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层析分离技术,你看好它在化学工业中的应用吗?

2019-8-12 11:20| 发布者: 奈何花落| 评论: 0

摘要: 当提及化工产品的分离技术时,大家最先想到的一般是精馏、结晶、萃取等等,可能对大部分人来说层析分离技术听起来都比较陌生,而实际上层析技术的发展已有超过百年的历史,目前已经非常广泛地应用于生物、食品和医药 ...

当提及化工产品的分离技术时,大家最先想到的一般是精馏、结晶、萃取等等,可能对大部分人来说层析分离技术听起来都比较陌生,而实际上层析技术的发展已有超过百年的历史,目前已经非常广泛地应用于生物、食品和医药等领域。层析分离技术在化学工业中的应用拓展起步较晚,但由于其具有绿色环保、运行安全可靠和能耗低等优势,相信随着国家对化工装置安全环保等方面标准的逐步提高,该技术未来的应用前景将十分广阔。



  层析分离过程  


如图1所示,在层析塔(柱)中装载有填料,这里所说的填料一般为树脂,我们称之为固定相;另外还需在该体系中加入一股流动相,一般为水(视情况也可采用有机溶剂),流动相在整个分离过程中是在层析塔中自上至下连续(再生)流动的。


图1:层析分离过程示意


当我们在层析塔上方进料时,料液中A、B两种待分离组分会因其物理 – 化学性质(如分子的空间结构、极性和亲疏水性等)不同而在两相间产生不同的亲和力,这样在流动相推动力作用下,最终结果即表现为A、B两组分在层析塔中的流动速度有快慢之分,与固定相亲和力强的组分流动速度慢,与固定相亲和力弱的组分流动速度快,从而在层析塔下端可以分别得到富含A的和富含B的两种粗分液,粗分液经浓缩(同时流动相再生)后可得到A、B两种产品。此即为批处理的层析分离过程


工业层析装置的最大发展在于实现了从批处理到连续化操作的升级,这样该单元过程最终才能得以走向规模化和集约化。


  层析分离技术的发展历程  


其实早在1906年,层析法概念便由俄国植物学家Michael Tswett提出,所以说层析技术发展有超百年的历史是不为过的。


工业化的层析分离技术开发于19世纪60年代,最初仅用于PTA装置中对二甲苯(PX)和间二甲苯(MX)的分离。因为这两种物质的沸点差不足1℃,利用精馏工艺分离已不适用,而层析法相较于其它工艺在设备投资、生产成本和产品收率等方面的优势均非常明显,全球每年有千万吨级的PX产品采用工业层析技术进行生产。


上世纪90年代,法国诺华赛公司在其原有的模拟移动床层析工艺(SMB)的基础上,开发成功了顺序式模拟移动床层析分离技术(ApplexionTM SSMB),这在工业层析分离技术的发展史上具有里程碑式的意义该技术大量运用于食品及生物化工行业,已实现数百万吨级别低成本的生产,如葡萄糖与果糖异构体的分离,产品的分离成本通常仅为100-200元/吨。


2015年,该公司又在ApplexionTM SSMB技术基础上开发了ApplexionTM SC层析技术,使得连续层析技术在降低能耗,提高工艺性能(如图2所示),增加装置操控的稳定性与简便性等方面均有了长足的进步。


图2:法国诺华赛层析分离技术的发展


  ApplexionTM SC层析技术  

  打破传统分离技术的局限性  


在化学工业中,常见的产品分离技术诸如精馏、吸收、萃取和结晶等,虽然在很多场合均具有各自的适用性,但在某些工艺条件下可能并非都尽如人意,这种情况下,ApplexionTMSC层析技术将有望为提升装置的性能提供帮助,其为突破传统工业分离技术的局限性开拓了新的思路。


就化工中最常用的精馏工艺来说,其利用待分离组分的相对挥发度不同进行分离,通过常压、加压或减压操作,可满足大多数用户的工艺需求,但当待分离物系的沸点接近或有共沸物存在时,就难以避免要面临一些局限性,此时常规精馏可能已不再适用。


萃取精馏、共沸精馏,乃至反应精馏等特殊精馏将会带来整个装置运行成本的增加


结晶过程也同样有其自身的局限性,对传统的蒸发结晶来说,为提高装置的总收率,往往需要大量母液在系统中循环,这会在很大程度上增加装置能耗并且造成杂质的大量累积,杂质的累积往往也会带来最终产品的质量(如色度等)问题和废液处理等方面的问题。


其它的分离局限性还有高温加热造成热敏性物系性质改变,高盐体系带来的相关设备和环境问题等


为何说ApplexionTM SC层析技术可以突破传统分离方法的局限性呢?


               

图3:ApplexionTM SC层析系统


这还要从各种分离方法的分离机理谈起。传统的分离方法对待分离物系进行分离,无外乎利用这些物质的沸点差、熔点差和溶解度差等,而层析技术则完全不同,其利用的是待分离物系的物理–化学性质的差异。这些差异包括分子的大小、空间结构、极性、亲疏水性和酸度等,哪怕有时这些差异是十分微小的,层析技术也能实现产品的分离。


目前为止,ApplexionTM SC作为为一项低运行成本、环保型的分离工艺,已被较为广泛地应用于食品、生物化工、精细化工等领域在有机产品脱盐、脱酸,结晶母液回收,异构体分离以及单体与低聚物分离等方面均有比较多的应用案例,已为客户带来非常显著的经济和社会效益。


  吃水不忘挖井人  


在工业层析技术快速发展的50多年间,诺华赛公司为推动该技术的进步做出了杰出贡献,同时也在该技术发展及其应用拓展的过程中积累了丰富的项目研发、工艺设计和工程化经验。


值得一提的是,诺华赛基于由自身经验总结而来的庞大工艺数据库,开发了专门用于层析分离的模拟软件,以试验(包括小试和中试)或生产装置得来的数据作为工艺模拟的基础,这为提高工业放大设计的可靠性、优化生产操作的工艺参数和对现有装置问题进行故障诊断等提供了强有力的支持。


诺华赛在法国S.-M.-de-Beynost、美国Boothwyn和中国上海均设有研发中心,可为客户的分离需求提供完善的小试及中试服务


                                               

图4:诺华赛亚太总部位于中国上海


基于其特有的高效层析分离技术(包括ApplexionTM, Prochrom®, Varicol®等),以及连续离交技术、错流膜过滤、电渗析和机械再压缩蒸发技术(MVR)等,诺华赛已为全球50多个国家的客户提供了超过2000套工业分离系统


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