新型分离技术分子蒸馏

2MRT
T
• 式中： J 为蒸发速率，g/m2s； p0 为组分的饱和蒸汽压,Pa； T 蒸发温度，K; M’ 摩尔质量，kg/mol； x 为液膜中组分的摩尔分数。
分子蒸馏的蒸发速率由物质分子在蒸发面上的挥发速度决定 ，与汽液相平衡无关。
分子蒸发速率近似估算式
• 对非理想物系的Langmuir-Knudsen估算方 程：
• 若在离蒸发面小于轻分子平均自由程而大于重分 子平均自由程处设置一冷凝面，轻分子可到达冷 凝面，则重分子则不能，这样就使混合物得以分 离。
来自百度文库子蒸发速率（理想体系）
• 按Langmuir-Knudsen方程，理想的多组分体系，某组分的
蒸发速率为：
J p0x
1 1.384 102 p0 x M '
• 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。
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。
8.589(T ) T
pM
• 式中： 是分子平均自由程，cm； T为温度T时液体的粘度； T为蒸发温度，k； P为蒸汽压，mmHg；
x 1
混合物的分子平均自由程
• 两种分子同时存在时，其分子平均自由 程为：
hun
{4.28 1019
p2d12 T
7.55 1018[ p2
(d1
d2)2 ] T
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。
不同分子量组分的分子蒸馏原理
单分子平均自由程
• 分子在两次连续碰撞之间所走路程的平均值为平均自由程， 这是分子蒸馏器设计中的主要参考数据。
• 纯组分的分子平均自由程为：
J=15.8×pM/T
• 式中： J为蒸馏速率，kg/m2h; p为蒸气压，Pa; T为蒸发温度，K； M为相对分子质量。
精确计算时，需对实际操作压力作适当校正。
蒸发温度
• 蒸发温度与被蒸馏物质相对分子质量大小有关，与分子质量 呈线性增加关系。
分离因子
• 假设以相对挥发度a表示分离二组分混合物的分离
分子蒸馏的特点
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。
能力。对于分子蒸馏，由于分离过程是不可逆的，
其分离因子aM，可由蒸发速度直接求出
M J1 / J 2 (P10 1 / P20 2 ) M 2 / M1
• 代入蒸馏过程的分离因子
• 可得：
P10 1 / P20 2
M M2 / M1
分子蒸馏与普通蒸馏的比较
比较内容
分子蒸馏
温度
任何温度，只要与冷凝面 存在足够温差
可知：分子平均自由程与温度、压力及分子有效直径 有关。
压力对分子平均自由程的影响
p/mmHg 1.0 10-1 10-2 10-3 10-4 m/cm 0.0056 0.056 0.56 5.6 56
• 真空度在10－3mmHg 以下，分子平均自由 程可达5.6cm。
蒸发面－冷凝面的距离确定
• 分析平均自由程计算式，可以看出较重分子的平 均自由程小，而较轻分子的平均自由程大。
几种产物的分子蒸馏与真空蒸馏比较
操作条件/原料名称
亚油酸
鱼油乙酯 天然育酚(VE )
蒸发温度(℃)
分子蒸馏 140 真空蒸馏 200
130～140 160
220
260
真空度 （Pa）
分子蒸馏 1～3 真空蒸馏 20～30
1～3 20～30
＜1 20～30
产物收率(%)
分子蒸馏 95 真空蒸馏 80
1 M1 }1 M2
• 式中：
d1,d2为分子直径，cm； p2为蒸气压或组分分压，mmHg; M1,M2为分子质量。
分子平均自由程的影响因素
• 从热力学和动力学原理可推出下式： m=(k/（2）1/2) (T/d2p)
• 式中： k为波尔茨曼常数； T为分子所处的环境温度； P为分子所处压力； d为分子有效直径。
90
80
75
55
产物外观(纯度) 分子蒸馏 微黄色液体 淡黄色液体 棕红色液体 真空蒸馏 棕红色液体 棕红色液体 棕褐色液体
分子蒸馏过程
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
• 分子蒸馏的特点
主要内容
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。
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。
分子蒸馏的特点
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, 在远远低于沸点下进行操作的。
蒸发-冷凝过程
不可逆过程
普通蒸馏
沸点温度下进行
蒸发与冷凝为可逆过程
液体的蒸发 液膜表面上的自由蒸发， 是不沸腾下的蒸馏
沸腾、鼓泡
分离因子
与组分蒸汽压和分子量之
比有关
P10 1 P20 2
M2 M1
与组分蒸汽压之比有关
P10 1 P20 2
分子蒸馏的传热与传质