2.4.1　过程耦合技术

广义地讲，过程耦合技术是将两个或两个以上的单元操作或单元过程有机结合成一个完整的操作单元，进行联合操作的过程，如反应萃取、加盐萃取精馏、萃取发酵等。过程耦合不是单元操作或单元过程的简单的先后组合，而是有机结合在同一操作中完成的。合理设计耦合过程，对于提高过程的效率和经济性，开发环境友好过程都十分有效，而且可能获得单元操作或单元过程简单加和而无法得到的效果。因此，过程耦合技术的研究成为化工分离工程和化学反应工程的最为活跃的应用技术研究热点之一。

分离过程与分离过程的耦合可以形成新的分离过程。新的分离过程可以减少分离能耗，简化分离过程，提高分离效率，降低生产成本。

例如，萃取与反萃取耦合可以形成同级萃取反萃取过程。过程中萃取和反萃取同时进行、一步完成。待分离溶质从料液相向萃取相转移，同时又由萃取相向反萃相传递，它并不在萃取相中发生积累。因此，萃取相中溶质浓度总是达不到与料液水相平衡的浓度，存在一定的推动力，使传质过程持续进行。同级萃取反萃取过程存在的相平衡状态则体现为料液水相、萃取相和反萃水相之间的溶质的相平衡。

又如，精馏分离过程与结晶分离过程的耦合可以形成精馏-结晶耦合过程，利用这一过程分离二氯苯的同分异构体，过程效率出现明显的提高。有报道称，精馏-结晶耦合过程分离二氯苯比精馏法分离二氯苯节约投资近50％，减少塔顶的冷却负荷及降低塔底的能耗均超过50％^［15］。

再如，结晶过程与其他分离过程耦合可以出现盐析结晶过程、萃取结晶过程、乳化结晶过程等。溶剂预浸取-超临界流体萃取结晶组合分离过程，是将传统的溶剂预浸取与超临界CO₂梯度结晶技术有机结合，使多组分物质在预置的结晶器上结晶析出并形成梯度分布，在结晶器的不同部位获得相应组成的产物，未能结晶的部分可以在分离釜内利用超临界萃取进行分离^［15］。

分离过程与反应过程的耦合可以形成新的过程，这种新过程特别适用于强化各种可逆反应过程及存在产物抑制作用的反应过程等。

分离过程与反应过程的耦合过程的主要特点在于：反应产物不断地移出可以消除化学反应平衡对转化率的限制，最大限度地提高反应转化率；若连串反应的中间反应产物为目标产物时，中间产物的连续移出，避免发生连串反应，可以提高反应的选择性和目标产物的收率；生物反应和产物分离过程的耦合可以实现高底物浓度的发酵或酶转化，消除或减轻产物对生物催化剂的抑制，提高反应速率，延长生产周期；可以部分或全部省去产物分离过程及未反应物循环过程，简化工艺流程^{［16，17］}。

在工程中实现应用的分离-反应耦合过程有催化反应过程与蒸馏过程耦合的催化反应蒸馏过程，生化反应过程与萃取分离过程耦合的萃取发酵过程，反应过程与结晶过程耦合的反应结晶过程，络合反应过程与吸附分离过程耦合的络合吸附过程，在超临界萃取条件下的反应过程等。

过程耦合技术的实施可以使设备简化、流程缩短、能耗降低，同时提高转化率和选择性，它是强化过程的有效途径，是提高生产能力和过程效率的重要措施。

近年来，膜及膜技术的研究进展推动了耦合技术的发展，将膜过程与传统的分离过程或反应过程结合起来，形成新的耦合膜过程，如膜萃取过程、膜蒸馏过程、膜吸收过程、渗透汽化过程、膜生物反应过程，已经成为过程耦合技术的发展方向之一^［18］。

膜分离过程与蒸发过程耦合可以形成渗透汽化过程。渗透汽化是利用待分离的液体混合物中的组分在膜内溶解与扩散速率不同来实现分离的过程。过程推动力是膜两侧的组分蒸气压差。在渗透汽化过程中，膜的原料一侧为常压下的液体混合物，在渗透物一侧则需要维持很低的渗透物蒸气压，使渗透物以蒸气形式不断移出。可以采用载气吹扫或抽真空的方法来维持低压。渗透汽化过程中组分透过膜的传质过程主要包括原料侧膜的选择性吸附、透过膜的选择性扩散、渗透物侧脱附到蒸气相三个步骤。渗透汽化主要用于从液体混合物中分离或去除体系中的少量组分。例如，有机液体（如乙醇、异丙醇、乙酸乙酯等有机原料，汽油、苯、己烷等碳氢化合物，氯乙烯等含氯碳氢化合物）中少量水的脱除，水中少量有机物（如醇、酸、酯、酮以及含氯碳氢化合物）的脱除。渗透汽化不受组分间汽液平衡关系的限制且有很高的分离系数。当然，与水优先透过膜的研究相比较，有机物优先透过膜的研究起步较晚。可以预见，随着现代材料科学与技术的发展，有机物优先透过渗透汽化膜在水中少量有机物分离和有机物-有机物分离领域具有很大的发展潜力和应用价值。

膜过程与反应过程的耦合可以形成膜反应过程。膜反应过程可以分为两种形式：一种形式是膜介质只具备分离功能，例如，亲和-膜过滤过程，或者膜装置作为独立的分离单元与反应器联合操作；另一种形式是膜既具备分离功能，同时又作为反应器壁或催化剂载体具备催化功能，如酶膜反应器、亲和膜色谱等。