分子蒸馏技术及其应用

时间：2023-07-21

前言分子蒸馏[1]又叫短程蒸馏，是一种在高真空下，利用不同物质的分子运动平均自由程的差异来实现分离的液-液分离技术。该技术具有蒸馏温度低、受热时间短、分离程度高、系统能耗低等特点，并且该分离技术为不可逆过程，不存在沸腾及鼓泡现象。因此适用于分离高沸点、热敏性和易氧化的物质，能解决常规蒸馏技术所不能解决的问题。目前已广泛地应用于国民经济的各个行业中。
1 分子蒸馏过程技术的基本原理和特点分子蒸馏是指在高真空的条件下，液体分子受热从液面逸出，利用不同分子平均自由程差导致其表面蒸发速率不同而达到分离的方法[2]。分子分离过程如图所示，经过预热处理的待分离料液从进口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出。由于冷凝和蒸发表面的间距一般小于或等于蒸发分子的平均自由程，逸出分子可以不经过分子碰撞而直接到达冷凝面冷凝，后进入轻组分接受罐。重组分分子由于平均自由程小，不能到达冷凝板，从而顺加热板流入重组分接收罐中，这样就实现了轻重组分的分离[3]。
2 分子蒸馏的基本过程根据分子蒸馏的基本理论，可将蒸馏过程分解为以下5个步骤：①物料在加热面上形成液膜；②分子在液膜表面上自由蒸发；③分子从加热面向冷凝面的运动；④轻分子在冷凝面上被捕获，重分子返回物料液膜；⑤馏出物和残留物的收集。
3 分子蒸馏设备和特点
3.1 设备组成一套完整的分子蒸馏设备主要由脱气系统、进料系统、分子蒸馏器、馏分收集系统、加热系统、冷却系统、真空系统和控制系统等部分组成，其工艺流程如图2 所示。脱气的目的是排除物料中所溶解的挥发性组分，以免蒸馏过程中发生爆沸。真空系统是保证分子蒸馏过程进行的前提，合适的真空设备和严格的密封性分子蒸馏装置的一个技术关键，为保证所需要的真空度，一般采用二级或二级以上的泵联用，并设冷阱以保护真空泵。根据形成蒸发液膜的不同，分子蒸馏器可分为：降膜式分子蒸馏器、刮膜式分子蒸馏器和离心式分子蒸馏器，由于降膜式的传热、传质效率差，已逐渐被淘汰，代之以刮膜式或离心式。由于离心力能强化成膜，物料停留时间短且液膜薄而均匀，降低了传质阻力，且加热和冷却大多为内置式，因此，离心式分子蒸馏器的分离效率及生产能力较高，但其结构复杂、相对投资比较大，而转子刮膜式结构相对较为简单，操作参数容易控制，且价格相对低廉，因此，现在的试验室及工业生产中，大部分都采用该装置。
3.2 蒸馏器设计原则分子蒸馏器是整套设备的核心，集中体现了分子蒸馏技术的关键。其设计应当满足以下条件： ① 高真空度：残余气体的分压须很低，以保证蒸发分子在蒸发空间尽可能不与其他分子碰撞； ② 冷凝面与蒸发面的间距小于蒸发分子的平均自由程； ③ 为防止返蒸现象（已冷凝分子重新蒸发），蒸发面与冷凝面的温度差至少在50～100℃之间； ④ 被蒸馏物料在蒸发面应能形成厚度均匀的薄膜，以提高蒸发效率。即尽可能均匀加热，因为局部过分加热导致的物料分解将会使真空度明显降低，致使蒸发暂停； ⑤在分子蒸馏中，仅液体表面与蒸发相关，因此，在蒸发面要有不断出现的新液面。
3.3 刮膜式分子蒸馏装置图3 是刮膜式分子蒸馏装置，是一种新型的设备，其优点是：液膜厚度小，受热时间短，热分解的危险性较小，蒸馏过程可以连续进行，生产能力大。缺点是：很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖；液体流动时常发生翻滚现象，所产生的雾沫也常溅到冷凝面上。

3.4 分子蒸馏的特点与传统的普通蒸馏相比，分子蒸馏具有以下特点：（1）物料分离建立在物质挥发度不同的基础上，分离操作在低于物质沸点下进行，对于采用溶剂萃取后液体的脱溶有效；（2）普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程，液相和气相间可以形成动态平衡，而分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，中间不与其他分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，所以分子蒸馏是不可逆的；（3）普通蒸馏虽然也可以进行减压蒸馏，但真空度不是很高，物料中溶解的气体会导致物料有鼓泡、沸腾等现象，而分子蒸馏是在很低压力下进行的液膜表面上的自由蒸发，是非沸腾下的蒸发过程；（4）分子蒸馏的操作真空度高。分子蒸馏是高真空下的短程蒸馏，蒸发面与冷凝面的距离小于轻分子的平均自由程，蒸发的轻分子不与其他分子碰撞、几乎没有压力降就达到冷凝面，更有利于进行物料的分离；（5）蒸馏温度比普通蒸馏低。常规蒸馏在沸点温度进行，而分子蒸馏在较高真空度下操作，可以对常规蒸馏不能分离的热稳定性差的物质进行蒸馏；（6）物料受热时间短。在蒸发过程中，混合物料呈薄膜状，并被定向推动，液面与加热面的面积几乎相等，使得液体在分离器中停留时间很短（一般几秒至几十秒），避免了因受热时间长造成混合物内某些组分分解或聚合的可能，更适宜对一些高沸点、热敏性及易氧化物料进行有效的分离；（7）分子蒸馏的分离程度更高。两组分混合物进行分离时，以相对挥发度表示其分离能力。（8）分子蒸馏利用各分子平均自由程不同进行分离，分馏过程是物理过程，分离操作不使用有毒的**溶剂，可得到纯净安全的产物。

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