分子蒸馏技术
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]。
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。
分子蒸馏技术
• 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。
• 自本世纪三十年代出现以来，得到了世界 各国的重视。到本世纪六十年代，为适应 浓缩鱼肝油中维生素Ａ的需要，分子蒸馏 人们对天 然物质的青睐，回归自然潮流的兴起，分 子蒸馏技术得到了迅速发展。
• 我国对分子蒸馏技术的研究起步较晚，八 十年代末期，国内引进了几套分子蒸馏生 产线，用于硬脂酸单甘酯的生产。国内的 科研人员也曾经作过一些研究，但未见工 业化应用的报道。
• 在应用领域方面，国外已在数种产品中进 行工业化生产。特别是近几年来在天然物
质的提取方面应用较为突出，如：从鱼油 中提取EPA与DHA、从植物油中提取天然 维生素E等。另外，在精细化工中间体方面 的提取和分离，品种也越来越多。
1、最大程度地保护好产品的天然品质。 2、产品必须保证没有化学污染。 3、生产工艺必须具备工业经济价值。
• 要满足上述要求，单纯的溶剂萃取法不行， 因为溶剂会残留在产品中，传统的减压与 精馏法也不行，因为极高的操作温度会使 VE 产品受损及产生新的杂质。直接用超临 界萃取法从工业角度看也不经济。因此， 既能符合产品的安全要求，又具备工业价 值，优选的方法就是分子蒸馏法。
定义
分子蒸馏---在蒸馏过程中，通过特别的措 施，增大离开液相的分子流而减少返回液 相的分子流，实现从液相到气相的单一分 子流的流向的技术。
分子蒸馏的特征
由分子蒸馏的原理可以看出，分子蒸馏有 许多常规蒸馏所不具备的特点。
1、操作真空度高。
由于分子蒸馏的冷热面间的间距小于轻分子 的平均自由程，蒸发面的实际操作真空度比 传统真空蒸馏的操作真空度高出几个数量级。
膜的分类
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
稳定性指 数Z1=lgz
9.48
7.78
6.78
6.30
5×104
4.70
20
1.30
10
1.00
物料在分子蒸馏中的分解几率和停留时间比
其它类型的蒸发器低了数量级。
因此，用分子蒸馏总是可以保证：
物料少受破坏 重复性 效率
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
3、为防止已冷凝分子重新蒸发，冷凝面的温度 应低于蒸发面50～100℃；
4、被蒸发物料在蒸发面应能形成连续更新、覆 盖完全、厚度均匀的薄膜，并控制物料停留时 间，以提高蒸发效率，防止成分受到破坏。
三、分子蒸馏 设备
完整的分子 蒸馏系统主 要包括：脱 气系统、进 料系统、分 子蒸馏器、 加热系统、 真空冷气系 统、接受系 统和控制系 统。
2、原理 分子蒸馏是在极高的真空度下，依据混合物分
子运动平均自由程的差别，使液体在远低于其 沸点的温度下迅速得到分离。
轻分子的 平均自由 程大，重 分子的平 均自由程 小。
1、 分子从液相主体向蒸发表面扩散
2、 分子在液层表面上的自由蒸发
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
• 石油化工方面
应
• 塑料工业方面
用
情
• 食品工业方面
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
四、分子蒸馏技术应用
2.医药工业 2.医药工业 ①提取天然维生素：用分子蒸馏法可以从大 豆油、小麦胚芽油等油脂及其脱臭物中提取 高纯度维生素A、维生素E 高纯度维生素A、维生素E。宋志华等人利用 分子蒸馏技术对大豆脱臭馏出物进行分离， 得到纯度为74.55％的维生素E 得到纯度为74.55％的维生素E。②分离中药 提取液：杨靖等人采用分子蒸馏装置提高了 经过超临界萃取的当归根油品质。
三、分子蒸馏技术特点
1.分子蒸馏的操作真空度高、操作温度低。 1.分子蒸馏的操作真空度高、操作温度低。 由于分子蒸馏是依据分子运动平均自由程的 差别将物质分开，因而可在低于混合物的沸 点下将物质分离。加之其独特的结构形式决 定了其操作压强很低，这又进一步降低了物 质的沸点，因此分子蒸馏可在远低于混合物 沸点的温度下实现物质的分离。
三、分子蒸馏技术特点
2.受热时间短。在分子蒸馏器中， 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 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。
三、分子蒸馏技术特点
3.分离程度高。分子蒸馏比常规蒸馏有 3.分离程度高。分子蒸馏比常规蒸馏有 更高的相对挥发度，分离效率高。这使 得聚合物可与单体及杂质进行更有效的 分离。 4.工艺清洁环保。分子蒸馏技术不使用 4.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 。
五、分子蒸馏技术前景
分子蒸馏是高真空下的短程蒸馏，特别适用于高沸 点、热敏、高黏度物质的提取、分离和精制，其最 大特点是能尽量保持食品的天然性。尽管分子蒸馏 较常规蒸馏具有许多优点，但也有使用局限性，当 混合物内各组分的分子平均自由程相近时，例如同 分异构体，则可能分离不开，因此主要用于不同组 分、分子平均自由程相差较大的混合物的分离。分 子蒸馏作为一种高效、温和的分离技术，有利于清 洁生产和环境保护，能够满足人们对高品质、绿色 产品的追求，在各行业中具有广泛的应用前景。
分子蒸馏简介及应用
分子蒸馏技术1、分子蒸馏技术的原理分子蒸馏技术（Molecular distillation technology）是一种新型的液-液分离或精制技术，是利用混合物组分中不同分子运动的平均自由程的差异不同而进行分离的。
其特征是蒸发面与冷凝面之间的距离小于被分离物料分子的平均自由程，根据被分离物系各组分的分子量不同，分子平均自由程的差别进行分离。
分子蒸馏又叫短程蒸馏（Short-pathdistillation）。
根据分子平均自由程公式知，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，即不同种类分子，从统计学观点看，其逸出液面后不与其它分子碰撞的飞行距离是不相同的。
分子蒸馏的分离作用就是利用液体分子受热会从液面逸出，而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。
液体受热后，轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，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捕集器，使得轻分子不断被捕集，从而破坏了轻分子的动态平衡而使混合液中的轻分子不断逸出，而重分子因达不到捕集器很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出，这样，液体混合物便达到了分离的目的。
2、分子蒸馏技术的特点与常规的普通蒸馏技术相比，短程分子蒸馏技术具有明显特点[1-8]。
2.1操作温度低普通蒸馏是在沸点温度进行，而分子蒸馏是根据不同种类的分子逸出液面后的平均自由程不同的性质来实现的，因而分子蒸馏是在低于蒸馏物质沸点的温度下进行，被分离物质只要存在着温度差，就能达到分离目的。
2.2蒸馏真空度高分子蒸馏由于其特殊的结构，系统内真空度较高，压强只有0.5-1Pa，因而分子蒸馏分离可有效避免易氧化物质的氧化分解。
另外，对于混合液中的低分子物质（如有机溶剂、臭味物质等）的脱除，分子蒸馏较常规蒸馏有效得多。
2.3受热时间短分子蒸馏装置加热面与冷凝面的距离小于轻分子的平均自由程，液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面，所以受热时间很短。
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
*
16
工艺及设备—离心式流程
*
35
分子蒸馏技术
工艺*
12
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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MDL-150（离心式）
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1. 酸性氯化物 2. 氨基酸酯 3. 葡萄糖衍生物 4. 吲哚 5. 萜酯 6. 天然和合成维生素 7. 互叶白千层油 8. 辣椒碱 9. 大蒜素的精制 10. 川芎 11. 当归 12. 姜油 13. 中草药有效成分的提纯
制 药
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1．醇类 2. —酯 3. 乙二醇醚
化
4. 除草剂 5. 全能碳氢化合物
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几种产物的分子蒸馏与真空蒸馏比较
操作条件/原料名称
蒸发温度(℃) 真空度 （Pa） 分子蒸馏 真空蒸馏 分子蒸馏 真空蒸馏
亚油酸
140 200 1～ 3 20～30
鱼油乙酯 天然育酚(VE )
130～140 220 1～ 3 20～30 160 260 ＜1 20～30
产物收率(%)
分子蒸馏 真空蒸馏
95 80
微黄色液体 棕红色液体
90 75
80 55
产物外观(纯度) 分子蒸馏 真空蒸馏
淡黄色液体 棕红色液体 棕红色液体 棕褐色液体
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5.1 分子蒸馏技术原理
分子碰撞：
分子间存在相互作用力。 当分子相距较远时，分子间以吸引力为主。
当分子相互接近到一定距离之后，分子间排斥力迅速 增加。当接近到一定程度时，由于斥力的作用，两分子 发生斥离（排斥而分离）。 分子碰撞：分子由吸引而接近至排斥而分离的过程。
设备昂贵、运行成本也高，只适合高附加值物质的分离。
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分子蒸馏技术的主要应用领域
脱除热敏性物质中的轻分子（气味不纯物、残留溶剂或小分子杂 质）。如：香精香料、大蒜油、姜油的脱臭，天然产物脱溶剂。 产品脱色和除杂质。色泽多为重分子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ致，也共存重分子杂质。 避免和减少热敏物质的损伤与破坏。 需要避免环境污染的分离问题。如：传统脱除甘油三酸酯中游离脂 肪酸的方法是先用NaOH使游离酸皂化，然后水洗得到纯的甘油三酸 酯。该方法不仅使甘油三酸酯也大量被皂化，而且所用试剂污染产 品和环境。分子蒸馏技术可在不污染环境的前提下，既得到高品质 甘油三酸酯，同时还可得到游离脂肪酸副产品。 产品与催化剂的分离。传统分离方法会使催化剂破坏或失活。
1．盐基油
石 油 化 工
2. 亮库存油
3. 润滑油
4. 石蜡油
5. 沥青残留物
6. 焦油
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1．羊毛酯酸
日
化
2. 羊毛酯醇
3. 烷基多酣 4. 海藻、金雀花、褐苔、鲜花、 根菜作物、辣椒的提取物
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1．广藿香油 2. 玫瑰油
香 料 香 精
3. 山仓子油
4. 桉叶油（茶树油）
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3
分子蒸馏的特点
在极高的真空条件下，对含有多 组份的物料，使其在远低于其沸点 的温度下进行连续液-液分离，尤其 适合于高沸点、热敏性物质及易氧 化物的高效分离提纯。
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4
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,
分子蒸馏基于不同物质分子运动自由程的差异 ,
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9
分子运动平均自由程
分子运动自由程：一个分子在相邻两次分子碰撞之间 所经历的路程。任何一个分子的自由程都在不断变化， 在一定条件下，不同物质的分子运动自由程不同。 分子平均自由程：在一定时间间隔内，大量同种物质 的分子自由程的平均值。它受温度、压力及分子有效 直径影响。
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。
真空系统
物料输出系统
分子蒸馏装置构造框图
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真空间歇蒸馏
物料在蒸馏釜内停留时间较长，且处于沸点状态， 所以残留物甚至馏出物经常发生热破坏。
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降膜式蒸发器
成膜质量主要取决于:重力、物料的粘度和给料流率; 降膜成层流状态，导致膜上出现“死点”，使物料过热而热分解; 膜层中存在较大的温度梯度，妨碍了最佳蒸馏效果
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分子蒸馏及其特点
分子蒸馏是基于不同物质分子运动自由程的差异，在高真
空下实现混合物分离的一种新型分离技术。
与真空蒸馏差异：蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分 离物蒸汽分子的平均自由程，蒸发面逸出的分子可无碰撞、
无阻拦地传递扩散到冷凝面上冷凝，其蒸发传质速率可高
达20～40g/m2s 。 由于分子蒸馏过程中的蒸发和冷凝面的间距小于其分子平 均自由程，因此，有时也称为短程蒸馏。
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常规蒸馏分离基于不同物质沸点差异；分子
蒸馏基于不同物质分子运动的平均自由程的差
异。
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分子蒸馏过程
1. 热量通过加热面快速传递到流动的薄层液膜内，
分子从液相主体向蒸发表面扩散；
2. 在高真空、远低于沸点的温度下，分子从液膜表
面自由蒸发；
3. 基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射； 4. 分子自由程大于蒸发面－冷凝面距离的分子在冷
工
6．杀虫剂
7. 硅油
8. 妥尔革柔油
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1．环氧树脂 2. 环氧化油
塑
料
3. 异氰酸盐
4. 增塑剂 5. 稳定剂
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1．脂肪酸及衍生物
2. 二聚酯肪酸
3. 鱼油 4. 小麦胚芽油 5．种子油 6. 单甘油酯
塑
料
7. 双甘油酯
8. 生育酚
9. 黄油
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刮 膜 式 蒸 发 器
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
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分 子 蒸 馏 装 置
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内部冷凝器，流阻小，极限真空高
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分子蒸馏器的模式
离心薄膜式
转子刮膜式
主要区别在于物料形成薄膜的方法不同 现在国内、外的工业化装置以转子刮膜式为主
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6
3. 受热时间短
受加热面与冷凝面的间距小于轻分子的运动自由程, 由液 面逸出的轻分子可未经碰撞到达冷凝面 ； 在薄膜状态下，真空蒸馏受热时间为1h，而分子蒸馏仅 用十几秒，受热时间很短。
4. 分离程度高
相对于真空蒸馏，分子蒸馏的分离程度更高，因此，分 子蒸馏常用来分离常规蒸馏不易分开的物质。
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分子运动平均自由程的数学公式：
K T lm 2d 2 p
lm－平均自由程；Ｐ－运动分子所处空间的压强；
Ｔ－运动分子的环境温度；Ｋ－波尔兹曼常数； d－分子有效直径。
不同种类物质的分子，由于其有效直径不同，所以平均 自由程不同。即不同种类物质分子逸出液面后不与其它 分子碰撞的飞行距离不同。
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• 石油化工方面
应 用 情 况 简 介
• 塑料工业方面 • 食品工业方面 • 医药方面 • 香料工业方面
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事例1
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事例2
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事例3
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事例4
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事例5
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应用领域和产品
凝面上冷凝，小于蒸发面－冷凝面距离的分子不 能到达冷凝面；
5. 没有蒸发的重组分和返回加热面上的极少量轻组
分由于重力或离心力作用落到加热器底部。
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不同分子量组分的分子蒸馏原理
l l
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5.2 分子蒸馏装置
物料输入系统 控制系统
加热系统
蒸发系统 内冷凝系统
冷凝系统
在远远低于沸点下进行操作的。 常规的真空蒸馏通常在沸腾状态下操作，由于 塔板或填料的阻力较大，使操作温度比分子蒸 馏要高得多，如某一混合物的分离，采用真空
蒸馏时其操作温度为260℃，换用分子蒸馏的
操作温度可能降到160℃左右。
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2.蒸馏压强低
由于分子蒸馏装置独特的结构形式, 其内部压 强极小, 可以获得很高的真空度。同时, 由分子 运动自由程公式可知, 要想获得足够大的平均 自由程, 可以通过降低蒸馏压强来获得, 一般为 1×10-4Pa数量级。
第五章 分子蒸馏技术
Molecular distillation technology
5.1 分子蒸馏技术原理 5.2 分子蒸馏装置 5.3 分子蒸馏技术的应用
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概述：
分子蒸馏是一种特殊的液液分离技术， 它产生于20世纪20年代，是伴随着人们 对真空状态下气体分子运动论的深入研 究以及真空蒸馏技术的不断发展而兴起 的一种新的分离技术。目前，分子蒸馏 技术已成为分离技术的一个重要分支， 广泛应用于天然产物，食品，石油化工， 农药，塑料工业等领域有机物的分离。
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离心薄膜式分子蒸馏器
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转子刮膜式分子蒸馏器
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5.3 分子蒸馏技术的应用
适合分离分子量差别大的液体混合物（如同系物）。 不适合异构体分离。异构体不仅分子量相同，而且多数情 况下物理和化学性质差异也不很大。
适合分离高沸点、热敏性、易氧化（或易聚合）物质。如 中药有效成分、天然产物的分离等。对于分子量相同或相 近的物质，如果它们的沸点或分子结构等其它性质差异较 大，同样也可分离。
5. 香茅油