分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用

1、目錄目錄摘要I1分子蒸餾技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r12分子蒸餾技術(shù)原理23分子蒸餾技術(shù)的基本過程34分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)點45分子蒸餾器類型66分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀87分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用實例97. 1 芳香油的提純97.2魚油的精制108我國分子蒸餾技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用存在的問題11結(jié)語12參考文獻13I 分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用 摘要摘要 分子蒸餾技術(shù)是高純材料制備的瓶頸技術(shù)，一直備受各國重視。本文介紹了國內(nèi)外分子蒸餾技術(shù)的發(fā)展概況及其應(yīng)用特點，結(jié)合實際應(yīng)用的要求，對分子蒸餾的技術(shù)理論、分子蒸餾分離過程以及在精細化工、醫(yī)藥、高純度物質(zhì)、超分子化合物制備等方面的應(yīng)用前沿，做了較全面而詳細的介紹。關(guān)鍵詞：分子蒸餾

2、原理 過程 應(yīng)用Abstract：Molecular distillation technology is the bottleneck of high-purity materials technology which has been paid widespread attention in many countries. This paper introduces the developments 0f the molecular distillation technology at home home and and abroad.as well as the basic princi

3、ple and application characteristics.Combining requirements of practical applications,the comprehensive and particular introduction is given the applications forefront 0f the mechanism 0f molecular distillation and the process of molecular distillation and fine mechanism，pharmaceuticals，high-grade ma

4、terials,and ultra-molecular compoundsKey words：molecular distillation theory process applicationI分子蒸餾技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1分子蒸餾技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分子蒸餾技術(shù)可以追溯到第2次世界大戰(zhàn)以前，伴隨真空技術(shù)和真空蒸餾技術(shù)發(fā)展起來的一種液一液分離技術(shù)。Hickman博士是最早的發(fā)明人之一。美國首先以=提出“分子蒸餾”的概念并沿用至今。20世紀(jì)的3060年代是分子蒸餾技術(shù)的研發(fā)時代，至60年代末，德、日、英、美及前蘇聯(lián)均有多套大型工業(yè)化裝置投入工業(yè)化應(yīng)用。但由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展還很落后，致使當(dāng)時分子蒸

5、餾技術(shù)及裝備在總體上還不夠完善。從20世紀(jì)60年代至今的50多年來，各國研究者均十分重視這一領(lǐng)域的研究，不斷有新的專利和文獻出現(xiàn)。同時，也出現(xiàn)了一些專業(yè)技術(shù)公司專門從事分子蒸餾器的開發(fā)制造，使分子蒸餾技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用得到了進一步發(fā)展。我國對分子蒸餾技術(shù)的研究開始得比較晚。20世紀(jì)60年代，樊麗秋2首次在國內(nèi)進行了分子蒸餾相關(guān)研究；70年代末，余國琮、樊麗秋發(fā)表了對降膜式分子蒸餾研究的相關(guān)論文；80年代，國內(nèi)才有分子蒸餾器方面相關(guān)專利出現(xiàn)，隨后又引進了幾套國外的分子蒸餾裝置，用于硬脂酸單甘酯的生產(chǎn)。近年來，我國許多高校及科研單位對分子蒸餾技術(shù)進行了廣泛的研發(fā)。特別是90年代以來，隨著人們對天然物質(zhì)

6、的青睞以及全球回歸自然潮流的興起，特別是中藥現(xiàn)代化、國際化進程的迫近，分子蒸餾技術(shù)在高沸點、熱敏性天然物質(zhì)的分離方面得到了迅速的發(fā)展。目前，分子蒸餾技術(shù)在石油、醫(yī)藥、食品、精細化工和油脂等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。2分子蒸餾技術(shù)原理2分子蒸餾技術(shù)原理常規(guī)蒸餾是在氣液相平衡的基礎(chǔ)上，在蒸餾物質(zhì)的沸點溫度下根據(jù)蒸餾物質(zhì)在氣液相組成上的差異進行的分離。分子蒸餾不同于常規(guī)蒸餾它是運用不同物質(zhì)分子運動平均自由程的差別而實現(xiàn)物質(zhì)的分離。分子的平均自由程公式為： 分子的平均自由程； 分子的平均速度；f碰撞頻率。由上式知不同的分子由于其運動速度和有效分子直徑的不同它們的平均自由程是不相同的，輕分于的平均自由程大，

7、重分于的平均自由程小，分子蒸餾的分離作用就是利用不同分子的平均自由程不同實現(xiàn)的。分子蒸餾裝置首先對混合物進行加熱，能量足夠的分子就會逸出液而，輕分子的平均自由程大重分子的平均自由程小，若在離液而小于輕分子的平均自由程、而大于重分子的平均自由程處設(shè)置一個捕集器使得輕分子不斷被捕集，進而破壞了輕分子的動態(tài)平衡使得混合液中的輕分于不斷逸出，重分子因到達不了捕集器很快趨于動態(tài)平衡，不再從混合液逸出，這樣液體混合物便達到了分離目的。分子蒸餾技術(shù)的基本過程3分子蒸餾技術(shù)的基本過程(1)物料在加熱表面上形成液膜。通過重力或機械力在蒸發(fā)面形成快速移動、厚度均勻的薄膜。(2)分子在液膜表面自由蒸發(fā)。分子在高真空

8、和遠低于常壓沸點的溫度下蒸發(fā)。(3)分子從加熱面向冷凝面的運動。在蒸餾器內(nèi)保持足夠高的真空條件下使蒸發(fā)分子的平均自由程大于或等于加熱面和冷凝面之間的距離則分子向冷凝面的運動和蒸發(fā)過程就可以迅速進行。(4)分子在冷凝面的捕獲。保持加熱面和冷凝面之間達到足夠的溫差，冷凝面的形狀合理且光滑輕組分就會在冷凝面上瞬間冷凝。(5)餾出物和殘留物的收集。餾出物在冷凝器底部收集殘留物在加熱器底部收集，沒有蒸發(fā)的重組分和返回到加熱面上的極少輕組分殘留物由于重力或離心力的作用，滑落到加熱器底部或轉(zhuǎn)盤外緣。3分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)點4分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)點從分子蒸餾技術(shù)的原理及設(shè)備設(shè)計的形式上看，分子蒸餾技術(shù)有如下優(yōu)點：（1

9、）蒸餾溫度低 常規(guī)蒸餾是依靠物料中不同物料的沸點差進行分離的，因此物料必須加熱至沸騰。而分子蒸餾是利用不同種類的分子受熱逸出液面后的平均自由程的不同來實現(xiàn)分離的，只要蒸汽分子由液相逸出就可以實現(xiàn)分離，在在遠低于沸點的溫度下進行操作，是一個沒有沸騰的蒸發(fā)過程。由此可見，分予蒸餾技術(shù)更有利于節(jié)約能源，特別適用于一些高沸點熱敏性物質(zhì)的分離，且可以分離常規(guī)蒸餾中難以分離的共沸混合物。 （2）蒸餾壓強低 常規(guī)蒸餾裝置存在填料或塔板的阻力而難獲得較高的真空度，而分子蒸餾本身是必須降低蒸餾體系的壓強來獲得足夠大的分子運動平均自由程。分子蒸餾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，整個體系可以獲得較高的真空度(一般只有0133

10、1 Pa)，物料不易氧化受損且有利于沸點溫度降低。此外，分子蒸餾可以通過真空度的調(diào)節(jié)，有選擇性地蒸出目的產(chǎn)物，去除其它雜質(zhì)，還可以通過多級分離同時分離多種物質(zhì)。 （3）受熱時問短分子 蒸餾技術(shù)要求加熱面與冷凝面之間的距離小于輕分子的平均自由程，距離很小且輕分子由液面逸出后幾乎未發(fā)生碰撞即射向冷凝面，受熱時間極短(01ls)。另外，蒸發(fā)表面形成的液膜非常薄，加之液面與加熱面的面積幾乎相等，傳熱效率離，這徉物料受熱時間就變得更短。從而在很大程度上避免了物料的分解或聚合，降低熱損傷，使產(chǎn)品的收率大幅度提高。 （4）分離程度高 分子蒸餾常常用來分離常規(guī)蒸餾不易分開的物質(zhì)。對用兩種方法均能分離的物質(zhì)而言

11、，分子蒸餾的分離程度更高。常規(guī)蒸餾的揮發(fā)度為： 而分子蒸餾的揮發(fā)度式孛： 一輕分子相對分子質(zhì)量；一重分子相對分子質(zhì)量；輕分子飽和蒸汽壓；一重分子飽和蒸汽壓對此可以看出，由于大于，因此分子蒸餾的相對揮發(fā)度大于常規(guī)蒸餾的相對揮發(fā)度大，這就表明分子蒸餾較常規(guī)蒸餾容易分離，且隨著輕重分子相對分子質(zhì)量差愈大，這重差別愈顯著。 （5）不可逆性 普通蒸餾是蒸發(fā)與冷凝的可逆過程，液棚與氣相間形成平衡狀態(tài)。而分子蒸餾過程中，輕分子從蒸發(fā)表面逸出直接飛射到冷凝器上，中間不與其它分子發(fā)生碰撞，理論上沒有返回蒸發(fā)面的可能性，為不可逆過程。加之分子蒸餾設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，使得分離效率遠高于常規(guī)蒸餾。 （6）沒有沸騰和鼓泡現(xiàn)

12、象普通蒸餾有鼓泡、沸騰現(xiàn)象。而分子蒸餾是液層表面的自由蒸發(fā)，液體中無溶解空氣且在較高的真空度下進行，一次蒸餾過程中不能使整個液體沸騰，沒有鼓泡現(xiàn)象。 （7）清潔環(huán)保 分子蒸餾技術(shù)被人們一致認為是一種溫和的綠色技術(shù)，無毒、無害、無污染、無殘留，能極好地保證物料的天然品質(zhì)，收率高且操作工藝簡單、設(shè)備少，還可用作脫臭、脫色。另外，分子蒸溶技術(shù)還可以與多種技術(shù)配套使用，如超臨界流體技術(shù)、膜分離技術(shù)等。15分子蒸餾器類型5分子蒸餾器類型分子蒸餾器集中體現(xiàn)了分子蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵。分子蒸餾器的形式9，大體可分為簡單蒸餾型與精密蒸餾型，但現(xiàn)今采用的裝置多為簡單蒸餾型。簡單蒸餾型有靜止式、降膜式、離心式三種形式。

13、靜止式分子蒸餾器出現(xiàn)最早，結(jié)構(gòu)最簡單，其特點是一個靜止不動的水平蒸發(fā)表面，按其形狀不同，靜止式可分為釜式、盤式等，見下圖：靜止式分子蒸餾設(shè)備一般適用于實驗室及小量生產(chǎn)，在工業(yè)上已不采用。（2）降膜式分子蒸餾器在實驗室及工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點是液膜厚度小，并且沿蒸發(fā)表面流動；被蒸餾物料在蒸餾溫度下停留時間短，熱分解的危險性較小，蒸餾過程可以連續(xù)進行，生產(chǎn)能力大。缺點是液體分配裝置難以完善，很難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋；液體流動時常發(fā)生翻滾現(xiàn)象，所產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上，降低分離效果。刷膜式分子蒸餾設(shè)備，是降膜式設(shè)備的一種特例，從結(jié)構(gòu)上看，刷膜式釜中設(shè)置一硬碳或聚四氟乙烯制的轉(zhuǎn)

14、動刮板，它既保證液體均勻覆蓋蒸發(fā)表面，又使下流液層得到充分攪動，從而強化了物料的傳熱和傳質(zhì)過程。（3）離心式分子蒸餾裝置是將物料送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中央，并在旋轉(zhuǎn)面擴展形成薄膜，同時加熱蒸發(fā)，使之在對面的冷凝面中凝縮。作為分子蒸餾器，這是目前較為理想的一種裝置型式，但是，與其他方法相比，因為有高速轉(zhuǎn)盤，需要較高的真空密封技術(shù)。離心式分子蒸餾器與降膜式分子蒸餾器相比較有如下優(yōu)點：由于轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，可得到極薄的液膜且液膜分布更均勻，蒸發(fā)速率和分離效率更好；料液在蒸發(fā)面上的受熱時間更短，降低了蒸餾料液熱裂解的危險；料液的處理量更大，更適合于工業(yè)化連續(xù)性生產(chǎn)。隨著人們對分子蒸餾技術(shù)研究的不斷發(fā)展，不同類

15、型的分子蒸餾器也相繼出現(xiàn)，如E 型、V 型、M 型、擦膜式、立式等?，F(xiàn)今，分子蒸餾器發(fā)展趨勢的主流是離心式分子蒸餾器。國內(nèi)外學(xué)者對離心式分子蒸餾器進行了許多有效的改進，并把高效和節(jié)能作為其主要目標(biāo)。分子蒸餾器技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀6分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分子蒸餾技術(shù)作為一種高效、新型的綠色分離技術(shù)，具有常規(guī)真空精餾技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性。目前廣泛應(yīng)用于精細化工、醫(yī)藥、食品、油脂、造紙等各個領(lǐng)域。分子蒸餾技術(shù)具有脫酸、脫堿、脫色、脫臭、提純或濃縮等多種功能。在天然物質(zhì)提取方面發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢；尤其適用于濃縮或純化高分子量、高沸點、高黏度的物質(zhì)及熱穩(wěn)定性較差的有機化合物。分子蒸餾技術(shù)作為一種溫和的蒸餾分離手

16、段，克服了傳統(tǒng)蒸餾操作溫度高、受熱時間長的缺點，可解決傳統(tǒng)蒸餾無法解決的難題，有廣闊應(yīng)用前景。大量工業(yè)化實踐證明，分子蒸餾技術(shù)具有獨特的、多方面的應(yīng)用特點。主要可以應(yīng)用在以下幾個方面：(1)脫除熱敏性物質(zhì)中的輕組分。例如，聚酞胺樹脂一般由二聚酸與乙二胺聚合而成，而二聚脂肪酸是不飽和脂肪酸通過2個或2個以上分子之間互相聚合而生成的化合物。事實上，二聚體并不是一種單純物質(zhì)，而是由36個碳的二聚體、少量54個碳的三聚體、相對分子質(zhì)量更高的多聚體以及少量未聚合的單體所組成的混合物。二聚酸中二聚體的含量決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。運用常規(guī)蒸餾的方法可以使二聚體的質(zhì)量分數(shù)在75、83及87，而采用分子蒸餾的方法可使

17、二聚體的質(zhì)量分數(shù)達9095以上。(2)脫除原料或產(chǎn)品中的雜質(zhì)及顏色。利用分子蒸餾技術(shù)制備各種芳香油。通過分子蒸餾，芳香油產(chǎn)品中的余味和顏色基本除去，有效成分增加，質(zhì)量可達到出口要求。(3)生產(chǎn)過程中可降低熱敏性物質(zhì)的熱損傷。甲基丙烯酸酯類是合成丙烯酸酯樹脂的重要原料，其合成方法一般有相應(yīng)的醇與甲基丙烯酸甲酯的酯交換法；相應(yīng)的醇與甲基丙烯酸的直接酯化法；甲基丙烯酸甲酯和環(huán)氧丙烷的混合反應(yīng)等。反應(yīng)后的產(chǎn)品都需要提純，由于丙烯酸酯類都有一定熱敏性，故采用傳統(tǒng)真空蒸餾不僅純度不高，而且過高的操作溫度會導(dǎo)致產(chǎn)品的得率不佳，而采用分子蒸餾技術(shù)則可很好地解決上述問題。(4)消除或降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，進

18、行清潔生產(chǎn)。利用分子蒸餾可以制取高純烷基多苷。(5)脫除產(chǎn)品中殘留的重金屬離子及催化劑。如在催化劑鈷膦化合物催化下用烯烴羰基合成制高級脂肪醇的工藝中，催化劑和產(chǎn)品醇要分開。分子蒸餾器技術(shù)應(yīng)用實例7分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用實例天然色素的提取傳統(tǒng)方法提取的色素有機溶劑殘留、澄清度等都很難符和標(biāo)準(zhǔn)，而且有機溶劑使用量大。分子蒸餾技術(shù)在制備天然色素方面具有獨特優(yōu)勢，制得的色素產(chǎn)品質(zhì)量、外觀、得率都高于真空蒸餾的產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)分離提取法的種種缺陷，必將在天然色素的制備方面起到巨大的推動作用。許多研究都證實了分子蒸餾技術(shù)在天然色素提取中的應(yīng)用的優(yōu)越性。如：鐘耕等采用分子蒸餾法，以冷榨甜橙油為原料，提取其中的類胡

19、蘿卜素，結(jié)果表明，采用分子蒸餾法，從脫蠟的甜橙油中一步提取的色素，不含有機溶劑，純度高，色價高。陸韓濤等采用二級分子蒸餾對辣椒紅色素進行處理后，產(chǎn)品中溶劑殘留的體積分數(shù)僅為0002，產(chǎn)品指標(biāo)達到聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)標(biāo)準(zhǔn)。7. 1 芳香油的提純 隨著日用化工、輕工、制藥等行業(yè)和對外貿(mào)易的迅速發(fā)展，對天然精油的需求量不斷增加。精油來自芳香植物，從芳香植物中提取精油的方法有：水蒸氣蒸餾法、浸提法、壓榨法和吸附法。精油的主要成分大都是醛、酮、醇類。且大部分都是萜類，這些化合物沸點高，屬熱敏性物質(zhì)，受熱時很不穩(wěn)定。因此，在傳統(tǒng)的蒸餾過程中，因長時間受熱會使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而使

20、油的品質(zhì)下降。用分子蒸餾的方法對山蒼子油、姜樟油、廣藿香油等幾種芳香油進行了提純，結(jié)果表明，分子蒸餾技術(shù)是提純精油的一種有效的方法，可將芳香油中的某一主要成分進行濃縮，并除去異臭和帶色雜質(zhì)，提高其純度。由于此過程是在高真空和較低溫度下進行，物料受熱時間極短，因此保證了精油的質(zhì)量，尤其是對高沸點和熱敏性成分的芳香油，更顯示了其優(yōu)越性。醫(yī)藥工業(yè)利用分子蒸餾技術(shù)，在醫(yī)藥工業(yè)中可提取天然維生素A、維生素E；制取氨基酸及葡萄糖的衍生物；以及胡蘿卜和類胡蘿卜素等?，F(xiàn)以維生素E 為例：天然維生素E 在自然界中廣泛存在于植物油種子中，特別是大豆、玉米胚芽、棉籽、菜籽、葵花籽、米胚芽中含有大量的維生素E。由于維

21、生素E 是脂溶性維生素，因此在油料取油過程中它隨油一起被提取出來。脫臭是油脂精練過程中的一道重要工序，餾出物是脫臭工序的副產(chǎn)品，主要成分是游離脂肪酸和甘油以及由它們的氧化產(chǎn)物分解得到的揮發(fā)性醛、酮碳氫類化合物，維生素E 等。從脫臭餾出物中提取維生素E，就是要將餾出物中非維生素E成分分離出去，以提高餾出物中維生素E 的含量。將脫臭餾出物先進行甲脂化，經(jīng)冷凍、過濾后分離出甾醇，經(jīng)減壓真空蒸餾后再在220240 C、壓力為0.0010.1Pa的高真空條件下進行分子蒸餾，可得到（天然維生素E）=50%70%的產(chǎn)品。采取色譜法、離子交換、溶劑萃取等可對其進一步精制。此外，在分子生物學(xué)領(lǐng)域中，可以將分子蒸

22、餾技術(shù)作為生物研究的一種前處理技術(shù)，以保存原有組織的生物活性和制備生物樣品等。7.1魚油的精制從動物中提取天然產(chǎn)物，也廣泛采取分子蒸餾技術(shù)，如精制魚油等8。魚油中富含全順式高度不飽和脂肪酸二十碳五烯酸（簡稱EPA）和二十二碳六烯酸（簡稱DHA），此成分具有很好的生理活性，不僅具有降血脂、降血壓、抑制血小板凝集、降低血液黏度等作用，而且還具有抗炎、抗癌、提高免疫能力等作用，被認為是很有潛力的天然藥物和功能食品。EPA、DHA主要從海產(chǎn)魚油中提取，傳統(tǒng)分離方法是采用尿素包合沉淀法9和冷凍法10。運用尿素包合沉淀法可以有效地脫除產(chǎn)品中飽和的及低不飽和的脂肪酸組分，提高產(chǎn)品中DHA和EPA的含量，但由

23、于很難將其他高不飽和脂肪酸與DHA和EPA分離，只能使（DHA+EPA）<80%。而且產(chǎn)品色澤重，腥味大，過氧化值高，還需進一步脫色除臭后才能制成產(chǎn)品，回收率僅為16%；由于物料中的雜質(zhì)脂肪酸的平均自由程同EPA、DHA乙酯相近，分子蒸餾法盡管只能使（EPA+DHA）=72. 5%，但回收率可達到70%，產(chǎn)品的色澤好、氣味純正、過氧化值低，而且可以將混合物分割成DHA與EPA不同含量比例的產(chǎn)品。因此分子蒸餾法不失為分離純化EPA、DHA一種有效方法。我國分子蒸餾器技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用存在的問題8我國分子蒸餾技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用存在的問題（1）分子蒸餾整套設(shè)備一般為高真空設(shè)備，一次性投資大，且對密封條件要求嚴(yán)格，連續(xù)化生產(chǎn)能力低，且分子蒸餾器耗能量大，目前主要用于高附加值產(chǎn)品的制備，如油脂、醫(yī)藥、維生素E等，這限制了分子蒸餾技術(shù)工業(yè)化。針對這種情況，需加強新型分子蒸餾器的研制開發(fā)，朝著高效與節(jié)能的方向設(shè)計，并對分子蒸餾工藝中各種設(shè)備進行能量集成及調(diào)優(yōu)，最大限度地利用能源，還需有效解決真空密封問題，這樣才可使分子蒸餾技術(shù)易操作，安全，性價比大。（2）國內(nèi)對分子蒸餾工藝?yán)碚撗芯渴?/p>