乙醇/水體系分離方法的研究進展

谷超偉，李玉美

(德州學院化學化工學院，山東 德州 253023)

無水乙醇是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于化工、軍事及化妝品等許多領(lǐng)域。近年來，將改性劑添加到無水乙醇(體積分數(shù)大于99.12%)中得到變性乙醇燃料，將變性乙醇燃料與汽油按照一定比例調(diào)和得到車用的乙醇汽油，乙醇汽油作為燃料點燃式內(nèi)燃機。石油是一種不可再生的化石燃料，而乙醇可以作為一種清潔燃料使用，用可再生資源替代石油資源成為能源工業(yè)的發(fā)展新熱點。因此，無水乙醇生產(chǎn)符合當前的可持續(xù)發(fā)展能源政策。常壓下，乙醇容易與水形成共沸物，共沸組成為：乙醇95.6 wt%，共沸點78.1 ℃。因此，乙醇水溶液通過普通精餾操作難以得到無水乙醇。乙醇含量(質(zhì)量分數(shù))超過92%時，分離能耗大幅度增加[1]。選擇合適的分離方法，使分離純化過程中的能耗降低，成為研究分離乙醇/水體系的重要內(nèi)容。目前，乙醇/水體系的分離方法主要有共沸精餾法、萃取精餾法、減壓精餾法、膜分離法、吸附法和超重力精餾法。

1 共沸精餾法

共沸精餾方法是將第三組分-共沸劑加入原來的共沸體系中，共沸劑與原共沸體系中一個組分或者某幾個組分形成新共沸物。因此，原共沸體系中的各組分相對揮發(fā)度發(fā)生改變而達到分離目的。常用的乙醇-水體系分離的共沸劑有苯、環(huán)己烷等有機溶劑。共沸精餾在煉油、化工等工業(yè)中應(yīng)用廣泛，是共沸物、近沸點的液體混合物分離的一種有效方法。李立碩等[2]以苯為夾帶劑，對脫水塔進行模擬得到最佳工藝參數(shù)。針對恒沸精餾能耗較大的缺點，劉宗寬等[3]將兩種成熟的熱泵技術(shù)與恒沸精餾技術(shù)有機結(jié)合，開發(fā)了新的熱泵恒沸精餾工藝，過程能耗較原工藝降低了56%。李軍等[4]將常規(guī)共沸精餾脫水塔和提濃塔用隔壁塔替代，應(yīng)用ASPEN軟件對新工藝和常規(guī)共沸精餾流程進行模擬。模擬結(jié)果表明，新工藝降低了設(shè)備操作費用和投資費用，流程節(jié)省能耗28.12 %。Yong Peng等[5]對低共熔溶劑存在下的乙醇水體系進行了氣液平衡研究。實驗發(fā)現(xiàn)，低共熔溶劑的存在打破了乙醇水體系的共沸。

2 萃取精餾法

萃取精餾方法是將一種溶劑(即萃取劑)作為第三組分加入難分離的物系，使難分離組分之間的相對揮發(fā)度增大，從而使難分離物系發(fā)生分離的一種特殊精餾方法[6-7]。萃取劑可以是純?nèi)軇Ⅺ}溶液，也可以是純?nèi)軇┖望}混合的復合萃取劑。

研究結(jié)果表明，用苯甲酸鈉、水楊酸鹽等作萃取劑，通過萃取精餾增大乙醇和水之間的沸點差，可以降低分離難度，同時能耗降低。同時過程產(chǎn)生的中間產(chǎn)品和共沸組成產(chǎn)生偏離，沒有“夾點”影響，分離需要的塔板數(shù)比較少，但需要二次分離中間產(chǎn)品。最新的研究表明，多效萃取精餾選擇乙二醇萃取劑，液態(tài)進料用氣態(tài)進料方式進行代替，進料過程中的組分蒸發(fā)損耗得以有效避免，滿足了綠色化工節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)要求。蘇義意等[8]采用加鹽萃取精餾的方法，采用新型萃取劑丙三醇+氯化鋅對乙-水體系進行了分離。

萃取精餾分離過程的主要影響因素包括：原料的進料位置、鹽的類型和溶劑比等。胡華俊等[9]研究了幾種鹽與乙二醇組成的復合萃取劑對乙醇-水體系精餾分離效果的影響。實驗結(jié)果表明，在溶劑體積比為1：1，回流比為2，復合萃取劑濃度0.030 g/mL(CaCl2/C2H6O2)時，綜合效果最好。同時研究了復合萃取劑對于乙醇-水體系的作用機理。MARIOLRP等[10]建立了氯化鈣為萃取劑對乙醇-水體系分離的模型并進行了模擬計算。計算結(jié)果表明，MESH方程組中相平衡方程中活度系數(shù)的計算以NRTL-E活度系數(shù)模型計算結(jié)果最為準確。同時，計算了氯化鈣對液相焓的貢獻。王洪海等[11]用醋酸鉀/乙二醇復合萃取劑，利用PROⅡ軟件模擬常壓下萃取精餾工藝制取無水乙醇工藝。模擬結(jié)果表明，回流比、溶劑比、萃取劑進料位置以及原料進料位置均對塔頂乙醇含量產(chǎn)生影響；在最適宜的回流比1.0、溶劑比1.0的條件下，塔頂乙醇質(zhì)量分數(shù)達99.9 %。

加鹽萃取精餾生產(chǎn)無水乙醇脫水所需理論版少，設(shè)備簡單，投資費用低，節(jié)約加熱蒸汽。但是由于鹽的使用容易引起設(shè)備堵塞和腐蝕問題，限制了加鹽萃取精餾的應(yīng)用。2015年，Efren Jaimes Figueroa，J[12]使用離子液體1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide([bmim][N(CN)2])作為萃取劑對乙醇/水體系的分離進行了研究。研究結(jié)果表明，萃取精餾過程中99.39%的乙醇可以被回收，乙醇純度達到99.76%，每摩爾乙醇消耗離子液體0.074 mol，每千克無水乙醇耗能3071.3 kJ。2020年，王克良等[13]以乙二醇和[EMIM]AC為復合溶劑對乙醇-水體系的進行了分離。研究發(fā)現(xiàn)，復合溶劑作萃取劑的萃取精餾工藝比單獨使用乙二醇的萃取精餾需要的塔板少，回流比小，有效降低了設(shè)備費用和能耗費用。該研究結(jié)果可為離子液體在萃取精餾的工業(yè)應(yīng)用提供新的途徑與依據(jù)。Zhu等[14]發(fā)現(xiàn)在萃取蒸餾分離乙醇和水時，采用離子液體作為夾帶劑優(yōu)于傳統(tǒng)夾帶劑，乙醇的餾出液濃度高于99.9 mol%。但存在高能耗和環(huán)境污染等局限性[15]。李成帥等[16]分別以乙二醇和(氯化膽堿/乙二醇(摩爾比1：2)、氯化膽堿/乙醇酸(摩爾比1：3)兩種低共熔溶劑為萃取劑，設(shè)計了萃取精餾流程和隔壁塔萃取精餾流程，模擬乙醇和水共沸體系的分離。結(jié)果表明：最優(yōu)工藝為采用乙二醇和年度采用氯化膽堿/乙二醇(摩爾比1∶2)的隔壁塔萃取精餾工藝。

3 減壓精餾法

根據(jù)減壓環(huán)境下組分之間揮發(fā)度的不同，通過回流高純度分離液體混合物精餾方法稱為減壓精餾。系統(tǒng)壓力降低后，純物質(zhì)沸點低于正常壓力下的沸點，混合液泡點下降，在較低壓力下溶液就會沸騰，從而降低了精餾操作溫度。減壓精餾過程中，系統(tǒng)中不需加入任何化學物質(zhì)，因此對于生產(chǎn)能力相同的生產(chǎn)裝置，減壓精餾一次性投資較少。孫德芳等[17]利用熱泵減壓精餾實驗對無水乙醇制備進行了初步研究。實驗發(fā)現(xiàn)，當壓力低于95 mmHg時，乙醇和水的共沸物消失。同時用ASPENPLUS11.1化工模擬軟件進行模擬計算。將實驗值與模擬值進行比較，結(jié)合相關(guān)文獻數(shù)據(jù)對軟件中NRT L方程二元參數(shù)進行回歸修正，預(yù)測乙醇-水共沸體系的減壓精餾過程，并對熱泵減壓精餾制備無水乙醇工藝進行模擬。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的真空蒸餾相比，利用熱泵減壓精餾工藝生產(chǎn)單位體積的無水乙醇可節(jié)約能耗40%～80%；比普通蒸餾節(jié)約能耗85%。由此可見，熱泵減壓精餾工藝對于無水乙醇的生產(chǎn)具有較好的應(yīng)用前景。

4 膜分離法

膜分離技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型分離技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點[18]。主要分為滲透汽化和蒸汽滲透。

4.1 滲透汽化分離法

滲透汽化是分離均相液體混合物的一種膜分離技術(shù)，不受體系汽液平衡的限制，分離推動力來源于液體混合物的組分蒸汽滲透壓差，利用混合物組分在膜中的溶解速率和擴散速率的差異進行混合物分離。單級分離的效率高[19]，特別適用于普通精餾難于分離或不能分離的近沸點、恒沸點混合物的分離[20，21]。分離機理通常用溶解-擴散模型來描述[22]。在滲透汽化分離過程當中，膜材料選擇非常重要[23-25]。滲透汽化分離性能優(yōu)劣主要取決于膜的化學性質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)、組分之間的作用以及組分與膜之間的作用、滲透物質(zhì)的物化性質(zhì)。

滲透汽化技術(shù)的關(guān)鍵是滲透汽化膜的質(zhì)量。目前，乙醇-水混合物分離常用的滲透蒸發(fā)膜材料有兩種：一類是水優(yōu)先透過汽化膜，如聚乙烯醇、殼聚糖、海藻酸及其鹽、聚丙烯酸類聚電解質(zhì)等，比較適用于水含量低的乙醇-水分離；另一類是醇優(yōu)先透過汽化膜，具有代表性的是含硅、戊二醛交聯(lián)的殼聚糖、含氟聚合物等，適用于含乙醇量低的混合液分離。如果耦合滲透蒸發(fā)過程和發(fā)酵過程，抑制發(fā)酵的產(chǎn)物乙醇可得到及時分離。另外，可使用物理和化學方法對膜進行改性，從而改變膜的一些固有缺陷，提高膜的分離性能、抗污染性能、物理化學穩(wěn)定性[26]。

Tsui等[27]用滲透蒸發(fā)膜分離乙醇-水溶液時，使用濃度低的乙醇水溶液對膜浸潤后，逐漸使用高濃度乙醇浸潤膜，直到浸潤膜所用乙醇濃度等于需分離溶液乙醇濃度，然后，使用處理過的膜對分離乙醇水溶液。該處理方法使膜的穩(wěn)定性和滲透通量得到大幅度提升[28]。

Stefanova等[29]對膜的親、疏水性能的調(diào)節(jié)是通過殼聚糖、N-羥甲基尼龍-6共混膜來實現(xiàn)的。由于殼聚糖的親水性比較高，而且N-羥甲基尼龍-6對乙醇有較強親和力，因此，N-羥甲基尼龍-6和乙醇以適當比例進行混合，膜的滲透蒸發(fā)性能得到可大大提高。膜分離因子隨著共混膜殼聚糖含量增加而增大，殼聚糖質(zhì)量分數(shù)60%時，分離因子最大。為提高滲透蒸發(fā)膜質(zhì)量，Xu等[30]對聚丙烯中空纖維膜用聚丙烯酸接枝，分離不同濃度的乙醇溶液，實驗發(fā)現(xiàn)，膜分離因子與膜表面和聚丙烯酸接枝率正相關(guān)。

目前，復合膜是滲透汽化分離首選用膜。聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜是有機物優(yōu)先透過的滲透汽化膜[31]，該膜有良好的化學穩(wěn)定性、耐熱性和抗氧化性。為提高膜性能，研究人員對PDMS膜進行了改性。具體操作包括填充、接枝、共聚和共混等方法。由于填充方法操作簡單，因此該方法受到廣泛關(guān)注[32]。鄧利容[33]制備了PDMS/silicalite-1(有機化)膜，PDMS/VTES(乙烯基三乙氧基硅烷)膜以及PDMS/VTES-DVB(二乙烯基苯)膜，共三種。將三種膜分別用于分離乙醇/水體系。結(jié)果表明，對于乙醇/水體系的分離，PDMS/silicalite-1(有機化)膜的滲透汽化性能較好，而添加未處理silicalite-1粒子的PDMS膜的滲透汽化性能較差。滲透通量隨膜中silicalite-1質(zhì)量百分含量增加先增大，然后再降低。silicalite-1添加量達到4.0 wt%時，滲透通量為921.11 g·m-2·h-1，分離因子為11.7。滲透通量和分離因子隨料液溫度升高而升高，滲透通量與溫度之間的關(guān)系與Arrhenius方程吻合；研究結(jié)果表明，PDMS/silicalite-1(有機化)膜優(yōu)于PDMS膜，PDMS/VTES膜分離性能優(yōu)于PDMS/silicalite-1(有機化)，PDMS/VTES-DVB膜的穩(wěn)定性更高。曾小雅等[34]對聚苯醚(PPO)進行溴代反應(yīng)，用凝膠相轉(zhuǎn)化法制備了溴代聚苯醚(BPPO)非對稱膜。為了考察添加劑含量、料液組成、BPPO濃度及料液溫度對BPPO膜的滲透汽化分離性能影響，以低濃度乙醇/水體系作為研究對象，采用掃描電鏡(SEM)對膜表面和斷面形貌進行觀察。結(jié)果表明，該非對稱膜較文獻報道中的PPO膜分離因子有了明顯的提高。隨著料液中乙醇濃度的增大，BPPO膜的分離因子減小，滲透通量增大；而隨料液溫度的升高，BPPO膜的分離因子及滲透通量均增大。

在優(yōu)化聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的基礎(chǔ)上，施璇[35]對滲透汽化分離乙醇/水體系的膜性能進行了研究。低濃度乙醇/水溶液通過PDMS/silicalite-1復合膜和PEBA/silicalite-1復合膜進行滲透汽化分離。實驗結(jié)果表明，料液溫度、silicalite-1質(zhì)量百分含量和濃度對PEBA膜的影響與PDMS膜的影響大致相同。雖然PEBA/silicalite-1膜的滲透通量和分離因子優(yōu)于PEBA膜，但是PDMS膜的滲透通量和分離因子都超過PEBA膜。施國忠等[36]制備羧基化多壁碳納米管/殼聚糖雜化膜用于乙醇/水體系的滲透汽化脫水，實驗測定雜化膜在乙醇/水溶液中的溶脹吸附行為及其對乙醇/水體系的滲透汽化性能。結(jié)果表明：多壁碳納米管經(jīng)混酸處理后在雜化膜中的分散性大大改善；和乙醇相比，雜化膜對水具有優(yōu)先吸附、溶脹特征，且隨MWNT-COOH填充量的增加，雜化膜在乙醇/水溶液中的平衡溶脹度增大，水和乙醇的擴散系數(shù)在雜化膜中增大；雜化膜對于質(zhì)量分數(shù)90 %的乙醇/水體系表現(xiàn)出較好的滲透汽化脫水性能，雜化膜的滲透通量隨MWNT-COOH填充量的增加而增大。牛洪金等[37]以聚二甲基硅氧烷聚苯醚嵌段共聚物為膜材料，正丁醇為添加劑，氯仿為溶劑，采用凝膠溶膠法制備非對稱滲透汽化膜，利用掃描電鏡和能譜儀對膜進行形貌表征及元素分析。研究了影響乙醇/水混合物滲透汽化分離性能的主要因素：鑄膜液濃度、膜后側(cè)壓力和料液流速。實驗表明，PDMS-b-PPOP非對稱膜對乙醇具有優(yōu)先選擇性。蘭永強等[38]用3種硅烷偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMES)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MEMS)、十六烷基三甲氧基硅烷(HEMS)分別對納米二氧化硅粒子進行改性，利用制備的改性粒子與PDMS制備了一系列平板復合滲透汽化分離膜，用于乙醇/水溶液分離。實驗結(jié)果表明：復合膜的滲透汽化性能得到顯著的提高。3種改性粒子在提高滲透通量方面：HEMS>MEMS>AMES；在提高分離因子方面，MEMS與AMES對復合膜的影響十分接近，而HEMS遠小于前兩者。

以前人[39-45]的研究為基礎(chǔ)，李楠等[46]以α-Al2O3作為膜載體，采用二次生長法首次制備出KAUST-8膜，并將其應(yīng)用于乙醇/水混合物的滲透汽化脫水，考察了不同操作溫度和進料濃度下，KAUST-8膜的對乙醇/水體系分離效果的影響。結(jié)果表明，隨著滲透汽化操作溫度的升高，總滲透通量由281.44 g/(m2·h)增加到929.16 g/(m2·h)，分離因子由17.2降低到6.1。在同一滲透汽化溫度(25 ℃)下，增大進料液中水的質(zhì)量分數(shù)，水通量從124.2 g/(m2·h)增加到302 g/(m2·h)，總通量逐漸升高至359.2 g/(m2·h)，分離因子逐步從17.2提高至30.2。

4.2 蒸氣滲透分離法

近年來，蒸氣滲透作為一種新型的膜分離過程出現(xiàn)。分離過程中，料液與直接與膜接觸。蒸氣滲透過程是料液蒸氣與膜接觸，物質(zhì)透過膜層的過程中不發(fā)生相的變化，是氣體分離過程。因此，過程中能量損耗比較小，且膜使用壽命長。蒸氣滲透過程的膜分離因子在相同溫度下比滲透蒸發(fā)過程分離因子高。

Wu等[47]通過實驗發(fā)現(xiàn)，膜材料的親水性影響膜的脫水性能，蒸氣滲透膜性能可以通過改變共混比例實現(xiàn)。對于乙醇溶液的氣相脫水過程，在合適的操作條件下，使用經(jīng)過改性的聚酰亞胺的中空纖維膜分離乙醇水溶液，膜分離因子達150-200。由于滲透蒸發(fā)過程發(fā)生相變，為補充氣化過程消耗的氣化潛熱，需要不斷供給能量以免物料溫度迅速下降；蒸氣滲透過程不發(fā)生相變，能量損耗比較低。蒸氣滲透過程中，膜溶脹現(xiàn)象比較輕，因此膜壽命比滲透蒸發(fā)膜長。

Tu等[48]通過等離子體引發(fā)技術(shù)，在膨體聚四氟乙烯(e-PTFE)膜上接枝丙烯酰胺(AAm)，接枝率為21%時，e-PTFE-g-AAm復合膜的力學性能、蒸氣滲透性和抗溶脹性都比較好，蒸氣滲透膜有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。采用蒸氣滲yj透技術(shù)，日本建成的中試工廠每小時將380 kg(質(zhì)量分數(shù)為90%)的乙醇水溶液濃縮到99%以上[49]。Ling等[50]研究了乙醇和水在制備的PDMS膜上的吸附和擴散行為。結(jié)果表明，溶解選擇性隨著硅酸鹽含量的增加而增大，但擴散選擇性先增后降。研究了乙醇和水混合物在乙醇含量10%(質(zhì)量分率)時硅酸鹽含量和進料溫度對復合膜蒸發(fā)性能的影響。

5 吸附分離法

5.1 分子篩吸附分離法

近20年來為進一步提高無水乙醇的濃度發(fā)展了分子篩吸附法。分子篩吸附法用于分離乙醇和水混合物制備無水乙醇，目前已實現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。由于分子篩對H2O等高極性分子有較強親和力，即使在較低濃度、分壓低、高溫等條件下對水的吸附量仍然很高。李浩[51]介紹了在3A分子篩上水的吸附等溫曲線模型，并探討了吸附和脫附過程的工藝條件。通常制備無水乙醇的分子篩平均直徑為0.3 nm。Fawzi等[52]通過對40%的乙醇-水溶液在3A和4A型分子篩吸附汽液相平衡態(tài)進行實驗。研究發(fā)現(xiàn)，分離效果的好壞與分子篩的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大的分子篩分離效果越好。當質(zhì)量超過6.5 g以上時，分離效果趨向平穩(wěn)。

通過分子篩中微孔進行分離的方法是分子篩吸附分離法。因此，該方法的分離效果取決于分子篩微孔的數(shù)量和孔徑大小。分子篩吸附是放熱過程。在24e下，93.14 %(質(zhì)量分數(shù))的乙醇溶液利用3A型沸石分子篩進行吸附，降低產(chǎn)物中水的含量可以通過降低進料速率的方法來實現(xiàn)[53]。Kuznicki等[54]在實驗中發(fā)現(xiàn)，鈦硅酸鹽ETS-4的物質(zhì)是一種性能良好的分子篩。隨著溫度的升高，ETS-4逐漸脫水，導致微孔尺寸減小。這種方法可將微孔尺寸精確調(diào)整到0.13 nm～0.14 nm范圍。水分子、乙醇分子等一些常見分子尺寸為0.13 nm～0.14 nm，用ETS-4制備分子篩可以將這些分子分開。

傳統(tǒng)的NaA分子篩分離效果明顯，但分子篩孔體積小，吸附量少，開發(fā)新型吸附劑具有重要的現(xiàn)實意義。董建東[55]考察了合成分子篩的影響因素，對分子篩吸附性能進行了研究，考察了原料濃度對分子篩吸附性能的影響以及高溫處理對分子篩熱穩(wěn)定性的影響，并且對不同類型的分子篩吸附性能進行了比較。

分子篩吸附分離法的優(yōu)點是操作簡單、無污染、產(chǎn)品純度高等，但分子篩再生能耗大、成本高，因此對于工業(yè)大規(guī)模的應(yīng)用還需進一步研究。

5.2 生物質(zhì)吸附法

1979年，Ladisch和Dyck提出生物質(zhì)吸附制取無水乙醇，采用精餾工藝和吸附工藝結(jié)合，過程能耗僅為乙醇燃燒熱的十分之一[56]。國內(nèi)外學者對氣相選擇性吸附生物質(zhì)中的水制取無水乙醇工藝進行了許多研究[57，58]。研究表明，淀粉質(zhì)生物質(zhì)如玉米粉的吸附效果是最好的，但對吸附選擇性的說法眾說紛紜[59，60]。

常華等[61]通過設(shè)計小試規(guī)模恒溫固定床吸附塔，對生物質(zhì)氣相選擇性吸附水制無水乙醇工藝進行了研究。實驗表明，合適的床層高度是稻谷粉和玉米粉吸附制無水乙醇的關(guān)鍵因素，吸附劑不需要再生，可直接作為發(fā)酵原料進行循環(huán)利用，節(jié)省了吸附劑再生能耗，具有一定的工業(yè)應(yīng)用前景。馬曉建等[62]為了研究乙醇蒸氣脫水的生物質(zhì)吸附劑的吸附性能，對影響吸附性能的幾個因素進行了考查。實驗結(jié)果表明，降低床層溫度、增大停留時間、減小粒徑有利于吸附操作。張琳葉等[63]選擇了幾種吸附劑進行實驗，發(fā)現(xiàn)木薯吸附劑吸附性能良好，可用該物質(zhì)通過吸附方法制備無水乙醇。吳勇[64]、董科利[65]利用小麥粉和玉米粉為主要原料，經(jīng)粉碎、造粒制備燃料乙醇專用吸附劑，并進行熱力學和含水乙醇的氣相吸附脫水研究，通過反氣相色譜法研究了影響吸附劑吸附性能的幾個因素。實驗結(jié)果表明，在70 e～150 e范圍內(nèi)，低溫有利于吸附。粒度在80～140之間，小顆粒的吸附劑對吸附過程有利。鄭州大學研制的乙醇脫水專用生物質(zhì)吸附劑[66]有價格低、壽命長、速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高和再生過程能耗低等特點。

6 超重力精餾

目前，超重力精餾設(shè)備主要包括旋轉(zhuǎn)填料床[67](RPB)和折流旋轉(zhuǎn)床[68](RZB)。超重力旋轉(zhuǎn)床體積小、操作彈性大、物料在旋轉(zhuǎn)床內(nèi)停留時間短、開停車方便，彌補了精餾設(shè)備塔器的缺陷。以乙醇-水體系作為研究對象，陳文炳等[69]用旋轉(zhuǎn)填料床對該物系進行全回流操作。實驗結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)填料床的分離效果與每米25塊理論塔板數(shù)的塔相當。栗秀萍等[70]通過兩臺RPB的連續(xù)精餾研究發(fā)現(xiàn)，填料性質(zhì)影響RPB的精餾效果，流程需要增加流體輸送設(shè)備，因此，設(shè)備投資和操作難度增加?？梢詾榉奖銓崿F(xiàn)連續(xù)精餾操作中的中間進料，計建炳等[71]發(fā)明了RZB，多個轉(zhuǎn)子安裝在同一個轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子之間沒有動密封，單臺設(shè)備的分離能力大大提高。用RZB對乙醇-水進行連續(xù)精餾實驗，實現(xiàn)了單臺連續(xù)精餾，因RZB不添加填料，因此傳質(zhì)效果降低。

以傳統(tǒng)RPB和RZB為基礎(chǔ)，陳建峰課題組開發(fā)了一種新型連續(xù)精餾設(shè)備——多級逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床(MSCC-RPB)[72]。2010年，以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)和折流旋轉(zhuǎn)床(RZB)為基礎(chǔ)，高鑫等[73]研制了一種新型的多級逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床(MSCC-RPB)，以乙醇-水物系為研究對象，在常壓下對MSCC-RPB的連續(xù)精餾性能進行了研究。考察了旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速、進料熱狀況、進料濃度、回流比對MSCC-RPB的理論塔板數(shù)的影響。在實驗范圍內(nèi)，最佳操作轉(zhuǎn)速為800 r/min，MSCC-RPB理論塔板高度在19.5 mm～31.4mm之間；MSCC-RP B理論塔板高度相當于傳統(tǒng)的兩臺RPB的塔板高度，MSCC-RPB比RZB的轉(zhuǎn)速更低，傳質(zhì)效率是RZB的兩倍，。張振翀等[74]對乙醇/水體系進行了常壓下的兩級分離式超重力精餾分離的中試實驗，系統(tǒng)研究了超重力精餾的超重力因子、原料液流量及回流比對傳質(zhì)性能的影響，基于實驗過程建立了精餾過程的傳質(zhì)數(shù)學模型，應(yīng)用逐步回歸法得到影響超重力精餾傳質(zhì)的因素。影響因素由高到低依次為：餾出液摩爾分率、超重力因子、回流比、餾出比、進料摩爾分率。

2015年，宋子彬[75]通過將波紋絲網(wǎng)填料裝填到單級旋轉(zhuǎn)填料床建立了間歇全回流超重力減壓精餾工藝。以穩(wěn)態(tài)操作為基礎(chǔ)，考察了釜溫100 ℃～150 ℃、乙醇進料濃度50 wt%～95 wt%、操作壓力101.325 KPa～11.325 kPa和超重力因子20.9024～130.6397對乙醇-水體系分離效果的影響。通過因素-水平實驗，得到分離效果最優(yōu)操作條件。對實驗結(jié)果與理論分析進行比較發(fā)現(xiàn)，增加超重機的填料高度可提高分離效果得到無水乙醇。

7 結(jié)語

目前，國內(nèi)外燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化正成為科研工作者研究的熱點，這為乙醇/水分離過程新工藝、新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供了機遇。共沸精餾法、萃取精餾法、減壓精餾法、膜分離法和吸附分離法分離乙醇/水的方法在工業(yè)上都有一定的使用規(guī)模，但同時存在一定的缺陷。共沸精餾法操作彈性小、夾帶劑需要二次分離；萃取精餾法存在鹽回收和設(shè)備管道易腐蝕堵塞的問題；減壓精餾法要求設(shè)備耐密封強度高，能耗相對大；膜分離法的膜造價高，而且膜易污染，因此應(yīng)用受到一定的限制，還需進行進一步的研究；分子篩吸附分離法存在吸附劑壽命不長和需要再生成本較高的問題；生物質(zhì)吸附分離法雖然能耗低，無污染，但吸附機理需要進一步完善，還未達到工業(yè)化的要求。將超重力技術(shù)和減壓精餾技術(shù)進行耦合的超重力精餾技術(shù)是一種新型的分離技術(shù)，具有能耗低、傳質(zhì)效率高、體積小等優(yōu)點，但對該方法都相對匱乏，因此無論基礎(chǔ)理論研究還是實驗研究方面均需進一步開展，使其成為乙醇/水體系分離技術(shù)中具有競爭力的技術(shù)。

致謝：感謝李玉美副教授對本工作的大力支持，在此表示感謝！