姓名:崔婷婷__
班级:化工0804
学号:08110438_
化工分离技术的若干新进展
崔婷婷(吉林化工学院
化工系, 吉林)
摘要:介绍了化工分离过程的几种新技术的原理、适用范围及优点。并根据其重要性、多样性及复杂性分析并讨论它在过程工业可持续发展中的意义和作用。
关键词：化工分离 新技术 可持续发展 1. 概述
1.1化工分离过程的重要性 分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常由一个反应器和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备组成。分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除有害物并提高收率；另一方面进行分离提纯得到合格的产品并使未反应的循环利用。此外分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着极其重要的作用。因此，分离操作在整个化工生产中占有十分重要
的地位。
1.2化工分离技术的多样性 由于化工分离技术的应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性。按化工分离过程机理划分，可大致分成5类, 即：生成新相以进行分离（如蒸馏、结晶）。加入新相进行分离（如萃取、吸收）。用隔离物进行分离（如膜分离）。用固体试剂进行分离（如吸附、离子交换）和用外力场或梯度进行分离（如离心萃取分离、电泳）等。它们的特点和设计方法有所不同，但各有特点和特定的应用
场合。
1.3化工分离过程的复杂性
化工分离技术十分复杂。即使对于精馏、萃取这些比较成熟的技术，多组分体系大型设备的设计仍是一项困难的工作。大型塔器设计、放大的主要困难在于塔内两相流动和传质过程的非理想性。例如，大型规整填料塔中既存在着纵向混合和径向混合等宏观尺度的流动, 也存在界面附近微尺度的涡流、界面和传递过程。沿用了百余年的平衡级模型虽然简单、直观，但用于多组分分离过程的缺点已显而易见。许多商用软件功能强大，已在工程设计中得到广泛运用。但是，多相、多组分传质过程的数学模型尚不完善，这也体现了分离技术的复杂程度。 2. 分离过程的新技术 2.1 超声波提取技术
超声波提取技术
[3]
（Ultrasound Extraction, UE）是近年来应用到中草药有效成份提取分离的一种最新的较为成熟的手段。超声波是指频率为20千赫～50兆赫左右的声波，它是一种机械波，需要能量载体—介质—来进行传播。超声波在传递过程中存在着的正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子产生挤压，增加介质原来的密度；负相位时，介质分子稀疏、离散，介质密度减小。也就是说，超声波并不能使样品内的分子产生极化，而是在溶剂和样品之间产生声波空化作用，导致溶液内气泡的形成、增长和爆破压缩，从而使固体样品分散，增大样品与萃取溶剂之间的接触面积，提高目标物从固相转移到液相的传质速率。在工业应用方面，
利用超声波进行清洗、干燥、杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且有广泛应用的技术。
2.1.1超声波萃取的原理 超声波萃取中药材的优越性，是基于超声波的特殊物理性质。主要是主要通过压电换能器产生的快速机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力从而实现固--液萃取分离。
（1）加速介质质点运动。高于20 KHz声波频率的超声波的连续介质（例如水）中传播时，根据惠更斯波动原理，在其传播的波阵面上将引起介质质点（包括药材重要效成分的质点）的运动，使介质质点运动获行巨大的加速度和动能。质点的加速度经计算一般可达重力加速度的二千倍以上。由于
介质质点将超声波能量作用于药材中药效成分质点上而使之获得巨大的加速度和动能，迅速逸出药材基体而游离于水中。
（2）空化作用。超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波作用在中药材上，使其中药材成分物质被“轰击”逸出，并使得药材基体被不断剥蚀，其中不属于植物结构的药效成分不断被分离出来。加速植物有效成份的浸出提取。
（3）超声波的振动匀化（Sonication ）使样品介质内各点受到的作用一致，使整个样品萃取更均匀。综上所述，中药材中的药效物质在超声波场
作用下不但作为介质质点获得自身的巨大加速度和动能，而且通过“空化效应”获得强大的外力冲击，所以能高效率并充分分离出来。 2.1.2超声波萃取的特点 适用于中药材有效成份的萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：
（1）无需高温。在40℃－50℃水温F 超声波强化萃取，无水煮高温，不破坏中药材中某些具有热不稳定，易水解或氧化特性的药效成份。超声波能促使植物细胞地破壁，提高中药的疗效。
（2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便。 （3）萃取效率高。超声波强化
萃取20～40分钟即可获最佳提取率，萃取时间仅为水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是传统方法的二倍以上。据统计，超声波在65～70ºC 工作效率非常高。而温度在65ºC 度内中草药植物的有效成份基本没有受到破坏。加入超声波后（在65度条件下），植物有效成份提取时间约40分钟。而蒸煮法的蒸煮时 间往往需要两到三小时，是超声波提取时间的3倍以上时间。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。
（4）具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取。
（5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围
广泛。
（6）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取
时间短，因此大大降低能耗。 2.2膜分离技术
膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF ）、超滤膜（UF ）、纳滤膜（NF ）、反渗透膜（RO ）等，膜分离都采用错流过滤方式。
2.2.1膜分离技术优点 （1）在常温下进行
有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
（2）无相态变化
保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 （3）无化学变化
典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染
（4）选择性好
可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能
适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化。 2.3微波萃取技术
在传统萃取过程中, 能量无规则地传递给萃取剂, 然后萃取剂扩散到基体物质, 再从基体溶解或夹带多种成分扩散出来。微波萃取[3]则是利用微波能来提高萃取效率的一种较新技术。微波是一种频率范围为300-300 000 MHz 的电磁波。不同物质的介
电常数不同, 其吸收微波能的程度不同, 由此产生的热能及传递给周围环境的热能也不相同。在微波场中, 吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热, 从而使得被萃取物质从基体或体系中分离, 进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较弱的萃取剂中。
2.3.1微波萃取的工艺流程 微波萃取的大致工艺流程如
下:原料预处理 (清洗、切片或粉碎) →溶剂与物料混合 →微波萃取→过滤 →浓缩 →分离 →萃取成分.
2.3.2 微波萃取的方法 1 常压法
即在敞口容器中进行微波萃取 , 其优点是样品容量大、安全性能好、容器便宜; 缺点是原料容易污染、挥发性成分容易损失、有时消解不完全. 2 高压法
指物料在密闭消解罐中进行消解. 因为消解罐为密闭容器 , 消解时产生的高压提高了酸的沸点; 密闭时也产生高温提高了反应速度 , 减少了反应时间; 酸也不会损失 , 节约了酸的用量 , 减少了酸雾对其他容器的腐蚀. 3 连续流动萃取法。
就是将微波在线消解与流动注射联用的方法 2.3.3 微波萃取的特点 微波萃取技术作为一种新型的萃取技术 , 有着明显的特点. 首先 , 借介质从内部加热萃取 ,
可有效地保护物料中的有效成分 , 纯度高、萃取率高; 其次 , 对萃取物有高选择性 , 因其对极性分子的选择性加热从而其选择性地溶出; 第三 , 速度快 , 省时. 传统方法需要几小时或十几小时 , 而微波萃取只需要几秒到几分钟 , 可节省 50 %～90 %的时间; 最后 , 安全、节能、无污染、生产设备简单、节省投资. 3. 化工分离技术的可持续发展
化工分离技术的不断发展可以加快工业的进步并带动经济的快速发展, 但同时也会带来资源的浪费、环境污染以及能源损耗。所以，为了使化工分离过程更为绿色化、节能化、高效化。面临新的挑战，人们对化工分离过程的强化提出了更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不应只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，
崔婷婷 化工分离技术的若干进展
而应致力于使过程工业的效率取得大幅度的提高。化工过程强化不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备的体积、能耗、原材料消耗、产业化的周期和环保等方面使过程和工厂的效率取得重大的突破。大量实例表明，化工分离过程强化对过程工业的节能减排发挥了重要作用。因此我们应该研究并开发新型
技术，促进化工分离过程的可持续发展。
参考文献
【1】刘家祺，化工分离过程. 北京：化学工业出版社，2002.04
【2】费维扬，宋新月. 过程强化及其在消化、吸收引进技术中的应用[J].化学工程（增刊），2004（11）. 【3】汪家鼎, 费维扬. 溶剂萃取的最新进展 [J]. 化学进展. 1995, 7(3): 219-224.
【4】蒋维钧, 新型传质分离技术. 北京:化学工业出版社,1992.10
姓名:崔婷婷__
班级:化工0804
学号:08110438_
化工分离技术的若干新进展
崔婷婷(吉林化工学院
化工系, 吉林)
摘要:介绍了化工分离过程的几种新技术的原理、适用范围及优点。并根据其重要性、多样性及复杂性分析并讨论它在过程工业可持续发展中的意义和作用。
关键词：化工分离 新技术 可持续发展 1. 概述
1.1化工分离过程的重要性 分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常由一个反应器和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备组成。分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除有害物并提高收率；另一方面进行分离提纯得到合格的产品并使未反应的循环利用。此外分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着极其重要的作用。因此，分离操作在整个化工生产中占有十分重要
的地位。
1.2化工分离技术的多样性 由于化工分离技术的应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性。按化工分离过程机理划分，可大致分成5类, 即：生成新相以进行分离（如蒸馏、结晶）。加入新相进行分离（如萃取、吸收）。用隔离物进行分离（如膜分离）。用固体试剂进行分离（如吸附、离子交换）和用外力场或梯度进行分离（如离心萃取分离、电泳）等。它们的特点和设计方法有所不同，但各有特点和特定的应用
场合。
1.3化工分离过程的复杂性
化工分离技术十分复杂。即使对于精馏、萃取这些比较成熟的技术，多组分体系大型设备的设计仍是一项困难的工作。大型塔器设计、放大的主要困难在于塔内两相流动和传质过程的非理想性。例如，大型规整填料塔中既存在着纵向混合和径向混合等宏观尺度的流动, 也存在界面附近微尺度的涡流、界面和传递过程。沿用了百余年的平衡级模型虽然简单、直观，但用于多组分分离过程的缺点已显而易见。许多商用软件功能强大，已在工程设计中得到广泛运用。但是，多相、多组分传质过程的数学模型尚不完善，这也体现了分离技术的复杂程度。 2. 分离过程的新技术 2.1 超声波提取技术
超声波提取技术
[3]
（Ultrasound Extraction, UE）是近年来应用到中草药有效成份提取分离的一种最新的较为成熟的手段。超声波是指频率为20千赫～50兆赫左右的声波，它是一种机械波，需要能量载体—介质—来进行传播。超声波在传递过程中存在着的正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子产生挤压，增加介质原来的密度；负相位时，介质分子稀疏、离散，介质密度减小。也就是说，超声波并不能使样品内的分子产生极化，而是在溶剂和样品之间产生声波空化作用，导致溶液内气泡的形成、增长和爆破压缩，从而使固体样品分散，增大样品与萃取溶剂之间的接触面积，提高目标物从固相转移到液相的传质速率。在工业应用方面，
利用超声波进行清洗、干燥、杀菌、雾化及无损检测等，是一种非常成熟且有广泛应用的技术。
2.1.1超声波萃取的原理 超声波萃取中药材的优越性，是基于超声波的特殊物理性质。主要是主要通过压电换能器产生的快速机械振动波来减少目标萃取物与样品基体之间的作用力从而实现固--液萃取分离。
（1）加速介质质点运动。高于20 KHz声波频率的超声波的连续介质（例如水）中传播时，根据惠更斯波动原理，在其传播的波阵面上将引起介质质点（包括药材重要效成分的质点）的运动，使介质质点运动获行巨大的加速度和动能。质点的加速度经计算一般可达重力加速度的二千倍以上。由于
介质质点将超声波能量作用于药材中药效成分质点上而使之获得巨大的加速度和动能，迅速逸出药材基体而游离于水中。
（2）空化作用。超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波作用在中药材上，使其中药材成分物质被“轰击”逸出，并使得药材基体被不断剥蚀，其中不属于植物结构的药效成分不断被分离出来。加速植物有效成份的浸出提取。
（3）超声波的振动匀化（Sonication ）使样品介质内各点受到的作用一致，使整个样品萃取更均匀。综上所述，中药材中的药效物质在超声波场
作用下不但作为介质质点获得自身的巨大加速度和动能，而且通过“空化效应”获得强大的外力冲击，所以能高效率并充分分离出来。 2.1.2超声波萃取的特点 适用于中药材有效成份的萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。与水煮、醇沉工艺相比，超声波萃取具有如下突出特点：
（1）无需高温。在40℃－50℃水温F 超声波强化萃取，无水煮高温，不破坏中药材中某些具有热不稳定，易水解或氧化特性的药效成份。超声波能促使植物细胞地破壁，提高中药的疗效。
（2）常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便。 （3）萃取效率高。超声波强化
萃取20～40分钟即可获最佳提取率，萃取时间仅为水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分，萃取量是传统方法的二倍以上。据统计，超声波在65～70ºC 工作效率非常高。而温度在65ºC 度内中草药植物的有效成份基本没有受到破坏。加入超声波后（在65度条件下），植物有效成份提取时间约40分钟。而蒸煮法的蒸煮时 间往往需要两到三小时，是超声波提取时间的3倍以上时间。每罐提取3次，基本上可提取有效成份的90%以上。
（4）具有广谱性。适用性广，绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取。
（5）超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质（如极性）关系不大。因此，可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围
广泛。
（6）减少能耗。由于超声萃取无需加热或加热温度低，萃取
时间短，因此大大降低能耗。 2.2膜分离技术
膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF ）、超滤膜（UF ）、纳滤膜（NF ）、反渗透膜（RO ）等，膜分离都采用错流过滤方式。
2.2.1膜分离技术优点 （1）在常温下进行
有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
（2）无相态变化
保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 （3）无化学变化
典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染
（4）选择性好
可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能
适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化。 2.3微波萃取技术
在传统萃取过程中, 能量无规则地传递给萃取剂, 然后萃取剂扩散到基体物质, 再从基体溶解或夹带多种成分扩散出来。微波萃取[3]则是利用微波能来提高萃取效率的一种较新技术。微波是一种频率范围为300-300 000 MHz 的电磁波。不同物质的介
电常数不同, 其吸收微波能的程度不同, 由此产生的热能及传递给周围环境的热能也不相同。在微波场中, 吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热, 从而使得被萃取物质从基体或体系中分离, 进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较弱的萃取剂中。
2.3.1微波萃取的工艺流程 微波萃取的大致工艺流程如
下:原料预处理 (清洗、切片或粉碎) →溶剂与物料混合 →微波萃取→过滤 →浓缩 →分离 →萃取成分.
2.3.2 微波萃取的方法 1 常压法
即在敞口容器中进行微波萃取 , 其优点是样品容量大、安全性能好、容器便宜; 缺点是原料容易污染、挥发性成分容易损失、有时消解不完全. 2 高压法
指物料在密闭消解罐中进行消解. 因为消解罐为密闭容器 , 消解时产生的高压提高了酸的沸点; 密闭时也产生高温提高了反应速度 , 减少了反应时间; 酸也不会损失 , 节约了酸的用量 , 减少了酸雾对其他容器的腐蚀. 3 连续流动萃取法。
就是将微波在线消解与流动注射联用的方法 2.3.3 微波萃取的特点 微波萃取技术作为一种新型的萃取技术 , 有着明显的特点. 首先 , 借介质从内部加热萃取 ,
可有效地保护物料中的有效成分 , 纯度高、萃取率高; 其次 , 对萃取物有高选择性 , 因其对极性分子的选择性加热从而其选择性地溶出; 第三 , 速度快 , 省时. 传统方法需要几小时或十几小时 , 而微波萃取只需要几秒到几分钟 , 可节省 50 %～90 %的时间; 最后 , 安全、节能、无污染、生产设备简单、节省投资. 3. 化工分离技术的可持续发展
化工分离技术的不断发展可以加快工业的进步并带动经济的快速发展, 但同时也会带来资源的浪费、环境污染以及能源损耗。所以，为了使化工分离过程更为绿色化、节能化、高效化。面临新的挑战，人们对化工分离过程的强化提出了更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不应只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，
崔婷婷 化工分离技术的若干进展
而应致力于使过程工业的效率取得大幅度的提高。化工过程强化不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备的体积、能耗、原材料消耗、产业化的周期和环保等方面使过程和工厂的效率取得重大的突破。大量实例表明，化工分离过程强化对过程工业的节能减排发挥了重要作用。因此我们应该研究并开发新型
技术，促进化工分离过程的可持续发展。
参考文献
【1】刘家祺，化工分离过程. 北京：化学工业出版社，2002.04
【2】费维扬，宋新月. 过程强化及其在消化、吸收引进技术中的应用[J].化学工程（增刊），2004（11）. 【3】汪家鼎, 费维扬. 溶剂萃取的最新进展 [J]. 化学进展. 1995, 7(3): 219-224.
【4】蒋维钧, 新型传质分离技术. 北京:化学工业出版社,1992.10