高效分离技术范例

摘要：经济的快速发展在带动城市化建设步伐加快的同时，也给环境带来了前所未有的挑战，废水污染、灯光污染、空气污染等，无时无刻不对人们的身体造成损伤。人们也越来越关注环境工程技术在治理城市污染方面的应用，越来越多的学者投入到环境工程技术的研发中，近几年膜分离技术的逐渐成熟，引起专业学者和业内人士的注意。作为一项历经半个世纪研究和发展，近几年才出现并引起广泛关注的新型分离技术，膜分离技术在生物工程、饮用水处理、食品医疗、石油化工等领域都得到广泛的应用，在环境工程的自然环境保护方面也有非常重要的作用。通过分析膜分离技术，包括说明膜分离技术的概念以及与环境保护之间的关系，阐述膜分离技术在环境工程中的应用，并分析了膜分离技术未来的发展前景。

关键词：环境工程；膜分离技术；环境保护；应用；发展

经济的迅速发展不仅要求国内生产总值（GDP）的增长，还要求重视环境保护技术研发，加之我国目前大力提倡的“美丽中国”理念，强调把生态文明建设放在突出地位，所以人人都应该树立保护环境的意识。除了维持生态平衡和美化环境，保护环境还包括了节约资源的内容，一部分人认为，我国地大物博、资源丰富，所以不需要节约，可是随着“命运共同体”的提出和经济、政治全球化趋势的发展，发现资源是有限的，如果不好好珍惜，毁灭的将是整个人类的未来。鉴于目前这种资源紧张和环境保护的大环境，专家学者和业内人士构思可以从含有可利用物质的污染物中提出可利用物质，经过长期的研究和发明提出采用膜分离技术分离混合物的方法。膜分离技术在处理居民生活废水以及净化工业污水方面有着十分突出的表现，不同于传统的分离技术需要使用助剂帮助分离的特点，膜分离技术极大地节约了成本，解决了助剂二次污染问题，因为具有安全性、高效性、经济性等特点，膜分离技术能够在更广的范围内发挥作用。

1膜分离技术概论

1.1膜分离技术原理及流程

膜分离技术本质上是一个物理过程，在分离过程中不会发生化学物质相互反应的情况，降低对环境的污染。大约在20世纪初期出现，经过半个多世纪的研究和推动，于20世纪60年代后期在各个领域都得到了广泛的应用，并迅速崛起成为一门高效的新分离技术。膜分离技术使用的分离材料是一种具有选择渗透功能的膜，根据当前膜分离技术在行业中的应用情况，大多数分离程序使用的都是无机膜，无机膜具有抗高温、耐酸碱、耐腐蚀等优良性能，在环境工程领域中应用的项目更多，特别是像超滤膜技术中使用的有机膜甚至能去除饮用水中的细菌、藻类、原生动物等等，而像金属膜和陶瓷膜等无机膜，由于材质和技术水平的限制，主要应用于微滤和超滤分离过程[1]。以传统分离技术处理印染污水为例，使用反相破乳剂THgA-5药剂，稀释药剂10%，然后将（2000~3000）×10-6药剂加注到被处理污水中并进行搅拌，随后污水样品会产生黑色絮状，经过停留后下沉。在这个过程中要加入反相破乳剂THgA-5药剂以加快沉淀，然后才能将沉淀物和上层混合水分离，再进行下一步分离程序。不同于传统的分离技术，在使用膜分离技术的过程中，推动混合物透过膜进行分离的动力主要来自于两个方面，一是气压等外界物理力量，二是化学位差，根据膜对混合物中各物质渗透能力差异，对组分或多组分液体或气体进行分离、浓缩、提纯精制。由于膜分离技术具有污染小、成本低、操作简单、分离效果好等特点，因此在人们生活的各个方面都起着十分明显的作用，特别是在食品医疗、生物工程、环境保护、石油化工、节约能源、污水处理等与人们生活息息相关的领域，产生巨大经济效益的同时也带来了推动可持续发展的社会效益，膜分离技术已经成为当前业界最热的分离手段之一。

1.2膜分离技术与环境保护之间的关系

摘要：天然气在我国的油气田中得到了广泛的生产和应用，在后期运输加工过程中需要不断的优化天然气才可以到更加高效的应用。天然气在场外输送过程中，因为其本身含有一些微量元素，所以在运输过程中，会受到多种因素的影响而影响液化厂的正常运行。在运输过程中如何高效的进行工艺流程的适应性分析成为天然气加工和运输的重要基础。本文针对天然气处理工艺中的低压和高压工艺进行分析，并针对低温分离工艺给出一些措施。

关键词：天然气；处理工艺；适应性分析；应用研究

天然气是一种含有多组份的混合型气体，其主要成分为烷烃，其中甲烷占有非常大的比例。在标准情况下含有一些乙烷、丙烷和丁烷。其中还含有硫化氢、二氧化碳和水等微量物质。天然气的储藏具有非常强的致密性，因为地质情况复杂，所以高效的分析预测也非常困难，一般拥有低压和低渗等特点。近年来随着油气田的大规模处理和开发，天然气工艺的安全运行和合理性开发成为了非常重要的导向，所以对天然气的处理工艺机芯研究不仅可以优化与油气田的成本开发，还有助于增强天然气的安全生产维护。

1天然气油田集成加工工艺

1.1低压集成加工工艺

在电气油田开采过程中，利用低压收集气体的方式主要是采用井下节流以及对应的低压串联方式进行气体的收集。气井的收集管道对于站内的工艺流程设计压力和冬季的井口控制，需要根据实际运作情况来进行确定。在具体进行井下节流的过程中以及过程后在不注入抑制剂的基础上需要采用低压串联入站的方式。以这样的方式对于实现常温分离脱水和二期增压一起对应的集中冷水脱烃的目的具有一定的推动作用。

1.2高压集气加工工艺

摘要：现阶段我国化工行业迅速发展，规模扩张和产量增加的背后是巨大的能源消耗，现阶段化工精馏的高能耗低效率与我国可持续发展不符，因此需要对化工精馏进行技术优化和开发，实现节能降耗提质增效，需要从化工精馏的环节、流程、作业原理、发展方向以及应用空间着手分析，不断提升化工精馏的效率，降低能源损耗，保证绿色发展的同时实现企业发展。

关键词：化工精馏；高效节能；技术开发

0引言

我国虽然能源储备量巨大，但是由于较高的人口基数导致供需矛盾不断激化，因此在生产过程中需要保证环保节能，保证能源的利用率提升生产效率，化工精馏主要适用于化工行业的提纯流程，在化工精馏过程中存在很多与节能降耗相违背的现象，为了保证化工精馏的效率，降低化工精馏的能源消耗，需要积极对化工精馏高效节能技术进行开发，并分析其应用方向和应用空间。

1化工精馏的流程分析

化工精馏简而言之就是提纯分离的过程，在化工生产过程中，由于不同物质的性质不同，需要对物料需求的特征进行提取，进而满足生产需求，可以说高效节能精馏是精馏作业的创新和优化。传统的精馏作业与高效节能精馏存在本质的区别，首先在设备上传统精馏需要借助精馏塔完成作业，主要的作业原理是热能进行蒸汽加热随后达到液体的沸点导致液体发生物理气化反应，进而实现分离提纯，随后剩余的成分则需要冷凝水进行冷却回收，整体作业过程能源消耗较大且限制性较强，在精馏效率方面也不尽人意，因此需要结合现代化技术来进行优化，高效节能精馏技术采用冷凝热的方式将热能集成进而降低精馏过程中的能源消耗，整个精馏过程通过分析液体性质和沸点来对特定成分有效分离，在节能降耗方面有着优质的表现。图1为化工精馏流程。

2化工精馏传统技术与高效节能技术的对比分析

摘要:生物分离工程实验是生物工程专业研究生的专业基础课程，对于锻炼学生的动手能力、培养学生科研创新素养具有重要作用。在分析了生物分离工程实验教学中存在问题的基础上，结合新工科教育大背景，采取多项举措如开设虚拟实验、利用公共实验平台、结合研究生科技创新计划及案例式教学等对该课程的教学模式、考核方式等尝试进行改革和探索，取得了一些初步成效。

关键词:生物分离工程实验;研究生;教学模式改革

0引言

生物分离工程是指从微生物、动植物细胞及其生物化学产物中提取有用物质的技术，是生物工程中不可缺少的也是极为重要的过程环节［1］，它利用化工过程的各种单元操作将有用的目标产物从复杂的反应体系中分离出来，可以有效解决目前生物工程工艺中存在的技术瓶颈，成为化工、医药、生物、环境等领域的研究热点。同时，生物分离工程也是为生物工程类等相关工科研究生开设的专业核心课程，该课程兼有工程“技术”与“科学”的双重特点，是一门理论与实践密切结合的课程，在生物工程专业的课程设置中处于桥梁和纽带地位，对专业人才的培养发挥着重要的作用［2］。

1生物分离工程实验教学中存在的问题

在国家大力推行新工科教育的大背景下，如何培养研究生的创新能力和科研素养成为工科专业教学要求的重要目标［3］。然而，在当前生物分离工程的实验教学实践中仍存在一些问题，极大地限制了研究生创新能力的培养，从而难以达到新工科背景下的教学目标。

(1)实验过程耗时长，学生难以掌握实验进度。由于受到实验场地、资金以及课时限定等条件的制约，只能以传统实验课的模式即以分散的单元操作来完成该类课程的实验教学，过程耗时长，学生难以掌握实验进度。例如，在进行“链霉菌发酵液中提取多抗菌素”的实验教学时，由于发酵体系中组分过于复杂，目标产物含量极低(质量分数约为0．13%～0．22%)，需要采用多种生物分离技术手段来进行，如将发酵液离心去除菌体后先后进行浸提、旋蒸、硅胶柱分离、凝胶色谱分离、高效液相色谱等一系列单元操作，理论上整个实验流程约为1周，但由于学生课程安排等原因，完成该实验流程实际上需要2～3周的时间，由于耗时太长在教学实践中无法实现，在这种模式下，学生不仅很难掌握一个完整的分离工艺过程操作，而且对于核心环节的分离过程控制也缺乏有效的实践，造成学生的基本实践技能不扎实，往往是学了后面的忘了前面的，在后续操作中不知所措和畏难观望，无法解决实验中遇到的各种问题，由此使得学生缺乏对生物分离技术应用探究的主动性。

摘要：在现代社会发展过程中，环境和能源为主要发展主题。尤其是在目前资源短缺越来越严峻的背景下，节能发展备受重视，尤其是化工行业能源节约，国内外都比较重视。因此，对化工精馏高效节能技术的开发和使用进行了分析。

关键词：化工精馏；节能技术；开发使用

目前全球能源短缺越来越严峻，化工企业作为能源消耗，要响应号召节能减排，实现化工过程优化节能处理。目前，化工装备包括反应和分离两个过程，分离过程占据消耗量为75%，精馏过程为主要过程，能耗占据超过50%。所以，在化工装备能耗中，使精馏过程消耗降低为重点。目前，普通蒸馏程序无法使蒸馏能耗降低，就要利用高效精馏技术。但是技术并不成熟，对精馏造成影响的因素比较多[1]。所以，企业要对此方面全面研究，加大使用力度。

1化工精馏分析

以物料不同的物理性质使其分离，一般要通过蒸馏塔实现，利用底部蒸汽热能构成塔釜汽化物料，之后通过塔板传热与传质，在塔板中汽化分离，多余物料通过塔顶冷却之后回收，此为蒸馏主要原理。普通蒸馏具有较大的蒸汽损耗量，会增加能耗，利用精馏合理使用此部分热量，从而实现节能。进料量、温度、塔压与回流比会对精馏造成影响，塔压变化会对塔板构成造成直接影响，改变分离浓度。在冷凝器和加热釜中不能够过多进料，否则会对产品输出质量造成影响。因为塔底部在物料温度降低的过程中，使冷负荷增加，对分离状态造成影响。利用回流比的增加使产品质量得到提高，使回流比处于一定范围中，以对蒸馏效率进行保证，但是回流比过小会降低效果[2]。普通精馏都是一股进料，塔底利用再沸器，通过热能量体供给热量，实现塔釜物汽化，汽化物料在塔内下降和上升的液体物料通过塔板实现传热传质，在塔板中利用轻重组分不断冷凝和汽化，从而分离轻重组分，最后上升气体到塔顶。在塔顶冷凝器中利用冷能量体使塔顶汽冷凝，冷凝后物料作为回流返回到塔顶，另外一部分作为塔顶产品采出。在精馏过程中，塔顶蒸汽在塔顶冷凝器被冷凝剂冷凝带走热量比较大，接近塔底再沸器热能量体供给热量，假如合理使用普通精馏塔顶蒸汽冷凝热，就能够使能耗降低，实现节能增效目的。利用普通精馏塔顶蒸汽冷凝热回收使用方式，构成不同节能型精馏流程，比如多效精馏流程与热泵精馏流程[3]。

2化工精馏高效节能技术开发

2.1分级换热技术。为了使化工精馏蒸馏塔中的低品位能源实际使用效率得到提高，对蒸馏塔中实际温度进行平衡和调节，使蒸馏塔中温度和冷热程度满足化工精馏工作需求，化工行业使用分级换热技术。此技术能够使精馏塔中的塔底和塔顶温度差异消除。另外，使用此技术还能够将中间换热器放置到蒸馏塔中的各个塔板中间位置，在精馏塔温度差异比较大的时候，通过中间换热器调节实际温度，并且中间换热器还能够通过低品位冷凝器作为冷却源，使蒸馏塔实际温度降低[4]。其次，使用分级换热技术能够代替低品位冷凝集，使能源资源实际损耗量降低。最后，在改变精馏塔塔底温度的时候，分级换热技术能够通过安装在塔内各个塔板之间的再沸器，根据低品位能源实现热量转换操作，使精馏塔系统实际置换效率提高。对系统整体热效率进行保证，还能够保证精馏塔产品产出质量[5]。

摘要：目前在化工行业精馏工艺应用的过程中出现了一些问题，在一定程度上影响了对于能源利用率的有效提升，造成了能源浪费的问题。对此，应根据现有的精馏工艺流程，开展高效节能技术开发和应用，从而在降低化工精馏过程能量消耗的同时，提升物质分离的效率。鉴于此，主要围绕化工精馏高效节能技术开发及应用展开论述，并结合实际情况给出一些合理化的建议。

关键词：化工精馏；高效节能；开发应用

1化工精馏高效节能技术开发及应用的意义

1.1有利于降低化工精馏过程的能量消耗。化工精馏过程是借助液相和气相之间的相互转化，将易挥发组分和难挥发组分进行有效的传质，从而实现物质分离的工艺流程。研究人员加强对于化工精馏高效节能技术的开发应用，能够将传热反应速度进行有效的控制，对于出现的巨大蒸汽损耗进行有效的调整，从而对于蒸馏塔内部的温度差异进行灵活化的转变，将精馏塔内部的蒸汽热量进行充分的应用，借助分级换热技术的应用，将信号传递过程进行有效的数字化处理，从而提升信息传输的效率和精度，为热量调整方案的应用打下了坚实的基础。

1.2有利于提升化工精馏过程的质量和效率。化工精馏过程是在多个蒸馏塔内进行操作的，呈现出了多程序串联运行的能量输送特点，这在很大程度上决定了节能技术应用的模式和方法。研究人员加强对于高效节能技术的开发应用，能够通过对于蒸馏塔散失能量的全方面收集，实现能量的有效聚合，从而进行能量的再次分配，提升了精馏过程的能量利用效率，对于冷凝以及气化过程的能源消耗起到了保障性的作用，从而提升了精馏工艺的应用效果，更好地实现了对于混合物质的有效分离，提高了分离组分的纯度，从而加强了化工精馏过程的质量和效率。

1.3有利于促进化工行业的快速稳定发展。在化工行业的运行过程中，对于混合物质的分离一直是行业关注的热点和焦点，如何降低能源的损耗和提升能源的利用率，一直是重要的课题之一，对于间接提升化工行业的经济效益具有至关重要的作用。由于蒸馏过程是化工行业分离混合物的最主要方式，其能源消耗率占整个行业的70%及以上，精馏过程是蒸馏工艺的主要步骤之一，能源消耗占比能够达到50%以上，所以加强对于精馏过程高效节能技术的开发应用，能够降低大部分的能量损耗，提升物质分离的质量和效率，促进化工行业的稳定长远发展。

2化工精馏高效节能技术开发及应用问题

摘要：为了使学生掌握高效液相色谱技术，文章首先对分析化学教学中高效液相色谱实验教学现状进行了分析，然后分别从模拟样品教学；科研进教学和虚拟仿真教学三方面提出了实验教学改革策略。

关键词：分析化学；高效液相色谱；模拟样品

分析化学是一门实践性较强的学科，以解决实际问题为目的，因此，实验教学在分析化学这门课中具有重要地位[1]。高效液相色谱法（highperformanceliquidchromatography，HPLC）是20世纪60年代末在经典液相柱色谱法的基础上引入了气相色谱的理论和技术，采用高压泵、高效固定相，以及高灵敏度检测器发展而成的分离分析方法[2-4]。其具有分离效率高、选择性好、分析速度快、检测灵敏度高、操作自动化和应用范围广的特点。且由于HPLC色谱仪的商品化，现在已经成了食品、药品等质量控制的重要手段之一，也是药厂、检验机构的实验室基本配置之一[5-8]。所以，在贵阳中医学院药学院（以下简称“我院”）相关专业的本科教学中，尤其注重学生对色谱技术基本原理掌握及HPLC色谱仪使用技能的培养。目前传统的高效液相色谱本科实验教学中存在耗时长、柱效损耗较快等问题，本研究通过采用模拟样品、科研成果进教学及虚拟仿真实验进行检测，能使学生快速高效地掌握高效液相色谱技术。

一、分析化学教学中高效液相色谱实验教学现状

目前中医药院校高效液相色谱实验教学要求学生掌握仪器基本结构、使用方法、定性分析法及定量分析法，了解色谱条件的选择。通常实验是选择一个真实样品（如大黄、厚朴等），照现有的含量测定方法进行实验，一般一个组做完实验需要6~8个学时。

（一）学生不能参与色谱条件优化过程

由于分析样品为中药样品，中药成分复杂，如图1所示[9]，为了实现目标峰的基线分离，对色谱条件的优化需要花费大量时间。样品前处理占1/10，色谱条件优化占5/10，进样测定占4/10，学生一般都不能在规定的时间内完成实验。带教教师为了实验的顺利进行，会提前把色谱条件优化好，到实验开始时学生只需要完成进样的操作。

摘要：某石化公司溶聚丁苯橡胶污水含有一定浓度的聚羧酸盐类分散剂，悬浮物较高，极具发泡性，采用气能絮凝集成工艺技术处理后，聚羧酸盐类的去除率达到90%以上，悬浮物的去除率达到80%以上，有效消除了污水的发泡现象。该工艺主体装置采用一体化集成撬装方式，便于施工，操作简单。该集成工艺运行稳定，处理效果好，1t水运行处理成本仅2.71元，装置出水也保证了下游微气泡曝气及生化处理单元不受冲击而产生泡沫问题。

关键词：丁苯橡胶；气能絮凝；集成工艺；污水处理

溶聚丁苯橡胶（SSBR）兼具抗湿滑性和滚动阻力低等综合性能，其生产工艺与乳聚丁苯橡胶（ESBR）相比，具有装置适应能力强、胶种多样化、单体转化率高、排污量小、聚合助剂品种少等特征。为提高其性能，在生产过程中添加一定量的Orotan（聚羧酸钠溶液）分散剂，这种工艺在国内炼化企业使用时，致使装置排污废水中含有一定浓度的分散剂，随着其他工业废水直接引入污水处理厂进行处理，经常引起微气泡曝气及生化处理单元产生大量泡沫，而使活性污泥或生物载体与空气、水体隔离而影响有机污染物的降解。若不选择有效的污水处理工艺技术，则会影响整个企业的污水处理效率。

1水质情况及处理工艺选择

某石化公司溶聚丁苯橡胶装置排放污水的主要污染物成分为聚羧酸盐，该物质是一种强表面活性剂，且不可生物降解，易发泡，具有一定的生物抑制性，若不经预处理就直接引入污水处理厂进行处理会对微气泡曝气单元、生化处理单元产生冲击。目前，国内外对于表面活性剂废水处理方法主要有泡沫分离法、吸附法、混凝沉降法、膜分离法、催化氧化法和生物法等。而絮凝沉降法作为一种应用广泛、价格低廉的处理方法在水处理技术中得到了普遍的应用，它能够极大地提高水处理的效率。

1.1实验过程及现象。针对溶聚丁苯橡胶污水水质特性，组合投加“PAC+PAM”助剂，开展絮凝实验，并分别对絮凝沉降后的上清液、沉积物过滤后的水样进行发泡性分析。由图1可以看出，组合投加助剂对丁苯橡胶外排污水的絮凝效果明显，可见大量絮体，矾花较大，沉降速度快。上清液发泡性实验分析。将絮凝沉降后的实验污水样上清液进行曝气（空气）鼓泡，其污水和原水的发泡对比见图2。图2左边烧杯水样为该污水的原水，右边烧杯水样为絮凝沉降后的上清液，曝气时原水极易产生大量的白色密集泡沫，随曝气自动溢出烧杯，停止曝气后泡沫很难消失；絮凝沉降后的上清液经曝气产生少量气泡，停止曝气后气泡迅速消失。絮凝沉积物发泡性实验分析。将絮凝沉降后不过滤沉积物的污水样直接进行曝气（空气）鼓泡，水样无明显泡沫，与丁苯原水发泡比较效果十分明显，实验现象见图3。絮凝沉降物离心分离后发泡性实验分析将絮凝沉积物通过离心机以高转速离心分离后，絮凝沉积物与污水分离明显，分离出来的污水在曝气情况下无明显泡沫，与自来水的发泡性几乎一致，实验过程及现象见图4、图5。

1.2实验结论。针对该溶聚丁苯橡胶污水的特殊性质及实际排放状况，综合分析考虑，最终确定采用高效气能絮凝+絮体分离技术作为预处理工艺。结果表明，该组合处理工艺对此类丁苯橡胶污水处理效果稳定，操作简单，且具有很强的耐冲击负荷能力，处理出水可达到规定标准的要求。污水水质及排放标准可达到表1要求。