第八章 分子蒸馏技术

(2)物料分子在液层上自由蒸发速Fra Baidu bibliotek随温度升高而增大, 但是,分离因素却随温度升高而降低;
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(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,但只要真空度合适,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)轻分子在冷凝面上冷凝。如果冷凝面的形状合理且光 滑并迅速转移,则可以认为冷凝是瞬间完成的
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5 分子蒸馏技术的特点
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5.1 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，蒸气分子一旦由液相中逸出（挥 发）就可实现分离，而并非达到沸腾状态。因此，分子蒸馏 是在远离沸点下进行操作的。
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5.2 蒸气压强低
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。
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5.3 受热时间短
鉴于分子蒸馏是基于不同物质分子运动平均自由程的 差别而实现分离，因而装置中加热面与冷凝面的间距要 小于轻分子的运动平均自由程（即间距很小），这样， 由液面逸出的轻分子几乎未发生碰撞即达到冷凝面．所 以受热时间很短。
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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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6.2 降膜式分子蒸馏器
流体靠重力在蒸发壁面流动时形成一层薄膜,但液膜厚度 不均匀,且液膜流动一般为层流,传质、传热阻力大。
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优点： 液膜厚度小,蒸馏物料可沿蒸发表面流动,停留时间短,热
分解的危险性较小,蒸馏过程可以连续进行,生产能力大。
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。
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4.分子蒸馏适宜于附加值较高或社会效益较 大的物质的分离。
5.分子蒸馏不适宜于同分异构体的分离。
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6 分子蒸馏装置
• 分子蒸馏器有简单蒸馏型与精密蒸馏型之分,目前采用的 装置多为简单蒸馏型。
• 简单蒸馏型又可分为静止式、降膜式、离心式等几种。
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6.1 静止式分子蒸馏器
静止式分子蒸馏器出现早,结构简单,特点是一个 静止不动的水平蒸发表面,按其形状不同,可分为釜 式、盘式等，静止式分子蒸馏设备一般用于实验 室及小量生产,工业上已不采用。
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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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5.6 分离程度及产品收率高
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。 从两种方法相同条件下的挥发度不同可以看出这一点．
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5.7 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。
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１.液体混合物沿加热板流动并被加热
２.轻、重分子会逸出液面而进入气相
３.由于轻、重分子的自由程不同
４.轻分子达到冷凝板被冷凝排出; 重分子达不到冷凝板沿混合液排出
分子运动自由程（用λ表示）：一个分
子相邻两次碰撞之间所走的路程。
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引子
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分子蒸馏技术的优点
操作温度低（远低于沸点）、真空度高、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；
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5.4 不可逆性
普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程,液相和气相间可 以形成互相平衡状态。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,中间不与其它分子发 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。
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5.5 没有沸腾鼓泡现象
普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象,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。
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；
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；
分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器。
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1 几个基本概念
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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，并随其接近距离的减小，排 斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度时，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。
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3 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。
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6.4 离心式分子蒸馏装置
离心式(centrifugal evaporator)分子蒸馏装置 将物料送到高速旋转的转盘中央，并在旋转面扩
展形成薄膜，同时加热蒸发，使之与对面的冷凝 面凝缩，该装置是目前较为理想的分子蒸馏装置， 但与其它两种装置相比,要求有高速旋转的转盘,又 需要较高的真空密封技术。
缺点：
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,产生的雾沫也常溅到冷凝面上,影响分离 效果。
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6.3 刮膜式分子蒸馏设备
刮膜式分子蒸馏设备是对降膜式设备的改进,其结 构的主要特点是在刷膜式釜中设置一聚四氟乙烯制 的转动刮板,既保证液体能够均匀覆盖蒸发表面,又 可使下流液层得到充分搅动,从而强化了物料的传 热和传质过程,提高了分离效能。
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此外，由于釜内液层很厚，液层的压力又进一步 增大了底层液体的实际蒸发压力，这就进一步限制了 操作温度的降低。
与此同时，液层的厚度还增大了传热传质阻力，
降低了分离效率，同时也增大了物料的受热时间。为
了解决这些问题，人们设计了各种不同形式的薄膜蒸
发器，如降膜式薄膜蒸发器、刮膜式薄膜蒸发器等，
另外，主机部分还必须有驱动装置,用以驱动物料的分布 和成膜刮板作旋转运动,其主要设备是电动机、减速机、 支架以及密封构、中轴承、底轴承等。
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(2)进出料部分:由物料输入装置和物料输出装置 组成,用以完成系统的连续进料与排料功能,主要 设备通常由储罐、计泵和输送泵组成。
(3)真空部分:即真空获得装置,
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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。
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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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旋转刮膜式（wiped-film evaporator)分子蒸 馏设备组成部分:
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(1)主机部分——蒸发装置和冷凝装置。
蒸发装置向物料提供加热能源蒸发表面。目前热源可以 是多种类型,主要设备有蒸气加热、电加热、导热油加热 及微波加热等;
冷凝装置主要是提供水冷却的冷凝器。蒸发表面与冷凝 表面之间的距离必须介于轻重分子平均自由程间,才能完 成分子蒸馏的全过程;
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根据分子运动平均自由程公式，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，即从 统计学观点看，不同种类分子逸出液面后不与其他分子 碰撞的飞行距离是不同的
分子蒸馏的分离作用就是依据液体分子受热会从液面 逸出，而不同种类分子逸出后，在气相中其运动平均自 由程不同这一性质来实现的
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物料的沸点依赖于操作压力，为此，人们开发了各种 类型的真空蒸馏设备，试图通过降低过程的操作压力来 降低物料的沸点，从而达到降低分离温度的目的。如间 歇真空蒸馏，将物料放置在一加热釜中蒸发，并在釜外 冷凝器后配置上真空系统，由于操作压力的降低，物料 的沸点随之下降，从而使操作温度降低。但这种类型的 蒸馏，由于其气相必须由釜内移至外部冷凝器冷凝，其 蒸发面上的实际操作压力必须大到足以克服气相的管道 阻力才行。因此，这种蒸馏的操作压力的降低是有限度 的。
由于分子蒸馏在极高真空状态下操作,因此必须根 据物料的特点进行选择,一般情况下主要设备用冷 阱、油扩散泵和旋片式真空泵组成。
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(4)控制部分:控制装置通常要求实现全系统参 数的自动控制或电脑控制,即对系统中以上三部 分的技术参数实现全机控制,以到达最的分离效 率、分离精度和最低的能耗。
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分子蒸馏的挥发度
M1——轻组分相对分子质量 M2——重组分相对分子质量； p1——轻组分饱和蒸气压，Pa； p2——重组分饱和蒸气压，Pa；
—r —相对挥发度。
而常规蒸馏的相对挥发度为： 由于 M2 M1项中 M M1，因此
即 r
r
p1 p2
M2 M1
p1 p2
M2 M1
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分子蒸馏应满足的两个条件
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。
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4 分子蒸馏过程（四步曲）
(1)物料分子从液相主体向蒸发表面扩散, 注意：液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速度的主要因;
有效地减小了蒸发器表面上液膜的厚度，并减少了传
热传质阻力，从而降低了物料的分离温度和物料的受
热时间。所有这些，都使热敏性物料的品质得到了一
定程度的保护。
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但是，由于薄膜蒸发器仍属于常规蒸馏，不管空载真 空度多高，其操作时都必须要达到物料的沸点，其蒸发的 气相也必须靠一定压力由蒸发器内部移至外部冷凝器，因 此其蒸发面上的实际操作压力仍然比较高，因此，对于许 多热敏性、高沸点物系的分离，薄膜蒸发器仍然无能为力， 因此，长期以来，人们一直在寻求着一种更为温和的蒸馏 分离手段。正是在这种背景下，分子蒸馏技术得以开发， 并得到广泛应用。该项技术突破了传统蒸馏利用沸点差分 离的原理，而是利用分子运动平均自由程的差别实现物质 的分离，从而使物料在远离沸点下进行蒸馏分离成为可能。