第四章分子蒸馏分离技术

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1、第四章分子蒸憾分离技术moleculardistillationtechnology第一节概述•分子蒸馅(moleculardistillation)是一种特殊的液“液分离技术，它不同于传统蒸憾依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。一、分子蒸馅的历史•Bronsted和Hevest在1922年世界上最早的实验用分子蒸檐装置。•1930年代，世界上有代表性的关于分子蒸憾技术的研究小组有三个，负责人分别为Burch、Waterman和Hickman。•1935年，Hickman领导的小组设计出了世界上第一

2、台南心衣分子蒸檜器。•1943年，Qnackenbush和Steenbock对刮膜式分子蒸憾器进行了研究。•从20世纪60年代至今的40多年来：二、分子蒸馆技术与传统精馆的区另I」①分子蒸馅的蒸发面与冷凝面距离很小。②普通减压精馆是蒸发与冷凝的可逆过程。分子蒸馅过程是不可逆的。③分子蒸憎的分离能力不但与各组分间的相对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。④分子蒸馅是液膜表面的自由蒸发过程，没有鼓泡、沸腾现象。第二节分子蒸馅的原理、分子蒸憾分离的基本过程脚在液层上分子从蒸发面向冷凝面飞射轻分子在冷凝面上冷凝子分二m二3分of组■亍二

3、H/3AAY—-nrf二、分子蒸馅基本理论(一)几个基本概念1■理论分子蒸发速率Langmuir研究了高真空下纯物质的蒸发现象，他从分子动力学出发，推导出纯物质理论分子蒸发速率只是表面温度和分子种类的函数。G=P•J2栗gTG—蒸发速度，g/(m2・s)；P。一温度Ts时的饱和蒸气压，Pa；M—分子摩尔质量,kg/mol；人一蒸发液面的绝对温度，K2■分离因数①分子蒸憎可以用来分离挥发度相近但分子量不同的混合物索。②分子蒸馅由于处于非平衡状态下操作及其设备的内部结构特点，使得分离效率远高于常规蒸Mr轻分子相对分子质量；/她一重分子

4、相对分子质量；POa—轻分子饱和蒸汽压，Pa；P°B—重分子饱和蒸汽压，Pa；a。一相对挥发度（二）分子运动平均自由程•依靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现物质分离的。•1•分子碰撞・2.分子有效直径・3.分子运动自由程•4.分子运动平均自由程Zm=Vm/f1•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,并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。•当两分子接近到一定程度，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

5、程就是分子的碰撞过程。2■分子有效直径•分子在碰撞过程中，两个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。3■分子运动自由程•一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程，称为分子运动自由程。4•分子运动平均自由程•分子运动平均自由程：某一种分子在某时间间隔内自由程的平均值.Am=kT/(21/2Trd2p)d—分子的有效直径，p—分子所处空间的压强,T—分子所处环境的温度，k—波尔兹曼常数压力、温度及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的三个主要因素。＞当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程随空间温度增加而增大当温

6、度一定时，平均自由程入与空间压力P成反比，真空度越高（空间压力越小）入越大，分子之间碰撞几率越小。俵4・1）＞即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也存在差异。表4・1平均自由程和真空度对照表真空度/mmHg平均自由程/mm8XIO373X103251X103500.3X1032500.1X1033000分子蒸馆的基本原理・从公式可以看到，混合液中的不同组成分子的有效直径和分子自由程不同,轻分子的平均自由程大，而重分子的平均自由程小，如果冷凝面与蒸发面的间距小于轻分子的平均自由程，而大于

7、重分子的平均自由程，这样轻分子被冷却收集而重分子又返回到蒸发面，从而实现了分离。（三）分子蒸憾需具备的条件1・蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差2・蒸发面与冷凝面应保持较短的距离3・分子蒸馅分离系统中应保持较高的真空度4.蒸发面上的液体膜应尽可能的薄5・分子蒸馅装置应有必要的设备系统1■蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差•冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度50^100°Co防止冷凝器表面分子的再次蒸发。实际中还应尽可能地增大温度差为好2■蒸发面与冷凝面应保持较短的距离•保持在轻质分子平均自由程和重质分子平均自由程之间。一般蒸发

8、面与冷凝面的距离范围为20~30mm为佳。3■分子蒸憾分离系统中应保持较高的真空度•压力必须低，在0.1〜40Pa左右。确保分子之间不会发生碰撞。4■蒸发面上的液体膜应尽可能的薄•可能地扩大蒸发表面和不断地更新蒸发表面，以提咼传质速率。•实际中，一