1、分子蒸餾技術(shù),分子蒸餾是一項(xiàng)較新的尚未廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的分離技術(shù)，能解決大量常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問題。分子蒸餾是一種特殊的液液分離技術(shù)，能在極高真空下操作，它依據(jù)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別，能使液體在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)的溫度下將其分離，特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物系的分離。,1.分子蒸餾的基本原理,1.1 分子運(yùn)動(dòng)平均自由程 任一分子在運(yùn)動(dòng)過程中都在不斷變化自由程，在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值為平均自由程。設(shè)Vm為某一分子的平均速度；f為碰撞頻率；m為平均自由程。 則m=Vm/ff=Vm/m 由熱力學(xué)原理可知， 式中，d為分子有效直徑；P為分子所處空間的壓強(qiáng)；T為分子所處環(huán)境的溫度；K為

2、波爾茲曼常數(shù)。則,1.2分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的分布規(guī)律 分子運(yùn)動(dòng)自由程的分布規(guī)律可表示為 F=1e -/m 式中，F(xiàn)為自由程小于或等于的概率；m為分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程；為分子運(yùn)動(dòng)自由程。由公式可以得出，對(duì)于一群相同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)分子，其自由程等于或大于平均自由程m的概率為 1Fe-/me-136.8,1.3分子蒸餾的基本原理 由分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的公式可以看出，不同種類的分子，由于其分子有效直徑不同，其平均自由程也不相同，換句話說，不同種類的分子逸出液面后不與其他分子碰撞的飛行距離是不相同的。 分子蒸餾技術(shù)正是利用不同種類分子逸出液面后平均自由程不同的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。輕分子的平均自由程大，重分子的平均

3、自由程小，若在離液面小于輕分子的平均自由程而大于重分子平均自由程處設(shè)置一冷凝面，使得輕分子落在冷凝面上被冷凝，而重分子因達(dá)不到冷凝面而返回原來液面，這樣混合物就分離了。,2. 分子蒸餾過程及其特點(diǎn),2.1 分子蒸餾過程 分子由液相主體至冷凝面上冷凝的過程需經(jīng)歷四個(gè)步驟： 內(nèi)擴(kuò)散自由蒸發(fā)飛射冷凝,(1)內(nèi)擴(kuò)散：分子由液相主體擴(kuò)散至蒸發(fā)面的擴(kuò)散速率。該步驟的速率是控制分子蒸餾速度的主要因素，因此在設(shè)備設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能減薄液層的厚度并強(qiáng)化液層的流動(dòng)。 (2)自由蒸發(fā)：分子在液層表面上的自由蒸發(fā)。蒸發(fā)速率隨溫度的升高而增大，但分離因子有時(shí)卻隨溫度的升高而下降。因此,應(yīng)根據(jù)組分的熱穩(wěn)定性、分離要求等具體

4、情況，選擇適宜操作溫度。,(3)飛射：蒸氣分子由蒸發(fā)面向冷凝面飛射過程中，蒸氣分子均具有相同的運(yùn)動(dòng)方向，相互碰撞對(duì)飛射方向和蒸發(fā)速率影響不大。但殘存的空氣分子呈雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其數(shù)量的多少對(duì)蒸發(fā)分子的飛射方向及蒸發(fā)速率均有重要的影響。因此，分子蒸餾過程必須在足夠高的真空度下進(jìn)行。,(4)冷凝：即蒸汽分子在冷凝面上冷凝。為使該步驟能夠快速完成，應(yīng)采用光滑且形狀合理的冷凝面，并保證蒸發(fā)面與冷凝面之間有足夠的溫度差(一般應(yīng)大于60)。,2.2.1 分子蒸餾的操作真空度高 由于分子蒸餾的冷熱面間的間距小于輕分子的平均自由程, 輕分子幾乎沒有壓力降就達(dá)到冷凝面, 使蒸發(fā)面的實(shí)際操作真空度比傳統(tǒng)真空

5、蒸餾的操作真空度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。分子蒸餾的操作殘壓一般約為110-1Pa數(shù)量級(jí).,2.2 分子蒸餾技術(shù)的特點(diǎn),2.2.2 分子蒸餾的操作溫度低 分子蒸餾依靠分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)分離, 并不需要達(dá)到物料的沸點(diǎn)(遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)) , 加之分子蒸餾的操作真空度更高, 這又進(jìn)一步降低了操作溫度。如某液體混合物在真空蒸餾時(shí)的操作溫度為260 , 而分子蒸餾僅為150 左右。,2.2.3 分子蒸餾的物料受熱時(shí)間短 分子蒸餾在蒸發(fā)過程中, 物料被強(qiáng)制形成很薄的液膜, 并被定向推動(dòng), 使得液體在分離器中停留時(shí)間很短(以秒計(jì)) 。特別是輕分子, 一經(jīng)逸出就馬上冷凝, 受熱時(shí)間更短, 一般為幾秒或十幾秒。這

6、樣使物料的熱損傷很小, 特別對(duì)熱敏性物質(zhì)的凈化過程提供了傳統(tǒng)蒸餾無法比擬的優(yōu)越條件。,2.2.4 不可逆性 普通蒸餾是蒸發(fā)與冷凝的可逆過程,液相和氣相間可以形成互相平衡狀態(tài)。而分子蒸餾過程中,從蒸發(fā)表面逸出的分子直接飛射到冷凝面上,中間不與其它分子發(fā)生碰撞,理論上沒有返回蒸發(fā)面的可能性,所以,分子蒸餾是不可逆的。,2.2.5 沒有沸騰鼓泡現(xiàn)象 普通蒸餾有鼓泡、沸騰現(xiàn)象,分子蒸餾是液層表面上的自由蒸發(fā),在低壓力下進(jìn)行,液體中無溶解的空氣,因此在蒸餾過程中不能使整個(gè)液體沸騰,沒有鼓泡現(xiàn)象。,2.2.6 分子蒸餾的分離程度 分子蒸餾常常用來分離常規(guī)蒸餾難以 分離的物質(zhì)，而且就 兩種方法均能分的物質(zhì)而

7、言，分子蒸餾的分離程度更高。 2.2.7 無毒、無害、無污染、無殘留 產(chǎn)物純凈安全，且操作工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少。,分子蒸餾的特點(diǎn)決定了它在實(shí)際應(yīng)用中較傳統(tǒng)技術(shù)有以下明顯的優(yōu)勢(shì)： (1)由于分子蒸餾真空度高，操作溫度低且受熱時(shí)間短，對(duì)于高沸點(diǎn)和熱敏性及易氧化物料的分離，有常規(guī)方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，能極好地保證物料的天然品質(zhì)。可被廣泛應(yīng)用于天然物質(zhì)的提取。(2)分子蒸餾不僅能有效地去除液體中的低分子物質(zhì)(如：有機(jī)溶劑、臭味等)，而且有選擇地蒸出目的產(chǎn)物，去除其他雜質(zhì)，因此被視為天然品質(zhì)的保護(hù)者和回歸者。(3)分子蒸餾能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分離方法無法實(shí)現(xiàn)的物理過程，因此，在一些高價(jià)值物料的分離上被廣泛作為脫臭、脫色

8、及提純的手段。,3. 分子蒸餾設(shè)備的組成與工藝,3.1蒸餾系統(tǒng)可分成成四個(gè)部分： (1)蒸發(fā)器：包括缸體、刮膜器、變速器、接收瓶； (2)真空部分：包括真空泵、擴(kuò)散泵； (3)加熱溫控部分：包括熱油泵、導(dǎo)熱油爐、控溫儀表、油路等； (4)冷卻系統(tǒng)：包括冷阱、恒溫水泵、冷卻水管路等四個(gè)部分組成。,真空部分、加熱溫控部分、冷卻系統(tǒng)三個(gè)部分是分子蒸發(fā)器的輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)是整個(gè)分子蒸餾過程工藝保證的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)闇囟?、壓?qiáng)對(duì)蒸餾影響大，所以在選型、安裝、調(diào)試方面要嚴(yán)格進(jìn)行。,3.2 分子蒸餾裝置,分子蒸餾器有簡(jiǎn)單蒸餾型與精密蒸餾型之分，目前采用的裝置多為簡(jiǎn)單蒸餾型。 簡(jiǎn)單蒸餾型又可分為靜止式、降膜式

9、、離心式等幾種。,有一個(gè)靜止不動(dòng)的水平蒸發(fā)面,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要缺陷是液膜很厚,物料被持續(xù)加熱,因而易造成物料的分解,且分離效率較低,目前已被淘汰。,3.2.1 靜止式分子蒸餾器,流體靠重力在蒸發(fā)壁面流動(dòng)時(shí)形成一層薄膜，但液膜厚度不均勻，且液膜流動(dòng)一般為層流，傳質(zhì)、傳熱阻力大。,3.2.2 降膜式分子蒸餾器,優(yōu)點(diǎn)：液膜厚度小,蒸餾物料可沿蒸發(fā)表面流動(dòng),停留時(shí)間短,熱分解的危險(xiǎn)性較小,蒸餾過程可以連續(xù)進(jìn)行,生產(chǎn)能力大。 缺點(diǎn)：很難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋,液體流動(dòng)時(shí)常發(fā)生翻滾現(xiàn)象,產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上,影響分離效果。,刮膜式分子蒸餾設(shè)備是對(duì)降膜式設(shè)備的改進(jìn),其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是

10、在刷膜式釜中設(shè)置一聚四氟乙烯制的轉(zhuǎn)動(dòng)刮板,既保證液體能夠均勻覆蓋蒸發(fā)表面,又可使下流液層得到充分?jǐn)噭?dòng),從而強(qiáng)化了物料的傳熱和傳質(zhì)過程,提高了分離效能。,1-夾套；2-刮膜器；3-蒸餾室； 4-冷凝器；5-電機(jī)；6-進(jìn)料分布器,3.2.3 刮膜式分子蒸餾設(shè)備,將物料送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中央，并在旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)展形成薄膜，同時(shí)加熱蒸發(fā)，使之與對(duì)面的冷凝面凝縮，該裝置是目前較為理想的分子蒸餾裝置，但與其它兩種裝置相比,要求有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤,又需要較高的真空密封技術(shù)。,3.2.4 離心式分子蒸餾設(shè)備,4. 分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用,4.1 低沸點(diǎn)、熱敏性物料的分離 如香料類物質(zhì),該類物質(zhì)揮發(fā)性強(qiáng) ,熱敏性高其共同的

11、工藝要求是脫臭、脫色及純化,一般可采用三級(jí)分子蒸餾,第一級(jí)脫氣處理,第二級(jí)脫臭或純化，第三級(jí)脫色或純化。 如 ： 通過上述處理,可解決香味不好,顏色深及蠟含量高等問題,使產(chǎn)品的附加值大大提高 。,4.2 高沸點(diǎn)、熱敏性物料的分離 該類物質(zhì)分離的關(guān)鍵是溫度和受熱時(shí)間的控制。當(dāng)溫度及受熱時(shí)間控制不好 ,不但影響分離效果 ,而且還會(huì)使物質(zhì)歧化縮合。如 ： 通過上述處理,所得產(chǎn)品不僅氣味、顏色優(yōu)良,而且有效成分的含量提高,保護(hù)了天然結(jié)構(gòu)。,4.3 主產(chǎn)品是不揮發(fā)物,餾出物是少量低沸點(diǎn)組分 該類物質(zhì)如辣椒紅色素脫溶,魚油甘油三醋脫酸等。采用二級(jí)分子蒸餾即可完成。如 ： 辣椒紅色素中含有 2 = 4 的溶

12、劑,經(jīng)分子蒸餾,產(chǎn)品中溶劑殘留量 4 3 % 一 ,達(dá)到質(zhì)量要求。,4.4 常溫下呈固態(tài)或耗性很大的物質(zhì)的分離 該類物質(zhì)如硬脂酸單甘油醋、丙二醇甘油醋等。以硬醋酸單甘油脂的生產(chǎn)為例,原料經(jīng)酷化后一般含有 40左右的單甘油脂,其他成分有雙甘油脂、三甘油脂、甘油以及硬脂酸等物質(zhì),若不對(duì)單甘油脂進(jìn)行精制 ,則其乳化效果不好,價(jià)值也不高,而經(jīng)過三級(jí)分子蒸餾精制 ,可以獲得90 以上純度的單甘油脂,從而提高其使用效果及附加值。,4.5 產(chǎn)品與其催化劑的分離 該類物料的特點(diǎn)是產(chǎn)品與催化劑都易分解,而最好能回收利用價(jià)高的催化劑 。如在催化劑鉆嶙化合物催化下用烯烴碳基合成制高級(jí)脂肪醇的工藝中,催化劑和產(chǎn)品醇要

13、分開可采用二級(jí)分子蒸餾完成 。 通過上述處理,不僅得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品醇,而且極大地減少了催化劑的分解。,5.分子蒸餾技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展,目前，分子蒸餾技術(shù)雖然已經(jīng)展示廣闊的前景，但是這種分離技術(shù)還遠(yuǎn)未廣泛應(yīng)用。其原因是：首先，至今為止用以揭示分子蒸餾技術(shù)的數(shù)學(xué)模型尚未完善建立，因此必須研究液膜流動(dòng)、液膜內(nèi)部熱量和質(zhì)量傳遞過程的分析，建立描述主體和表面溫度以及組成之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。其次，至今還沒有提出可供分子蒸餾技術(shù)計(jì)算的可靠方法，工藝設(shè)計(jì)盲目性較大，導(dǎo)致工程應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)性增加，實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用仍依賴于放大實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從而限制了分子蒸餾技術(shù)在應(yīng)用上的突破。因此，今后須將模型研究和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合起來

14、。,目前分子蒸餾技術(shù)的推廣應(yīng)用還需注意以下特點(diǎn)： (1) 分子蒸餾技術(shù)是工藝與裝備的結(jié)合體。分子蒸餾裝備若不與所處理的物料特點(diǎn)相結(jié)合，則很難達(dá)到所要求的最佳質(zhì)量，因而單純固定型式的分子蒸餾設(shè)備在工業(yè)化推廣中存在不足之處。發(fā)展和推廣應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)，必須將分子蒸餾蒸發(fā)器裝備與產(chǎn)品的工藝要求結(jié)合起來，按照產(chǎn)品的物料性質(zhì)與對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和純度的要求，實(shí)際設(shè)置分子蒸餾蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)分子蒸餾技術(shù)的最佳效果。,(2) 改進(jìn)傳統(tǒng)提純工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。分子蒸餾技術(shù)作為一種最溫和的蒸餾分離手段，克服了常規(guī)蒸餾操作溫度高、受熱時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可解決常規(guī)蒸餾無法解決的難題，如氣味不純、大量溶劑殘留、雜質(zhì)清除不凈、熱敏性物質(zhì)的損失等，并且還適宜于類似物質(zhì)組成的物系及高難度分離物質(zhì)的分離和提純。這些特點(diǎn)，有利于改變我國(guó)新產(chǎn)品提純工藝落后的狀況，能夠改進(jìn)產(chǎn)品的前處理和提純工藝，豐富我國(guó)的新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和品位，降低生產(chǎn)成本。,(3)在中草藥和保健食品開發(fā)方面的應(yīng)用前景。我國(guó)豐富的特有中草藥資源，是開發(fā)保健食品最有前景的直接資源。傳統(tǒng)方法所制備的中草藥產(chǎn)品，大多都是粗品，有效成分含量低、產(chǎn)品質(zhì)量差，部分中草藥