分子蒸馏技术
分子蒸馏技术
分子蒸馏技术一、分子蒸馏技术简介分子蒸馏是一项较新的尚未广泛应用于工业化生产的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。
分子蒸馏是一种特殊的液－液分离技术，能在极高真空下操作，它依据分子运动平均自由程的差别，能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。
由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏性物质的特点品质，该项技术用于纯天然保健品的提取，可摆脱化学处理方法的束缚，真正保持了纯天然的特性，使保健产品的质量迈上一个新台阶。
二、分子蒸馏技术的基本原理（一）分子运动平均自由程：任一分子在运动过程中都在不断变化自由程。
在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。
设Vm ＝某一分子的平均速度f ＝碰撞频率λm ＝平均自由程则λm ＝Vm／f ∴ f ＝Vm／λmπd²P由热力学原理可知，f ＝(2)½Vm·────KT其中： d －分子有效直径P －分子所处空间的压强T －分子所处环境的温度K －波尔兹曼常数K T则：λm ＝────·────(2)½πd²P（二）分子运动平均自由程的分布规律：分子运动自由程的分布规律为正态分布，其概率公式为：F = 1 - e-λ／λm其中： F －自由程度≤λm 的概率λm －分子运动的平均自由程λ－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，其自由程等于或大于平均自由程λm的概率为：1 - F = e-λ／λm = e-1 = 36.8%（三）分子蒸馏的基本原理：由分子平均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，其平均自由程也不同，换句话说，不同种类的分子溢出液面后不与其它分子碰撞的飞行距离是不同的。
分子蒸馏技术正是利用不同种类分子溢出液面后平均自由程不同的性质实现的。
分子蒸馏技术
三、分子蒸馏的分离流程及设备
分子蒸馏的主要结构由加热器、捕集器、 高真空系统组成。如下图：
分子蒸馏技术的工业化应用
1、分子蒸馏技术的应用原则 、
1.1分子蒸馏适用于不同物质分子量差别较大的液 体混和物系的分离 1.2分子蒸馏可用于分子量接近但性质差别较大的 物质分离,如沸点差较大、分子量接近的物系的 分离 1.3分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、易氧化 （或易聚合）物质的分离 1.4分子蒸馏适宜于附加值较高或社会效益较大的 物质分离 1.5分子蒸馏不适宜于同分异构体的分离
分子蒸馏技术的工业化应用
2、分子蒸馏在工业化应用中的作用 、
2.6 分离产品与催化剂 分子蒸馏技术可用于产品与催化剂的分离， 在得到高质量产品的同时，保护了可循环利用 的催化剂活性。 在许多合成反应中，催化剂与产品需要分 离开来。一方面是产品质量的要求，需要将催 化剂彻底分离掉；另一方面是一些价值昂贵的 催化剂必须循环使用。对于产品与催化剂具热 敏性的物系，采用传统的蒸馏方法难以处理， 而采用分子蒸馏可取得理想效果。
分子蒸馏技术的工业化应用
2、分子蒸馏在工业化应用中的作用 、
2.5 改进传统合成工艺条件 对于许多加成反应，产物的质量与反应物 的配比密切相关。传统的工艺由于没有有效的 分离手段以清除产物中的游离单体，致使反应 的物料配比及工艺受到了严格限制，从而影响 产品的质量。采用分子蒸馏技术后，由于有了 有效的分离手段，可以不必担心反应物配比中 的过量，大大有利于某些反应的反应平衡及反 应速度，优化了工艺操作条件，提高了产品质 量。
分子蒸馏技术
一、简介
分子蒸馏（Molecular Distillation）是在高 真空中进行的非平衡蒸馏。其蒸发面与冷凝面 的距离在蒸馏物料的分子的平均自由程之内。 此时，物质分子间的引力很小，自由飞驰的距 离较大，这样由蒸发面飞出的分子，可直接落 到冷凝面上凝集，从而达到分离的目的。分子 蒸馏技术是一种高新的、温和的、纯物理的分 离技术，能分离常规蒸馏不易分离的物质, 特 别适用于高沸点、热敏性物质的分离。
第四章分子蒸馏分离技术
二、分子蒸馏的流程
• 分子蒸馏流程有单级、多级分子蒸馏流程
• 1.脱气系统 2.分子蒸发器 3.加热系统 4.真空系统
四级刮膜式分子蒸馏装置流程示意图
多种馏分需要从混合液中分离
离心式分子蒸馏工业化流程图
一级分子蒸馏的成套装置
• 从20世纪60年代至今的40多年来：
二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别
① 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小。 ② 普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。
分子蒸馏过程是不可逆的。 ③ 分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相
对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。 ④ 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没
PA0
0
PB0
MB MA
MA－轻分子相对分子质 量；MB－重分子相对分 子质量；P0A－轻分子 饱和蒸汽压，Pa； P0B －重分子饱和蒸汽压，
Pa；α0－相对挥发度
(二) 分子运动平均自由程
• 依靠不同物质分子运动平均自由程的差别 实现物质分离的。
• 1.分子碰撞 • 2.分子有效直径 • 3.分子运动自由程 • 4.分子运动平均自由程 λm =Vm/f
表41平均自由程和真空度对照表真空度mmhg平均自由程mm810331032511035003103250011033000从公式可以看到混合液中的不同组成分子的有效直径和分子自由程不同轻分子的平均自由程大而重分子的平均自由程小如果冷凝面与蒸发面的间距小于轻分子的平均自由程而大于重分子的平均自由程这样轻分子被冷却收集而重分子又返回到蒸发面从而实现了分离
2. 对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、 臭味物等)的脱除。
分子蒸馏技术及其在食品方面的应用
【分子蒸馏技术及其在食品方面的应用】一、概述分子蒸馏技术是一种利用物质的沸点差异进行分离、提纯的方法，它在化工、医药等领域早已得到广泛应用。
然而，在食品领域，分子蒸馏技术也逐渐展现出其独特的优势和潜力。
本文将从分子蒸馏技术的原理、食品领域的具体应用以及对食品品质的提升等方面展开讨论，以期帮助读者更全面地了解这一技术及其在食品方面的应用。
二、分子蒸馏技术原理分子蒸馏技术是一种利用不同成分在相同温度下的沸点差异进行分离的技术。
在分子蒸馏过程中，液体混合物首先被加热至其沸点，然后将产生的蒸气冷凝回液体，从而实现对混合物中不同成分的分离。
这一过程主要依赖于不同成分之间的沸点差异，因此适用于需要对成分进行高效、精确分离的场合。
三、食品领域的应用1. 酒精提纯：在酿酒过程中，分子蒸馏技术可以用于提取纯净的酒精。
通过控制温度和流速，可以将水和酒精成功地分离，从而提高酒的纯度和口感。
2. 食用油脂提纯：在植物油中，可能会含有一些杂质和不良物质，而分子蒸馏技术可以有效地去除这些杂质，使食用油脂更加纯净、健康。
3. 食品香精提取：分子蒸馏技术可以帮助提取食品香精中的活性成分，从而保留食品的原味和营养成分，提高口感和风味。
四、食品品质的提升分子蒸馏技术在食品领域的应用，不仅可以帮助提高食品的纯度和香味，还能够提升食品的品质和保质期。
通过对原料的精确分离和提取，可以保留更多的营养成分和风味物质，从而使得食品更加美味和健康。
分子蒸馏技术还可以去除食品中的有害物质，提高食品的安全性和可持续性。
五、个人观点和理解分子蒸馏技术在食品领域的应用为食品加工提供了新的可能性和选择。
它不仅可以帮助提高食品的品质和口感，还能够满足人们对食品安全和健康的需求。
然而，需要注意的是，在应用分子蒸馏技术的过程中，合理控制温度和流速，严格遵守食品安全标准是至关重要的。
只有这样，才能确保食品的质量和安全，从而为用户提供更加放心的食品产品。
总结分子蒸馏技术作为一种高效、精确的分离技术，在食品领域展现出了其独特的优势和潜力。
第八章-分子蒸馏技术分解
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特点:
①液膜在旋转的转盘表面形成的液膜极薄且 分布均匀,蒸发速率和分离效率很高。
②受热时间更短,料液热裂解的几率低。 ③连续处理量更大,因此该装置更适合于工业
化连续性生产。
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7 分子蒸馏的适用范围
1.分子蒸馏适用于不同物质分子量差别较大的液体 混合物系的分离，特别是同系物的分离，分子量必 须要有一定差别。
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设Vm为某一分子的平均速度；f为碰撞频率； λm为平均自由程
则λm=Vm/f ∴f=Vm/λm 由热力学原理可知：
f
Vm • d 2P KT
则
m
•T
2 d 2 P
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T
m 2 • d 2P
温度、压力及分子有效直径是影响分子运动平均自 由程的主要因素。当压力一定时，一定物质的分子运 动平均自由程随温度增加而增加。当温度一定时，平 均自由程λm与压力p成反比，压力越小（真空度越 高），λm越大，即分子间碰撞机会越少、不同物质因 其有效直径不同，因而分子平均自由程不同。
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2 分子蒸馏背景
常规蒸馏，通常是指将液相加热至沸腾后再将气相冷凝， 从而实现混合物的分离，其实质是利用了不同物质间的沸 点差来完成的。尽管这种手段在工业上普遍应用，但对于 许多热敏性物系而言，这种方法并不适用。原因在于热敏 性物质在沸腾过程中会出现热分解，而这种热分解的速度 又是随着温度的升高呈指数升高，随停留时间的增大呈线 性增大的。因此，要解决好热敏性物系的分离间题，首先 就必须从降低蒸发过程的分离温度和缩短物料的受热时间 开始。
分子蒸馏
此式是假定蒸发是不受其它分子的阻碍情况下 导出的，然而某些蒸发出来的分子在到达冷凝表面 以前，难免要与残余气体的分子碰撞，所以上式给 出的G值通常是达不到的，用了一个近似等号。实
际中必需乘以一个因子来加以校正，此因子用符
号α表示。 残余气体的压力愈低，α值愈接近１ 在现代的工业装置中其值可达0.9。
l－平均自由程
温度、压力及分子有效直径是影响分子 运动平均自由程的主要因素。当压力一 定时，一定物质的分子运动平均自由程 随温度增加而增加。当温度一定时，平 均自由程λ m 与压力p成反比，压力越小 （真空度越高），λm越大，即分子间碰 撞机会越少、不同物质因其有效直径不 同，因而分子平均自由程不同。
p1 αr = p2
M2 M1
分子蒸馏的适用范围
• 1.分子蒸馏适用于不同物质分子量差别较大 的液体混合物系的分离，特别是同系物的 分离，分子量必须要有一定差别。 • 2.分子蒸馏也可用于分子量接近但性质差别 较大的物质的分离，如沸点差较大、分子 量接近的物系的分离。 • 3.分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、易 氧化（或易聚合）物质的分离。
• 加热面长度 • 物料粘度 • 表面载荷 • 要求的产量
简单的例子：
每小时60升的物料加到0.75m2 的一个蒸发器内， 假设最大刮膜厚度为0.5mm，那么必然只有0.375升 的物料分布整个蒸发面上。在这种情况下，物料被 “滞留”在蒸发面上的时间仅为
22.5秒
放射同位素测量结果与这些数据一致。 根据各种物料的浓度曲线计算出的名义停留时间为
15秒。
分解几率（对物料的热破坏）
Hickman 和Embree对分解几率给出如下公式：
Z＝p·t
Z －分解几率 P －工作压力（与工作温度Ｔ成正比） t －停留时间［秒］
分子蒸馏
分子蒸馏分子蒸馏是一种特殊的液--液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。
这里，分子运动自由程（用λ表示）是指一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。
当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。
这样，达到物质分离的目的。
>>> 分子蒸馏技术的特点分子蒸馏技术作为一种与国际同步的高新分离技术，具有其它分离技术无法比拟的优点：1、操作温度低（远低于沸点）、真空度高（空载≤1Pa）、受热时间短（以秒计）、分离效率高等，特别适宜于高沸点、热敏性、易氧化物质的分离；2、可有效地脱除低分子物质（脱臭）、重分子物质（脱色）及脱除混合物中杂质；3、其分离过程为物理分离过程，可很好地保护被分离物质不被污染，特别是可保持天然提取物的原来品质；4 、分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器。
蒸馏是最重要的一种用加热对不同物质进行分离的方式之一。
常规的蒸馏方式：原料在蒸发器内被加热至蒸发温度, 低沸点组分蒸发后进入冷凝器冷却, 得到所需的产品。
但是，常规的蒸馏方式 - 需要较高的蒸馏温度 - 物料加热时间较长 局限性- 无法对热敏物质进行分离真空蒸馏通过将系统抽真空可降低蒸发温度压力与沸点的关系压力每降低一个数量级，沸点降低约20－30度但对于热敏物质来说, 在蒸馏釡内进行的真空蒸馏有很多缺陷- 很长的蒸馏时间- 由于压力降的缘故，以及真空泵很难克服蒸馏釜内液面的静压高度，所以在蒸发处的真空是非常有限的。
最终的真空度并不由真空泵的大小而决定, 而是受管路的传导性和蒸发器内静液面高度的限制.薄膜蒸发器中的真空蒸馏从一个薄膜上蒸发能消除静液面高的影响, 在刮膜蒸发器中,物料沿着加热的圆柱筒体表面向下流动, 形成薄膜, 在流动过程中成薄膜状的物料被蒸发.带外冷凝器的薄膜蒸发器液膜被一个刮膜系统不断地进行混合, 冷凝在一个外置的冷凝器中进行, 冷凝器连接有真空系统.刮环靠自身的离心力在蒸发器内壁上刮出约1mm厚薄膜- 传热效率高- 质量交换快- 物料受热时间短,只有15秒到30秒- 物料以膜的形式出现，几乎没有液面压差,减少了真空度的损失但是带外冷凝器的薄膜蒸发器也有局限性:由于蒸发器与冷凝器之间的管路连接导致的压力降, 蒸发器内获得的真空度仅局限于毫巴级,最低大约可降至1毫巴(100Pa)带有内置冷凝器的短程蒸发器使用短程/分子蒸馏能够消除真空度不足的不利因素. 冷凝器置于圆筒型蒸发器的内部, 蒸发器与冷凝器之间的距离非常地短. 事实上, 不存在压力降的问题.如果内置冷凝器与蒸发器表面之间的距离正好为轻分子自由程的平均距离, 则轻分子达到冷凝器被冷凝排出，这种工艺又称为”分子蒸馏”。
分子蒸馏技术
分子蒸馏实验
• 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。
分子蒸馏的原理
• 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，逸出体分子在 另一面遇冷后又重新返回液面，从而达到 分离的目的。
MD-S80分子蒸馏装置
离心式分子蒸馏
MD-S150分子蒸馏装置
一级分子蒸馏流程图
MD-S80分子蒸馏装置图
二级分子蒸馏流程图
分子蒸馏的影响因素
• • • • 进料速率 蒸发温度 刮膜转速 真空度
进料速率的影响
• 进料速率是影响分子蒸馏分离效率的一个 重要因素。进料速率的快慢主要影响物料 在蒸发器面壁面上的停留时间。选取适宜 的进料速率对提高产品的含量（质量分 数）、和馏出物得率（体积分数）有重要 的影响。
分子蒸馏的特点：
• 分子蒸馏可有选择的蒸出目的产物, 去除其他杂质, 通过多级分离可同 时分离两种以上的物质; 分子蒸馏的分离过程是物理过程, 因而可很好地保护被分离物质不受 污染和侵害。随着工业化的发展, 分子蒸馏技术已广泛应用于高附加 值物质的分离, 特别是天然物的分离, 因而被称为天然品质的保护者和 回归者。
Байду номын сангаас
分子蒸馏的应用
• 食品工业 • 单甘脂的生产：单甘酯可采用脂肪酸与甘油的酯 化反应和油脂与甘油的醇解反应两种工艺制取。 其原料为各种油脂、脂肪酸和甘油。采用酯化反 应或醇解反应合成的单甘酯,通常都含有一定数量 的双甘酯和三甘酯，通常w (单甘酯) = 40 %～50 % ,采用分子蒸馏技术可以得到w (单甘酯) > 90 % 的高纯度产品。此法是目前工业上高纯度单甘酯 生产方法中最常用和最有效的方法,所得到的单甘 酯达到食品级要求。
分子蒸馏
分子蒸馏技术在工业上的应用
在精细化工行业可用于羊毛衍生物的脱臭脱色， 塑料增塑剂稳定剂的精制，以及硅油、石腊油、 高级润滑油光亮油的精制等。 在天然产物的分离上如玫瑰油精制提纯。 在分子生物学领域中将分子蒸馏技术作为分子 生物研究的一种前处理技术以保存原有组织的 生物活性和制备生物样本等。
分子蒸馏技术在工业上的应用
由于分子蒸馏技术与常规蒸(精)馏技术相比具 有明显的节能,不损伤热敏性物料等优点.应用 领域涉及石油化工、食品、医药、农药、香精、 香料及塑料等工业。 在食品工业上用于脂肪酸及其衍生物的分离提 纯，如单甘脂的分离、天然鱼肝油的浓缩以及 从小麦胚芽油葵花油等富含维生素E的油脂中 分离天然维生素E等。
分子蒸馏技术概述
分子蒸馏技术是伴随真空技术和真空蒸馏技术发展起 来的一种特殊的液液分离技术，主要是运用不同物质 分子运动自由程的差别而实现物质的分离。 由于该技术具备蒸馏温度低、受热时间短、分离程度 高和环境友好等特点，因此能成功地解决高沸点热敏 性物料的分离问题。特别自20世纪90年代以来，随着 人们对天然物质的青睐以及全球回归自然潮流的兴起， 该技术更是得到了迅速发展的原动力。目前，分子蒸 馏技术在石油、医药、食品、精细化工和油脂等行业 已得到了广泛的应用。
分子蒸馏技术的基本原理
分子自由程的差异 不同的分子由于有着不同的分子有效直径,它 们的平均自由程也不相同,即不同种类液体混 合物的分子受热后从液面逸出，不与其它分子 发生碰撞所运行的距离是不相同的。一般来讲, 轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程 小。
分子蒸馏技术的基本原理
分子蒸馏技术原理 利用液体分子受热后平均自由程不同这一性质 来实现分离提纯。 在液面上方设置一冷凝面,其位置要求适宜；设 置冷凝面的目的； 破坏轻分子的动态平衡。
分子蒸馏
1.简介分子蒸馏技术是一种新型的特殊的液一液分离技术，由于分子蒸馏在低氧惰性条件下蒸馏。
其蒸馏温度低。
物料受热时间短，操作压力低(真空度高)，分离程度及产率高，产品质量高，其成分在蒸馏前后不会有太大变化．在分离后的产品可避免有机溶剂等优点EI-71。
特别适应于高沸点。
热敏性以及易氧化物料的分离纯化。
至目前为止，分子蒸馏技术已广泛应用于石油化工、精细化工、食品工业、医药保健等行业的物质分离和提纯，尤其是高分子量、高沸点、高粘度的物质及热稳定性的有机化合物的浓缩和纯化，由于世界各国的不断研究开发和应用，正在涉及国民经济的更多领域。
分子蒸馏技术在1920年开始于德国和英国，美国的K．C．C．Hick Mantm 和他的科研小组进行了进一步研究。
该技术与传统的蒸馏方法不同，是一种对高沸点，热敏性物料进行有效的分离纯化手段，1971年HoU6 J。
Kurucz E和Bor6di A⋯对分子蒸馏技术进行进一步研究。
提出只要蒸发面和冷凝面存在温差蒸发即可在任何温度下进行并将分子蒸馏技术成功的运用于浓缩鱼肝油中提炼维生素A的工业中。
1995年Juraj Lutisan和Jan Cvengros[12]运用理想气体动力学理论到处分子平均自由程提出分子蒸馏的分离作用是利用液体分子受热会从液面逸出．而且不同种类分子逸出后其平均自由程不同来实现的。
2 分子蒸馏技术的基本原理分子蒸馏不同于一般的蒸馏技术。
它是运用不同物质分子运动平均自由程的差别而实现物质的分离,因而能够实现在远离沸点下操作。
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示：式中 K—一波尔兹曼常数；P——分子运动所处的空间压力；T——分子运动所处的空间温度；d——分子有效直径。
由式(1)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三个主要因素根据分子运动理论,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,就会从液面逸出而成为气相分子,随着液面上方气相分子的增加,有一部分气体就会返回液体,在外界条件保持恒定情况下,就会达到分子运动的动态平衡。
分子蒸馏
分子蒸馏分子蒸馏（molecular distillation ）也称短程蒸馏（short- path distillation ），是一种在高真空下（残气分子的压力<0.1Pa）进行的连续蒸馏过程，属于高真空蒸馏。
它的本质特征在于蒸发器与冷凝器之间的距离小于分子间的平均自由程，一般为10-2～0.2m。
液相表面压力为0.1333Pa，如果其设备设计的比较好，则此压力还可降到6.666×10-3Pa。
在分子蒸馏过程中，分子的运动是无障碍的，各组分之间的相对挥发度增加，操作温度及物料受热时间也大大降低，它既不同于简单蒸馏，也不同于一般的蒸发，它是一种完全非平衡蒸馏。
分子蒸馏过程与传统的蒸馏过程不同，传统蒸馏是在沸点温度下进行分离的，蒸发与冷凝过程是可逆的，液相与汽相间会形成平衡状态。
分子蒸馏过程是一个不可逆的，并且在远离物质常压沸点温度下进行的蒸馏过程，更确切地说，它是分子蒸发的过程。
由于其操作温度远低于物质常压下的沸点温度，同时物料被加热的时间非常短，不会对物质本身造成破坏，因此分子蒸馏广泛应用于化工、医药、轻工、石油、油脂、核化工等工业中，用于浓缩或纯化高分子量、高沸点、高粘度的物质及热稳定性较差的有机化合物。
分子蒸馏的基本原理1.1 分子碰撞分子之间存在着相互作用力，当两分子离得较远时，其作用力主要表现为吸引力，但当两分子接近到一定程度后，分子之间的排斥力迅速增加．当两分子接近到一定程度时，排斥力使两分子分开．这种由接近而至排斥分离的过程就叫分子的碰撞过程。
1.2 分子的平均自由程一个分子在相邻两次碰撞之间所经过的路程叫分子的自由程．任一分子在运动过程中，其自由程都在不断地变化，而在一定的外界条件下，不同物质分子的自由程各不相同．在某时间间隔内，自由程的平均值称为平均自由程。
设νm 为任一分子的平均速度；ƒ为碰撞频率；λm为平均自由程．则有λm =νm／ƒ（1）所以ƒ=νm ／λm（2）由热力学原理可知：（3）式中 d一分子有效直径；p一分子所处空间压力；T一分子所处环境温度；k一波尔兹曼常数．对比式(2)和式(3)可得（4）分子运动自由程的分布规律可用概率公式表示为：F = 1一e-λ/λm（5）F一自由程小于或等于平均自由程的概率；λ一分子运动自由程．由(4)式可看出，在一定条件下，某一分子的平均自由程与该分子所处体系的温度成正比，而与体系的压力和该分子的有效直径成反比．1.3 分子蒸馏基本原理依据分子运动理论，液体混合物受热后分子运动会加剧，当某些分子吸收到足够的能量时，就会从液面逸出成为气相分子．随着逸出分子的增多，有一部分气相分子又会返回液相，在外界条件保持恒定的情况下，最终达到分子运动的动态平衡．根据分子运动平均自由程公式(4)，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由程也不同．从统计学的观点看，不同种类分子逸出液面后不与其它分子碰撞的飞行距离是不同的，分子蒸馏的分离作用就是依据此原理实现的．如图1所示．图1 分子蒸馏原理示意图待分离混合液体在加热板上被加热，吸收到足够能量的分子逸出液面．轻分子的分子运动平均自由程大，重分子的分子运动平均自由程小．在离液面距离小于轻分子运动自由程而大于重分子运动自由程处，设置一冷凝板．气体中的轻分子能到达冷凝板上，且不断被冷凝，从而破坏了体系中轻分子的动态平衡，而使混合液中的轻分子不断逸出．相反，气体中重分子因不能到达冷凝板，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，从而达到液体混合物的分离。
分子蒸馏技术
2010-4-18
分子有效直径
分子在碰撞过程中，两分子质心的最短距离（即发 生斥离的质心距离）称为分子有效直径。
分子运动自由程
一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程
分子运动平均自由程
任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，而在 一定的外界条件下，不同物质的分子其自由程各不 相同。在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自 由程
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分子蒸馏基本原理
根据分子运动理论，液体混合物受热后分子 运动会加剧，当接受到足够能量时，就会从液面 逸出成为气相分子。随着液面上方气相分子的增 加，有一部分气相分子就会返回液相。在外界条 件保持恒定的情况下。最终会达到分子运动的动 态平衡，从宏观上看即达到了平衡。
2010-4-18
机械 “刮膜”，温度 梯度和死点被大大减小 极限真空有限，有较高 的流阻
2010-4-18
分 子 蒸 馏 装 置
内部冷凝器，流阻小， 极限真空高
2010-4-18
分子蒸馏与其它蒸馏方法相比其突 出优点在于：
a. 操作温度低
b. 物料受热时间短 （这两点对于高沸点和热敏物料尤为重要） c. 工业化生产能力
香 料 香 精
2. 玫瑰油
3. 山仓子油
4. 桉叶油（茶树油） 5. 香茅油 6. 橙油 7. 紫罗兰酮
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1、分子蒸馏在多糖酯提纯纯化中的应用
多糖酯（sucrose polyester.简称SPE） 蔗糖分子中有6个以上的羟基发生酯化反应时（即酯化度 DS=6~8）生成的一类蔗糖酯。 粗产物中，除目标产物SPE外，还有表面亲和剂脂肪酸钾皂、 未反应的脂肪酸甲酯（FAME）、游离脂肪酸和色素等杂质。 混合物醇水处理，乙醇或低碳烷烃洗涤，然后分子蒸馏。 蔗糖脂肪酸酯在170℃以上易于热分解。 常压蒸馏（200~240 ℃ ） 真空蒸馏（50Pa,170 ℃ 以上）热敏性，需脱色 分子蒸馏（120~150 ℃ ）
分子蒸馏技术
6. 没有沸腾鼓泡现象，分子蒸馏是液层表面 上的自由蒸发，在低压力下进行，液体中无溶解 的空气，因此在蒸馏过程中不能使整个液体沸腾， 没有鼓泡现象。 7. 无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯 净安全的产物，且操作工艺简单，设备少。分子 蒸馏技术能分离常规蒸馏不易分离的物质。 8. 分子蒸馏设备价格昂贵，分子蒸馏装置必 须保证体系压力达到的高真空度，对材料密封要 求较高，且蒸发面和冷凝面之间的距离要适中， 设备加工难度大，造价高。 9. 产品耗能小，由于分子蒸馏整个分离过热 损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式, 损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式,内 部压强极低,内部阻力远比常规蒸馏小, 部压强极低,内部阻力远比常规蒸馏小,因而可大大 节省能耗。
3、分子从蒸发表面向冷凝面飞射 蒸气分子从蒸发面向冷凝面飞射的过程中，可 能彼此相互碰撞，也可能和残存于两面之间的空 气分子发生碰撞。由于蒸发分子远重于空气分子， 且大都具有相同的运动方向，所以它们自身碰撞 对飞射方向和蒸发速度影响不大。而残气分子在 两面间呈杂乱无章的热运动状态，故残气分子数 目的多少是影响飞射方向和蒸发速度的主要因素。 4、分子在冷凝面上冷凝 只要保证冷热两面间有足够的温度差（一般为 70~100℃ 70~100℃），冷凝表面的形式合理且光滑则认为 冷凝步骤可以在瞬间完成，所以选择合理冷凝器 的形式相当重要。
4、表示普通蒸馏分离能力的分离因素与组元 的蒸汽压之比有关，表示分子蒸馏分离能力的分 离因素则与组元的蒸汽压和分子量之比有关，并 可由相对蒸发速度求出。
优势优点
优点： 1. 蒸馏温度低，分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行 操作的，只要存在温度差就可以达到分离目的，这是分子 蒸馏与常规蒸馏的本质区别。 2. 蒸馏真空度高，分子蒸馏装置其内部可以获得很高的 真空度通常分子蒸馏在很低的压强下进行操作，因此物料 不易氧化受损。 3. 蒸馏液膜薄,传热效率高。 蒸馏液膜薄, 4. 物料受热时间短，受加热的液面与加冷凝面之间的距 离小于轻分子的平均自由程，所以由液面逸出的轻分子几 乎未经碰撞就达到冷凝面。因此，蒸馏物料受热时间短， 在蒸馏温度下停留时间一般 几秒至几十秒之间，减少了物料热分解的机会。 5. 分离程度更高，分子蒸馏能分离常规不易分开的物质
分子蒸馏技术
操作压力低：压力越低，分子平均自由程越大，越有利于分 子蒸馏分离。一般分子蒸馏的真空度达到0.1～100Pa，而 一般真空蒸馏的真空度是5kPa
受热时间短：假定真空蒸馏的受热时间为数十分钟，而分子 蒸馏的受热时间仅为几秒或几十秒
分离程度及产品收率高
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分子蒸馏技术
原理及特点
• 分子蒸馏技术特点
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工艺及设备—离心式流程
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分子蒸馏技术
工艺*
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分子蒸馏技术
原理及特点
• 例：空气
有效直径：3.11*10-10m，压力与平均自由程的关系见 下表：
压力/mmHg
1.0
10-1 10-2 10-3 10-4
平均自由程/cm 0.0056 0.056 0.56 5.6 56
注：1mmHg=133.322Pa
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分子蒸馏技术
原理及特点
• 分子蒸馏技术原理
分子蒸馏技术
原理及特点
• 分子蒸馏技术特点
分子蒸馏较常规蒸馏存在的优势 （1）产品质量高 （2）产品能耗低 （3）产品成本低 （4）易于放大
分子蒸馏的缺点：一次性投入较大
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分子蒸馏技术
原理及特点
• 分子蒸馏技术的参数
液膜厚度：一般分子蒸馏液膜厚度为：降膜式0.05～0.3 cm， 刮膜式0.01～0.05 cm，离心式0.005～0.025 cm
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分子蒸馏技术
工艺及设备—刮膜式内部结构
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分子蒸馏技术
工艺及设备—刮膜式流程
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分子蒸馏技术
工艺及设备—刮膜式多级流程
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分子蒸馏技术
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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，PaP02：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1.2.1 分子蒸馏技术分离过程根据分子蒸馏器设计原则，低沸点组分首先获得足够的能量从液膜表面蒸发，径直飞向中间冷凝器并被冷凝成液相，并在重力作用下沿冷凝器壁面向下流动，进入馏出组分接收瓶，未能到达冷凝面的重组分沿加热面流下，进入残留组分接收瓶，即分子蒸馏过程主要分为五个步骤：(1)分子从液相主体向蒸发面扩散。
通常，液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速率的主要因素，在设备设计时，应尽量减薄液层厚度并强化液层的流动。
(2)分子从蒸发面上自由蒸发。
分子在高真空远低于沸点的温度下进行蒸发。
蒸发速率随着温度的升高而上升，但分离效率有时却随着温度的升高而降低，所以应以被加工物质的热稳定性为前提，选择经济合理的蒸馏温度。
(3)分子从蒸发面向冷凝面飞射，在飞射过程中，可能与残存的空气分子碰撞，也可能相互碰撞。
但只要有合适的真空度，使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面之间的距离即可。
(4)分子在冷凝面上冷凝，冷凝面形状合理且光滑，从而完成对该物质分子的分离提取。
(5)馏出物和残留物的收集。
由于重力作用，馏出物在冷凝器底部收集。
没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物由于重力或离心力作用，滑落到加热器底部或转盘外缘。
1.2.2 分子蒸馏技术的特点分子蒸馏是一种非平衡状态下的蒸馏，由其原理来看，它又区别于常规蒸馏，因此，它具备许多常规蒸馏无法比拟的优点。
(1)操作温度低常规蒸馏是靠不同物质的沸点差进行分离的，而分子蒸馏是靠不同物质的分子运动平均自由程的差别进行分离的，也就是说后者在分离过程中，蒸气分子一旦从液相中挥发就可实现分离，并不要求液相达到沸腾状态。
因此，分子蒸馏是在远离沸点下进行操作的。
(2)蒸馏压强低由分子运动平均自由程公式可知，要想获得足够大的平均自由程，必须通过降低蒸馏压强来获得。
另外，分子蒸馏装置独特的结构形式，其内部压降极小，可获得很高的真空度。
由上述可知，分子蒸馏是在极高真空度下操作，又远离物质的沸点，因此分子蒸馏的实际操作温度比常规真空蒸馏低得多，一般可低50~100℃。
(2)受热时间短。
在分子蒸馏器中，受热液体被强制分布成薄膜状，膜厚一般为0.5mm 左右，设备的持液量很小，因此，物料在分子蒸馏器内的停留时间很短，一般几秒至十几秒，使物料所受的热损伤极小。
这一特点很好地保护了被处理物料的颜色和特性品质，使得用分子蒸馏精制的产品在品质上优于传统真空蒸馏法生产的产品。
(4)分离程度好、产品收率高分子蒸馏常常用来分离常规蒸馏难以分离的物质，而且就两种方法均能分离的物质而言，分子蒸馏的分离程度更高。
在两种方法相同条件下，挥发度不同可以看出这一点。
分子蒸馏技术挥发度一般用下式表示：而普通精馏分离技术相对挥发度公式为：两式对比看，由于√M2／M1项中M2>M1，，因此√M2／M1，即a r>a这就表明分子蒸馏较常规蒸馏更易分离物质，且随着帆与M，的差别越大，则分离程度越高。
分子蒸馏分离过程中液膜很薄，加之在非平衡状态下操作，传热、传质阻力的影响较常规蒸馏小得多，因此，其分离效率要远远高于常规蒸馏。
(5)工艺清洁环保。
分子蒸馏技术不使用任何有机溶剂，不产生任何污染，被认为是一种温和的绿色操作工艺[6]。
由此可见，分子蒸馏操作温度低，被分离物质不易分解或聚合；受热时间短，被分离物质可避免热损伤；分离程度高，可提高分离效率。
因此，总体上来说，分子蒸馏产品的收率较传统蒸馏会大大提高。
2 分子蒸馏较常规蒸馏存在的优势从分子蒸馏的技术特点就可以发现，其在工业化应用上较常规蒸馏存在明显的优势。
(1)产品品质高由于分子蒸馏操作温度低、受热时间短，因而大大提高了产品品质，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物质的分离，对于保持天然物质的品质有着特殊的功能。
(2)产品能耗小由于分子蒸馏整个分离过程热损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式，其内部压降极小，因而可大大节省能耗。
(3)产品成本低由于分子蒸馏的分离效率高，产品收率高，因而可大大降低产品生产成本，另外，由于分子蒸馏装置独特的结构形式，易于放大，因而有利于工业化规模的扩大。
但工业化应用中分子蒸馏装置投资较大，设备的费用较高。
3 分子蒸馏设备及其特点3.1 分子蒸馏设备分子蒸馏器的发展历程主要经历了 4 种类形：从最初的罐式分子蒸馏器、降膜式分子蒸馏器，再到目前应用较为广泛的刮膜式分子蒸馏器和离心式分子蒸馏器，其结构形式不断完善，物料操作温度进一步降低，受热时间进一步缩短。
分子蒸馏器的蒸发表面有凸面和凹面两种形式，当蒸发圆筒的直径小于15～20cm 时，多用凸面设计[7]。
3.1.1 间歇釜式分子蒸馏器该类形蒸馏器出现最早，结构最简单，由蒸馏釜和内置冷凝器组成，类似于简单蒸馏实验装置；其特点是有一个静止不动的水平蒸发表面。
间歇釜式分子蒸馏器分离能力低、分离效果差，物料停留时间长，热分解危险性大，目前已经不再采用。