型分离技术-分子蒸馏

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1、第6章特种精馏技术—分子蒸馏浙江大学材料与化工学院陈欢林教授chenhl@zju.edu.cn主要内容分子蒸馏的特点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

2、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。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。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。分子蒸馏的特点受热

3、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。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。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(℃)分子蒸馏真空蒸馏140200130～140220160260真空度（Pa）分子蒸馏真空蒸馏1～320～301～320～30＜120～30产物收率(%)分子蒸馏真空蒸馏958090758055产物外观(纯度)分子蒸馏真空蒸馏微黄色液体

4、棕红色液体淡黄色液体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；在高真空、远低于沸点的温度下，分子从液膜表面自由蒸发；基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射；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，小于蒸发面－冷凝面距离的分子不能到达冷凝面；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：式中：是分子平均

5、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；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：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。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/mmHg1.010-110-210-310-4m/cm0.00560.0560.565.656

6、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。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。分子蒸发速率（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：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

7、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：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代入蒸馏过程的