1.3　分离过程的分类

分离过程可用图1-2来简单表示。一个分离过程通常是指将混合物原料中的某一个、多个或全部组分相互分离，生产出能够满足市场要求的一个或多个产物的过程。要完成这样一个过程，需要使用分离剂或利用外界的能量（或称驱动力）以及合适的分离装置来完成。原料是待分离的混合物，它可以是单相或多相体系，但至少含有两个组分；产物为分离所得的产品，它可以是一个，也可以有多个，其组分彼此不同；分离剂为加到分离装置中使过程得以实现的物质；驱动力是外加能量供给设备和反应所产生的，它可以通过分离剂，如蒸气等带入体系，也可以是外界能量直接加到分离体系的；分离装置是分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可以包括从原料到产品之间的整个流程中所使用的设备。

图1-2　分离过程示意图

按分离过程的原理来分，分离技术可分为机械分离和传质分离两大类。

1.3.1　机械分离

利用机械力简单地将两相混合物相互分离的过程称为机械分离过程，两相混合物被分离时相间无物质传递发生。表1-2为几种典型的机械分离过程。

表1-2　几种典型的机械分离过程

1.3.2　传质分离

传质分离是基于物质在同一相中或不同相之间由于传质的差异来实现的分离过程，可分为平衡分离过程和速率控制分离过程两大类。平衡分离过程是依据被分离组分在两相的平衡分配组成差异进行的分离过程，常采用平衡级概念作为设计基础，如表1-3的精馏、吸收、萃取、吸附等几种典型平衡分离过程。速率控制分离过程是依据被分离组分在均相中的传递速率差异而进行分离的。

表1-3　几种典型的平衡分离过程

表1-4中所示的典型速率控制过程，其分离驱动力大多为压力或温度梯度。膜分离技术是近十几年来研究较多、发展较快的一种速率控制分离过程。此外还有用场作为驱动力的速率控制过程，例如，超速离心分离、电沉降、高梯度磁分离以及质谱分离等。

表1-4　几种典型的速率控制分离过程

1.3.3　分离化学与技术

事实上，我们还可以根据分离过程是否存在化学反应和化学作用将分离分为化学分离和物理分离两大类。一般来讲，我们把单纯依据物质的物理性质差异来完成的分离称为物理分离。这些物理性质包括：密度、颗粒大小、比磁化系数、溶解度、熔沸点、蒸气压等。实际上，在化学分离中也需要利用物质的物理性质差异来完成。只是在化学分离中，必须存在着一个或多个反应，或涉及分子、离子之间的相互作用，并通过这些反应和相互作用来改变被分离对象的物理性质，进而达到高效分离的目的。在分离后的产物中，它们可以保持与原始物质相同的化学形态，也可以是另外一种物质形式。例如：物质在两相之间的分配，其直观的印象是物质在两相中的溶解度不同，是物理性质的差异。但这种物理性质的差异是由于分子之间的相互作用力不同所产生的，是化学键和分子间弱相互作用的结果，这里涉及界面能或空腔能等与分子化学性质相关的热力学参数，是物理化学研究的主要内容。因此，本书所涉及的分离化学与技术内容不是单纯的以是否有化学反应发生为判据，而是以化学反应和分子、离子、原子等微观层次的物理化学作用为基础来开展讨论的。

在分离化学中，除了关注分离过程中的一些直接的化学反应外，例如沉淀反应、配位反应、离子交换反应、氧化还原反应等等，更多的是关注物质在两相之间的迁移和分布，还涉及物质在表面和界面上的化学作用问题，主要是物理化学问题和化学平衡问题。基于不同物质发生上述反应的差异性、在不同相中的相容性差异和界表面处的行为差异，可以实现物质之间的分离。差异越大，分离就越容易。因此，在无机化学、有机化学和物理化学中使用的各种研究方法均可用于研究分离化学。例如：分离过程的热力学问题主要涉及的是分离过程的能量、热量与功的守恒与转化问题（通过自由能、熵、化学势的变化来判断分离过程进行的方向和限度），分离过程中物质的平衡与分布问题（结合分子间相互作用与分子结构关系的研究，选择和建立高效分离体系，使分离过程的效率更高）和分离过程动力学问题（物质在输运过程的运动规律，即分离体系中组分迁移和扩散的基本性质和规律）。因此，分离化学的基础主要是无机化学、物理化学和化工原理，包括各种物质的性质和化学反应、热力学、动力学、化学平衡、分子结构与分子间作用力、分子迁移（菲克第一定律）、带迁移（菲克第二定律）、流体迁移与扩散等等。这些内容在大学的基础课中都已经学习过了，在此不单独去讨论。但在后续各章中，会结合具体的内容从化学的角度来进行相关的讨论和介绍。