關(guān)于微化工精餾分離技術(shù)研究

摘要：近年來(lái)，隨著全球化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)化學(xué)產(chǎn)品的需求日益增加，促進(jìn)了有機(jī)物在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技等領(lǐng)域的應(yīng)用。其中甲苯二胺作為一種有機(jī)化合物，占據(jù)著重要的地位，被廣泛應(yīng)用于合成高分子材料，具有較為廣闊的應(yīng)用前景，為印染紡織提供了豐富的色彩選擇。然而，在甲苯二胺的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，往往會(huì)伴隨異構(gòu)體的產(chǎn)生，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，在制藥領(lǐng)域使用時(shí)甚至?xí)绊懙剿幬锏寞熜c品質(zhì)。探究了微化工精餾分析技術(shù)的應(yīng)用原理及價(jià)值，并探究了具體的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：微化工；精餾；分離；

在20世紀(jì)90年代，微化工技術(shù)嶄露頭角，巧妙地融合了微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的基本原理，橫跨化學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)工程技術(shù)學(xué)科。微化工技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)掀起了應(yīng)用熱潮，提高了化工過(guò)程的安全性，同時(shí)提高了資源的利用率，具有廣闊的應(yīng)用前景，為化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。本文探究微化工技術(shù)的原理，深入探討其技術(shù)的優(yōu)越性，結(jié)合真實(shí)案例介紹發(fā)展趨勢(shì)，加深對(duì)該技術(shù)的理解，激發(fā)更多人對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注，并推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型。

1微化工技術(shù)

微化工技術(shù)作為20世紀(jì)90年代新興的高新技術(shù)，其核心是在微米或毫米的尺度下進(jìn)行混合與化學(xué)反應(yīng)。微化工設(shè)備以其較小的尺寸特征，利用流體與流體的相互作用，形成微米至毫米級(jí)的微分散體系。該分散體系具有更短的傳質(zhì)距離，強(qiáng)化了相間的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。微化工技術(shù)在化工過(guò)程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，為綠色高效化提供有力的支撐。精餾技術(shù)是通過(guò)多次簡(jiǎn)單蒸餾的組合，應(yīng)用于工業(yè)與化學(xué)過(guò)程，但由于其效能不足，限制了資源的利用效率。為了克服精餾技術(shù)的局限，微化工精餾技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，此技術(shù)進(jìn)一步提高了分離效率，解決傳統(tǒng)精餾存在的難題。

2微化工精餾分離技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

首先，在眾多化工生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，原料與產(chǎn)品是由不同組分混合而成，需對(duì)這些混合物進(jìn)行精細(xì)分離。例如，在石油化工中，要將石油精煉為各種油品，就需要將石油中的化合物進(jìn)行分離。此外，在生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)原料進(jìn)行純化并分析其不同組分，以提高化工反應(yīng)的效率。其次，該技術(shù)能夠控制反應(yīng)過(guò)程?？刂圃谔囟ǖ臏囟纫约皦毫顟B(tài)下進(jìn)行精餾。例如，在乙烯制取工藝過(guò)程當(dāng)中，需要在一定的壓力與溫度下分離乙烯與乙烷兩種氣體，使反應(yīng)過(guò)程更加可靠，提高反應(yīng)的效率以及產(chǎn)率。其三，能夠減少物料浪費(fèi)和能量消耗。借助精餾技術(shù)，可以避免能源消耗，因?yàn)榫s可以分離出不同的組分，保證成品的純度和精度，降低生產(chǎn)過(guò)程中的物料浪費(fèi)，通過(guò)特定的設(shè)計(jì)，減少能源的消耗。其四，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。微化工精餾技術(shù)規(guī)避了化學(xué)處理帶來(lái)的污染問(wèn)題，通過(guò)精準(zhǔn)控制分餾條件，可減少?gòu)U水、廢氣、廢物的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的再利用?；ぞs技術(shù)推動(dòng)了化工分離技術(shù)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保的分離。同時(shí)，微化工精餾技術(shù)為其他化工過(guò)程提供有益的啟示，利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場(chǎng)的需求［1］。

3微化工精餾分離技術(shù)

3.1常規(guī)微化工精餾分離技術(shù)

常規(guī)的微化工精餾分離技術(shù)是通過(guò)單一的冷凝和氣化來(lái)實(shí)現(xiàn)分離混合物的技術(shù)。在該過(guò)程中，混合物被加熱到一種或多種組分的沸點(diǎn)，使其氣化，然后蒸汽通過(guò)冷凝管冷凝成液體，實(shí)現(xiàn)不同混合物的分離［2］。常見的微蒸餾技術(shù)傳承了傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)的基本原理，由于其微型化的設(shè)計(jì)顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微化工精餾分離技術(shù)操作簡(jiǎn)單，占地面積小，成本較低，適用于快速分離多種混合物。國(guó)外研究者成功地將微化工精餾技術(shù)應(yīng)用于土壤中的氫化物的檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果與國(guó)際相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果高度一致，且其操作過(guò)程更加簡(jiǎn)單便捷。在微蒸餾技術(shù)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，眾多科研人員經(jīng)過(guò)不斷的創(chuàng)新與探索，設(shè)計(jì)出了實(shí)用的微化工精餾技術(shù)，例如設(shè)計(jì)了分離亞硫酸分解產(chǎn)物二氧化硫的微化工精餾系統(tǒng)，采用芯片型平板微蒸餾裝置，實(shí)現(xiàn)了二氧化硫的高效分離，同樣也能夠檢測(cè)出二氧化硫的濃度。此外，Liu設(shè)計(jì)出平板式微蒸餾裝置，通過(guò)高壓蒸汽將甲醛輸送到冷凝管區(qū)域進(jìn)行冷凝后收集，再通過(guò)比色檢測(cè)確定甲醛濃度。Hsu設(shè)計(jì)出多功能微芯片蒸餾裝置，能夠及時(shí)地檢測(cè)食品當(dāng)中甲醛的含量，該設(shè)置包含蒸汽系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、微芯片，通過(guò)優(yōu)化蒸汽流速以及蒸餾時(shí)間等參數(shù)，可以提高整體的蒸餾效率，且誤差不超過(guò)4.3%，這一成果在食品有害物質(zhì)檢測(cè)當(dāng)中具有較高的實(shí)用性。眾多科研人員注意到微通道形狀對(duì)蒸餾效果的影響。國(guó)外科研人員通過(guò)改變?nèi)肟谶B接角，發(fā)現(xiàn)通道長(zhǎng)度對(duì)蒸餾效果的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)和數(shù)據(jù)分析得出，通道的幾何形狀對(duì)精餾效果也有重要的影響。該研究為微化工精餾裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。與傳統(tǒng)的精餾分析技術(shù)相比，常規(guī)的微化工精餾技術(shù)增大了比表面積，強(qiáng)化了傳熱性能，既提高了分離效率，又減少了空間的占用。然而，微化工精餾技術(shù)的應(yīng)用范圍仍然有限。

3.2毛細(xì)管粒精餾技術(shù)

毛細(xì)管粒精餾技術(shù)作為一項(xiàng)新型的精餾技術(shù)，在化工制造中占據(jù)著重要的地位。在傳統(tǒng)的化工制造工藝中，氣液分散受慣性與重力的主導(dǎo)，而隨著微化工蒸餾裝置的小型化，界面力和粘性力逐漸取代重力，成為分散化合物的重要因素。在該技術(shù)中，可通過(guò)Bond數(shù)體現(xiàn)微分散體系與其他作用力的相對(duì)大小。當(dāng)Bond數(shù)低于1時(shí)，界面張力占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)表現(xiàn)為毛細(xì)現(xiàn)象?；谠撛恚后w能夠在毛細(xì)血管作用力下克服勢(shì)能差，實(shí)現(xiàn)氣液分離。同時(shí)，液體與毛細(xì)血管管壁的液固界面極性相互作用，改變液體混合物，以實(shí)現(xiàn)分離效果。眾多科研人員設(shè)計(jì)了多種微型精餾裝置，利用熱管原理實(shí)現(xiàn)液體與氣體的分離，并提高了分離效果。Huang設(shè)計(jì)出以毛細(xì)血管力為主導(dǎo)的精餾裝置，通過(guò)微芯材料引導(dǎo)液體流動(dòng)。Sundberg設(shè)計(jì)了平板式的微精餾裝置，以泡沫金屬為傳導(dǎo)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)將環(huán)乙烷和正己烷的分離。同時(shí)，硅玻璃微精餾芯片同樣是重要的應(yīng)用之一。Lam應(yīng)用不同通道結(jié)構(gòu)的硅玻璃微晶硫芯片實(shí)現(xiàn)丙酮與水的分離，還發(fā)現(xiàn)超聲脫氣可以提高分離的效果。Foerster通過(guò)該微化工精餾芯片實(shí)現(xiàn)甲苯與甲苯醛分離的在線監(jiān)測(cè)，為微化工精餾技術(shù)提供了新的思路。胡運(yùn)通采用活性氧化鋁顆粒作為填料，借助對(duì)不同組分的吸附程度影響組分的活度系數(shù)，從而提高分離產(chǎn)品的純度以及分離的效率。該技術(shù)具有較高的環(huán)保與高效的特點(diǎn)，為后續(xù)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，還保證填料可重復(fù)使用，降低了生產(chǎn)制造的成本。因此，毛細(xì)管粒微精餾技術(shù)在化工領(lǐng)域當(dāng)中具有重要的應(yīng)用前景和應(yīng)用潛力，可以為化工產(chǎn)業(yè)注入新的活力。

3.3重力微化工精餾技術(shù)

重力微化工精餾技術(shù)是指在微尺度下，利用重力作用實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)傳熱過(guò)程的化工分離技術(shù)。重力微化工精餾技術(shù)是基于重力驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，在微通道或微型設(shè)備中實(shí)現(xiàn)液體兩相逆流，達(dá)到傳質(zhì)和傳熱的效果［3］。由于精餾裝置尺寸的縮小能夠顯著提高傳熱效率，降低能源的消耗。當(dāng)微通道的Bond數(shù)大于1時(shí)，重力占據(jù)主導(dǎo)地位，超越了界面力。而針對(duì)氣體來(lái)講，浮力則占據(jù)主導(dǎo)地位，超越了界面力。在該狀況下，液相流動(dòng)依然受重力因素主導(dǎo)，冷凝的液體在重力的作用下回流與上升的蒸汽逆流接觸。國(guó)外團(tuán)隊(duì)研發(fā)了平板式微化工精餾塔，其內(nèi)部設(shè)置類似于傳統(tǒng)的精餾塔的踏板功能，在分離丙醇與正丁烷等應(yīng)用中具有較高的應(yīng)用前景。此外，它還能夠分離難以處理的鄰二甲苯和間二甲苯混合物。國(guó)外科研人員針對(duì)高純度氣體的需求，設(shè)計(jì)出了液化氣體凈化過(guò)程的分離性能，探討了在不同條件下小型填料塔對(duì)分離性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著壓力溫度的增加，氣體與液體的傳質(zhì)效果得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。然而，揮發(fā)度隨著溫度的升高而逐漸下降，從而降低了分離效果。這兩個(gè)因素的綜合作用，決定了分離的效率。與傳統(tǒng)的精餾技術(shù)相比，高壓下的微化工高純液化氣精餾分離技術(shù)效果更佳且顯著，降低了能源消耗。Mardani團(tuán)隊(duì)將3D打印技術(shù)融入微化工精餾技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中，通過(guò)法蘭連接模塊化結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部通道填入填充材料。在分離實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)氣相色譜儀分析頂部和底部的物質(zhì)構(gòu)成。該分離效果顯著優(yōu)于市面上的板式塔。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)更具靈活性。然而，分離的化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)聚合物材料造成一定的損害。模塊化的設(shè)計(jì)能夠降低化學(xué)物相容性，與常規(guī)的精餾技術(shù)相比，重力微化工精餾技術(shù)在傳質(zhì)傳熱上保持了一致性，以重力為驅(qū)動(dòng)力，使加工方法更加靈活，實(shí)現(xiàn)更細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)溫度和流量進(jìn)行精準(zhǔn)管控，為精餾技術(shù)帶來(lái)較多的便利。

3.4外力耦合微化工精餾技術(shù)

外力耦合微化工精餾技術(shù)是指在外力作用下強(qiáng)化精餾過(guò)程。除了微尺度本身強(qiáng)化微流效果之外，此技術(shù)還包括離心力、真空效應(yīng)等眾多措施，進(jìn)一步提高精餾效果。在傳統(tǒng)的精餾技術(shù)當(dāng)中，膜蒸餾憑借成本低且能源利用率高的優(yōu)勢(shì)，在廢物處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。多孔膜的應(yīng)用領(lǐng)域也日益增加，如利用壓力驅(qū)動(dòng)的真空微型蒸餾技術(shù)，能夠提取微量組分，在生命科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中占據(jù)重要的地位。此外，通過(guò)施加離心力實(shí)現(xiàn)高黏度混合物的分離［4］。Adiche開發(fā)新型微分離器，結(jié)合氣掃式膜蒸餾原理，將甲醇與水進(jìn)行有效的分離。膜作為氣液的物理分離器，并不對(duì)分離體系的醇或水具有特定的選擇功能。該實(shí)驗(yàn)顯示載氣流量作為關(guān)鍵因素，能夠有效地降低溫度。極化效應(yīng)在分離性能方面占據(jù)重要的地位。Zhang等人設(shè)計(jì)出利用多孔膜以及真空作用，將水與甲醇混合物進(jìn)行分離的微芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)熱板溫度和冷卻通道可以控制溫度梯度。該裝置分為精餾段和提餾段，顯著地提高了水與甲醇的分離效果。Hartman等人引入惰性氣體，通過(guò)精確地控制液體段和氣體段，并在分段流動(dòng)過(guò)程當(dāng)中建立氣液平衡。最終利用微分離器分離可實(shí)現(xiàn)閃蒸效果。實(shí)驗(yàn)表明該裝置可通過(guò)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多級(jí)精餾。Maclnnes等人設(shè)計(jì)基于離心力的微化工精餾技術(shù)，在離心力與壓力的共同作用下，將氣液分離成兩層。該實(shí)驗(yàn)與其他微化工精餾技術(shù)相比，具有快速的分離能力。但是離心力的產(chǎn)生，對(duì)技術(shù)要求較高，這在一定程度上限制了其發(fā)展。

4結(jié)語(yǔ)

介紹了微化工精餾技術(shù)的價(jià)值以及應(yīng)用技術(shù)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力，可以將微化工精餾技術(shù)分為毛細(xì)管粒重力、外力作用的微化工精餾技術(shù)、重力微化工精餾技術(shù)。微化工精餾技術(shù)通過(guò)物理或化學(xué)的技術(shù)，改變物系的性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)混合物的分離。在發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，該技術(shù)不斷衍生出低能耗、低成本，向綠色環(huán)保方向轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，且研究方法向多學(xué)科交叉方面轉(zhuǎn)變，提高了微化工精餾技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

［1］常則宇.基于陰離子柱撐雜化超微孔材料的C4烯烴吸附分離性能研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2023.

［2］陳政潤(rùn).離子液體混合溶劑萃取精餾分離乙酸乙酯正庚烷共沸物的研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2022.

［3］李亞男.膽堿類低共熔溶劑萃取精餾分離含醇共沸物的研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2023.

［4］趙艷芬，徐明，楊磊，等.微波輔助水蒸氣蒸餾法提取番石榴葉精油［J］.四川林業(yè)科技，2022，43（3）：100-103.

作者簡(jiǎn)介：左蕾，女，江蘇濱海人，講師，本科，研究方向：中職化工。