膜蒸馏过程强化及优化技术研究进展

膜蒸馏作为一种新型的膜分离技术,具有脱盐率高、可处理高浓度原料液等技术优势,近年来引起学术界及工业界的广泛关注.膜蒸馏技术可被应用于海水淡化,工业废水/苦盐水脱盐及糖、盐、果汁、有机/无机酸、碱液等的浓缩过程.但由于当前膜蒸馏能耗及成本较高,一定程度上限制了该技术的工业化.本文重点介绍了可用于强化膜蒸馏过程和优化该过程能量利用的方法及研究进展,主要包括膜材料和膜制备方法/工艺的进展、膜蒸馏过程操作条件的优化、改进膜组件和辅助装置的应用、太阳能和低品位热源的使用、蒸发冷凝潜热的回收以及耦合其他分离过程的复合膜蒸馏系统,同时分析了膜蒸馏技术处理高盐工业废水的应用前景,最后探讨和总结了膜蒸馏过程强化及优化的研究方向,为该技术的进一步发展提供了科学性指导.     

膜蒸馏技术在工业废水处理中的研究进展

膜蒸馏技术是将膜分离与蒸发过程相结合的一种新型分离技术,被广泛应用于工业废水的处理研究中.简述了膜蒸馏技术原理及膜蒸馏方式,重点介绍了膜蒸馏在处理不同类型工业废水上的应用现状,总结了强化进料、出料以及跨膜3个传质过程的方法,最后提出了膜蒸馏技术亟待解决的问题和未来研究的方向.     

共沸蒸馏在化工生产中的应用与研究进展

共沸蒸馏为共沸物或相对挥发度接近于1的非理想物系的分离过程提供了选择。介绍了蒸馏残余曲线图的热力学原理,并以反应蒸馏生产乙酸乙酯工艺为例说明了蒸馏残余曲线图在流程设计等方面的应用。分别从夹带剂选择、过程设计、过程集成强化、过程控制等角度阐述了共沸蒸馏过程相关理论研究进展;在应用方面,主要综述了乙醇、异丙醇稀溶液、稀乙酸等脱水及回收利用情况,共沸蒸馏过程强化反应蒸馏、变压共沸蒸馏、共沸蒸馏耦合膜分离研究进展情况以及反应蒸馏工艺的局限性,并对其未来的发展前景作了展望。     

超声波强化膜蒸馏研究进展

在介绍膜蒸馏原理和传递过程的基础上,讨论了超声波强化膜蒸馏的原理,综述了近年来超声强化膜蒸馏的研究进展,并对其存在的问题和应用前景作了分析.     

分子蒸馏过程技术研究及其应用进展

分子蒸馏过程技术是近年来发展起来的一种新型的液一液分离技术,现已在很多领域得到广泛的应用。综合评述了分子蒸馏的基本原理、过程技术特点、常用设备及其优缺点。工业应用及过程模型化的研究进展。并对分子蒸馏过程技术的前景提出了一些展望。     

焦耳效应强化气隙式膜蒸馏脱盐过程的实验研究

以膜蒸馏海水淡化为背景,通过对自制导电炭膜通入直流电产生焦耳效应,开展焦耳效应强化膜蒸馏氯化钠水溶液脱盐过程实验研究。结果表明,制备的煤基炭膜在100℃内具有良好的结构稳定性;在实验范围内,炭膜对氯化钠的截留率在99.96%以上;焦耳效应对膜蒸馏渗透通量的提高率最高可达60%,且低温时焦耳效应对膜蒸馏的强化效果更好、电转换效率更高;引入的焦耳热除用于水分汽化外,还可提高料液温度、改善温度极化、增加传质推动力;焦耳效应同时对膜蒸馏过程传质系数产生影响,在进料温度为50~80℃时,受努森扩散和分子扩散影响,电流为1A时传质系数值将减小,电流为3A和5A时传质系数值将增大;膜蒸馏过程引入焦耳效应不会产生氧化还原反应和额外膜结垢;在炭膜中引入电流不会破坏炭膜及其表面PDMS层的结构。本文研究内容丰富了膜蒸馏海水淡化过程的强化方法,也可为焦耳效应影响膜蒸馏过程的模拟研究及工业应用提供依据。     

微波场强化化工分离过程研究进展

优化化工分离技术、实现化工分离过程的节能减排,一直是化工分离过程研究的热门课题。近年来,微波场强化分离过程的研究非常活跃。本文阐述了微波对物质的作用机理以及微波加热较普通加热的优势与特点;系统介绍了微波场在萃取、精馏、干燥、脱附/吸附、蒸馏和反应精馏等分离过程的强化效果和应用进展,并分析总结了微波场在这些分离过程中的强化机理,分析表明将微波应用于化工分离过程具有加热速度快、产品质量高、耗能低和易于控制等特点;同时指出微波在分离过程特别是蒸馏/蒸发和反应精馏领域研究的欠缺,提出对于微波是否对蒸馏/蒸发或反应精馏过程具有强化作用还需要大量的实验验证和相应的理论支撑;最后本文对微波在分离领域的发展作了分析与展望。     

基于介电性质差异的微波诱导强化蒸馏分离

具有选择性加热特性的微波辐射场对混合物相对挥发度影响的发现,对基于混合物介电性质差异而实现化工分离新技术的开发和工程强化能起到极大的推动作用。本文梳理了近年来发展的微波场强化化工分离方法,阐述了微波场与各类物质的特殊作用机制,重点介绍了微波场诱导强化极性-非极性混合物蒸馏分离新技术的相关研究。针对微波诱导分离技术在实际应用中亟需解决的关键问题,着重综述了作者课题组在微波诱导分离机理、分离装置与微波腔体结构设计及过程模型方面的研究进展。最后,对微波技术在化工分离过程强化领域应用目前尚存在的问题提出建议,期望对未来通过介电性质差异实现分离的发展方向提供参考。     

超重力技术的研究及应用

超重力技术是一种过程强化技术,通过离心力实现传质过程的强化。超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程,在化工、环保等领域也有广阔的应用前景。论述了超重力技术的基本原理及特点,重点介绍了超重力技术在化工尾气处理、精馏、纳米材料、催化剂制备及消除粉尘等方面的应用,并对超重力技术的研究方向和应用前景做了展望。     

分子蒸馏技术研究现状及在精细化工中的应用

介绍了分子蒸馏特点、分子蒸馏设备及流程,并对近几年来分子蒸馏基础理论、机理、结构、操作参数及在精细化工中应用的研究进展做了介绍。     

反应精馏过程耦合强化技术基础与应用研究述评

反应精馏技术是过程强化概念在化学工业成功应用的典范。由于反应与精馏耦合的高度复杂性和非线性,反应-精馏相互影响机制、耦合方式及其过程能效调控与优化成为制约该技术广泛应用的关键科学问题。综述了近二十年来国内外反应精馏技术从基础研究到工业应用的概况,包括反应精馏过程的可行性分析与概念设计方法、稳态模拟过程优化与动态模拟控制策略设计、兼具催化反应与气液传质的高效内构件开发以及反应精馏在各领域的应用。探讨了目前制约反应精馏广泛应用关键问题的解决方法与途径,阐明了普适性的反应精馏过程开发方法,总结了基于反应精馏过程耦合的新型过程强化技术,指出了反应精馏技术的发展趋势。     

精馏技术研究进展与工业应用

精馏是化学工业中应用最广泛的关键共性技术,广泛应用于石油、化工、化肥、制药、环境保护等行业。精馏具有应用广泛、技术成熟等优点,但存在设备投资大、分离能耗高等问题,因此研究开发新型高效传质元件、开发新型节能精馏技术,具有重要的社会意义和经济价值。本文从精馏塔类型、流体力学性能、传质性能、塔器大型化、过程节能、过程强化等方面,介绍了精馏技术的研究进展与工业应用。对于板式塔,从气液两相流动状态、压降、漏液和雾沫夹带方面研究了塔板的流体力学性能;对于填料塔,从压降、液泛和持液量方面研究了填料塔的流体力学性能,但目前的研究仍以经验关联式为主,缺乏严谨的的理论模型。对于气液两相的传质性能研究,简述了气液两相传质理论,但科学、精准的传质模型尚未提出。对于塔器大型化的应用研究,介绍了塔板、气液分布器和支撑装置等大型化关键技术的工业应用。从精馏过程典型节能技术、耦合节能技术、流程节能技术、低温余热回收和特殊精馏等方面,介绍了精馏过程节能与强化的应用进展。文章最后对精馏过程的传质、强化和集成进行了展望。     

谈过程强化技术促进化学工业转型升级和可持续发展

化工过程强化是通过采用新装备和新方法,显著提升传递过程速率或反应过程速率的技术。与当今常用的装备和技术相比,可以显著地改进制造和加工过程,大幅度地提高设备产能,降低能耗或废物的产生,是一种更廉价、更可持续发展的技术。本文介绍了化工过程强化的原理、方法与技术特点,阐明了化学工业发展与化工过程强化的内在关系,分析了化工过程强化在生态化工导向大背景下的地位和作用。基于化工过程强化技术对促进发展思路转变、工艺装备技术创新、节能减排降耗和支撑化工可持续发展等方面的作用,论述了化工过程强化技术对促进化学工业转型升级和提升化学工业社会声誉度的重要性。     

超重力精馏传质过程强化理论分析

超重力精馏技术是一种新型的过程强化精馏技术,文中通过实验与理论分析,探讨其传质过程强化的作用机理。以乙醇/水为物系,多级旋转填料床为主要设备,在常压操作条件下,进行超重力精馏实验研究。在超重力因子为31—196,原料流量为15—30 L/h,原料摩尔分数为0.089 1—0.283 1,回流比为1.0—2.5的操作条件下,超重力装置的理论塔板高度为12.7—152 mm,比传统精馏塔低1个数量级。通过分析流体在超重力装置内的流动状态,提出超重力精馏过程的传质原理及传质单元——液膜。通过理论分析,认为超重力精馏传质过程克服了双膜理论、渗透理论与表面更新理论中的瓶颈,是超重力精馏传质过程强化的根本原因。     

Dynamic process intensification: Fundamentals and implementation to ternary distillation

Distillation remains a key technology for separating liquid mixtures. Its versatility comes with the disadvantage of high energy consumption. We previously used empirical arguments to introduce dynamic process intensification (DPI) as a strategy for improving the energy efficiency of binary distillation. In this article, we focus on ternary distillation; we begin by providing a rigorous basis for DPI, then formulate the problem of identifying the operating states for DPI as a nonlinear optimization problem. Via an extensive case study considering a hydrocarbon mixture, we demonstrate that reboiler energy use can be reduced by more than 2.3% relative to an equivalent column operating at steady state. We prove that this result is due to the fact that DPI aims to satisfy product flow and quality constraints on average in time, affording broader opportunities for optimizing column economics than steady-state operation, where constraints are met strictly at all times.     

Research advances in thermally coupled intensification technology for special distillation

In the production and separation process of petroleum, medicine, chemical industry and other industries, it is often accompanied by the production of azeotropic or similar boiling point mixtures. Its high-efficiency and energy-saving separation is a prerequisite for industrial clean production and sustainable development. Special distillation as an effective separation method attracts substantial attention from researchers. However, special distillation is a process with high-energy consumption. Therefore, the development of intensification technology for special distillation with low costs and reliable performance is of great significance for the economy and energy sustainable development. According to the heat and mass transfer laws of special distillation, this work introduces the research advances of thermally coupled distillation, dividing wall column, side-stream distillation, organic Rankine cycle, heat pump and different pressure thermally coupled technologies in energy saving special distillation process from the intensification principles and retrofitting technologies. In addition, this work outlines the challenge and opportunity of intensification technology to provide references of the theoretical research and application to special distillation.     

特殊精馏热耦合强化技术研究进展

在石油、医药、化工等行业生产和分离过程中,常伴随着共沸或沸点相近混合物的产生,其高效节能分离是工业清洁生产和可持续发展的前提。作为一种分离共沸或近沸等难分离混合物的重要手段,特殊精馏引起了广泛关注。然而,特殊精馏对能源的消耗量非常大,开发低成本、性能可靠的特殊精馏强化技术对实现经济和能源的可持续发展具有重要意义。基于对特殊精馏塔内外传质传热规律的研究,本文从强化原理和工艺改进技术两方面,重点介绍了热耦精馏、隔壁塔、侧线精馏、有机朗肯循环、热泵精馏、差压热耦合等内外热耦合强化技术在特殊精馏节能增效等方面的研究进展,并展望了其未来发展的挑战和机遇,以期为特殊精馏在热耦合强化方面的理论研究与应用提供参考。     

化工过程强化的研究进展

化工过程强化是实现可持续发展的重点项目之一,本文分别介绍了化工过程强化的技术,包括膜技术、非传统过程、脉动燃烧干燥技术、连续床色谱技术、整体催化技术和信息技术;化工过程强化的设备,主要有超重力旋转填料床、多功能反应器、静态混合反应器、微反应器和膜反应器等;以及化工过程强化目前存在的一些问题。     

Dynamic process intensification of binary distillation based on output multiplicity

Process intensification focuses largely on process and equipment design. Much less emphasis has been placed on operational changes to achieve cost savings and increased efficiency. This article introduces the concept of dynamic intensification, defined as changes to the dynamics, operating strategy and/or control of a process that lead to a substantially more efficient processing path. This idea is illustrated in the context of binary distillation. Output multiplicity properties are exploited to establish a new periodic operating mode based on switching between two auxiliary products, which, on a time-average basis, is more energy efficient than steady-state operation. An extensive case study is presented concerning the distillation of a propanol–acetic acid mixture, confirming the theoretical developments. In contrast to previous research (e.g., on cyclic distillation), the present concept has significant advantages as it relies on existing hardware and exploiting system nonlinearity, rather than using specialized equipment operated in a discontinuous fashion. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 65: 1162–1172, 2019