成工艺侧线渗透汽化集成工艺3/16/
16、202332浙江大学生物工程研究所反应精馏渗透汽化集成工艺制反应精馏渗透汽化集成工艺制乙基叔丁基醚乙基叔丁基醚3/16/202333浙江大学生物工程研究所渗透汽化精馏集成工艺制碳酸二甲酯渗透汽化精馏集成工艺制碳酸二甲酯 3/16/202334浙江大学生物工程研究所精馏渗透汽化集成工艺制二甲基乙二醇精馏渗透汽化集成工艺制二甲基乙二醇 3/16/202335浙江大学生物工程研究所苯苯/环己烷渗透汽化精馏集成分离环己烷渗透汽化精馏集成分离系统系统3/16/202336浙江大学生物工程研究所New ReferenceJ.D.Seader,Separation processes principles
17、with process simulators in chem.eng.set John Wiley&Sons,20033/16/202337浙江大学生物工程研究所分离技术选择的一般规则分离技术选择的一般规则3/16/202338浙江大学生物工程研究所待处理物的物性待处理物的物性分离过程得以进行的关键因素是待分离的混合物的物性分离过程得以进行的关键因素是待分离的混合物的物性差异差异待分离混合物至少在物理、化学、电磁、光学、待分离混合物至少在物理、化学、电磁、光学、生物学等性质方面存在着以下一个或多个差异：生物学等性质方面存在着以下一个或多个差异：物性参数：分子质量、分子大小与形状、熔点、沸点、
18、物性参数：分子质量、分子大小与形状、熔点、沸点、密度、蒸气压，渗透压、溶解度，临界点；密度、蒸气压，渗透压、溶解度，临界点；力学性质：表面张力、摩擦因子；力学性质：表面张力、摩擦因子；电磁性质：分子电荷、电导率、介电常数、电离电位、电磁性质：分子电荷、电导率、介电常数、电离电位、分子偶极矩及极化度、磁化率；分子偶极矩及极化度、磁化率；传递特性参数：迁移率、离子淌度、扩散速度、渗透系传递特性参数：迁移率、离子淌度、扩散速度、渗透系数；数；化学特性常数：分配系数，平衡常数、离解常数、反应化学特性常数：分配系数，平衡常数、离解常数、反应速率、络合常数。速率、络合常数。3/16/202339浙江大学生
19、物工程研究所分离过程的应用范围分离过程的应用范围3/16/202340浙江大学生物工程研究所不同的分子性质对分离因子的影响3/16/202341浙江大学生物工程研究所目标产物的价值目标产物的价值目标产品的价值常常成为选择分离方法的主要因素。目标产物的经济价值比较低，则应采用低能耗低、无需分离剂、或廉价分离剂的过程。3/16/202342浙江大学生物工程研究所料液浓度对产物价格的影响3/16/202343浙江大学生物工程研究所目标产物的特性目标产物的特性 目标产物的特性是指热敏性、吸湿性、放射性、氧化性、光敏性、分解性、易碎性等一系列物理化学特征。这些物理化学特性常是导致目标产物变质、变色、损坏
20、等，成为分离方法选择中的一个重要考虑因素。3/16/202344浙江大学生物工程研究所处理规模处理规模过程的处理规模通常指的是处理物或目标产物量的大小，由此可将工程项目的规模分为大、中、小、微四类，其间没有明确的界限。但目前常用投资额度大小来言其工程的规模。一般说来，较大项目的工程投资与其规模的0.6次方成正比。与大规模操作相比较，小规模需投入的操作费用（尤其是劳动力）却不会相应减少很多。规模大小与目标产物的价值密切相关，廉价产物一般采用大规模生产，而高附加值产物可采用中小规模生产。而不少高附加值的药物中间体则往往采用中小规模。3/16/202345浙江大学生物工程研究所主要分离过程的生产规模
21、主要分离过程的生产规模3/16/202346浙江大学生物工程研究所特种化学产品的主要分离过程特种化学产品的主要分离过程第一类第一类精馏精馏第二类第二类 常用分离过程常用分离过程第三类第三类其它重要过程其它重要过程分馏分馏萃取萃取干燥、蒸发干燥、蒸发汽提汽提吸附（包括离子交换）吸附（包括离子交换）过滤（包括超滤）过滤（包括超滤）结晶（包括沉淀）结晶（包括沉淀）离心离心吸收吸收膜分离膜分离电泳电泳3/16/202347浙江大学生物工程研究所产物的纯度与回收率产物的纯度与回收率产物的纯度与回收率对选用分离方法具有至关重要的作用。一般状况下，纯度越高，提取成本越大，却回收率降低。3/16/202348
22、浙江大学生物工程研究所可行性可行性工艺可行性工艺可行性 某一种分离方法的可行性，常与工艺条件某一种分离方法的可行性，常与工艺条件有联系。有联系。应尽可能避免在过程中使用很高或很低的应尽可能避免在过程中使用很高或很低的压力或温度，特别是高温和高真空状态。压力或温度，特别是高温和高真空状态。3/16/202349浙江大学生物工程研究所设备可靠性设备可靠性在分离方法选定以后，分离设备的能力与在分离方法选定以后，分离设备的能力与可靠性是一个重要因素，某些方法由于设可靠性是一个重要因素，某些方法由于设备的限制而难以实现工业应用。备的限制而难以实现工业应用。3/16/202350浙江大学生物工程研究所可行
23、性可行性经济可行性：经济上的可行性就是过程经济性3/16/202351浙江大学生物工程研究所组合工艺排列次序的经验规则组合工艺排列次序的经验规则3/16/202352浙江大学生物工程研究所分离过程的类型与选择原则分离过程的类型与选择原则能采用能量分离剂的过程，其热力学效率较高，尽可能选用；平衡级分离比速率控制过程简单，其级联常可在同一设备内；考虑能源价格上涨，则取代蒸馏的过程会有明显增长，如：共沸精馏、萃取精馏、萃取与变压吸附，结晶和离子交换，以及膜分离等。3/16/202353浙江大学生物工程研究所小规模特种化学品的分离排序1.有多种分离方法可供选用时，应先选简单的或比有多种分离方法可供选用
24、时，应先选简单的或比较简单的；较简单的；2.在提纯之前先浓缩产物；在提纯之前先浓缩产物；3.对多组分混合物，应先分离浓度最高的，在早期对多组分混合物，应先分离浓度最高的，在早期将大量产物移出；将大量产物移出；4.对多组分混合物，应先提取最易分离的，而将最对多组分混合物，应先提取最易分离的，而将最难分离的步骤放在最后；难分离的步骤放在最后；5.在早期除去危险物质；在早期除去危险物质；6.避免用第二分离剂除去或回收第一分离剂（萃取避免用第二分离剂除去或回收第一分离剂（萃取剂、催化剂）等。剂、催化剂）等。7.必须引入分离剂时，紧接的工序是使分离剂和溶必须引入分离剂时，紧接的工序是使分离剂和溶质立即分开；质立即分开；8.通过使用不同溶剂通过使用不同溶剂,避免在极端温度下进行分离。避免在极端温度下进行分离。3/16/202354浙江大学生物工程研究所3/16/202355