搭建校企合作平台 推进绿色制造进程
——第五届国际化工分离大会专题报道
■ 本刊记者 唐茵
通过分离塔的升级改造，不仅装置规模变小了，物料消耗减少，而且产能也有增长；由于分离精度提高了，企业的产品从大量积压到能与国际品牌媲美……通过高效绿色分离，一些困绕企业发展的难题迎刃而解了。这是记者从5月6~7日由中国化工信息中心和北京化工大学联合举办的第五届国际化工分离大会上获得的消息。本次大会邀请了来自清华大学的费维扬院士、美国蒸馏公司蔡家琦博士、北京化工大学副校长陈标华、俄罗斯科学院的四位学者，与国内分离行业各大学教授和生产企业界代表共计150余人齐聚一堂，共同探讨化工分离在提高化工生产过程效率、实现绿色制造等方面的前沿话题。
绿色转型分离大有可为
“当前节能减排的压力越来越大，一些企业想升级装置却苦于没有合适的技术。这样的技术研讨会应该多举办，让企业了解行业的最新发展趋势，加快绿色转型的步伐。”一位来自宁波巨化化工科技有限公司工程（技术）中心的工程师告诉记者。宁波巨化公司近年来通过对分离塔的升级改造，节能减排效果显著，获得了巨大的经济效益。
该工程师道出了许多企业的心声。分离过程是石油化工、生物化工、医药化工等行业生产过程中最为重要的单元之一，是工业生产中产品提纯及节能减排的重要手段，精馏、过滤、萃取等传统的分离技术已广泛应用于化工生产过程中。化工清华大学教授、中科院院士费维扬指出，不论原料的精制、产品的纯化、三废的处理，都离不开分离过程，分离过程在整个化工过程当中设备投资占比为40%～70%。目前中国强调经济发展要从高速的粗放型向高质量效益的集约型发展转变，分离过程地位越来越重要。
费维扬院士对分离如何助力二氧化碳捕集与封存行了分析。当前二氧化碳捕集的成本在300～400元/吨，如果我国二氧化碳在2030年达到峰值的话，需要减排十亿吨的二氧化碳。对于从事分离行业的人来说，从理论基础研究到应用研究方面还有许多工作要做。技术上可能、经济上可行的分离技术研究对于二氧化碳捕集意义重大。
南京师范大学教授顾正桂表示，目前化工园区废水处理难度非常高，只有不断优化分离技术，才能实现生产过程的零排放，为化工生产解决后顾之忧。对于如何解决这一问题，顾正桂指出，一是要使生产过程简单化。有些化工产品，国际先进技术一步就能实现，而国内的生产工艺需要一次、两次甚至三次蒸馏，这样就造成了大量的“三废”排放。二是要使分离装置微型化。通过工艺优化，实现多种分离工艺的集成。
含有铅、镍、铜等剧毒重金属污染，严重地破坏了生态环境，导致人类中毒、癌症、脑损伤、视力破坏、肾功能失调等严重疾病。嘉兴学院材料与纺织工程学院的姜旸教授与大家分享了微小多孔性金属离子印迹聚合物选择性分离水相中金属离子的研究成果。目前常用的水中金属离子分离方法有：离子交换法、薄膜法、吸附法、沉淀/过滤法等。这些方法普遍存在选择性吸附差、重复利用率低、容易受到外界条件干扰、高成本等不足。金属离子的印记聚合物使用多次后，仍然保持着很高的吸附容量，具有较好的应用前景。
制药过程副产大量各类混合溶剂废液，三废排放及处理压力巨大，溶剂生产成本高、资源利用率低，普遍采用间歇操作式回收，效果不理想。由于溶剂占原料成本的30%～45%，因此，溶剂回收直接关系到企业的经济效益和社会效益。制药行业溶剂回收的共性技术难题有：溶剂成分复杂，一般由多种溶剂、杂质(蛋白、盐)组成，混合物体系热力学性质复杂，操作设备和操作模式选择困难，分离标准不易确定，水分含量要求严格等。因此，针对特定溶媒组成的回收工艺技术开发成为关键。为解决企业发展瓶颈问题，华东理工大学化学工程联合国家重点实验室开发的系列分离技术，能够回收大于95%的溶剂，极大地减少了“三废”排放，提高了经济效益。
告别“粗放式”需要过程强化
费维扬指出，目前中国强调经济发展要从高速的粗放型向高质量效益的集约型发展转变，分离过程地位越来越重要。分离过程多种多样，精馏、吸收、萃取、离子交换是目前应用较为广泛的分离技术，新型的分离技术也在不断涌现。分离过程也是十分复杂的工艺，拿精馏、吸收、萃取来讲，不论是板塔还是填料塔，如何提高效率都是永恒的课题。要告别粗放式技术需要进行过程强化，大力发展绿色分离技术。
浙江工业大学教授姚克俭认为，绿色分离技术的发展方向包括：绿色过程，即化学吸收、萃取精馏、反应精馏、外场下精馏等特殊精馏技术；绿色系统，即流程重组、操作优化和先进控制（APC）等；绿色装备，即高效、大通量、低能耗、低成本等设备；以及组合分离技术的研究和应用。对于分离而言，过程系统节能降耗，应用相对成熟的是夹点技术，传统夹点技术能较好地指导过程物流之间进行热集成，但该方法将精馏塔作为一个独立系统考虑，与过程系统进行热集成，因此对具有多个精馏塔的精馏系统来说其应用受到一定限制。从精馏系统用能特点出发，开发一种综合考虑背景过程与精馏系统的能量集成方法——改进夹点分析法，以提高精馏系统能量利用水平。系统集成会对设备在技术和经济上提出新的要求，如果这时不能采用与工艺相适应的设备，就制约了集成技术的推广应用；很有必要进行与复杂过程集成匹配的装备技术研究，以实现工艺、装备和控制技术的有机组合，达到技术效益的最大化。新型高性能装备的涌现，又给系统和过程集成提供了更多的技术空间，以实现工艺与装备技术研究开发的互动。
清华大学教授骆广升认为，微型化是科学技术的发展趋势。微化工已成为科技进步和人类文明发展的重要趋势，除了信息产业化，在生物、化学、物理等领域都得到了广泛关注。微型化带来功能化和高效化的集成。随着社会的进步，技术更新不断加快，如果像过去那样花费十年完成技术更新换代，已远远跟不上科技的进步。与此同时，化工产品正朝着多元化、高质化方向发展，微小型的化工设备可以降低从实验室到产业化的成本。因此，化工装备微型化是一个重要的发展方向，基于微化工技术的新分离过程研究具有重要意义。多相微分散体系的传质性能研究是微尺度分离技术发展的基础和核心，开展相关的基础研究仍有大量的工作。根据分离过程的要求，开展微型分离设备和分离技术的研究，是分离过程强化的重要新方向。
新型复合塔板广受关注
新型精馏塔器、高效塔内件的开发，不同分离技术的耦合，分离设备的大型化和自动化等，成为化工分离领域的研究热点。中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室田原宇教授分享的新型复合塔板技术受到了参会代表的极大关注。田原宇指出，高效、高通量、高操作弹性的蒸馏设备成为蒸馏过程节能减排的瓶颈。塔板弹性高，但效率和通量较小，填料高效、高通量，但弹性小。传统的塔板和填料技术相对成熟，已接近极限，难以再提升。1990年后出现的复合塔板，将塔板和填料组合，可优势互补，实现高效、高通量、高弹性，是21世纪蒸馏技术获取跨越式突破的希望和研究热点。然而，类型不同、结构迥异、接触方式-传质机理-分离效果各不相同是复合塔板研究的难点。如何实现结构耦合的同时实现蒸馏的高效、高通量、高操作弹性，是国内外蒸馏技术研究者的目标。
复合的关键是选准基础塔板，从接触方式-传质机理-分离效果来看，错流塔板目前应用最广，性能已接近极限，无法与填料结构匹配；并流塔板为新近研发的技术，性能提升空间大，能够与填料结构耦合；穿流塔板适合塔器大型化，性能提升空间大，能够与填料结构耦合。田原宇课题组将倾斜长条立体并流塔板与高效规整填料耦合，发明NS并流复合塔板技术，解决了填料多级并流传质应用难题，同时实现了高效、高通量、高操作弹性，成为国际上首例能使标志操作上限的“空塔动能因子”参数突破6.0的塔板。
茂名石化公司环氧乙烷（EO）精馏塔仅将原浮阀塔板更换为NS并流复合塔板后，经济效益得到了大幅改善，与CTST塔板改造相比，具有明显优势，详见表1。
表1 NS并流复合塔板和CTST塔板改造对比
同工况 CTST塔板改造 本项目NS并流复合塔板改造
天津乙烯EO精制塔 茂名乙烯EO精制塔
塔径/板数 Φ1300/69层 Φ1300/69层
冷凝器和再沸器 增大一倍 大小未变，仅再沸器位置下移
最大处理量 改造前 2.25t/h（设计） 2.25t/h （设计）
改造后 5.3t/h 17t/h
回流比 改造前 6.91 7.00
改造后 6.55 1.76
板效率提高幅度 15% 72%
节能效率 5% 69%
新型技术有待加速对接
在绿色发展的国际大形势下，一些新分离技术的开发与应用在全球范围内越来越受到重视。这些技术有不少还处于实验室研究阶段，应用推广还需加速产学研对接。
北京化工大学吴卫泽教授介绍了低共熔法分离技术的应用。现有的油酚混合物分离方法有化学法和选择溶剂抽提法，目前应用最为成熟的是碱性溶液洗脱法。碱洗法对于煤液化油中酚类化合物有很好的选择性，所得的萃取物中几乎均为酚钠盐，中性油杂质很少。然而，使用碱洗法提酚过程中，通常采用10%～20%的NaOH溶液，后续工艺中的硫酸酸化对设备腐蚀强；需要消耗大量的酸、碱、成本高，会产生大量的含酚废水需要处理；当酚类与酸的pKa值相近时，很难还原为分子态，从而造成酚类损失。应用低共熔法分离油酚混合物，萃取剂用量少，可以重复使用，分离效率高，避免了交叉污染，不使用酸碱、成本低；不使用水、不产生含酚废水等。
化工生产过程中，如果气体水含量较高，会加速管道腐蚀，造成固态水化物堵塞阀门、管件，影响燃烧性能，使下游催化剂失活。因此气体中含有的水分必须脱除。北京化工大学教授雷志刚介绍了离子液体气体干燥技术，他表示，离子液体在分离工程中应用需具备的条件是：节能减排的优势突出或技术上不可替代；选择性（或分离因子）特别大，可以减少离子液体的用量。