分子蒸馏技术和应用

分子蒸馏技术及其应用

摘要

分子蒸馏又称短程蒸馏，是一种新型的液－液分离技术，与常规蒸馏相比具有许多优点，本文对分子蒸馏的基本原理、设备、特点以及在食品、医药、化工工业中的应用进行了阐述。

关键词：分子蒸馏、食品工业。

分子蒸馏是在高真空度下进行的非平衡蒸馏技术（真空度可达 0．01Pa），是以气体扩散为主要形式、利用不同物质分子运动自由程的差异来实现混合物的分离。由于蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分离物料的蒸气分子的平均自由程，所以也称短程蒸馏。由于分子蒸馏过程中。待分离物质组分可以在远低于常压沸点的温度下挥发，并且各组分的受热过程很短，因此分子蒸馏已成为对高沸点和热敏性物质进行分离的有效手段。目前已广泛应用于食品、医药、油脂加工、石油化工等领域，用于浓缩或纯化低挥发度、高分子量、高沸点、高黏度、热敏性、具有生物活性的物料。

一、分子蒸馏的概念原理和过程

1.1分子蒸馏的基本概念分子有效直径：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。分子运动自由程：指一个分子与其他气体分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程。分子运动平均自由程：在一定的外界条件下，不同物质中各个分子的自由程各不相同。就某一种分子来说在某时间间隔自由程的平均值称为平均自由程。

1．2分子蒸馏的基本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，其操作是在低于物质沸点下进行，当冷凝表面的温度与蒸发物质的表面温度有差别时就能进行分子蒸馏。根据分子运动理论，液体混合物中各个分子受热后会从液面逸出，不同种类的分子，由于其有效直径不同，逸出液面后直线飞行距离是不相同的。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，而重分子则因达不到冷凝面，返回原来液面这样就将混合物分离了，分子平均自由程是分子蒸馏基本理论的核心。

1.3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。

二、分子蒸馏的特点

2．1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。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是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，并设液氮冷阱以保护真空泵。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。

2．2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。

2．3刮膜式分子蒸馏装置图是刮膜式分子蒸馏装置，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。

2．4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非常有效；（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

三、设备及其特点

3.1 ①转子驱动马达②加热夹套③冷凝管④刮膜转子⑤冷凝水出口冷凝水入口⑥重组分收集瓶⑦进料器⑧冷阱⑩轻组分收集瓶⑪油扩散泵⑫

真空泵。（1）真空泵的平均自由程，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；（2）蒸馏温度比普通蒸馏低。常规蒸馏在沸点温度进行，而分子蒸馏在极高真空度下操作，可以对常规蒸馏不能分离的热稳定性差的物质进行蒸馏；（3）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；（4）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。常规蒸馏的相对挥发度α＝ P1／P2，分离能力只与组分的蒸气压之比有关，分子蒸馏的挥发度一般用下式表示：ατ＝α×（M2／M1）1／2式中：ατ为分子蒸馏的相对挥发度；M1为轻分子相对分子质量，M2为重分子相对分子质量。因此，分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸气压和相对分子量都有关。两组分的蒸气压和分子量差别越大，其相对挥发度越大，越容易实现分离，由于 M2＞M1，所以ατ＞α，即对于两种方法均能分离的物质，分子蒸馏的分离度更高。（5）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有机溶剂，可得到纯净安全的产物。

四、影响分子蒸馏的因素

4．1影响分子蒸馏速度的因素在理想的分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子全部凝集在冷凝面上，此时蒸馏速度应等于蒸发速度，但实际上由于物料性质、设备形式及操作条件等多种因素的影响，分子蒸馏速度远小于理想值，介于普通蒸馏与分子蒸馏之间。影响分子蒸馏速度的主要因素是温度和真空度，蒸馏速度随着温度和真空度的升高而上升，因此对热稳定性良好的物质，在真空温度一定时，升高温度可加速蒸馏过程，实际应用中预算蒸发处理量时，需引入校正系数。

4．2影响分子运动平均自由程的因素分子运动平均自由程公式：λm＝Vm ／f，其中λm是分子运动平均自由程，Vm是分子平均运动速度，f是分子碰撞频率。由热力学原理，f＝ 2姨 Vmπd2P／KT，d是分子平均直径，是分子的环境压强，T是环境温度，K是玻尔兹曼常数，因此，λm＝ KT／（ 2 姨πd2P），从公式可知: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。物质确定后，分子的有效直径一定，λm与环境温度成正比，而与分子的环境压力成反比，当温度升高，分子运动加剧，分子运动自由程增加，但操作温度不能过高，以免样品的热分解。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，因此，设备的真空度越高越有利于蒸发。此外，由于分子蒸馏是利用液膜受热使分子扩散而不同于沸腾蒸发，因而液膜厚度不能太厚，一般在几十到几百微米，在分子蒸馏装置的结构设计中，必须考虑液面的传质效率及加热面与冷凝面的距离。

4．3影响分子蒸馏的其他因素①混合物中含有的挥发性物质：如低沸点组分、溶解的空气、湿气，在进蒸馏器之前应除去，否则会引起暴沸并影响产品质量。②混合物的黏度：黏度是影响分子运动平均自由程的因素之一，又是影响液