新型分离技术--第三章 新型蒸馏技术
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传质推动力的分数。
理想状况下温度极化系数为1。
膜的浸润及浸润压力
Laplace方程：
2 i p cos R
R为孔径，i为液体的表面张力。
当接触角小于90°时，p>0，液体可以自发
进入膜孔。
当接触角大于90°时， p<0，液体不能可以
自发进入膜孔。必须施加一个大于p的压力，
与组分蒸气压和分 子量有关
与组分蒸气压 相关
分子蒸馏的基本原理
分子的平均自由程：气体分子在两次连续碰撞之间所 走路程的平均值。
v f
为分子平均自由程， 为分子的平均速度，f 为碰撞 频率。
v
f 2v
d p
2
kT
d为分子有效直径，p 为分子所处空间的压力。
分子蒸发速率
分子蒸馏的蒸发速率由物质分子在蒸发面上的
发面-冷凝面距离的重组分分子则不能到达冷
凝面。
（5）没有蒸发的重组分和返回加热面上极少
量轻组分由于重力或离心力作用落到加热器
的低部。
比较内容
分子蒸馏
普通蒸馏
温度
蒸发-冷凝 过程
任何温度，只要与 冷凝面存在温差 不可逆过程
沸点温度
可逆过程 沸腾、鼓泡
液体的蒸发 液膜表面上的自由 蒸发，不沸腾
分离因子
1．醇类
2. —酯
3. 乙二醇醚
化
工
4. 除草剂
5. 全能碳氢化合物 6．杀虫剂 7. 硅油 8. 妥尔革柔油
1．脂肪酸及衍生物
2. 二聚酯肪酸
3. 鱼油
食
品
4. 小麦胚芽油
5．种子油 6. 单甘油酯 7. 双甘油酯 8. 生育酚
9. 黄油
1．广藿香油 2. 玫瑰油
香 料 香 精
3. 山仓子油
才能将液体压入孔中。
膜蒸馏时，膜两边的压力差不应超过浸润压力。
浸润压力反比于膜孔的大小。膜孔较大的膜容 易浸润。 影响膜浸润的另一个重要参数为液体的表面张 力。分子间的作用力强，表面张力高。 水中含有有机溶剂，表面张力迅速降低，浸润 压也降低。
聚合物的表面能是决定浸润的另一个重要因素。
表面能高的聚合物容易浸润，表面能低的聚合物 不容易浸润。
膜蒸馏使用的疏水性微滤膜
聚合物膜 聚四氟乙烯 (PTEF) 表面能(103 N/m) 19.1
聚三氟乙烯
聚偏氟乙烯 (PVDF)
23.9
30.3
聚乙烯 (PE)
聚丙烯 (PP)
33.2
30.0
膜蒸馏系统
用于膜蒸馏的膜组件可为中空纤维、卷 式和板框式等。膜蒸馏系统由预处理装
置、加热装置、冷却装置、热能回收装
稀溶液的潜热通量为：
dp Qv C (Tm1 Tm 2 ) dT 热传导通量为：
Qc km
(Tm1 Tm 2 )
膜蒸馏传热示意图
通过膜的总热传导为：
dp k m Q Qv Qc (C )(Tm1 Tm 2 ) H (Tm1 Tm 2 ) dT
水。
工业案例
膜法 能耗 (kwh/ m3) 费用 (元/ m3) 约2 约3 约2至2.5 规模 (m3/天) 20000 800 100
反渗透 约7
约12 膜蒸馏 约3（太阳能或 废热） 电渗析 约18 约6 约7（太阳能）
2000
思考题
(1) 表层海水与深层海水之间有温度差，
是否可以这样考虑：利用这个温差，使用
20世纪60年代，Findly提出膜蒸馏（membrane
distillation)的概念。
以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，膜两
侧温度差造成膜两侧蒸汽压差，蒸汽分子通过膜孔
从高温侧向低温侧扩散传递并冷凝。
膜蒸馏是蒸馏与膜过程的结合。
膜蒸馏传质过程：
水从热料液主体扩散到膜—料液侧表面； 水在疏水膜—料液侧表面汽化； 水蒸汽扩散通过疏水膜孔；
第三章:新型蒸馏技术
Novel distillation technique
第一部分：分子蒸馏
(Molecular Distillation, MD)
分子蒸馏技
术是现代工
业生产的一
项重要分离
技术.
分子蒸馏，又称短程蒸馏，在极高真空下操作， 依据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实现分离。 作为一种特殊的分离技术，能解决大量常规蒸
h为液膜厚度，u为液体的动力粘度，为液体密度，
为蒸发面单位周长上的流速，D为蒸发面直径。
设计中力求减少液膜厚度，强化液层流动。尽
量避免液沫飞溅，料液进蒸馏器前要充分脱气，
蒸发面与冷凝面之间的间距不要过小（一般为
20至70毫米）。
可以在蒸发面与冷凝面之间设置筛网作雾沫分
离器。
MDL-150（离心式） 分子蒸馏设备
J1 p10 r1 M 0 J 2 p2 r2
量有关。
M2 M1
分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸气压和分子
分子蒸馏可以分离蒸气压十分接近而分子质量有差别
的混合物。
分子蒸馏装置及设计
降膜式分子蒸馏器中液膜的厚度、下流速度及蒸Biblioteka Baidu面
直径如下：
h3
3u 2g
Q D
3uQ D g 2 h 3
膜蒸馏的缺点：膜遭受润湿而损害，膜费用较高。
小规模海水淡化、超纯水生产、以及高沸点、高浓 度含水制品的脱水、浓缩。
工业案例
使用孔径为0.45 um、孔隙率为75%的PDVF 膜进行海水的膜蒸馏，在热侧温度为60°C，冷 侧温度为20 °C ，水通量可以达到3
kg/(m2· h)，制得总固含量低于5 ug/g的高纯
水蒸汽在膜—冷凝液侧表面冷凝；
水从膜—冷凝液侧表面到液相主体扩散。
膜蒸馏传质示意图
当膜两侧温差不太大时，膜通量和膜两侧的蒸
汽压差为线性关系：
N C ( p1 p2 )
p1和p2为膜两侧温度下水的饱和蒸汽压，C为
膜的传质系数。
多数情况下，膜的孔径与膜蒸馏水蒸汽分子的
平均自由程在同一个数量级，近似努森扩散。
馏技术所不能解决的问题。
真空蒸馏的操作压力为104-102 Pa，高真空蒸
馏的压力范围为100-1 Pa，分子蒸馏的压力
范围为1-0.01 Pa。
分子蒸馏在极高真空下操作，蒸发面和冷凝面
的间距小于蒸气分子的平均自由程，由蒸发面
逸出的分子，既不与残余空气碰撞，自身也不
碰撞，毫无阻碍地喷射到冷凝面上发生冷凝。
4. 桉叶油（茶树油）
5. 香茅油
6. 橙油
7. 紫罗兰酮
成套的实验室规模短程蒸馏
实验室分子蒸馏装置
分子蒸馏中试装置
分子蒸馏中试
蒸发面积：KD1200 12 平方米 用于乳化剂生产
4个流程
每个蒸发面36平方米
用于石蜡生产
第二部分 膜蒸馏 (Membrane distillation, MD)
挥发速率决定，与汽液相平衡无关。组分的蒸 发速率为：
1 Jp x 2MRT
o
J 为蒸发速率；po为组分的饱和蒸气压；M 为
组分的摩尔质量；x 为液膜中组分的摩尔分率。
蒸发温度
分子蒸馏的蒸发温度与被蒸馏的物质的相对分 子质量呈线性增加关系。
分离因子
分子蒸馏分离过程不可逆，分离因子由蒸发速率求出：
单纯的分离技术，不具备提取功能。 进样物料及分离后的组分必须为低极性液态。 设备、技术要求高，初期投入较大，生产能力 有限。
制 药
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
H为膜的有效传热系数。
膜蒸馏过程的热量衡算式为：
Q h1 (Tb1 Tm1 ) h2 (Tm2 Tb2 )
h1、h2为膜附近热、冷液膜的传热系数。
温度极化
Tm1 Tm 2 Tb1 Tb 2 (Tb1 Tb 2 ) H H 1 h1 h2
定义为温度极化系数，表示总热推动力用于
分子蒸馏过程
（1）热量通过加热面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，液相内 的扩散是控制分子蒸馏速率的主要因素。 （2）在高真空下、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
分子在冷凝面上冷凝，而分子自由程小于蒸
置等组成。
预处理装置：除去泥沙、悬浮物、有机物等， 一般采用澄清、过滤、吸附等方法。 加热装置：最好使用废热、余热、地热、太阳 能等。 冷却装置：用原水或自来水冷却。 热能回收装置：采用热交换器回收热能。
膜蒸馏装置
膜蒸馏的应用
膜蒸馏的优点：可在非沸腾状态下的较低温度下操
作，可利用工业余热和太阳能。膜蒸馏设备紧凑。
分子蒸馏技术的优点
适于高沸点、热敏性、易氧化物料(蒸馏温度低)。 可有选择性地蒸出目的产物(利用多级分子蒸馏同 时分离两种以上物质)。 工艺简单，溶剂污染少(分离过程为物理过程，不 需要使用溶剂)。 典型应用：从鱼油中提取二十碳五烯酸，二十二 碳六烯酸。从植物中提取维生素A和E。
分子蒸馏技术的局限性
由于膜内蒸汽压不能直接测量，转换为温度的
表示形式：
dp N C ( )Tm (Tm1 Tm 2 ) dT
可由Antoin方程计算：
3841 p exp(23.238 ) Tm 45
膜蒸馏传热过程：
膜蒸馏中的传热有两种机理：一为伴随着蒸汽
通量产生的潜热传递，另一为通过膜的热传导。
膜蒸馏技术，一劳永逸制取淡水？ (2)设想如何降低膜蒸馏的温度极化现象？
理想状况下温度极化系数为1。
膜的浸润及浸润压力
Laplace方程：
2 i p cos R
R为孔径，i为液体的表面张力。
当接触角小于90°时，p>0，液体可以自发
进入膜孔。
当接触角大于90°时， p<0，液体不能可以
自发进入膜孔。必须施加一个大于p的压力，
与组分蒸气压和分 子量有关
与组分蒸气压 相关
分子蒸馏的基本原理
分子的平均自由程：气体分子在两次连续碰撞之间所 走路程的平均值。
v f
为分子平均自由程， 为分子的平均速度，f 为碰撞 频率。
v
f 2v
d p
2
kT
d为分子有效直径，p 为分子所处空间的压力。
分子蒸发速率
分子蒸馏的蒸发速率由物质分子在蒸发面上的
发面-冷凝面距离的重组分分子则不能到达冷
凝面。
（5）没有蒸发的重组分和返回加热面上极少
量轻组分由于重力或离心力作用落到加热器
的低部。
比较内容
分子蒸馏
普通蒸馏
温度
蒸发-冷凝 过程
任何温度，只要与 冷凝面存在温差 不可逆过程
沸点温度
可逆过程 沸腾、鼓泡
液体的蒸发 液膜表面上的自由 蒸发，不沸腾
分离因子
1．醇类
2. —酯
3. 乙二醇醚
化
工
4. 除草剂
5. 全能碳氢化合物 6．杀虫剂 7. 硅油 8. 妥尔革柔油
1．脂肪酸及衍生物
2. 二聚酯肪酸
3. 鱼油
食
品
4. 小麦胚芽油
5．种子油 6. 单甘油酯 7. 双甘油酯 8. 生育酚
9. 黄油
1．广藿香油 2. 玫瑰油
香 料 香 精
3. 山仓子油
才能将液体压入孔中。
膜蒸馏时，膜两边的压力差不应超过浸润压力。
浸润压力反比于膜孔的大小。膜孔较大的膜容 易浸润。 影响膜浸润的另一个重要参数为液体的表面张 力。分子间的作用力强，表面张力高。 水中含有有机溶剂，表面张力迅速降低，浸润 压也降低。
聚合物的表面能是决定浸润的另一个重要因素。
表面能高的聚合物容易浸润，表面能低的聚合物 不容易浸润。
膜蒸馏使用的疏水性微滤膜
聚合物膜 聚四氟乙烯 (PTEF) 表面能(103 N/m) 19.1
聚三氟乙烯
聚偏氟乙烯 (PVDF)
23.9
30.3
聚乙烯 (PE)
聚丙烯 (PP)
33.2
30.0
膜蒸馏系统
用于膜蒸馏的膜组件可为中空纤维、卷 式和板框式等。膜蒸馏系统由预处理装
置、加热装置、冷却装置、热能回收装
稀溶液的潜热通量为：
dp Qv C (Tm1 Tm 2 ) dT 热传导通量为：
Qc km
(Tm1 Tm 2 )
膜蒸馏传热示意图
通过膜的总热传导为：
dp k m Q Qv Qc (C )(Tm1 Tm 2 ) H (Tm1 Tm 2 ) dT
水。
工业案例
膜法 能耗 (kwh/ m3) 费用 (元/ m3) 约2 约3 约2至2.5 规模 (m3/天) 20000 800 100
反渗透 约7
约12 膜蒸馏 约3（太阳能或 废热） 电渗析 约18 约6 约7（太阳能）
2000
思考题
(1) 表层海水与深层海水之间有温度差，
是否可以这样考虑：利用这个温差，使用
20世纪60年代，Findly提出膜蒸馏（membrane
distillation)的概念。
以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，膜两
侧温度差造成膜两侧蒸汽压差，蒸汽分子通过膜孔
从高温侧向低温侧扩散传递并冷凝。
膜蒸馏是蒸馏与膜过程的结合。
膜蒸馏传质过程：
水从热料液主体扩散到膜—料液侧表面； 水在疏水膜—料液侧表面汽化； 水蒸汽扩散通过疏水膜孔；
第三章:新型蒸馏技术
Novel distillation technique
第一部分：分子蒸馏
(Molecular Distillation, MD)
分子蒸馏技
术是现代工
业生产的一
项重要分离
技术.
分子蒸馏，又称短程蒸馏，在极高真空下操作， 依据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实现分离。 作为一种特殊的分离技术，能解决大量常规蒸
h为液膜厚度，u为液体的动力粘度，为液体密度，
为蒸发面单位周长上的流速，D为蒸发面直径。
设计中力求减少液膜厚度，强化液层流动。尽
量避免液沫飞溅，料液进蒸馏器前要充分脱气，
蒸发面与冷凝面之间的间距不要过小（一般为
20至70毫米）。
可以在蒸发面与冷凝面之间设置筛网作雾沫分
离器。
MDL-150（离心式） 分子蒸馏设备
J1 p10 r1 M 0 J 2 p2 r2
量有关。
M2 M1
分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸气压和分子
分子蒸馏可以分离蒸气压十分接近而分子质量有差别
的混合物。
分子蒸馏装置及设计
降膜式分子蒸馏器中液膜的厚度、下流速度及蒸Biblioteka Baidu面
直径如下：
h3
3u 2g
Q D
3uQ D g 2 h 3
膜蒸馏的缺点：膜遭受润湿而损害，膜费用较高。
小规模海水淡化、超纯水生产、以及高沸点、高浓 度含水制品的脱水、浓缩。
工业案例
使用孔径为0.45 um、孔隙率为75%的PDVF 膜进行海水的膜蒸馏，在热侧温度为60°C，冷 侧温度为20 °C ，水通量可以达到3
kg/(m2· h)，制得总固含量低于5 ug/g的高纯
水蒸汽在膜—冷凝液侧表面冷凝；
水从膜—冷凝液侧表面到液相主体扩散。
膜蒸馏传质示意图
当膜两侧温差不太大时，膜通量和膜两侧的蒸
汽压差为线性关系：
N C ( p1 p2 )
p1和p2为膜两侧温度下水的饱和蒸汽压，C为
膜的传质系数。
多数情况下，膜的孔径与膜蒸馏水蒸汽分子的
平均自由程在同一个数量级，近似努森扩散。
馏技术所不能解决的问题。
真空蒸馏的操作压力为104-102 Pa，高真空蒸
馏的压力范围为100-1 Pa，分子蒸馏的压力
范围为1-0.01 Pa。
分子蒸馏在极高真空下操作，蒸发面和冷凝面
的间距小于蒸气分子的平均自由程，由蒸发面
逸出的分子，既不与残余空气碰撞，自身也不
碰撞，毫无阻碍地喷射到冷凝面上发生冷凝。
4. 桉叶油（茶树油）
5. 香茅油
6. 橙油
7. 紫罗兰酮
成套的实验室规模短程蒸馏
实验室分子蒸馏装置
分子蒸馏中试装置
分子蒸馏中试
蒸发面积：KD1200 12 平方米 用于乳化剂生产
4个流程
每个蒸发面36平方米
用于石蜡生产
第二部分 膜蒸馏 (Membrane distillation, MD)
挥发速率决定，与汽液相平衡无关。组分的蒸 发速率为：
1 Jp x 2MRT
o
J 为蒸发速率；po为组分的饱和蒸气压；M 为
组分的摩尔质量；x 为液膜中组分的摩尔分率。
蒸发温度
分子蒸馏的蒸发温度与被蒸馏的物质的相对分 子质量呈线性增加关系。
分离因子
分子蒸馏分离过程不可逆，分离因子由蒸发速率求出：
单纯的分离技术，不具备提取功能。 进样物料及分离后的组分必须为低极性液态。 设备、技术要求高，初期投入较大，生产能力 有限。
制 药
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
H为膜的有效传热系数。
膜蒸馏过程的热量衡算式为：
Q h1 (Tb1 Tm1 ) h2 (Tm2 Tb2 )
h1、h2为膜附近热、冷液膜的传热系数。
温度极化
Tm1 Tm 2 Tb1 Tb 2 (Tb1 Tb 2 ) H H 1 h1 h2
定义为温度极化系数，表示总热推动力用于
分子蒸馏过程
（1）热量通过加热面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，液相内 的扩散是控制分子蒸馏速率的主要因素。 （2）在高真空下、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
分子在冷凝面上冷凝，而分子自由程小于蒸
置等组成。
预处理装置：除去泥沙、悬浮物、有机物等， 一般采用澄清、过滤、吸附等方法。 加热装置：最好使用废热、余热、地热、太阳 能等。 冷却装置：用原水或自来水冷却。 热能回收装置：采用热交换器回收热能。
膜蒸馏装置
膜蒸馏的应用
膜蒸馏的优点：可在非沸腾状态下的较低温度下操
作，可利用工业余热和太阳能。膜蒸馏设备紧凑。
分子蒸馏技术的优点
适于高沸点、热敏性、易氧化物料(蒸馏温度低)。 可有选择性地蒸出目的产物(利用多级分子蒸馏同 时分离两种以上物质)。 工艺简单，溶剂污染少(分离过程为物理过程，不 需要使用溶剂)。 典型应用：从鱼油中提取二十碳五烯酸，二十二 碳六烯酸。从植物中提取维生素A和E。
分子蒸馏技术的局限性
由于膜内蒸汽压不能直接测量，转换为温度的
表示形式：
dp N C ( )Tm (Tm1 Tm 2 ) dT
可由Antoin方程计算：
3841 p exp(23.238 ) Tm 45
膜蒸馏传热过程：
膜蒸馏中的传热有两种机理：一为伴随着蒸汽
通量产生的潜热传递，另一为通过膜的热传导。
膜蒸馏技术，一劳永逸制取淡水？ (2)设想如何降低膜蒸馏的温度极化现象？