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分子蒸馏技术的原理和应用

发布时间: 2011-04-15  点击次数: 1792次

分子蒸馏技术的原理和应用 hru
分子蒸馏技术的基本原理qnmn
(一) 分子运动平均自由程:)$a
   
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平均值为平均自由程。 )T
  设  Vm = 某一分子的平均速度.
     f  = 碰撞频率7O4c
     λm = 平均自由程q*FI
  则  λm = Vmf     ∴ f = Vm/λmQZzPM'
                   πd²P$a?B|a
  由热力学原理可知,f = (2)½Vm?────$2T7
                    KT~vsx-*
  其中:  d - 分子有效直径9F84S4
       P - 分子所处空间的压强].KXsq
       T - 分子所处环境的温度W{
       K - 波尔兹曼常数F 8w
             K       TpO8
  则:   λm = ──── ? ────l
           (2)½π     d²PDqZg
(二) 分子运动平均自由程的分布规律:m<oec
分子运动自由程的分布规律为正态分布,其概率公式为:F = 1 - e-λ/λm-s'"
  其中:   F  - 自由程度 ≤ λm 的概率1X1'I
       λm - 分子运动的平均自由程i;):C
       λ  - 分子运动自由程i&
  由公式可以得出,对于一群相同状态下的运动分子,其自由程等于或大于平均自由程λm的概率为:?
      1 - F = e-λ/λm = e-1 = 36.8%?
(三) 分子蒸馏的基本原理:lN(Ocu
由分子平均自由程的公式可以看出,不同种类的分子,由于其分子有效直径不同,其平均自由程也不同,换句话说,不同种类的分子溢出液面后不与其它分子碰撞的飞行距离是不同的。o6!x=L
  分子蒸馏技术正是利用不同种类分子溢出液面后平均自由程不同的性质实现的。轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面,使得轻分子落在冷凝面上被冷凝,而重分子因达不到冷凝面而返回原来液面,这样混合物就分离了。':S
(三) 分子蒸馏技术中的相关模型:@'Vu*
对于许多物料而言,至今还没有可供实际应用的数学模型来准确地描述分子蒸馏中的变量参数,实际的应用仍靠经验的总结。但由经验从各种规格蒸发器中获得的蒸发条件,可以安全地推广到生产装置的设计中。相关的模型有: 9$@[
1、膜形成XRM62
    对于降膜、无机械运动的垂直壁上的膜厚,Nasselt公式为:j
         σm = (3v2Re/g1/3nz,
    其中 : σm - 名义膜厚[米]rC_M
         v - 物料动力粘度[米2?秒-1emiXE_
         g - 重力加速度[米?秒-2T
         Re - 雷诺数,无因次(((
         Re > 400 时,该方程成立。z
         这里:Re = υ/v+`e
         υ - 表面载荷[米3?秒-1?米-1,+d81
  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。5<-P{
  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。 zyu
2、热分解:oz|3
  Hickman Embree 对分解几率给出以下公式:^
             Z = p ? t=S:,
        式中:  Z - 分解几率<EF{iS
             p - 工作压力(与工作温度T成正比)W|y/z:
             t - 停留时间[秒]2iCjm
  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。G}1v1
  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量级。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。?R
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=lg zIM
间歇蒸馏柱4000760×1033×1099.484;
间歇蒸馏300020×1036×1077.78b
旋转蒸发器30002×1036×1066.78.
真空循环蒸发器10020×1032×1066.30Q
薄膜蒸发器252×1035×1044.70<F
分子蒸发器101101.00A(=K|
3、蒸发速度(%[NqZ
  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。p
  推广的Lang Muir-Knudsen方程为:{
        G = k?p?(M/T)½        式中:5!OI"l
        G - 蒸发速度[Kg/m2?h'=E]Jk
        M - 分子量4yU!
        p - 蒸汽压[mbark'%hn+
        T - 蒸馏温度[kNj
        k - 常数7!y,9P
分子蒸馏技术的应用 -&R.Q
(一)应用范围b\n
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,随着现代人们崇尚天然、回归自然的潮流兴起,分子蒸馏技术生产的产品必将有更广阔的时常前景。现就其应用领域介绍如下:f
  石油化工方面:Bq5ne
  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。#.B?G=
  塑料工业方面:N9~
  增塑剂的提纯、高分子物质的脱臭、树脂类物质的精制等。v2B{tB
  食品工业方面:+>S
  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;从动植物中提取天然产物如鱼油、米糠油、小麦胚芽油等。$&^a>
  医药工业方面:%yT
  提取合成及天然维生素A、E;制取氨基酸及葡萄糖衍生物等。m+pq;/
  香料工业方面:?F]S[W
  处理天然精油,脱臭、脱色、提高纯度,使天然香料的品位大大提高。如桂皮油、玫瑰油、香根油、香茅油、山苍子油等。y_)X?'
(二)应用举例UKwM
下面列举一些典型的分子蒸馏生产工艺: Yi
   
1、低沸点、热敏性物料的分离 SEE
?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,*级脱气处理,第二级脱臭或纯化,第三级脱色或纯化。如:94U
                  ┎→产品1T
  玫瑰油→*级(脱气)→第二级→┃         ┎→产品29Lx"
                  ┖→蒸余物→第三级→┃g0-Gt\
                            ┖→渣t
  通过上述处理,可解决香味不好、颜色深及蜡含量高等问题,使产品的附加值大大提高。 v[8_
?2、高沸点、热敏性物料的分离 q4
?该类物质分离的关键是温度和受热时间的控制。若温度和受热时间控制得不好,不但影响分离效果,而且还会使物质歧化宿合。如:<Q
                     ┎→付产品$py9i
  鱼油乙酯→*级脱腥→第二级提纯→┃            ┎→主产品^
                     ┖→蒸余物→第三级脱色→┃7gs*L
                                  ┖→渣%zW8U2
  通过上述处理,所得产品不仅气味、颜色优良,而且有效成分的含量提高,保护了天然的结构。 7NJ@
?3、主产品是不挥发物,馏出物是少量低沸点组份 [E3D
?该类物质如辣椒红色素脱溶,鱼油甘三酯脱酸等。采用二级分子蒸馏即可完成。如:辣椒红色素脱溶<0,G
               ┎→溶剂7
  辣椒红色素→*级脱溶→┃            ┎→溶剂o
               ┖→蒸余物→第二级脱溶→┃1
                            ┖→合格产品X
  辣椒红色素中含有1%-2%的溶剂,经分子蒸馏,产品中溶剂残留量<20ppm,达到质量要求。 `
?4、常温下呈固态或粘性很大的物质的分离 Vr]6C
?该类物质如硬脂酸单甘酯、丙二醇脂等。以硬脂酸单甘酯的生产为例,原料经过酯化后一般含有 40%左右的单甘酯,其它成分有双甘酯、三甘酯、甘油以及硬脂酸等物质,若不对单甘酯进行精制,则其乳化效果不好,价值也不高,而经过三级分子蒸馏精制,可以获得90%以上纯度的单甘酯,从而提高其使用效果及附加值。SSH^8
         ┎→甘油(返回利用)┎→甘油+游离脂肪酸@
  原料→*级→┃         ┃ (返回利用)  ┎→单甘酯\R
     脱气 ┖→蒸余物→第二级→┃         ┃u.Jy7
                   ┖→蒸余物→第三级→┃(返回利用)</CE_
                             ┖→二、三酯 !KN|
?5、产品与其催化剂的分离 5G@I
?该类物料的特点是产品与催化剂都易分解,而能回收利用价格高昂的催化剂。93nr
  如在催化剂钴磷化合物催化下用烯烃羰基合成制脂肪酸醇的工艺中,催化剂和产品醇要分开。可采用二级分子蒸馏完成。w8}
                 ┎→溶剂@{-c
  混合物→*级脱气→第二级→┃Tn+@
                 ┖→蒸余物(催化剂、返回利用)b,&%
  通过上述处理,不仅得到了高质量的产品醇,而且极大地减少了催化剂的分解。 {'*^-
分子蒸馏装置的性能规格gM~`
   
归纳起来,分子蒸馏装置主要有以下特点:-x
1、采用了能适应不同粘度物料的布料结构,使液体分布均匀,有效地避免了返混,显著地提高了产品质量。sQg15Y
  2、性地设计了离心力强化成膜装置,有效地减少了浓膜厚度,降低了液膜的传质阻力,从而大幅度地提高了分离效率及生产能力,并节省了能耗。g3RW]9
  3、成功地解决了液体的飞溅问题,省去了传统的液体挡板,减少了分子运动的行程,提高了装置的分离效率。L
  4、设计了*、新颖的动、静密封结构,解决了高温、高真空下密封变形的补偿问题,保证了设备高真空下能长期稳定运行的性能。sW]Lhr
  5、开发了能适应多种不同物料温度要求的加热方式,提高了设备的调节性能及适应能力。xy
  6、*地解决了装置运转下的级间物料输送及输入输出的真空泄漏问题,保证了装置的连续性运转。Ed,U6
  7、优化了真空获得方式,提高了设备的操作弹性,避免了因压力波动对设备正常操作性能的干扰。L
  8、设备运行可靠,产品质量稳定。ee5
  9、适应多种工业领域,可进行多品种产品的生产,尤其对于高沸点、热敏性及易氧化物料的分离有传统蒸馏方法*的优点。B2
    目前,该成套设备设备已经系列化,其主要的规格及性能指标为: fo
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项目指标单位SE:{
处理量1-1000L/h)*$
操作温度≤3006v>
空载真空度≤0.7-1Pa51_
设备级数≤1-6*t
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目前,已开发出了从实验室到工业化生产规模的系列装置,完成的规格有,处理量单位为L/h)为:V[
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1510152550751002003004005001000
CHvX
等,完够满足分子蒸馏技术的现有工业化应用的需要。++
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分子蒸馏技术简介1m
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分子蒸馏是一项较新的尚未广泛应用于工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问题。分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术,能在*真空下操作,它依据分子运动平均自由程的差别,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成本,*地保护了热敏性物质的特点品质,该项技术用于保健品的提取,可摆脱化学处理方法的束缚,真正保持了的特性,使保健产品的质量迈上一个新台阶。hBq
     
~q"^
   
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工业应用。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,在过去地三十多年中,人们一直在不断地重视着这项新的液-液分离技术的发展,对分离装置不断改进、完善,对应用领域不断探索、扩展,因而一直有新的和新的应用出现。特别是从八十年代末以来,随着人们对天然物质的青睐,回归自然潮流的兴起,分子蒸馏技术得到了迅速的发展。bAt!
  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,也一直在不断改进和完善,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工业化生产。特别是近几年来在天然物质的提取方面应用较为突出,如:从鱼油中提取EPADHA、从植物油中提取天然维生素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。&:gU8
  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。国内的科研人员也曾经作过一些研究,但未见工业化应用的报道。P\7ext
  分子蒸馏成套工业化装置具有设计新颖、结构*、工艺先进,可显著提高分离效率。从小试到工业化生产又到小试的反复循环实验探索中,特别解决了工业化生产中容易出现的突出问题。如有效地解决了物料返混问题,显著地提高了产品质量,创造性地设计了有补偿功能的动静密封方式;实现了工业装置高真空下的长期稳定运行。该项技术属国内、先进。V;
  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,为进行工业化生产奠定了基础。D*TDm
分子蒸馏的原理和装置的结构决定其有如下特点: `
1、分子蒸馏的操作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平均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作的,这一点与常规蒸馏有本质的区别。Z}Xk.
2、蒸馏压强低:ge0`
  由于分子蒸馏装置*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作,一般为×10-1Pa数量级(×10-3为托数量级)。l
3、受热时间短:(j7ef\
  由
分子蒸馏系统原理可知,受加热的液面与冷凝面间的距离要求小于轻分子的平均自由程,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。@@j`:
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:x]
  分子蒸馏的相对挥发度 ατ = (P1/P2)?(M2/M1)½.t
  式中: M1 - 轻组份分子量H
      M2 - 重组份分子量s+
  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ατ>α。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优势:r=HP5v
1、由于分子蒸馏真空度高,操作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,有常规方法不可比拟的特点,能*地保证物料的天然品质。可被广泛应用于天然物质的提取中。Y~;j
  2、分子蒸馏不仅能有效地去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,去除其它杂质,因此被视为天然品质的保护者和回归者。:}W
  3、
分子蒸馏系统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

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