分离过程耦合强化

化工生产中原料来源广泛、产品质量要求高，待分离体系组成和传递机理复杂，其产品制备通常涉及多种分离单元操作过程，消耗大量能源。其中，精馏、蒸发、干燥等化工分离过程，其能耗占到了化工分离总能耗的80%，开发不依赖热量传递、不通过气（汽）液相变的分离过程，可以显著提高现有分离过程的效率，在石油化工、煤化工、造纸等行业尤为凸显，每年可降低数十亿元的能源消耗，减少数以亿吨计的二氧化碳排放量。同时，化工产业的不断升级，对化工产品精制技术、高端化学品生产要求不断提升，是对现有分离提纯过程的重大挑战和重要发展机遇。对这种产业升级的需求，在医药、精细化学品、特种电子级化学品等行业尤为显著。 《石化和化学工业发展规划（2016—2020年）》《工业绿色发展规划（2016—2020年）》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等均把高效分离材料与过程作为重点创新领域。

因此，在不断开发新型分离技术、研制高性能分离材料的同时，基于现有的化工分离技术，通过建立优势互补的高效耦合，强化化工分离过程，提高生产效率，降低过程能耗，减少废物排放，达到总体效益及环境影响小的目的，是推进化工产业向绿色、高效化升级的关键研究内容和重要发展方向。面向化工分离过程提质增效的分离过程耦合强化理论和应用研究，近年来受到科研人员、工程技术人员和生产管理人员的普遍重视，相关研究成果不断涌现，其过程设计理论、实践应用不断取得重要突破和跨越式发展。本书是本从强化原理出发，系统性阐述分离过程耦合强化在化工过程领域内研究和应用实施的专著。

本书是多项国家和省部级科技进步奖、中国专利奖、国际发明专利奖等成果的结晶，如获得国家科技进步奖的“膜法高效回收与减排化工行业挥发性有机气体”“含烃石化尾气梯级耦合膜分离技术的研发与工业应用”“高端医药产品精制结晶技术的研发与产业化”等。作为我国部全面、系统、具体地论述化工分离过程耦合强化理论和应用效果的专著，本书不论是对相关领域的技术研发、生产管理的从业者还是高等院校的广大师生，都有较强的指导作用和参考价值。真诚希望和期待本书能使广大读者从中获得启迪和裨益。

本书由大连理工大学牵头，联合天津大学共同编写。全书共八章，由贺高红、姜晓滨负责框架设计、草拟写作提纲和设置编写要求。章由贺高红、姜晓滨撰写；第二章由贺高红、阮雪华撰写，姜晓滨统稿；第三章由张永春、代岩、陈绍云撰写，姜晓滨统稿；第四章由张晓鹏撰写，姜晓滨统稿；第五章由龚俊波、姜晓滨、侯宝红撰写，贺高红统稿；第六章由姜晓滨、李祥村、陈婉婷撰写，贺高红统稿；第七章由肖武、阮雪华撰写，姜晓滨统稿；第八章由吴雪梅、焉晓明、李甜甜撰写，姜晓滨统稿。李鑫钢、郝红勋、李韡、侯宝红、张宁、潘昱、郑文姬、鲍军江等参与了全书审稿工作。在此衷心感谢杨元一教授、褚良银教授、范益群教授、巩金龙教授、刘洪来教授、马新宾教授、张正国教授等为本书撰写提供的支持与帮助！对为本书的出版做出贡献的所有人员表示诚挚的谢意。

本书力求理论与实践紧密结合、过程技术与过程强化紧密结合、过程与设备紧密结合，以确保展现学术性、系统性、原创性、新颖性和实用性。限于笔者水平，加之参编人员众多，虽经多次审查、讨论和修改，仍难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

著者　   　　

2020年3月　　

《分离过程耦合强化》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册，本书从化工分离过程原理入手，对耦合强化理论与方法进行梳理，通过典型化工过程耦合强化的原理阐述和应用案例分析,揭示化学工业中过程耦合强化的双重内涵（分离-分离过程耦合强化、分离-反应过程耦合强化）。

本书将重点围绕化工行业中具有代表性的化工VOCs治理（挥发性有机物治理）、温室气体减排和高效捕集提纯、工业烟道气综合治理、精细化学品、医药产品高纯分离、分离过程系统耦合强化、新型分离过程耦合装置等主题，按照关键问题剖析、强化原理阐述和应用实例分析的思路，对分离过程耦合强化在石油化工、能源、精细化工、医药、环保等工业中的实践应用进行了系统总结。全书设八章，内容包括绪论、化工挥发性有机物的分离过程耦合、CO2捕集及超纯制备的分离过程耦合强化、反应吸收耦合过程、反应结晶耦合过程、膜结晶耦合过程调控与强化、基于过程集成的分离过程系统设计与优化、新型分离-反应耦合过程强化装置。

《分离过程耦合强化》是作者多年的理论研究和实践应用的经验积累，是多项国家和省部级科技进步奖、优秀示范工程应用的成果结晶，所举的应用案例具有极强的典型性，所述的理论和方法逻辑性及实用性强，对于深入研究化工理论和解决工程实际问题均具有很好的指导意义，本书可供化工、材料、环境、生物及相关领域的科研人员、工程技术人员以及高等院校化工及相关专业研究生、本科生学习参考。

贺高红，女，1966年6月生，博士，二级教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，*“长江学者奖励计划”特聘教授，科技部重点领域创新团队负责人，中国化工学会会士。大连理工大学膜科学与技术研究开发中心主任。兼任中国化工学会化工过程强化专委会委员。1993年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获博士学位。同年进入大连理工大学，任教至今。多年来主要从事膜分离过程、环保和过程工业节能改造等方面的研究，研制的耐溶胀高性能气体分离膜已成功应用于炼厂气分离和有机蒸气回收等工业项目，打破了进口膜的垄断；开发出具有完全自主知识产权的梯级耦合回收技术和工艺包，为提高资源利用率、节能减排等做出了突出贡献。负责国家杰出青年科学基金、国家高技术研究发展计划（863 计划）项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目及重点项目等纵横向课题80余项。发表SCI/EI论文237/276篇，他引3000余次，申请/授权发明专利72/38项。参与和组织国际学术会议20余次，大会和邀请报告30余次。荣获国家科技进步二等奖2项（均排），获中国专利优秀奖、日内瓦国际发明展特别嘉许金奖、省部级科技奖励等10余项。荣获国务院政府特殊津贴、国家百千万人才工程、全国石油和化工优秀科技工作者等称号。

姜晓滨，男，1984年5月生，博士，教授，博士生导师，*“长江学者奖励计划”青年学者，现任辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室副主任。2012年毕业于天津大学化学工程专业，获博士学位。同年进入大连理工大学，任教至今。主要从事结晶、膜分离和新型耦合分离过程研究，重点突破高精度过饱和浓度调控、全色级溶液成核响应、晶体成核和生长耦合控制等瓶颈问题。实现系列高端专用化学品、化工资源膜法循环耦合回收等工业应用，应用成果涵盖石油化工、精细化工、电子信息、环保等行业，累计创效益超过3.5亿元/年。主持国家自然科学基金面上项目、国家重大科研仪器研制项目子课题、青年基金、企业研发项目等20余项。作为主要完成人，荣获国家科技进步二等奖1项，省部级奖励3项，国际发明展特别金奖1项。在AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、J. Membrane Sci.、Cryst. Growth Des.等发表论文50余篇。申请/授权中国发明专利28/11项，申请/授权PCT国际专利2/1项。AIChE Annual Meeting专题会议主席。荣获侯德榜化工科学技术青年奖（2019年）、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖（2019年）、全国石油和化工行业优秀科技工作者（2018年）等荣誉称号。

章　绪论 /1

节化工分离过程耦合强化简介 1

第二节分离过程耦合强化的主要特征及应用领域 2

第三节分离过程耦合强化的展望 5

参考文献   7

第二章　化工挥发性有机物的分离过程耦合 /8

节研究背景及意义 8

一、挥发性有机物来源 9

二、挥发性有机物回收减排技术 10

第二节关键问题 13

一、气体分离膜材料的筛选 13

二、非理想因素下膜分离过程的准确模拟 13

三、多级膜流程结构设计 14

第三节强化原理 16

一、基于气体临界性质预测膜的渗透选择性 16

二、多组分非理想单膜分离过程的有限元数学模型 29

三、多组分非理想双膜分离过程的有限差分数学模型 48

第四节应用实例 69

第五节小结与展望 80

一、小结 80

二、展望 81

参考文献 81

第三章　CO2捕集及超纯制备的分离过程耦合强化 /85

节研究背景及意义 85

第二节关键问题 86

第三节强化原理 86

第四节应用实例 92

一、面向CO2捕集分离的高性能混合基质膜 92

二、面向CO2捕集分离的高性能吸收、吸附材料 97

三、吸附-精馏-膜耦合过程用于CO2捕集和超纯化 98

第五节小结与展望 102

参考文献 102

第四章　反应吸收耦合过程 /109

节研究背景及意义 109

第二节关键问题 110

一、NOx的氧化与液相吸收技术的耦合及存在的问题 110

二、Hg0的氧化和吸收技术的耦合及存在的问题 111

第三节强化原理及应用实例 112

一、单一技术方法脱除NOx       112

二、氧化-吸收耦合法脱除NOx 118

三、单一技术方法脱除Hg0 129

四、氧化-吸收耦合法脱除Hg0 131

第四节小结与展望 137

参考文献 137

第五章　反应结晶耦合过程 /143

节研究背景及意义 143

第二节关键问题 144

第三节强化原理 144

一、混合 145

二、成核 146

第四节应用实例 152

一、锂离子电池正极材料 152

二、无机粉体材料 153

三、医药产品 154

四、环境保护领域的应用 158

第五节小结与展望 159

参考文献 159

第六章　膜结晶耦合过程调控与强化 /163

节研究背景及意义 163

第二节关键问题和影响因素 164

一、膜组件 164

二、运行条件 166

三、膜材料性能 168

四、耦合结晶工艺控制 172

第三节强化原理 173

一、膜蒸馏中的传质和传热 173

二、膜结晶过程中的结晶模型 175

三、介稳区宽度调控及成核强化原理 178

第四节应用实例 180

一、工业废水治理 180

二、高浓度盐水的脱盐结晶调控 183

三、高通量抗污染膜蒸馏结晶过程研发 191

四、成核检测和介稳区宽度测量 195

五、溶析结晶的混合和成核促进 197

六、蛋白质结晶和仿生晶体超结构制备 200

第五节小结与展望 204

参考文献 205

第七章　基于过程集成的分离过程系统设计与优化 /215

节研究背景及意义 215

第二节分离过程集成原理 217

一、分离过程的能耗和热力学效率 217

二、分离过程的节能措施 220

三、膜分离过程的能耗和热力学效率 220

四、热力学分析指导多级膜分离过程结构的优化 223

五、耦合分离序列优化设计 227

第三节基于过程集成的分离耦合工艺应用实例 236

一、精馏和过程系统集成 236

二、精馏和热泵集成 237

三、精馏与精馏单元的能量集成 239

四、膜蒸馏和过程余热集成 239

五、膜分离和变压吸附耦合过程 242

六、膜分离、压缩和冷凝单元集成 243

七、氢膜、有机蒸气膜、浅冷和精馏单元集成 244

第四节小结与展望 245

一、小结 245

二、展望 246

参考文献 246

第八章　新型分离-反应耦合过程强化装置 /249

节研究背景及意义 249

一、氢气的分离 249

二、加氢反应 251

第二节关键问题 251

一、电化学氢泵关键材料的本征设计 252

二、电化学氢泵耦合过程的匹配与协同强化 252

第三节强化原理 252

一、电化学氢泵的结构及核心膜电极组件 253

二、电化学氢泵的氢分离原理 255

三、电化学氢泵的加氢反应原理 257

第四节应用实例 257

一、氢分离与加氢反应耦合强化 258

二、电化学氢泵的脱氢与加氢双反应耦合 264

三、电化学氢泵一步加氢酯化 267

第五节小结与展望 270

一、小结 270

二、展望 271

参考文献 271

索引 /275

《分离过程耦合强化》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册，本书从化工分离过程原理入手，对耦合强化理论与方法进行梳理，通过典型化工过程耦合强化的原理阐述和应用案例分析,揭示化学工业中过程耦合强化的双重内涵（分离-分离过程耦合强化、分离-反应过程耦合强化）。

本书将重点围绕化工行业中具有代表性的化工VOCs治理（挥发性有机物治理）、温室气体减排和高效捕集提纯、工业烟道气综合治理、精细化学品、医药产品高纯分离、分离过程系统耦合强化、新型分离过程耦合装置等主题，按照关键问题剖析、强化原理阐述和应用实例分析的思路，对分离过程耦合强化在石油化工、能源、精细化工、医药、环保等工业中的实践应用进行了系统总结。全书设八章，内容包括绪论、化工挥发性有机物的分离过程耦合、CO2捕集及超纯制备的分离过程耦合强化、反应吸收耦合过程、反应结晶耦合过程、膜结晶耦合过程调控与强化、基于过程集成的分离过程系统设计与优化、新型分离-反应耦合过程强化装置。

《分离过程耦合强化》是作者多年的理论研究和实践应用的经验积累，是多项国家和省部级科技进步奖、优秀示范工程应用的成果结晶，所举的应用案例具有极强的典型性，所述的理论和方法逻辑性及实用性强，对于深入研究化工理论和解决工程实际问题均具有很好的指导意义，本书可供化工、材料、环境、生物及相关领域的科研人员、工程技术人员以及高等院校化工及相关专业研究生、本科生学习参考。

贺高红，女，1966年6月生，博士，二级教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，*“长江学者奖励计划”特聘教授，科技部重点领域创新团队负责人，中国化工学会会士。大连理工大学膜科学与技术研究开发中心主任。兼任中国化工学会化工过程强化专委会委员。1993年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获博士学位。同年进入大连理工大学，任教至今。多年来主要从事膜分离过程、环保和过程工业节能改造等方面的研究，研制的耐溶胀高性能气体分离膜已成功应用于炼厂气分离和有机蒸气回收等工业项目，打破了进口膜的垄断；开发出具有完全自主知识产权的梯级耦合回收技术和工艺包，为提高资源利用率、节能减排等做出了突出贡献。负责国家杰出青年科学基金、国家高技术研究发展计划（863 计划）项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目及重点项目等纵横向课题80余项。发表SCI/EI论文237/276篇，他引3000余次，申请/授权发明专利72/38项。参与和组织国际学术会议20余次，大会和邀请报告30余次。荣获国家科技进步二等奖2项（均排），获中国专利优秀奖、日内瓦国际发明展特别嘉许金奖、省部级科技奖励等10余项。荣获国务院政府特殊津贴、国家百千万人才工程、全国石油和化工优秀科技工作者等称号。

姜晓滨，男，1984年5月生，博士，教授，博士生导师，*“长江学者奖励计划”青年学者，现任辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室副主任。2012年毕业于天津大学化学工程专业，获博士学位。同年进入大连理工大学，任教至今。主要从事结晶、膜分离和新型耦合分离过程研究，重点突破高精度过饱和浓度调控、全色级溶液成核响应、晶体成核和生长耦合控制等瓶颈问题。实现系列高端专用化学品、化工资源膜法循环耦合回收等工业应用，应用成果涵盖石油化工、精细化工、电子信息、环保等行业，累计创效益超过3.5亿元/年。主持国家自然科学基金面上项目、国家重大科研仪器研制项目子课题、青年基金、企业研发项目等20余项。作为主要完成人，荣获国家科技进步二等奖1项，省部级奖励3项，国际发明展特别金奖1项。在AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、J. Membrane Sci.、Cryst. Growth Des.等发表论文50余篇。申请/授权中国发明专利28/11项，申请/授权PCT国际专利2/1项。AIChE Annual Meeting专题会议主席。荣获侯德榜化工科学技术青年奖（2019年）、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖（2019年）、全国石油和化工行业优秀科技工作者（2018年）等荣誉称号。