模拟移动床吸附分离技术
李泽1，王杰1，刘瑞娟2，李春增1
（1.烟台大学化111-1，；2.烟台大学化111-2）
摘要：模拟移动床作为一种高效的吸附分离技术一直备受关注，其应用领域从石油化工领域逐步延伸至制药行业，用于手性药物和生物制品的分离。本文主要介绍了模拟移动床的工作原理、工艺流程、优缺点、应用领域和发展前景及存在的问题。 关键词：吸附分离；吸附剂；吸附机理；模拟移动床
1. 引言（Introduction）
模拟移动床（simulated moving bed，SMB）是UOP 公司于 1961年提出的一种吸附分离技术，它实现了色谱分离的连续操作，在产品浓度、产率溶剂消耗等诸多方面明显优于间歇洗脱式制备色谱。SMB 最初用于石油化工和制糖工业-，随后被成功引入到制药行业，用于分离手性药物和生物制品，由此获得广泛关注。
2. 正文（Text）
1.1. 模拟移动床概述（Summary of SMB）
模拟移动床（SMB）是在移动床的基础上发展起来的一种新型的现代化分离技术。是一种利用吸附原理进行液体分离操作的传质设备，是属于连续逆流吸附一种，常在液体吸附分离时使用。以逆流连续操作方式，通过变换固定床吸咐设备的物料进出口位置，产生相当于吸附剂连续向下移动，而物料连续向上移动的效果。
模拟移动床分离装置可分为两大类：分离塔固定式和分离塔旋转式。 分离塔固定式依进出料液流分配方式又分为多通旋转分配阀式（以UOP公司）和多个两通阀式。分离塔旋转式是分离塔与旋转阀动盘一起同步旋转。不同类型的模拟移动床分离装置各有特点，可据装置的规模和条件进行类型选择。
1.2. 模拟移动床的发展(The development of SMB)
该技术在20世纪70年代到80年代主要用于石油产品的分离，其本身就是在研究分离石油产品的过程中发展起来的。
1969年美国UOP公司将模拟移动床色谱技术用于分离对二甲苯和间二甲苯，该分离过程被其成为Parex过程。
同时UOP公司还将该技术应用于其他工业级的石油产品的分离过程中。如：对甲苯酚和间甲苯酚的分离；从C8芳香族化合物中分离出乙苯；从煤油C4烯烃混合物中分离丁烯等。
几十年来随着科学技术的发展，其结构更加合理和完善，依各专业的需要其形式更加多样化。现在设备构成中的阀门可以是几个至几百个双向阀的组合，或者是单一的多通旋转分
配阀。色谱柱的构成可以是整个一个或两个组合体，而另一种为单个柱的组合。还有色谱柱可以是固定式，也可以是移动式。由于全自动的需要，现在其控制部分已用上单板机工业控制系统。
1.3. 操作原理（principle of operation）
图 1：模拟移动床工作原理
模拟移动床过程通称Sorbex，把固定吸附床分为许多段（常为24段），段内装有吸附剂，段间液体不能直接流通。每段均装有进出口管道（进出两用），由中央控制装置控制其进出。24个进出口中的20个只起段间联系的作用，另四个供四股物料的进入或离出，某一瞬间的物料进出口位置（如图1所示）把整个吸附床层分成了四个区，各区距离不等长，每段相际传质也不同。由于模拟移动床技术是在固定床的基础上模拟了移动床的效果，所以我们从移动床的角度看一下模拟移动床技术的分离原理。
如上图所示A为强被吸附组分，B为弱被吸附组分，D为解吸剂。进料是A和B的两元混合物，同时必须采用解吸剂D，解吸剂与进料混合物中的最强组分一样被吸附，而且能够通过蒸馏很容易的从混合物组分中分离出来。在此系统中吸附强度次序是D>A>B。吸附床分四个区域。
I. 区（A的吸附）：处于进料口与抽余液之间，主要是从混合物中吸附A。
II. 区（B的解吸）：处于抽出液和进料口之间，主要是从吸附剂中脱附出B，靠调节II 区的流体流量，B可完全从吸附剂中脱附出来，而A是不会完全脱附的。
III. 区（A的脱附）：处于抽出液和脱附剂之间，即由脱附剂D从吸附剂中置换出A来。 同时从III区底部抽出部分流体作为抽出液，其余部分向下流进II去起到回流液的作用。
IV. 区（D的部分解吸）：位于解吸剂与抽余液之间，在这个区，液相中的B被吸附剂吸 附，解吸剂D被部分解吸，并与新鲜解吸剂进入III区，达到减少新鲜解吸剂循环量的目的。
模拟移动床是利用一定的机构（如旋转阀或切换阀），使四个物料的进出口以与固相浓度的变化同步的速度上移。这样，构成一闭合回路，其总的结果与保持进出口位置不动，而固体吸附剂在吸附器中自上而下移动的效果基本相同。
目前在实际生产装置中，又有一些新的改进。由模拟移动床分离出来的吸附液(A+D)与吸余液(B+D)，分别精馏后即可得纯A和纯B，解吸剂D可以循环使用。 1.4. 工艺流程（process flow）
图 2：模拟移动床工艺流程
图2为用于吸附分离的模拟移动床操作示意图，吸附塔一般有24个塔节组成，每个塔节通过管线与24通旋转分配阀连接，在程序控制下，通过旋转阀的步进，定期启闭切换吸附塔各塔节进出料和解吸剂阀门，同步改变进料位置，使各液流进出口位置不断发生变化，改变流体流过床层方向上抽出的位置，就模拟了固体吸附剂在相反方向上的移动，而实际上固体吸附剂是不移动的。从而达到连续操作的目的，工艺后续还包括两个用于分离解吸剂D的精馏塔。
模拟移动床的关键是解吸剂的选择和转换物流方向的旋转阀门，特别是后者。通过旋转阀接到固定床的多个进出口管路定期地转换，并连接阀面所示的四根管线，在任一特定时刻，只有四根进出管线是打开的，这些管线然后又旋转到相邻的位置。图2表示了管线3，9，17，23在工作时的流动情况。当旋转阀的旋转元件移动到他的下一个位置是，每一个流动网转移到相邻的管线，因此，就作用而言吸附床是不分顶和底的。
图1表明在移动床操作中，在4个区的每一个中液体流量是不同的，这是因为添加或抽出不同的流体。在图2所示的位置，泵是在抽余液和解吸剂端口之间，因为应该以适宜于区
IV的流量泵送。然而，在下一次切换旋转阀以后，泵是在进料和抽余液端口之间，因此应该以适合于I的流量泵送。简而言之，循环泵必须按程序泵送4种不同的流量。每次外部流体从管23切换到管线1时就改变控制点。
在图2所示的操作中，在固定进料速率的情况下主要的控制变量有循环时间，它是由旋转阀旋转一整圈所需时间来测量的（这个旋转类似于实际移动床系统中吸附剂的旋转速率），控制变量还有区II，III和Ⅳ中的液体流量。当这些控制变量规定后，所有其他流入和流出床层的速率和液体循环泵所需要的速率顺序就固定了。
温度和压力并不认为是主要的操作变量；将温度设置得尽量高以加快传质速率，而压力也尽量高以避免蒸发。在液相操作中，与气相操作不同，需要的床层温度与原料的沸腾范围没有关系，当处理热敏感的原料时这是一个优点。
1.5. 模拟移动床优缺点（advantage and disadvantage） 优点（advantage）
1. 既具有固定床良好的填充性能，又具有移动床可连续操作的优点。 2. 生产能力和分离效率比固定吸附床高。
3. 克服了移动床吸附剂磨损、碎片或粉尘堵塞设备或管道以及固体颗粒缝间的沟流 的缺点。
4. 可以高效、廉价地分离那些物理性质和化学性质非常相似的且用一般分离方法难以分离的混合物。
5. SMB易于实现自动化操作，制备效率高，制备量大。 缺点（disadvantage）
1. 分离机理复杂，对不同的产品其分离过程不尽相同，因此普遍存在自动化程度不高和难以优化的缺点。
2. 在分离高浓度原料产品纯度较高时，吸附分离难以适应。 3. 生产设备复杂。
4. 吸附过程使用解吸剂，增加能耗。
1.6. 模拟移动床的应用（Application of SMB）
SMB采用连续操作手段，易于实现自动化操作，制备效率高，制备量大，因而在石油化工领域，精细化工，食品工业，制药工业（特别是手性药物）等诸多领域发挥很大作用。SMB分离技术的典型应用领域有：结构异构体的分离制备；糖类的分离制备；光学对映体的分离制备。在各个领域的具体应用如表1所示
第一个UOP Sorbex工艺在1962年以UOP Molex工艺申请了专利，是用于从支链烷烃、环烷烃和芳烃中分离n-烷烃。这个装置在1964年建成，它的产品同于制造生物可降解的清洁剂。自那以后，投入运行的大约有80个装置，用于不同的用途，每年生产的产品超过8百万吨。在工业应用中最大的吸附剂床层直径为6.7m，到到这个性能是因为特别注意了大型吸附
剂床层的内部设计而保证了液体良好的分布和均匀的流动。在UOP Sorbex工艺设计中进一步的改进使杂志从百分之十几减少到万分之几。
石油化工烃分离
正构烷烃与异构烷烃 对二甲苯与其它C8芳烃 间二甲苯与其它C8芳烃
糖及糖醇分离
果糖与葡萄糖 木糖与阿拉伯糖 木糖与木糖醇 山梨醇与甘露醇 右旋糖苷分离
脱盐
葡萄糖与氯化钠 蛋白质与硫酸铵 甘油与氯化钠
蛋白质纯化
分子筛 分子筛 分子筛 离子交换树脂 离子交换树脂 离子交换树脂 离子交换树脂 硅胶 离子延迟
离子交换树脂
猪胰脏提取物中分离胰蛋白酶 亲和力 人血白蛋白分离 肌球素与溶解酵素 环孢霉素A ，与杂质
两柱 吸附
硅胶反相或吸附 双离子排斥柱 离子交换树脂 硅胶 配位体交换
反相，正相或手性固定相
离子分子分离 糖密中分离甜菜碱 L-谷胱甘肽与谷氨酸
有机溶剂分离 C16-C22脂肪酸甲酯 植醇立体异构体
光学异构体分离 苏氨酸异构体 环氧化物非对映体
表 1：SMB技术的应用领域
1.7. 模拟移动床的指标（Parameters of SMB）
评价吸附分离的指标有：①吸附质的回收率（当吸附质是有价值的物料时）或吸附质的净化率（当吸附质是有害杂质时）；②设备的操作强度，即单位设备体积所能处理的混合气体或溶液的流量；③能量消耗，包括输送物料和吸附剂的能耗，脱附时升温的热能消耗等。
吸附剂的平衡吸附量和吸附选择性对吸附操作的上述指标都有决定性的影响，选用平衡吸附量大、吸附选择性高的吸附剂可以显著改善过程的经济性。此外，吸附剂的用量以及操作的温度和压力，对上述指标有重要影响，必须谨慎决定。
评价模拟移动床的指标有：柱数、柱长、柱径和柱压降以及分离强度、分离纯度、分离