分子蒸馏技术及其应用的研究进展

时间：2024-12-13

分子蒸馏(m olecular isillation是一种在高真空下进行的特殊蒸馏技术。该技术自20世纪30年代问世以来得到人们的广泛重视。20世纪60年代，此项技术已成功地应用于从浓缩提炼维生素A的工业化中。虽然近年来一些国家如美国、德国、日本、瑞典、波兰以及前苏联等相继利用分子蒸馏技术解决了许多分离领域中的难题:但分子蒸馏是一项国内外正在工业化开发应用的尚未实现大规模的工业化。我国对分子蒸馏技术的应用研究起步较晚。偶见60年代的少量报道到80年代末期，国内引进了几套分子蒸馏生产线用于硬脂酸单甘酯等的生产.目前该项技术在我国工业化推广应用处于起步阶段。但由于该项技术的先进性和*特性以及广阔的应用前景,较大地激发了国内科研人员的兴趣。一些科研单位和大专院校如:广州汉维有限公司、北京化工大学、华南理工大学化学工程研究所等对此都做了大量的实验研究工作和分子蒸馏设备的研制和改进，并且有些成果陆续进行了工业化生产取得了良好的经济效益和社会效益。
分子蒸馏的基本原理1.1分子运动平均自由程[1]
分子在运动过程中,它的自由程不断发生变化在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。设vm为任-分子的平均速度f为分子间的碰撞频率,)m为平均自由程则)m=vm/f;由热力学原理可知f=2vm πd2kT,所以)m=kT/2rd2p(1其中d为分子的有效直径,p为分子所处空间的压强,T为分子所处环境的温度k为波尔兹曼常数。
1.2分子运动自由程的分布规律[2]
分子运动自由程的分布规律可表示为F=1 -e-Nhm(2.式中F为自由程不大于λ的概率λm
为平均自由程入为分子运动自由程.由公式可以得出，对于一群相同状态下的运动分子其自由程不小于平均自由程)m的概率为1-F= e-m/m=e- 1=0368。
13分子蒸馏的基本原理[3]
由分子运动自由程的公式可以看出，不同种类的分子,由于其分子有效直径不同. .其自由程也不相同，即不同种类的分子逸出液面后不与其他分子碰撞的~飞行距离是不相同的。分子蒸馏技术正是利用不同种类分子逸出液面(蒸发液面后的平均自由程不同的性质实现的。轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面,使得轻分子落在冷凝面上被冷凝,而重分子因达不到冷凝面而返回原来液面.这样混合物就得到了分离。
1.4影响分子运动平均自由程的因素温度、压力及分子的有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素物质确定以后，分子的有效直径一-定.当温度升高，分子运动加剧分子运动自由程增加:当温度恒定时，压力降低单位体积的分子数减少:分子碰撞的频率降低分子运动的平均自由程增加。
1.5分子蒸馏的蒸馏速度和相对挥发度[4]
1.5.1 分子蒸馏速度
分子蒸馏速度是由物质分子从蒸发液面挥发速度决定.同气液平衡无关。Greeberg从这个角度出发推导出物质分子蒸馏速度方程，即:N=p*12πT MR g1/2
(3其中N为摩尔蒸发
速度(md/cm2. s,P 为组分的蒸汽压(g/cm2.M为分子量,T为**温度(K,R g为气体常数(gcm/g° mol: K。对于双组分体系则Ni=cicT.aipi12rRg T Mi1/2
(4.其中ci为摩尔浓度,cT为总的摩尔浓度ci为蒸发系数,这组函数关系比较适合描述离心式蒸馏:对于降膜式分子蒸馏，由于液膜比较厚考虑扩散对蒸馏速度的影响。
1.5.2相对挥发度
分子蒸馏表示组分分离难易程度用相对挥发度表示。在分子蒸馏过程中理论相对挥发度用以下表示:a1=p1op2oM2M1(5,其中p1o为组分1的饱和蒸汽压:p2o为组分2的饱和蒸汽压,M1为组分1的分子量,M2为组分2的分子量。在实际过程中，对于双组分体系。真空相对挥发度为:a2=Y(1-X X(1-Y
(6.其中Y为在气相中的摩尔分率，X为在液相中的摩尔分率。
2分子蒸馏装置[5]
分子蒸馏技术的核心为分子蒸馏装置。各国研制出了多种多样分子蒸馏装置,但根据形成蒸发液膜的不同设计和结构差异,大致可分为3大类(1降膜式分子蒸馏器(lling fim evapo2
raor(2刮膜式分子蒸馏器(iped-fIm evap02
tator(3离心式分子蒸馏器(entifigal evapora2
tor。
2.1降膜式分子蒸馏器
该装置是采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式。将物料加热蒸发物就可在相对方向的冷凝面.上凝缩。降膜式装置为早期形式结构简单在蒸发面上形成的液膜较厚效率差.现在各国很少采用。2.2刮膜式分子蒸馏装置该装置是采取重力使蒸发面_上的物料变为液膜降下的方式，但为了使蒸发面上的液膜厚度小且分布均匀，在蒸馏器中设置了-硬碳或聚四
氟乙烯制的转动刮板。该刮板不但可以使下流液层得到充分搅样，还可以加快蒸发面液层的更新.从而强化了物料的传热和传质过程。其优点是液腹厚度小,并且沿蒸发表面流动，披蒸馏物料在操作温度下停留时间短，热分解的危险性较小蒸馏过程可以连续进行生产能力大。缺点是液体分配装置难以完善,很难保证所有的綦发表面都被液膜均匀覆盖,液体流动时常发生翻濠现象所产生的雾沫也常展到冷凝面上。但由于该装置结构相对简单，价格相对低廉，现在的实验室及工业生产中,大部分都采,用该装置。
2.3离心式分子蒸馏装置
将物料送到高速旋转的转盘*，并在旋转面扩展形成薄膜同时加热蒸发，使之与对面的冷凝面凝缩该装置是目前较为理想的分子蒸馏装置。但与其它两种装置相比要求有高速旋转的转盘,又需要较高的真空密封技术。离心式分子蒸馏器与刮膜式分子蒸馏器相比具有以下优点:由于转盘高速旋转。可得到较薄的液膜且液膜分布更均匀,蒸发速率和分离效率更好;物料在蒸发面上的受热时间更短降低了热敏物质热分解的危险:物料的处理量更大更适合工业上的连续生产。
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