分子蒸馏技术

分子蒸馏技术

X Y Zhou 化学工程110427001

摘要分子蒸馏是一种新型的液－液分离技术，与传统的蒸馏技术相比：操作温度远低于液体沸点，蒸馏压力在极高真空度下，受热时间短，能最大限度地保证物系中的有效成分。本文分析了分子蒸馏技术的原理、过程，介绍了目前分子蒸馏技术的特点、分子蒸馏设备及其特点，以及分子蒸馏技术在食品、医药、化工等行业的应用。

关键词分子蒸馏；分离技术；分子蒸馏器

分子蒸馏技术[1]是一种特殊的液-液分离技术，是新型分离技术中的一个重要分支。液体混合物的分离，一般是通过蒸馏或精馏来实现的。在蒸馏或精馏过程中，存在着两股分子流向：一股是被蒸液体的气化，由液相流向气相的蒸气分子流；另一股是由蒸气返回至液相的分子流。当气液两相达到平衡时，表观上蒸气分子不再从液面逸出。若果利用某种措施，使蒸气分子不再返回(或减少返回)液相，就会大大提高分离效率。分子蒸馏技术正是在蒸馏技术的不断改进发展中而产生的一种特殊的蒸馏分离技术。

1 分子蒸馏的原理、过程及其特点

1.1 分子蒸馏的基本原理

根据分子运动理论，液体混合物的分子受热后运动会加剧，当接受到足够能量时，就会成为气体分子而从液面逸出。而随着液面上方气体分子的增加，有一部分气体分子就会返回液体，在外界温度保持恒定的情况下，最终达到分子运动的动态平衡，此外，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由度也不同，从统计学观点看，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同的[2]。

传统的液体混合物的分离，一般都是利用溶液组分间沸点的差异，通过蒸馏或精馏来实现的，其气液处于平衡状态。而分子蒸馏技术却不同于常规蒸馏，它是利用不同物质分子运动平均自由程的差异，实现液体混合物的分离。具体的分离过程是：经过预热处理的待分离料液从进料口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出，并向冷凝板运动。轻分子由于平均自由程较大，能够到达冷凝板并不断在冷凝板凝集，最后进入轻组分接收罐；重分子因平均自由程较小，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]。

所谓分子运动平均自由程是指在某一时间间隔内分子自由程的平均值。而分子运动自由程则是一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程。根据热力学原理，分子运动平均自由程可用下式表达：

式中：k：波尔兹曼常数；p：运动分子所处的空间压力；T：运动分子所处的空间温度；d：分子有效直径。

由上式可以看出，压力、温度及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的3个主要因素。在蒸馏过程中，物系空间的压力和温度相同，系统中不同物质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也必然存在差异。分子蒸馏的分离作用正是依据分子平均自由程不同这一性质来实现的。其基本原理如图1所示[4]

待分离物料在加热板上形成均匀液膜，经加热，料液分子由液膜表面自由逸出。在与加热板平行处设冷凝板，冷凝板的温度低于加热板，且与加热板之间的距离小于轻组分分子的平均自由程而大于重组分分子的平均自由程。这样由液膜表面逸出的大部分轻组分分子能够到达冷凝板并不断被冷凝，从而破坏了体系中轻分子的动态平衡，使混合液中的轻分子不断逸出。相反重组分分子则不能到达冷凝板，故又重新返回至液膜中，很快与液相中重分子趋于动态平衡，表现上似乎重分子不再从液相逸出，从而可实现液体混合物轻重组分的分离。

由分子蒸馏的基本原理可知，分子蒸馏应满足两个条件：

①轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；②蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。

为了创造有利于分子蒸馏的条件，蒸发面与冷凝面的距离可在1～20cm，最常见的是1～5cm。在生产中分子蒸馏通常在0.4~40Pa的压力下操作。

分子蒸馏的速度[5]完全是由物质分子从蒸发液面挥发速度决定，同气液相平衡无关。Greeberg 从这个角度出发推导出一个定量描述物质分子蒸馏速度方程，即:

式中：N: 摩尔蒸发速度，md·(cm2·s)-1；

P: 组分的蒸汽压，g·cm-2；

T: 绝对温度，K；

M: 分子量；

Rg: 气体常数，g·cm·(g·mol·K)-1

对于双组分体系：

式中：Ci: 摩尔浓度；

C T: 总的摩尔浓度；

∂1: 蒸发系数。

这组函数关系比较适合描述离心式分子蒸馏，对于降膜式分子，由于液膜比较厚(0.01~0.3cm)，必须考虑到扩散对蒸馏速度的影响。另外，Langmuir-Knudsen 从理想气体动力学理论推导出了一个描述物质分子理想蒸馏速度的简单等式：

式中：m: 蒸发速度，g·(m2·g)-1；

P0: 在T 下的饱和蒸气压，Pa；

T: 蒸发温度，K；

M: 摩尔质量，kg·mol-1。

在实际过程中，m 值是通常达不到的，需乘以一个校正因子α，在现代工业装置中，α值可以达到0.9。Langmuir-Knudsen 方程式也有另外一种近似的估算形式，即：

式中：G: 蒸馏速度，kg·(m2·h)-1；

P: 蒸馏压力，mbar；

T: 蒸馏温度，K；

M: 分子量.

分子蒸馏表示组分分离难易程度是相对挥发度来描述。在分子蒸馏过程中，理论相对挥发度用以下方程式：

式中M1：轻组分相对分子质量；

M2：重组分相对分子质量；

P01：轻组分饱和蒸汽压，Pa

P02：重组分饱和蒸汽压，Pa

∂1：相对挥发度.

在实际过程中，对于双组分体系，真空相对挥发度：

式中：Y: 在气相中的摩尔分数；

X: 在液相中的摩尔分数。

Jan Crengros 推导一个描述分子蒸馏有效相对挥发度的方程式，即：

分子蒸馏装置同样也可以用理论塔板块数表达其分离效率，理想塔板数n 可以用实验数据按如下方程计算出：

在实际分子蒸馏过程中，很难达到理论分离效率。

1.2 分子蒸馏技术的过程及特点