分子蒸馏讲义

实验10 脂肪酸的分子蒸馏与分离实验

1 实验目的

1.了解分子蒸馏的原理、装置及基本流程和操作方法；

2.研究进料量、真空度、刮膜速度以及冷却水温度对分离效率的影响。 2 实验原理及要点

分子蒸馏是一种高新分离技术，广泛应用于食品行业、日用化工行业、制药行业以及石油化工行业。对于相对分子质量大的物质的分离、提纯以及传统方法无法进行分离的挥发性小的高沸点、高粘度的热敏性物质的分离具有很好的效果。分子蒸馏是一种不同于一般常规的蒸馏，它是没有达到气—液相平衡的蒸馏，分子蒸馏的分离是建立在不同物质挥发度不同的基础上，分离操作在低于物料正常沸点下进行，首先物料先进行加热，液面的分子受热后接受足够的能量时，就会从液面逸出而成为气体分子。逸出的气体分子在气相中会发生碰撞，碰撞结果是有一部分气体分子返回液面，在外界温度保持恒定的情况下，最终达到动态平衡。气相中一分子相邻两次碰撞之间所走的路线，称为分子运动自由程，任一个分子在运动过程中其自由程都在不断变化，

在某时间间隔内自由程的

平均值称为平均自由程。对

于不同的物质分子，运动平

均自由程大，其挥发度也

大，分子运动平均自由程可

用以下函数表示：

（1）

式中： k ——波耳兹曼常

数，1.381×10-23 J/K;

d ——分子的有效直径,m;

T ——运动分子所处的空间温度，K ；

P ——运动分子所处的空间压强，Pa 。

2.1蒸馏速度

所谓分子蒸馏，就是指物料分子在蒸发液面挥发出来，直接在冷凝面冷凝下来所走过的行程小于其分子运动平均自由程的单元操作。一般蒸发面与冷凝面的距离可在1—20cm 之间，最常见的是l 一5cm 。在进行蒸馏操作时，要求蒸发面的真空度低于100Pa 。分子蒸馏的速度完全由物质分子自蒸发面的挥发速度决定，同气—液相平衡无关。Langmuir-Kundsen 从理想气体动力学理论推导出一个描述物质分子理想蒸馏速度：

（2） 式中：G ——蒸馏速度，kg/(m 2·h);

p T d k l m •=22πT

M p G 15=图1 分子蒸馏原理示意图

P——蒸气压，Pa；

M ——相对分子质量；

T ——蒸馏温度，K。

式（2）是在不受其它分子阻碍的情况下导出的，然而，某些蒸发出来的分子在到达冷凝面之前，难免要与残余气体的分子碰撞，式（2）所给出的G值通常是达不到的，在实际过程中需乘以一个校正因子α，残余气体压力愈低，α值愈接近于1。在现代工业装置中，其值可达到0.9。

2.2分子蒸馏的特点

分子蒸馏的原理和装置的结构决定其有如下特点：

(1)分子蒸馏的操作温度低于物料的沸点。首先，根据分子蒸馏原理可知，混合物的分离是由于受热分子逸出液面的结果，而分子逸出液面并不需要达到沸点，在物料沸点以下就能实现。所以分子蒸馏是在低于沸点的温度下进行操作的。

(2)蒸馏压强小，由于设备结构的特点，分子运动平均自由程足够大，分子蒸馏都是在很低的压强下进行操作，一般为0.4—40Pa下操作，所以物料的沸点也随之下降。从以上两个特点可知，分子蒸馏一般是在远低于常规蒸馏温度的情况下进行操作的。

(3)蒸馏物料受热时间短，减少了物料发生热分解和聚合反应的可能性，保持物料原有的性质不变。蒸馏物料受热时间的长短与分子蒸馏柱的长度、刮膜速度、物料的粘度有关，通常物料在分子蒸馏林中的停留时间杯15s六右。

(4)由于分子蒸馏装置必须保证体系0.133-0.665Pa的高真空，在膜分布结构中要保证蒸馏面与冷凝面之间的距离1-5cm，设备加工难度大，因此，分子蒸馏设备价格昂贵。

3 装置与流程

分子蒸馏蒸发器结构示意图如图1所示。在蒸馏中，物料从简体上部连续流人旋转着的液体分布盘，在离心力作用下，料液甩向筒壁，在向下流动过程中，在旋转刮板作用下，把料液沿着加热简体内壁刮成一层均匀薄膜，边蒸发边向下流淌，蒸发物料分子从蒸发面经过很短路程飞行到冷凝面表面碰撞而冷凝，冷凝液沿着竖直管壁下淌，经底部出口流出。随着低沸点物料的蒸发，蒸余物中高沸点和难挥发物质不断浓缩，最后蒸馏残留物由加热简壁底端流下，经集液槽排出。

图1 分子蒸馏蒸发器结构示意图

图2 分子蒸馏实验装置流程简图4 分子蒸馏技术在油脂工业中的应用

脂肪酸是化工行业和食品行业重要的原材料和中间体，脂肪酸大部分是通过植物油或动物油水解得到的，在分离过程中主要依靠精馏塔的分离。在分离过程中，由于真空度和温度的影响，脂肪酸的色泽较深，只能基本满足化工行业的需要。然而，一些不饱和和高不饱和脂肪酸(EPA、DHA)很容易在高温下氧化聚合，一部分脂肪酸形成反式酸。分子蒸馏可以在较低的温度下进行分离，从而保证了高不饱和脂肪酸的质量，能够满足食品和保健品行业的需要。分子蒸馏在脂肪酸分离过程中的典型例子就是分离EPA和DHA，常用的分离方法有：皂化酯化一尿包法，超临界萃取法，层析分离法，分子蒸馏法。皂化酯化一尿包法的工艺路线较长，操作复杂，最终产品色泽差而且有难闻的鱼腥味，产品纯度达不到市场要求。其他两种方法工业化困难，不利于产品的规模化生产。而分子蒸馏可以很好地解决这些问题。据报道，分子蒸馏已经成功运用在仅一亚麻酸的提纯中。目前，脂肪酸酯生产较多，因为脂肪酸酯的生产较脂肪酸容易且污染较小。化工用脂肪酸酯的生产可以用蒸馏或精馏的方法，但是食用脂肪酸酯必须采用分子蒸馏的方法。因为分子蒸馏的分离方法温度低，对高不饱和的油酸和亚油酸都具有较好的保护作用，可以减少反式酸的生成。

5 实验操作指导

5.1分子蒸馏实验方案

试验中首先将原料在较高的进料速率下进行蒸馏脱气，脱除水等极轻组分。然后将一次脱气得到的物料重新加入进料器，尝试在不同的蒸馏温度、进料速率、刮膜转子转速、预热温度以及蒸馏级数下进行蒸馏分离，并对每次得到的轻重馏分取样进行分析。

脱气条件：

预热温度 120℃，进料速率 50g/min，系统压力 70Pa，蒸馏温度 180℃。

蒸馏条件：

压力：加料前0.5pa，蒸馏温度：200℃-240℃

冷凝温度：30℃－50℃进料速率：40g/min

5.2实验步骤

1.预热

称取2kg羊毛醇原料放入不锈钢容器中，然后放入烘箱，烘箱温度为120℃，隔夜

2.开机

打开主机，开启电加热带，主机加热，冷却水加热，达到恒温后2h，开启真空泵。

3.加料

当达到30pa后，关闭平衡阀和下料阀，打开进料阀，轻微开启平衡阀，开始进料。进料完成后关闭进料阀，完全打开平衡阀。

4.脱气

当真空度达到70pa 后，开启刮膜电机，开启加下料阀，快速进料，进行脱气。当从放料镜中观察到，无物料流下时，脱气完成。关闭刮膜电机，关闭真空泵，待无真空度后，连通大气，放出轻重组分。

5.蒸馏

开启真空泵，达到30pa后，将脱气后的轻重组分混合后进料，关闭进料阀。开启扩散泵，开启刮膜电机，当真空度达到0.5pa时，开始下料，在视镜观察下料情况，调节下料阀，直到有一个连续稳定的小流量为止。当从放料镜中观察到，无物料流下时，蒸馏完成，关闭刮膜电机。

6.停机

关闭扩散泵，15分钟后，关闭旋片真空泵，待无真空度后，连通大气，放出轻重组分。关闭主机加热、电加热带、冷却水加热，关闭冷却水总阀门。

6 数据处理