(整理)分子蒸馏技术的原理和应用

--------------------------分子蒸馏技术的原理和应用分子蒸馏技术简介分子蒸馏是一项较新的尚未广泛应用于产业化生产的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的题目。分子蒸馏是一种特殊的液－液分离技术，能在极高真空下操纵，它依据分子运动均匀自由程的差别，能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离本钱，极好地保护了热敏性物质的特点品质，该项技术用于纯自然保健品的提取，可摆脱化学处理方法的束缚，真正保持了纯自然的特性，使保健产品的质量迈上一个新台阶。分子蒸馏技术，作为一种对高沸点、热敏性物料进行有效的分离手段，自本世纪三十年代出现以来，得到了世界各国的重视。到本世纪六十年代，为适应浓缩鱼肝油中维生素Ａ的需要，分子蒸馏技术得到了规模化的产业应用。在日、美、英、德、苏相继设计制造了多套分子蒸馏装置，用于浓缩维生素Ａ，但当时由于各种原因，应用面太窄，发展速度很慢。但是，在过往地三十多年中，人们一直在不断地重视着这项新的液－液分离技术的发展，对分离装置精益求精、完善，对应用领域不断探索、扩展，因而一直有新的专利和新的应用出现。特别是从八十年代末以来，随着人们对自然物质的青睐，回回自然潮流的兴起，分子蒸--------------------------馏技术得到了迅速的发展。对分子蒸馏的设备，各国研制的形式多种多样。发展至今，大部分已被淘汰，目前应用较广的为离心薄膜式和转子刮膜式。这两种形式的分离装置，也一直在精益求精和完善，特别是针对不同的产品，其装置结构与配套设备要有不同的特点，因此，就分子蒸馏装置本身来说，其开发研究的内容尚十分丰富。在应用领域方面，国外已在数种产品中进行产业化生产。特别是近几年来在自然物质的提取方面应用较为突出，如：从鱼油中提取EPA与DHA、从植物油中提取自然维生素E等。另外，在精细化工中间体方面的提取和分离，品种也越来越多。我国对分子蒸馏技术的研究起步较晚，八十年代末期，国内引进了几套分子蒸馏生产线，用于硬脂酸单甘酯的生产。国内的科研职员也曾经作过一些研究，但未见产业化应用的报道。分子蒸馏成套产业化装置具有设计新奇、结构独特、工艺先进，可明显进步分离效率。从小试到产业化生产又到小试的反复循环实验探索中，特别解决了产业化生产中轻易出现的突出题目。如有效地解决了物料返混题目，明显地进步了产品质量，创造性地设计了有补偿功能的消息密封方式；实现了产业装置高真空下的长期稳定运行。该项技术属国内领先、国际先进。截止目前为止已经开发的产品有二十余种，如：硬脂酸单甘酯、丙二醇酯、玫瑰油、小麦胚芽油、米糠油、谷维素等。并已确定了应用分子蒸馏技术的有关工艺条件，为进行产业化生产奠定了基础。分子蒸馏的原理和装置的结构决定其有如下特点：１、分子蒸馏的操纵温度远低于物料的沸点：由分子蒸馏原理可知，混合物的分离是由于不同种类的分子溢出液面后的均匀自由程不同的性质来实现的，并不需要沸腾，所以分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操纵的，这一点与常规蒸馏有本质的区别。--------------------------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，因此分子蒸馏是在很低的压强下进行操纵，一般为×10-1Pa数目级（×10-3为托数目级）。３、受热时间短：由分子蒸馏原理可知，受加热的液面与冷凝面间的间隔要求小于轻分子的均匀自由程，而由液面溢出的轻分子，几乎未经碰撞就到达冷凝面，所以受热时间很短。另外，混合液体呈薄膜状，使液面与加热面的面积几乎相等，这样物料在蒸馏过程中受热时间就变得更短。对真空蒸馏而言，受热时间为一小时，而分子蒸馏仅为十几秒。４、分子蒸馏比常规蒸馏分离程度更高，能分离常规蒸馏不易分开的物质：分子蒸馏的相对挥发度ατ=(P1/P2)•(M2/M1)?br/式中：M1－轻组份分子量M2－重组份分子量而常规蒸馏的相对挥发度α＝P1/P2。在P1/P2相同的情况下，重组份分子量M2比轻组份分子量M1大，所以ατα。这就表明同种混合液分子蒸馏较常规蒸馏更易分解。分子蒸馏的特点决定了它在实际应用中较传统技术有明显的上风：１、由于分子蒸馏真空度高，操纵温度低和受热时间短，对于高沸点和热敏性及易氧化物料的分离，有常规方法不可相比的特点，能极好地保证物料的自然品质。可被广泛应用于自然物质的提取中。２、分子蒸馏不仅能有效地往除液体中的低分子物质，如：有机溶剂、臭味等，而且可以有选择地蒸出目的产物，往除其它杂质，因此被视为自然品质的保护者和回回者。３、分子蒸馏能实现传统分离方法无法实现的物理过程，因此，在一些高价--------------------------值物料的分离上被广泛用作脱臭、脱色及提纯的手段。分子蒸馏技术简介▲分子蒸馏的原理逐一分子蒸馏是一种特殊的液--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均匀自由程的不同实现分离。这里，分子运动自由程（用λ表示）是指一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。逐一当液体混合物沿加热板活动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进进气相，由于其中轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的气相分子移动间隔不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝并排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。这样，达到物质分离的目的。▲分子蒸馏技术的特点分子蒸馏技术作为一种与国际同步的高新分离技术，具有其它分离技术无法相比的优点：1、操纵温度低（远低于沸点）、真空度高（空载≤1Pa）、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；2、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；3、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，特别是可保持自然提取物的原来品质；4、分离程度高，高于传统蒸馏。--------------------------▲分子蒸馏技术产业化应用范围化学产业：高碳醇、碳氢化合物、芥酸酰胺、油酸酰胺、塔尔油、硅油、润滑油、真空泵油、制动液、沥青脱蜡、粗石蜡、微晶蜡、焦油、废油回收等。食品产业：精制鱼油、鱼肝油、脂肪酸及其衍生物、二聚酸、生养酚、单甘酯、脂肪酸酯、牛油及猪油脱胆固醇、小麦胚芽油、乳酸、双甘油酯、辣椒油树脂、植物蜡等。医药产业：酸性氯化物、氨基酸酯、葡萄糖衍生物、茄尼醇、萜烯烃、自然及合成维生素等。化妆品产业：羊毛脂、羊毛醇、烷基多苷、玫瑰油、姜油、辣椒红色素等。塑料及涂料产业：异氰酸酯、环氧树脂、丙烯酸酯、增塑剂等。农业：氯菊酯、增效醚、氧化乐果、除草剂、杀虫剂等。分子蒸馏技术的基本原理（一）分子运动均匀自由程：任一分子在运动过程中都在不断变化自由程。在某时间间隔内自由程的均匀值为均匀自由程。设Vm＝某一分子的均匀速度f＝碰撞频率λm＝均匀自由程--------------------------则λm＝Vm／f∴f＝Vm／λmπd睵由热力学原理可知，f＝(2)絍m•────KT其中：d－分子有效直径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KT则：λm＝────•────(2)溅小（二）分子运动均匀自由程的分布规律：分子运动自由程的分布规律为正态分布，其概率公式为：F=1-e-λ／λm其中：F－自由程度≤λm的概率λm－分子运动的均匀自由程λ－分子运动自由程由公式可以得出，对于一群相同状态下的运动分子，其自由程即是或大于均匀自由程λm的概率为：1-F=e-λ／λm=e-1=36.8%（三）分子蒸馏的基本原理：由分子均匀自由程的公式可以看出，不同种类的分子，由于其分子有效--------------------------直径不同，其均匀自由程也不同，换句话说，不同种类的分子溢出液面后不与其它分子碰撞的飞行间隔是不同的。分子蒸馏技术正是利用不同种类分子溢出液面后均匀自由程不同的性质实现的。轻分子的均匀自由程大，重分子的均匀自由程小，若在离液面小于轻分子的均匀自由程而大于重分子均匀自由程处设置一冷凝面，使得轻分子落在冷凝面上被冷凝，而重分子因达不到冷凝面而返回原来液面，这样混合物就分离了。（三）分子蒸馏技术中的相关模型：对于很多物料而言，至今还没有可供实际应用的数学模型来正确地描述分子蒸馏中的变量参数，实际的应用仍靠经验的总结。但由经验从各种规格蒸发器中获得的蒸发条件，可以安全地推广到生产装置的设计中。相关的模型有：１、膜形成对于降膜、无机械运动的垂直壁上的膜厚，Nasselt公式为：σm＝（3v2Re/g）1/3其中：σm－名义膜厚［米］v－物料动力粘度［米2•秒-1］g－重力加速度［米•秒-2］Re－雷诺数，无因次Re400时，该方程成立。这里：Re＝υ／vυ－表面载荷［米3•秒-1•米-1］--------------------------对于机械式刮膜来看，上述公式并不适用，一般由实验确定，其膜厚大致为0.05-0.5mm之间。但从上述公式可以看出机械式刮膜中膜厚的影响参数主要有表面载荷、物料粘度和刮片元件作用于膜上的力。２、热分解Hickman和Embree对分解几率给出以下公式：Z=p•t式中：Z－分解几率p－工作压力（与工作温度T成正比）t－停留时间［秒］其中停留时间取决于加热面长度、物料粘度、表面载荷和物料的流量，通过分解几率可以看出物料的热损伤。下表为相同物料在不同蒸馏过程中的热损伤比较一览表。从中可以看到物料在分子蒸馏中的分解几率和停留时间比其他类型的蒸馏器低了几个数目级。因此，用分子蒸馏可以保证物料少受破坏，从而保证了物料的品质。系统类型停留时间［秒］工作压力［毫托］分解几率［Z=p•t］稳定性指数［Z1=lgz］间歇蒸馏柱4000760×1033×1099.48间歇蒸馏300020×1036×--------------------------1077.78旋转蒸发器30002×1036×1066.78真空循环蒸发器10020×1032×1066.30薄膜蒸发器252×1035×1044.70分子蒸发器101101.00３、蒸发速度关于蒸发速度的计算，现有的数学公式近适用于理论上分子蒸馏的模型研究，而实际的应用要由实验确定。推广的LangMuir-Knudsen方程为：G=k•p•(M/T)健∈街校?br/G－蒸发速度［Kg/m2•h］M－分子量p－蒸汽压［mbar］T－蒸馏温度［k］k－常数分子蒸馏技术的应用（一）应用范围分子蒸馏可广泛地应用于国民经济的各个方面，特别适用于高沸点和热敏性及易氧化物料的分离。目前可应用分子蒸馏技术生产的产品在数百--------------------------种以上。今后，随着现代人们崇尚自然、回回自然的潮流兴起，分子蒸馏技术生产的产品必将有更广阔的时常远景。现就其应用领域先容如下：石油化工方面：碳氢化合物的分离、原油的渣油及其类似物质的分离、表面活性剂的提纯及化工中间体的精制等，如高碳醇及烷基多酣、乙烯基吡咯烷酮等的纯化、羊毛酸酯、羊毛醇酯等的制取等。塑料产业方面：增塑剂的提纯、高分子物质的脱臭、树脂类物质的精制等。食品产业方面：分离混合油脂，可获纯度达90%以上的单甘油脂，如硬脂酸单甘酯、月桂酸单甘酯、丙二醇脂等；提取脂肪酸及其衍生物、生产二聚脂肪酸等；从动植物中提取自然产物如鱼油、米糠油、小麦胚芽油等。医药产业方面：提取合成及自然维生素Ａ、Ｅ；制取氨基酸及葡萄糖衍生物等。香料产业方面：处理自然精油，脱臭、脱色、进步纯度，使自然香料的品位大大进步。如桂皮油、玫瑰油、香根油、香茅油、山苍子油等。（二）应用举例下面列举一些典型的分子蒸馏生产工艺：１、低沸点、热敏性物料的分离•如香料类物质，该类物质挥发性强，热敏性高，其共同的--------------------------工艺要求是脱臭、脱色及纯化，一般可采用三级分子蒸馏，第一级脱气处理，第二级脱臭或纯化，第三级脱色或纯化。