分子蒸馏分离技术及其应用3

思考题
1. 2. 3. 4. 分子蒸馏的原理是什么？ 分子蒸馏与传统精馏有什么区别？ 分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？ 简述分子蒸馏在食品工业中的应用。
d－分子的有效直径，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
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。 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; 当温度一定时，平均自由程λ与空间压力P成反 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4-1) 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，其分子平均自由程也 存在差异。
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 有鼓泡、沸腾现象。
第二节 分子蒸馏的原理
1. 操作温度低，可大大节省能耗
2. 蒸馏压强低，要求在高真空度下操作
3. 受热时间短，降低热敏性物质的热损伤
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， 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、 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 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。 4. 分子蒸馏的分馏过程是物理过程。
5.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、 接收瓶等； • 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 温仪表、油路等； • 冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管 路等。 • 密封结构 • 脱水、脱溶剂和脱氧处理
三、分子蒸馏技术的特点
3.刮膜分子蒸馏器
• 1.残留液出口 2.加热 套 3.刮膜器 4.蒸发空 间 5.内冷凝器 6.进料 口 7.转动电机 8.进液 分布盘 9.加热介质出 口 10.加热介质入口 11.真空口 12.冷却水 出口 13.产品馏出口 14.冷却水入口
特点
• 内部设置有转动的刮膜器。 • 物料均匀覆盖在加热表面上，液层得到充 分搅动，强化了传热和传质。物料停留时 间短且液膜厚度均匀，热分解可能性小， 生产能力大，且结构相对简单，价格相对 低廉，因此在实验室和工业上应用较广。
2.分子有效直径
• 分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短 距离，即发生斥离的质心距离，称为分子 有效直径。
3.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 程，称为分子运动自由程。
4.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 间隔内自由程的平均值.
λm = kT/(21/2πd2p)
表4-1 平均自由程和真空度对照表 真空度/mmHg
8×10-3 3×10-3 1×10-3 0.3×10-3 0.1×10-3
平均自由程/mm
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
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
3.分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度
• 压力必须低，在0.1~40 Pa左右。确保分子
之间不会发生碰撞。
4.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 面，以提高传质速率。 • 实际中，一般薄膜厚度为0.05~0.5 mm比 较适宜。如果过薄，则不但技术上难以实 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，
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。
一、分子蒸馏的历史
• Bronsted和Hevest在1922年世界上最早的实验 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 的研究小组有三个，负责人分别为Burch、 Waterman和Hickman。 • 1935年，Hickman领导的小组设计出了世界上第 一台离心式分子蒸馏器。 • 1943年，Qnackenbush和Steenbock对刮膜式 分子蒸馏器进行了研究。 • 从20世纪60年代至今的40多年来：
1.分子碰撞
• 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 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， 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 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。
1.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
2.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。
• 一般蒸发面与冷凝面的距离范围为20~30
mm为佳。
2.降膜分子蒸馏器
• A.进料贮油器 B.滴 液速率计数器 C.进 料液加热管 D.油气 分离球 E.真空管 • F.脱气盘管 G.扩散 泵 H.蒸发器 I.冷凝 器 J.蒸余物接受器 K.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。 • 很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆 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， 影响分离效果。
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
第四节
分子蒸馏技术在食品工业 中的应用
• 分子蒸馏技术的最大特点就是尽量保持食 品的纯天然性，加工温度不高、无毒、无 害、无残留物、无污染、分离效率高。 • 分子蒸馏适用于热敏性天然成分的提取、 分离和精制。
一、天然维生素的提取（VE） 二、天然色素的提取和精制（辣椒红素和类 胡萝卜素） 三、天然抗氧剂的生产 四、单脂肪酸甘油酯的分离提取 五、不饱和脂肪酸的分离（EPA和DHA） 六、芳香油的精制 七、食品工业中胆固醇的脱除
GP
0
M 2R 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 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。 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，使得分离 效率远高于常规蒸 馏。
0
0 PA 0 PB

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Байду номын сангаас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
分子蒸馏分离技术
molecular distillation technology
01
PART ONE 课题目的
02
PART TWO 具体工作
CONTENTS
03
04
PART THREE 存在问题
PART FOUR 解决方法
第一节 概
述
• 分子蒸馏(molecular distillation) 是一种
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 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 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、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、整体机 组设备费用较高、维修费用较高，生产成 本随着相应增加。
缺点
• 结构复杂，要求有高速的机械运转机构， 又需要较高的真空密封技术，因而加工制 造较难。 • 蒸发面积小，处理能力不够大，并且没有 刮片构件，对于易结焦的物料不太合适。
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
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。
(三) 分子蒸馏需具备的条件
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
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 膜式蒸发器、刮膜 式蒸发器和离心式 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 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 长，热分解危险性大，只适用于实验室及 小批量生产。
• 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。 • 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 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，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。
4.离心式分子蒸馏器
优点
• 由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分 布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失， 蒸发速率和分离效率更好； • 料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。 • 物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物 质热分解的危险； • 同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向 外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速 率较高，料液受热时间较短。