分子蒸餾技術(shù)研究進(jìn)展 - 圖文-

1、第26卷第3期2007年5月食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)Journal of Food Science and Biotechnology Vol.26No.3May.2007文章編號(hào):167321689(20070320121206收稿日期:2007201215.作者簡(jiǎn)介:王寶輝(19602,男,黑龍江肇州人,教授,博導(dǎo),主要從事新能源與環(huán)境科學(xué)方面的研究.Email :wang 2分子蒸餾技術(shù)研究進(jìn)展王寶輝,張學(xué)佳,紀(jì)巍,范印帥,柳榮偉(大慶石油學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,黑龍江大慶163318摘要:綜合評(píng)述了分子蒸餾技術(shù)的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)備,并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià);介紹了分子蒸餾技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)

2、用及存在的問(wèn)題和解決辦法;提出了未來(lái)分子蒸餾領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。分子蒸餾技術(shù)作為一種環(huán)境友好的高新分離技術(shù),向人們展示出廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:分子蒸餾技術(shù);特點(diǎn);設(shè)備;應(yīng)用;展望中圖分類號(hào):TQ 028文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AProgress in the R esearch on Molecular Distillation T echnologyWAN G Bao 2hui ,ZHAN G Xue 2jia ,J I Wei ,FAN Y in 2shuai ,L IU Rong 2wei(College of Chemistry and Chemical Engineering ,Daqing

3、Petroleum Institute ,Daqing 163318,China Abstract :Molecular distillatio n as a environment 2friendly new separation technology shows a broad p ro spect of application.Firstly ,t he basic p rinciple ,main equip ment and technological feat ures of molecular distillation technology are summarized in t

4、 his manuscript.Secondly ,t he indust rialized application and t he practical p roblems existing in t he application are int roduced at lengt h ,t he met hods how to solve t hem are also p resented.Finally ,t he key research orientation of molecular distillation technology in t he f ut ure is finall

5、y brought forward.K ey w ords :molecular distillation technology ;characteristic ;equip ment ;application ;pro spect蒸餾技術(shù)作為一種較成熟的分離技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。但是隨著綠色生產(chǎn)技術(shù)與環(huán)境化工等領(lǐng)域的興起發(fā)展,人們對(duì)蒸餾技術(shù)提出了很多新的要求(低能耗、高純度、無(wú)污染等,而分子蒸餾技術(shù)則作為環(huán)境友好的分離技術(shù)備受人們青睞,是蒸餾過(guò)程由宏觀向微觀發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新。分子蒸餾(molecular distillation 又稱短程蒸餾(short 2pat h distill

6、ation ,是利用不同物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異實(shí)現(xiàn)分離目的,能解決常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問(wèn)題。目前已廣泛地應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品和日用品等行業(yè)。1分子蒸餾原理分子蒸餾是依靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的。所謂分子運(yùn)動(dòng)平均自由程,就是一個(gè)分子在與相鄰兩次分子碰撞間隔內(nèi)所走的路程的平均值。Langmuir 根據(jù)熱力學(xué)原理推導(dǎo)出分子平均自由程的定義式為1:=12d 2n=KT2d 2P=R T2d 2N A P式中:是分子平均自由程;d 是分子有效直徑;T 是分子所處環(huán)境溫度;P 是分子所處環(huán)境壓強(qiáng);K是波爾茲曼常數(shù);R 是氣體常數(shù),為8.314;N A 是阿佛

7、加德羅常數(shù),為6.02×1023.從上式可以看出,不同的分子由于有著不同的分子有效直徑,故它們的平均自由程也不相同。分子蒸餾技術(shù)就是利用不同物質(zhì)分子受熱逸出液面后的平均自由程大小的不同,來(lái)實(shí)現(xiàn)分離提純的。具體方法是在液面上方大于重分子平均自由程而小于輕分子平均自由程處設(shè)置一冷凝面,使得重分子達(dá)不到冷凝面而返回液面,保持原有的平衡;而輕分子則不斷地在冷凝面上冷凝,從而破壞了輕分子的動(dòng)態(tài)平衡,結(jié)果是混合液中的輕分子不斷從液相逸出,最終達(dá)到分離的目的2-3。分子蒸餾原理如圖1所示 。圖1分子蒸餾原理圖Fig.1Scheme diagram of molecular distillation

8、因此,要利用分子蒸餾技術(shù)分離物料,必須滿足3個(gè)條件:首先,輕、重分子的平均自由程要有差異,且差異越大越好;其次,蒸發(fā)面與冷凝面的間距要小于輕分子平均自由程;另外,分子蒸餾系統(tǒng)中應(yīng)保持較高的真空度且蒸發(fā)面與冷凝面之間應(yīng)保證較高的溫度差。2分子蒸餾器完整的分子蒸餾裝置主要由脫氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和蒸餾器(包括加熱器、冷凝器、捕集器等組成。脫氣系統(tǒng)是將物料中所溶解的揮發(fā)性組分盡量排出,避免蒸餾過(guò)程中發(fā)生爆沸。真空系統(tǒng)是保證分子蒸餾過(guò)程能夠進(jìn)行的前提4-5。分子蒸餾裝置系統(tǒng)如圖2所示。分子蒸餾器是實(shí)現(xiàn)分子蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵,大體可分為簡(jiǎn)單蒸餾型與精密蒸餾型,現(xiàn)今使用的裝置大多為簡(jiǎn)單蒸餾型。根據(jù)分子蒸

9、餾器的結(jié)構(gòu)形式及操作特點(diǎn),又可分為間歇式、降膜式、刮膜式和離心式分子蒸餾器。間歇式分子蒸餾器(batch molecular still :出現(xiàn)最早,結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,由蒸餾釜和內(nèi)置冷凝器組成,類似于簡(jiǎn)單蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置 。其特點(diǎn)是有一個(gè)靜止圖2分子蒸餾裝置系統(tǒng)Fig.2System of molecular distillation equipment不動(dòng)的水平蒸發(fā)表面,按其形狀不同,可分為釜式、盤(pán)式等。物料在分子蒸餾過(guò)程中靜止不動(dòng),停留時(shí)間較長(zhǎng)(幾分鐘,分離效果差,熱分解危險(xiǎn)性大,生產(chǎn)能力低,一般只適用于實(shí)驗(yàn)室及小批量生產(chǎn),工業(yè)生產(chǎn)已不采用。降膜式分子蒸餾器(falling 2film molecu

10、lar still :主要由圓柱形的蒸發(fā)器和同軸的冷凝器組成,蒸發(fā)面位于中央,冷凝面位于外周且相距很近。物料從頂部進(jìn)入,靠重力作用在蒸發(fā)表面流動(dòng)形成一層薄膜,液膜在流動(dòng)過(guò)程中被蒸發(fā),逸出的分子被冷凝器表面冷凝。與間歇式分子蒸餾器相比,蒸發(fā)表面所形成的液膜厚度小,停留時(shí)間短(數(shù)10秒,熱分解幾率降低,并且蒸餾過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行,生產(chǎn)能力有很大的提高。但液體在向下流動(dòng)時(shí)常發(fā)生翻滾現(xiàn)象,不能保證蒸發(fā)表面都形成均勻薄膜,容易形成過(guò)熱點(diǎn)使熱敏性組分分解,降低了分離效率。雖然在實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中有一定應(yīng)用,但生產(chǎn)規(guī)模非常有限。刮膜式分子蒸餾器(wiped 2film molecular still :是在降

11、膜分子蒸餾裝置內(nèi)設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的刮膜器,刮膜器結(jié)構(gòu)有刷膜式、刮板式、滑動(dòng)式和滾筒式等多種形式。物料在從頂部進(jìn)入時(shí),借助刮膜器的機(jī)械作用,使物料在蒸發(fā)表面形成厚度均勻、連續(xù)更新的液膜,液膜呈湍流流動(dòng),既強(qiáng)化了物料的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程,又可避免局部過(guò)熱。同降膜式分子蒸餾器相比,物料停留時(shí)間更短,液膜厚度更薄且均勻,熱分解可能性更小。可是液體分配裝置還是難以保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋,過(guò)程中產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上。但由于該裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,價(jià)格相對(duì)低廉,操作參數(shù)容易控制,維修也較方便,故是實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一種分子蒸餾設(shè)備。離心式分子蒸餾器(cent rif ugal molec

12、ular still :內(nèi)部有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的圓錐盤(pán),物料被輸送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)中央,在離心力作用下,物料沿蒸發(fā)面自由向外移動(dòng)并在旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)展形成均勻薄221食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)第26卷膜,同時(shí)液膜受熱蒸發(fā)并在對(duì)面的冷凝面上冷凝。與其它裝置相比,由于轉(zhuǎn)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn),可得到極薄且分布更均勻的連續(xù)液膜,停留時(shí)間更短(幾秒,蒸餾過(guò)程中幾乎沒(méi)有壓力損失,很少有發(fā)泡的危險(xiǎn),處理量更大,分離效果好,非常適用于熱敏性強(qiáng)及高粘度的物料分離,是目前工業(yè)上較為理想的分子蒸餾裝置。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,轉(zhuǎn)盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)需要高真空密封技術(shù),制造難度大,相對(duì)投資較大。隨著人們對(duì)分子蒸餾技術(shù)的深入研究,對(duì)分子蒸餾器進(jìn)行了許多有效的改進(jìn),

13、特別是針對(duì)不同的物料,其裝置結(jié)構(gòu)與配套設(shè)備有不同的特點(diǎn),相繼出現(xiàn)了多種不同類型的分子蒸餾器6-8,如E型、V 型、M型、擦膜式和立式等。目前應(yīng)用范圍最廣泛的還是刮膜式和離心式分子蒸餾器。不論采用上述何種分子蒸餾器,分子蒸餾過(guò)程一般可分為以下5個(gè)步驟9:物料在加熱表面上形成連續(xù)液膜;液膜在加熱表面上的自由蒸發(fā);蒸發(fā)逸出的分子向冷凝面運(yùn)動(dòng);蒸發(fā)分子在冷凝面上冷凝;餾出物和殘留物的收集。3分子蒸餾技術(shù)特點(diǎn)3.1分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)越性從分子蒸餾的技術(shù)原理及設(shè)備設(shè)計(jì)的形式看,分子蒸餾技術(shù)具有如下一些優(yōu)點(diǎn):=P1P2而分子蒸餾的相對(duì)揮發(fā)度為:=P1P2M2M1式中:M1輕分子相對(duì)分子質(zhì)量;M2重分子相對(duì)分子

14、質(zhì)量;P1輕分子飽和蒸汽壓;P2重分子飽和蒸汽壓.對(duì)比可以看出,由于M2大于M1,因此分子蒸餾的相對(duì)揮發(fā)度大于常規(guī)蒸餾的相對(duì)揮發(fā)度,這就表明分子蒸餾較常規(guī)蒸餾更易分離,且隨著輕重分子相對(duì)分子質(zhì)量相差愈大,這種差別愈顯著。3.2分子蒸餾技術(shù)的局限性任何技術(shù)都有其局限性,我國(guó)分子蒸餾技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在下述方面:321第3期王寶輝等:分子蒸餾技術(shù)研究進(jìn)展了分子蒸餾技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。4分子蒸餾技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用在20世紀(jì)60年代以前,分子蒸餾技術(shù)只在日本、美國(guó)等少數(shù)國(guó)家有些研究和應(yīng)用,且應(yīng)用面狹窄,發(fā)展較慢。隨著工業(yè)化的發(fā)展,進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,分子蒸餾技術(shù)作為一種溫和高新的工業(yè)技

15、術(shù),以其諸多優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的科研單位及企業(yè)所接受,目前已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用14。4.1石油化學(xué)工業(yè)原油的渣油及其類似物質(zhì)的分離12;表面活性劑的提純及化工中間體的精制,如高碳醇、乙烯基吡咯烷酮等的純化,糖脂、聚亞氧烷基乙二醇以及天然脂肪酸的提煉;碳?xì)浠衔锏姆蛛x;真空泵油、制動(dòng)液、廢油回收13,及低蒸汽壓油、瀝青脫蠟,聚氨酯制品的生產(chǎn)等。4.2食品工業(yè)混合油脂的分離和提純,如硬脂酸單甘油酯、月桂酸單甘油酯、丙二醇酯等的分離;從動(dòng)植物中提取天然產(chǎn)物,如精制魚(yú)油17、米糠油、小麥胚芽油;從甜橙香油與棕?cái)R油中提取類胡蘿卜素,以及連翹揮發(fā)油、干姜和大蒜有效成分的分離18;動(dòng)物脂肪中膽固醇的脫

16、除,對(duì)高酸值花椒籽油的脫酸19,馬鈴薯葉子中提取茄呢醇20,以及脂肪酸及其衍生物、天然色素的提取和微量溶劑的脫除;還可用于精煉食用油,固醇等多種高價(jià)值產(chǎn)品的提煉和分離。4.3醫(yī)藥工業(yè)提取濃縮藥用級(jí)天然維生素A、維生素E及2胡蘿卜素;制取氨基酸及葡萄糖衍生物,并可通過(guò)分子蒸餾獲得激素縮體、天然魚(yú)肝油、各種天然藥物標(biāo)準(zhǔn)品;脫除中藥中殘留的農(nóng)藥、有害金屬和化學(xué)殘留物,脫溶劑、脫色;乳酸及其聚合物制備,檸檬醛純化22,大豆油提取生育酚23及中碳鏈脂肪酸甘三酯精制;還可提取可用于保健品的EPA和D HA,以及川芎揮發(fā)性成分和當(dāng)歸的提取分離等。4.4農(nóng)藥工業(yè)精制和提純農(nóng)藥及農(nóng)藥中間體,如氯菊酷、增效醚、胡

17、椒基丁醚和氧樂(lè)果等。4.5塑料工業(yè)樹(shù)脂類物質(zhì)的精制及高分子物質(zhì)的脫臭,如環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯、異氰酸酯等的精制;增塑劑型脂類的提純,如去除鄰苯甲酸二辛醋、癸二酸二辛醋等增塑劑的凝聚液體和催化劑殘留物24。4.6香精、香料工業(yè)天然精油的脫臭、脫色及提純,如桂皮油、玫瑰油、香根油、香茅油、山蒼籽油等的提純;從果汁、山核桃、奶酪、茉莉、扇貝、調(diào)味大料油等香料中分離獲取香精油以及精制芳香油等25-26。4.7核工業(yè)Tebus等利用分子蒸餾技術(shù)安全有效地從鋰中分離出氚27,Brewer等利用多級(jí)式分子蒸餾器成功地濃縮了鈾235和鈾23828。4.8其他工業(yè)分子蒸餾技術(shù)還廣泛應(yīng)用于蠟工業(yè),如天然石蠟、蜂蠟、

18、棕蠟、維晶蠟和高熔點(diǎn)蠟的提純29;分離聚合物中殘留過(guò)量單體或雜質(zhì),如在硅生產(chǎn)業(yè)中從聚合物混合體中去除較低相對(duì)分子質(zhì)量或較高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物30;從鼠尾草提取物中成功地分離出了活性最大的天然抗氧化劑;生產(chǎn)低游離TDI31,羊毛脂及其衍生物的提取,合成Guerbet 醇過(guò)程中重金屬的脫除32,以及不飽和脂防酸的分離和除臭等。5分子蒸餾技術(shù)研究展望分子蒸餾技術(shù)是一項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊的高新技術(shù)33-34。但目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化,許多研究還需完善和深入,為使其成為一門(mén)真正實(shí)用的工業(yè)技術(shù),建議今后繼續(xù)以下幾方面的研究。421食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)第26卷5.1分子蒸餾技術(shù)理論研究對(duì)分子蒸餾各過(guò)程進(jìn)

19、行基礎(chǔ)理論研究,并模擬建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,為工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。為此必須研究各步驟能量和質(zhì)量的傳遞過(guò)程,分析過(guò)程中相關(guān)因素之間的影響,建立描述主體和表面溫度以及組成之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通常影響分子蒸餾過(guò)程的因素較多,建立起的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜,必須將模型研究和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合起來(lái)。今后還需深化在非理想、多組分物料分離方面的應(yīng)用,以及強(qiáng)化湍流、提高分離效率方面的研究,為優(yōu)化蒸餾操作以及對(duì)其預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。5.2分子蒸餾技術(shù)設(shè)備研制對(duì)分子蒸餾裝置進(jìn)行系統(tǒng)性研究,加強(qiáng)新型高效節(jié)能分子蒸餾器的研制開(kāi)發(fā),并對(duì)特定工藝中各種設(shè)備進(jìn)行能量集成及調(diào)優(yōu),最大限度地利用能源。另外,還需有效解決體系真空密封問(wèn)題,使

20、其安全性價(jià)比高。5.3工藝操作影響參數(shù)研究分子蒸餾技術(shù)是工藝與設(shè)備的結(jié)合體,必須將分子蒸餾裝備與產(chǎn)品的工藝要求結(jié)合起來(lái),按照產(chǎn)品的物料性質(zhì)與對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和純度的要求,實(shí)際設(shè)置分子蒸餾器的結(jié)構(gòu)及參數(shù),以實(shí)現(xiàn)最佳效果。還需研究基于不同化學(xué)原理的各種單元技術(shù)的耦合聯(lián)用,加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗(yàn)研究并積累相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析找出不同物料與最佳操作條件之間的規(guī)律并與理論研究結(jié)果相比較,實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用應(yīng)依賴于放大實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。5.4應(yīng)用領(lǐng)域研究擴(kuò)大分子蒸餾技術(shù)適用范圍研究,加強(qiáng)在熱敏感、高附加值物料的分離上的應(yīng)用,特別要加強(qiáng)在天然物質(zhì)的分離和提純上的應(yīng)用,還可加強(qiáng)在一些物料脫臭、脫色上的應(yīng)用。5.5學(xué)術(shù)交流分子蒸餾技

21、術(shù)工業(yè)化應(yīng)用在國(guó)內(nèi)剛剛起步,應(yīng)大力加強(qiáng)各高校及科研單位間的技術(shù)合作與交流,建立相應(yīng)的協(xié)會(huì),定期召開(kāi)分子蒸餾技術(shù)相關(guān)的研討會(huì),深入基礎(chǔ)理論研究,針對(duì)各環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題,采取相應(yīng)的措施,同時(shí)積極吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn),從技術(shù)與工藝兩方面使分子蒸餾技術(shù)不斷完善與發(fā)展,推動(dòng)工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程,使其成為一門(mén)真正實(shí)用的工業(yè)技術(shù)。參考文獻(xiàn)(References :1Langmuir I.Condensation and Evaporation of gas molecularJ .Phys R ev ,1916,7:302.2Burrows G.Molecular distillationM .Oxford :

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