關于微化工精餾分離技術研究

摘要：近年來，隨著全球化趨勢的不斷發展，人類社會對化學產品的需求日益增加，促進了有機物在工業、農業、科技等領域的應用。其中甲苯二胺作為一種有機化合物，占據著重要的地位，被廣泛應用于合成高分子材料，具有較為廣闊的應用前景，為印染紡織提供了豐富的色彩選擇。然而，在甲苯二胺的應用過程當中，往往會伴隨異構體的產生，導致材料的力學性能下降，在制藥領域使用時甚至會影響到藥物的療效與品質。探究了微化工精餾分析技術的應用原理及價值，并探究了具體的應用領域。

關鍵詞：微化工；精餾；分離；

在20世紀90年代，微化工技術嶄露頭角，巧妙地融合了微機電系統設計理念的基本原理，橫跨化學、材料學等多個工程技術學科。微化工技術憑借其獨特的優勢，在國內掀起了應用熱潮，提高了化工過程的安全性，同時提高了資源的利用率，具有廣闊的應用前景，為化工行業可持續發展提供有力支撐。本文探究微化工技術的原理，深入探討其技術的優越性，結合真實案例介紹發展趨勢，加深對該技術的理解，激發更多人對該領域的關注，并推動行業轉型。

1微化工技術

微化工技術作為20世紀90年代新興的高新技術，其核心是在微米或毫米的尺度下進行混合與化學反應。微化工設備以其較小的尺寸特征，利用流體與流體的相互作用，形成微米至毫米級的微分散體系。該分散體系具有更短的傳質距離，強化了相間的傳熱傳質過程。微化工技術在化工過程中具有顯著的優勢，引起了社會的廣泛關注，為綠色高效化提供有力的支撐。精餾技術是通過多次簡單蒸餾的組合，應用于工業與化學過程，但由于其效能不足，限制了資源的利用效率。為了克服精餾技術的局限，微化工精餾技術應運而生，此技術進一步提高了分離效率，解決傳統精餾存在的難題。

2微化工精餾分離技術的應用價值

首先，在眾多化工生產過程當中，原料與產品是由不同組分混合而成，需對這些混合物進行精細分離。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行分離。此外，在生產過程中需要對原料進行純化并分析其不同組分，以提高化工反應的效率。其次，該技術能夠控制反應過程。控制在特定的溫度以及壓力狀態下進行精餾。例如，在乙烯制取工藝過程當中，需要在一定的壓力與溫度下分離乙烯與乙烷兩種氣體，使反應過程更加可靠，提高反應的效率以及產率。其三，能夠減少物料浪費和能量消耗。借助精餾技術，可以避免能源消耗，因為精餾可以分離出不同的組分，保證成品的純度和精度，降低生產過程中的物料浪費，通過特定的設計，減少能源的消耗。其四，能夠提高產品質量，促進技術創新。微化工精餾技術規避了化學處理帶來的污染問題，通過精準控制分餾條件，可減少廢水、廢氣、廢物的排放，同時實現資源的再利用。化工精餾技術推動了化工分離技術的創新，實現高效環保的分離。同時，微化工精餾技術為其他化工過程提供有益的啟示，利于提高產品質量，滿足市場的需求［1］。

3微化工精餾分離技術

3.1常規微化工精餾分離技術

常規的微化工精餾分離技術是通過單一的冷凝和氣化來實現分離混合物的技術。在該過程中，混合物被加熱到一種或多種組分的沸點，使其氣化，然后蒸汽通過冷凝管冷凝成液體，實現不同混合物的分離［2］。常見的微蒸餾技術傳承了傳統蒸餾技術的基本原理，由于其微型化的設計顯現出獨特的優勢。微化工精餾分離技術操作簡單，占地面積小，成本較低，適用于快速分離多種混合物。國外研究者成功地將微化工精餾技術應用于土壤中的氫化物的檢測，其檢測結果與國際相關的標準檢測結果高度一致，且其操作過程更加簡單便捷。在微蒸餾技術發展過程當中，眾多科研人員經過不斷的創新與探索，設計出了實用的微化工精餾技術，例如設計了分離亞硫酸分解產物二氧化硫的微化工精餾系統，采用芯片型平板微蒸餾裝置，實現了二氧化硫的高效分離，同樣也能夠檢測出二氧化硫的濃度。此外，Liu設計出平板式微蒸餾裝置，通過高壓蒸汽將甲醛輸送到冷凝管區域進行冷凝后收集，再通過比色檢測確定甲醛濃度。Hsu設計出多功能微芯片蒸餾裝置，能夠及時地檢測食品當中甲醛的含量，該設置包含蒸汽系統、冷凝系統、微芯片，通過優化蒸汽流速以及蒸餾時間等參數，可以提高整體的蒸餾效率，且誤差不超過4.3%，這一成果在食品有害物質檢測當中具有較高的實用性。眾多科研人員注意到微通道形狀對蒸餾效果的影響。國外科研人員通過改變入口連接角，發現通道長度對蒸餾效果的影響，并通過實驗比對和數據分析得出，通道的幾何形狀對精餾效果也有重要的影響。該研究為微化工精餾裝置的設計提供了理論依據。與傳統的精餾分析技術相比，常規的微化工精餾技術增大了比表面積，強化了傳熱性能，既提高了分離效率，又減少了空間的占用。然而，微化工精餾技術的應用范圍仍然有限。

3.2毛細管粒精餾技術

毛細管粒精餾技術作為一項新型的精餾技術，在化工制造中占據著重要的地位。在傳統的化工制造工藝中，氣液分散受慣性與重力的主導，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。在該技術中，可通過Bond數體現微分散體系與其他作用力的相對大小。當Bond數低于1時，界面張力占據主導地位，此時表現為毛細現象。基于該原理，液體能夠在毛細血管作用力下克服勢能差，實現氣液分離。同時，液體與毛細血管管壁的液固界面極性相互作用，改變液體混合物，以實現分離效果。眾多科研人員設計了多種微型精餾裝置，利用熱管原理實現液體與氣體的分離，并提高了分離效果。Huang設計出以毛細血管力為主導的精餾裝置，通過微芯材料引導液體流動。Sundberg設計了平板式的微精餾裝置，以泡沫金屬為傳導介質，實現將環乙烷和正己烷的分離。同時，硅玻璃微精餾芯片同樣是重要的應用之一。Lam應用不同通道結構的硅玻璃微晶硫芯片實現丙酮與水的分離，還發現超聲脫氣可以提高分離的效果。Foerster通過該微化工精餾芯片實現甲苯與甲苯醛分離的在線監測，為微化工精餾技術提供了新的思路。胡運通采用活性氧化鋁顆粒作為填料，借助對不同組分的吸附程度影響組分的活度系數，從而提高分離產品的純度以及分離的效率。該技術具有較高的環保與高效的特點，為后續的工程應用奠定了基礎，還保證填料可重復使用，降低了生產制造的成本。因此，毛細管粒微精餾技術在化工領域當中具有重要的應用前景和應用潛力，可以為化工產業注入新的活力。

3.3重力微化工精餾技術

重力微化工精餾技術是指在微尺度下，利用重力作用實現傳質傳熱過程的化工分離技術。重力微化工精餾技術是基于重力驅動液體流動，在微通道或微型設備中實現液體兩相逆流，達到傳質和傳熱的效果［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。當微通道的Bond數大于1時，重力占據主導地位，超越了界面力。而針對氣體來講，浮力則占據主導地位，超越了界面力。在該狀況下，液相流動依然受重力因素主導，冷凝的液體在重力的作用下回流與上升的蒸汽逆流接觸。國外團隊研發了平板式微化工精餾塔，其內部設置類似于傳統的精餾塔的踏板功能，在分離丙醇與正丁烷等應用中具有較高的應用前景。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。國外科研人員針對高純度氣體的需求，設計出了液化氣體凈化過程的分離性能，探討了在不同條件下小型填料塔對分離性能的影響，實驗結果表明隨著壓力溫度的增加，氣體與液體的傳質效果得到了進一步的增強。然而，揮發度隨著溫度的升高而逐漸下降，從而降低了分離效果。這兩個因素的綜合作用，決定了分離的效率。與傳統的精餾技術相比，高壓下的微化工高純液化氣精餾分離技術效果更佳且顯著，降低了能源消耗。Mardani團隊將3D打印技術融入微化工精餾技術領域當中，通過法蘭連接模塊化結構，在其內部通道填入填充材料。在分離實驗過程中，通過氣相色譜儀分析頂部和底部的物質構成。該分離效果顯著優于市面上的板式塔。與傳統的加工技術相比，3D打印技術更具靈活性。然而，分離的化學物質會對聚合物材料造成一定的損害。模塊化的設計能夠降低化學物相容性，與常規的精餾技術相比，重力微化工精餾技術在傳質傳熱上保持了一致性，以重力為驅動力，使加工方法更加靈活，實現更細的結構設計，對溫度和流量進行精準管控，為精餾技術帶來較多的便利。

3.4外力耦合微化工精餾技術

外力耦合微化工精餾技術是指在外力作用下強化精餾過程。除了微尺度本身強化微流效果之外，此技術還包括離心力、真空效應等眾多措施，進一步提高精餾效果。在傳統的精餾技術當中，膜蒸餾憑借成本低且能源利用率高的優勢，在廢物處理方面得到了廣泛的應用。多孔膜的應用領域也日益增加，如利用壓力驅動的真空微型蒸餾技術，能夠提取微量組分，在生命科學領域當中占據重要的地位。此外，通過施加離心力實現高黏度混合物的分離［4］。Adiche開發新型微分離器，結合氣掃式膜蒸餾原理，將甲醇與水進行有效的分離。膜作為氣液的物理分離器，并不對分離體系的醇或水具有特定的選擇功能。該實驗顯示載氣流量作為關鍵因素，能夠有效地降低溫度。極化效應在分離性能方面占據重要的地位。Zhang等人設計出利用多孔膜以及真空作用，將水與甲醇混合物進行分離的微芯片，通過調節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，通過精確地控制液體段和氣體段，并在分段流動過程當中建立氣液平衡。最終利用微分離器分離可實現閃蒸效果。實驗表明該裝置可通過串聯實現多級精餾。Maclnnes等人設計基于離心力的微化工精餾技術，在離心力與壓力的共同作用下，將氣液分離成兩層。該實驗與其他微化工精餾技術相比，具有快速的分離能力。但是離心力的產生，對技術要求較高，這在一定程度上限制了其發展。

4結語

介紹了微化工精餾技術的價值以及應用技術，根據驅動力，可以將微化工精餾技術分為毛細管粒重力、外力作用的微化工精餾技術、重力微化工精餾技術。微化工精餾技術通過物理或化學的技術，改變物系的性質，以實現混合物的分離。在發展過程當中，該技術不斷衍生出低能耗、低成本，向綠色環保方向轉變的趨勢，且研究方法向多學科交叉方面轉變，提高了微化工精餾技術水平。

參考文獻：

［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，2023.

［2］陳政潤.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，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，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］.四川林業科技，2022，43（3）：100-103.

作者簡介：左蕾，女，江蘇濱海人，講師，本科，研究方向：中職化工。