6.3. Методы разделения и принципы их выбора

В производствах основного органического и нефтехимического синтеза применяются практически все известные методы разделения многокомпонентных смесей на чистые компоненты или фракции веществ. Это обусловлено постоянным расширением номенклатуры продуктов промышленного органического синтеза, широким диапазоном свойств синтезируемых веществ и повышением требований к их чистоте.

Так как при синтезе того или иного продукта получаются сложные многокомпонентные смеси, часто в одном производстве используется несколько методов разделения. Если получаемая смесь многофазна, то на первой стадии производится разделение фаз. Отделенные одна от другой фазы подвергаются дальнейшему разделению на чистые компоненты или фракции, имеющие товарную ценность.

Все методы разделения распадаются на три большие группы:

1) методы, основанные на различных физических свойствах разделяемых веществ;

2) методы, основанные на фазовых переходах первого рода;

3) методы, основанные на применении химических реакций.

К первой группе методов относятся: осаждение твердых частиц под действием инерционных сил, фильтрование твердых частиц, очистка газов от пыли промыванием, осаждение частиц в поле электростатических сил и др.

Использование того или иного метода второй группы чаще всего определяется фазовым состоянием разделяемых веществ. Классификация методов второй группы была предложена В. С. Хайловым и Б. Б. Брандтом. Основные методы разделения, относящиеся к этой группе, применяемые для смесей разного фазового состояния, приведены ниже:

Смеси жидких продуктов	Дистилляция, различные виды ректификации, экстракция, кристаллизация, диффузия через мембраны
Газовые или парогазовые смеси	Парциальная конденсация, различные виды ректификации, абсорбция, адсорбция, диффузия через пористые и непористые мембраны
Растворы твердых продуктов	Экстракция, выпаривание, кристаллизация, адсорбция, диализ, электродиализ
Смеси твердых продуктов	Кристаллизация и перекристаллизация из растворов, сублимация (возгонка), зонная плавка.

К третьей группе методов относится хемосорбция и все типы совмещенных реакционно-массообменных процессов, в которых сначала образуется новое соединение с веществами, подлежащими выделению, а потом это соединение разлагается с выделением целевого компонента.

В технологии основного органического и нефтехимического синтеза наиболее часто используются процессы дистилляции, ректификации, экстракции, абсорбции и парциальной конденсации. Остальные методы используются при разделении различных смесей в малотоннажных производствах.

Все методы, основанные на фазовых переходах, можно разделить на два класса.

К первому классу относятся методы, с помощью которых можно непосредственно разделять исходную смесь.

Ко второму классу относятся методы, для осуществления которых необходимо вводить в исходную смесь новые вещества, которые или растворимы в смеси, подвергаемой разделению, или образуют новую фазу. Методы, связанные с добавлением в исходную систему различных веществ, приведены ниже:

Методы, осуществляемые с добавлением в исходную смесь новых, растворимых в ней веществ	Экстрактивная ректификация, азеотропная ректификация, экстракция (введение растворителя), кристаллизация из специально приготовленного раствора
Методы, в которых введенное вещество образует новую фазу	Абсорбция, гетероазеотропная ректификация, адсорбция, перенгонка в токе инертного газа или перегретого пара, экстракция специально подобранным экстрагентом

За исключением перегонки в токе инертного газа или перегретого пара, в которой добавляемое в систему вещество понижает парциальное давление отгоняемого вещества и, следовательно, понижает температуру перегонки, все остальные приведенные методы связаны со специфическими взаимодействиями добавляемого вещества с компонентами разделяемой смеси,

Задача сводится к подбору вещества со специфическими свойствами, которое бы увеличивало коэффициент распределения одного компонента и уменьшало другого, тем самым увеличивая коэффициент относительного распределения веществ между фазами.

Различные методы разделения, основанные на фазовых переходах, различаются своей универсальностью. На основании одних методов можно целиком построить схему разделения. Такие схемы называют однородными схемами разделения, а сами методы обладают большой степенью универсальности. К методам такого типа относится, например, ректификация и ее различные виды. Другие методы обладают меньшей универсальностью, и их использование приводит, как правило, к неоднородной схеме разделения, т.е. к необходимости привлечения по крайней мере еще одного метода. Например, абсорбция сопровождается десорбцией, адсорбция — также десорбцией, экстракция — ректификацией и т.д. Обычно к этой группе относятся методы, в результате использования которых получаются новые растворы или смеси, которые подлежат дальнейшему разделению.

Иногда методы разделения, основанные на использовании химических реакций, относят к методам, связанным с добавлением новых веществ в разделяемую смесь. Основанием для такой классификации служит тот факт, что добавляемые вещества могут вступать с компонентами разделяемой смеси в специфические межмолекулярные взаимодействия: донорно-акцепторные, образование водородных связей, -комплексов, а также образование стойких химических соединений. Для использования химических методов разделения необходимо изучить кинетику протекающей химической реакции, а также выбрать способ разложения получаемого химического соединения на последующих стадиях с выделением целевого продукта.

Из методов, базирующихся на перераспределении вещества в среде, наиболее широкое распространение могут получить следующие: разделение испарением через полунепроницаемую мембрану, ультрафильтрация и обратный осмос.

При создании схемы разделения инженер-технолог, исходя из поставленных целей, вынужден обращаться к различным методам, учитывая их возможности. Необходимо также учитывать: свойства разделяемой смеси, ее агрегатное состояние, число фаз, степень идеальности; возможность достижения заданного разделения, требуемых чистоты выделяемых веществ и выхода по целевым продуктам и фракциям; энергоемкость того или иного метода; экологическую чистоту метода; возможность организации непрерывного процесса разделения; возможность выбора аппаратов необходимой единичной мощности; простоту в управлении процессом разделения.