第四章 分子蒸馏分离技术

第二节 分子蒸馏的原理
• 一、分子蒸馏分离 的基本过程 • 物料分子从液相主 体向蒸发表面扩散。 体向蒸发表面扩散。 • 物料分子在液层上 自由蒸发 • 分子从蒸发面向冷 凝面飞射 • 轻分子在冷凝面上 冷凝
二、分子蒸馏基本理论 (一) 几个基本概念
1.理论分子蒸发速率 理论分子蒸发速率 Langmuir研究了高真 Langmuir研究了高真 空下纯物质的蒸发现 象，他从分子动力学 出发， 出发，推导出纯物质 理论分子蒸发速率只 是表面温度和分子种 类的函数。 类的函数。
2.蒸发面与冷凝面应保持较短的距离 蒸发面与冷凝面应保持较短的距离 • 保持在轻质分子平均自由程和重质分子平 均自由程之间。 均自由程之间。 • 一般蒸发面与冷凝面的距离范围为20~30 一般蒸发面与冷凝面的距离范围为 mm为佳。 为佳。 为佳
3.分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度 分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度
表4-1 平均自由程和真空度对照表 真空度/mmHg 真空度 8×10-3 × 3×10-3 × 1×10-3 × 0.3×10-3 × 0.1×10-3 × 平均自由程/mm 平均自由程 7 25 50 250 3000
分子蒸馏的基本原理
• 从公式可以看到 ,混合液中的不同组成分子的有 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 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 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 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 这样轻分子被冷却收集而重分 从而实现了分离。 子又返回到蒸发面 ,从而实现了分离。 从而实现了分离
第四章 分子蒸馏分离技术 molecular distillation technology
第一节 概 述
• 分子蒸馏 分子蒸馏(molecular distillation) 是一种 特殊的液--液分离技术， 特殊的液 液分离技术，它不同于传统蒸馏 液分离技术 依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分 依靠沸点差分离原理， 子运动平均自由程的差别实现分离。 子运动平均自由程的差别实现分离。
一、分子蒸馏的历史
• Bronsted和Hevest在1922年世界上最早的实验 和 在 年世界上最早的实验 用分子蒸馏装置。 用分子蒸馏装置。 • 1930年代，世界上有代表性的关于分子蒸馏技术 年代， 年代 的研究小组有三个，负责人分别为Burch、 的研究小组有三个，负责人分别为 、 Waterman和Hickman。 和 。 • 1935年，Hickman领导的小组设计出了世界上第 年 领导的小组设计出了世界上第 一台离心式分子蒸馏器。 一台离心式分子蒸馏器。 • 1943年，Qnackenbush和Steenbock对刮膜式 年 和 对刮膜式 分子蒸馏器进行了研究。 分子蒸馏器进行了研究。 • 从20世纪 年代至今的 多年来： 世纪60年代至今的 多年来： 世纪 年代至今的40多年来
二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别
分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小 距离很小。 ① 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小。 普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。 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 不可逆的 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 挥发度有关 而且与各组分的分子量有关。 有关， 分子量有关 对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程， ④ 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没 有鼓泡、沸腾现象。 有鼓泡、沸腾现象。
压力、温度及分子有效直径是影响分子运动平均 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 三个主要因素。 自由程的三个主要因素。 当压力一定时， 当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程 随空间温度增加而增大; 随空间温度增加而增大 当温度一定时，平均自由程λ与空间压力 成反 与空间压力P成反 当温度一定时，平均自由程 与空间压力 真空度越高(空间压力越小 越大 空间压力越小) 越大， 比，真空度越高 空间压力越小 λ越大，分子之 间碰撞几率越小。 表 间碰撞几率越小。(表4-1) 即使物系空间的压力和温度相同， 即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物 质由于分子有效直径不同， 质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也 存在差异。 存在差异。
1.分子碰撞 分子碰撞
• 分子与分子之间存在着相互作用力。 分子与分子之间存在着相互作用力。 • 当两分子离得较远时，分子之间的作用力 当两分子离得较远时， 表现为吸引力， 表现为吸引力，但当两分子接近到一定程 度后，分子之间的作用力会改变为排斥力， 度后，分子之间的作用力会改变为排斥力， 并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。 并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。 • 当两分子接近到一定程度，排斥力的作用 当两分子接近到一定程度， 使两分子分开，这种由接近而至排斥分离 使两分子分开，这种由接近而至排斥分离 的过程就是分子的碰撞过程 分子的碰撞过程。 的过程就是分子的碰撞过程。
第三节 分子蒸馏设备
物料输入系统
加热系统 冷凝系统
蒸发系统 内冷凝系统
控制系统 真空系统
物料输出系统
一、分子蒸发器
• 分子蒸馏装置的核 心部分 • 静止式蒸发器、降 静止式蒸发器、 膜式蒸发器、 膜式蒸发器、刮膜 式蒸发器和离心式 蒸发器。 蒸发器。
1.静止式分子蒸馏器
特点
• 设备出现最早，结构简单，具有一个静止 设备出现最早，结构简单， 不动的水平蒸发表面。 不动的水平蒸发表面。 • 分离能力低，分离效果差，物料停留时间 分离能力低，分离效果差， 热分解危险性大， 长，热分解危险性大，只适用于实验室及 小批量生产。 小批量生产。
三、分子蒸馏技术的特点
1. 操作温度低，可大大节省能耗 操作温度低， 2. 蒸馏压强低，要求在高真空度下操作 蒸馏压强低， 3. 受热时间短，降低热敏性物质的热损伤 受热时间短， 4. 分离效率高
分子蒸馏技术的优势
1. 对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离， 对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离， 分子蒸馏提供了最佳分离方法。 分子蒸馏提供了最佳分离方法。 2. 对于混合液中的低分子物质 如有机溶剂、 对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂 如有机溶剂、 臭味物等)的脱除 的脱除。 臭味物等 的脱除。 3. 分子蒸馏可以通过真空度的调节，有选择 分子蒸馏可以通过真空度的调节， 地蒸出目的产物，去除其它杂质， 地蒸出目的产物，去除其它杂质，通过多 级分离可同时分离多种物质。 级分离可同时分离多种物质。 4. 分子蒸馏的分馏过程是物理过程。 分子蒸馏的分馏过程是物理过程。
• 压力必须低，在0.1~40 Pa左右。确保分子 压力必须低， 左右。 左右 之间不会发生碰撞。 之间不会发生碰撞。
4.蒸发面上的液体膜应尽可能的薄 蒸发面上的液体膜应尽可能的薄 • 可能地扩大蒸发表面和不断地更新蒸发表 以提高传质速率。 面，以提高传质速率。 • 实际中，一般薄膜厚度为 实际中，一般薄膜厚度为0.05~0.5 mm比 比 较适宜。如果过薄， 较适宜。如果过薄，则不但技术上难以实 而且单位时间蒸发量也要减少。 现，而且单位时间蒸发量也要减少。 • 一般采用机械式刮板薄膜蒸发装置和离心 式薄膜蒸发装置， 式薄膜蒸发装置，
α0 =
0 PA 0 PB
⋅
M M
B A
MA－轻分子相对分子质 量；MB－重分子相对分 子质量； 子质量；P0A－轻分子 饱和蒸汽压， ； 饱和蒸汽压，Pa； P0B 重分子饱和蒸汽压， －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 二
• 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。 实现物质分离的。 • 1.分子碰撞 分子碰撞 • 2.分子有效直径 分子有效直径 • 3.分子运动自由程 分子运动自由程 • 4.分子运动平均自由程 λm =Vm/f 分子运动平均自由程
G=P ⋅
0
M 2πR g Ts
G－蒸发速度， g/(m2·s)；P 0－温度 Ts时的饱和蒸气压， Pa；M－分子摩尔质 量，kg/mol；Ts－蒸 发液面的绝对温度， K
PA
0
2.分离因数 分离因数 ① 分子蒸馏可以用来 分离挥发度相近但 分子量不同的混合 物系。 物系。 ② 分子蒸馏由于处于 非平衡状态下操作 及其设备的内部结 构特点， 构特点，使得分离 效率远高于常规蒸 馏。
4.分子运动平均自由程 分子运动平均自由程
• 分子运动平均自由程：某一种分子在某时间 分子运动平均自由程： 间隔内自由程的平均值. 间隔内自由程的平均值
λm = kT/(21/2πd2p)
d－分子的有效直径，p－分子所处空间的压强， －分子的有效直径， －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 －分子所处环境的温度， －
(三) 分子蒸馏需具备的条件 三
1. 蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差 2. 蒸发面与冷凝面应保持较短的距离 3. 分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度 4. 蒸发面上的液体膜应尽可能的薄 5. 分子蒸馏装置应有必要的设备系统
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1.蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差 蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差 • 冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度 50~100℃。防止冷凝器表面分子的再次蒸 ℃ 发。实际中还应尽可能地增大温度差为好 实际中还应尽可能地增大温度差为好
2.分子有效直径 分子有效直径
• 分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短 分子在碰撞过程中， 距离，即发生斥离的质心距离 质心距离， 距离，即发生斥离的质心距离，称为分子 有效直径。 有效直径。
3.分子运动自由程 分子运动自由程
• 一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路 称为分子运动自由程。 程，称为分子运动自由程。
分子蒸馏的缺点
1. 由于分子蒸馏的加热面积受设备结构的限 生产能力不大。 制，生产能力不大。 2. 若混合物内各组分的分子平均自由程相近 则可能分离不开。 时，则可能分离不开。 3. 由分子蒸馏的工作条件决定了其需要高真 空排气装置、 空排气装置、高真空动静密封结构等辅助 系统，这就导致生产技术难度大、 系统，这就导致生产技术难度大、整体机 组设备费用较高、维修费用较高， 组设备费用较高、维修费用较高，生产成 本随着相应增加。 本随着相应增加。
2.降膜分子蒸馏器
• A.进料贮油器 B.滴 进料贮油器 滴 液速率计数器 C.进 进 料液加热管 D.油气 油气 分离球 E.真空管 真空管 • F.脱气盘管 G.扩散 脱气盘管 扩散 泵 H.蒸发器 I.冷凝 蒸发器 冷凝 器 J.蒸余物接受器 蒸余物接受器 K.蒸出物接受器 蒸出物接受器
特点
• 依靠重力在加热面流动时形成一层薄膜。 依靠重力在加热面流动时形成一层薄膜。 • 很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆 形成的液膜较厚， 盖，形成的液膜较厚，液体流动时常发生 翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上， 翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上， 影响分离效果。 影响分离效果。
3.刮膜分子蒸馏器
5.分子蒸馏装置应有必要的设备系统 分子蒸馏装置应有必要的设备系统 • 分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、 分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、 接收瓶等； 接收瓶等； • 抽真空系统包括真空泵、扩散泵等； 抽真空系统包括真空泵、扩散泵等； • 加热温控系统包括热油泵、导热油炉、控 加热温控系统包括热油泵、导热油炉、 温仪表、油路等； 温仪表、油路等； • 冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管 冷却系统包括冷阱、降温水泵、 路等。 路等。 • 密封结构 • 脱水、脱溶剂和脱氧处理 脱水、
• 1.残留液出口 2.加热 残留液出口 加热 套 3.刮膜器 4.蒸发空 刮膜器 蒸发空 间 5.内冷凝器 6.进料 内冷凝器 进料 口 7.转动电机 8.进液 转动电机 进液 分布盘 9.加热介质出 加热介质出 口 10.加热介质入口 加热介质入口 11.真空口 12.冷却水 真空口 冷却水 出口 13.产品馏出口 产品馏出口 14.冷却水入口 冷却水入口