第三章分子蒸餾

第三章分子蒸餾第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/32引子分子蒸餾的原理１.液體混合物沿加熱板流動(dòng)并被加熱

２.輕、重分子會(huì)逸出液面而進(jìn)入氣相

３.由于輕、重分子的自由程不同

４.輕分子達(dá)到冷凝板被冷凝排出;重分子達(dá)不到冷凝板沿混合液排出

分子運(yùn)動(dòng)自由程（用λ表示）：一個(gè)分子相鄰兩次碰撞之間所走的路程。

第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/33分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

操作溫度低（遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)）、真空度高、受熱時(shí)間短（以秒計(jì)）、分離效率高等，特別適宜于高沸點(diǎn)、熱敏性、易氧化物質(zhì)的分離；

可有效地脫除低分子物質(zhì)（脫臭）、重分子物質(zhì)（脫色）及脫除混合物中雜質(zhì)；

其分離過程為物理分離過程，可很好地保護(hù)被分離物質(zhì)不被污染，特別是可保持天然提取物的原來品質(zhì)；

分離程度高，高于傳統(tǒng)蒸餾及普通的薄膜蒸發(fā)器。

第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三1幾個(gè)基本概念2023/5/34第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三分子與分子之間存在著相互作用力，當(dāng)兩分子離得較遠(yuǎn)時(shí)，分子之間的作用力表現(xiàn)為吸引力，但當(dāng)兩分子接近到一定程度后，分子之間的作用力會(huì)改變?yōu)榕懦饬?，并隨其接近距離的減小，排斥力迅速增加。當(dāng)兩分子接近到一定程度時(shí)，排斥力的作用使兩分子分開。這種由接近而至排斥分離的過程．就是分子的碰撞過程。2023/5/35分子碰撞第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三分子有效直徑分子在碰撞過程中，兩分子質(zhì)心的最短距離（即發(fā)生斥離的質(zhì)心距離）稱為分子有效直徑。分子運(yùn)動(dòng)自由程一個(gè)分子在相鄰兩次分子碰撞之間所經(jīng)過的路程分子運(yùn)動(dòng)平均自由程任一分子在運(yùn)動(dòng)過程中都在不斷變化自由程，而在一定的外界條件下，不同物質(zhì)的分子其自由程各不相同。在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值稱為平均自由程2023/5/36第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三則λm=Vm/f∴f=Vm/λm

由熱力學(xué)原理可知：

則2023/5/37

設(shè)Vm為某一分子的平均速度；f為碰撞頻率；λm為平均自由程第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三溫度、壓力及分子有效直徑是影響分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的主要因素。當(dāng)壓力一定時(shí)，一定物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程隨溫度增加而增加。當(dāng)溫度一定時(shí)，平均自由程λm與壓力p成反比，壓力越?。ㄕ婵斩仍礁撸?，λm越大，即分子間碰撞機(jī)會(huì)越少、不同物質(zhì)因其有效直徑不同，因而分子平均自由程不同。2023/5/38第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三分子蒸餾的揮發(fā)度M1——輕組分相對(duì)分子質(zhì)量M2——重組分相對(duì)分子質(zhì)量；p1——輕組分飽和蒸氣壓，Pa；p2——重組分飽和蒸氣壓，Pa；——相對(duì)揮發(fā)度。而常規(guī)蒸餾的相對(duì)揮發(fā)度為：由于項(xiàng)中，因此即2023/5/39第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2分子蒸餾背景常規(guī)蒸餾，通常是指將液相加熱至沸騰后再將氣相冷凝，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離，其實(shí)質(zhì)是利用了不同物質(zhì)間的沸點(diǎn)差來完成的。盡管這種手段在工業(yè)上普遍應(yīng)用，但對(duì)于許多熱敏性物系而言，這種方法并不適用。原因在于熱敏性物質(zhì)在沸騰過程中會(huì)出現(xiàn)熱分解，而這種熱分解的速度又是隨著溫度的升高呈指數(shù)升高，隨停留時(shí)間的增大呈線性增大的。因此，要解決好熱敏性物系的分離問題，首先就必須從降低蒸發(fā)過程的分離溫度和縮短物料的受熱時(shí)間開始。2023/5/310第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三物料的沸點(diǎn)依賴于操作壓力，為此，人們開發(fā)了各種類型的真空蒸餾設(shè)備，試圖通過降低過程的操作壓力來降低物料的沸點(diǎn)，從而達(dá)到降低分離溫度的目的。如間歇真空蒸餾，將物料放置在一加熱釜中蒸發(fā)，并在釜外冷凝器后配置上真空系統(tǒng)，由于操作壓力的降低，物料的沸點(diǎn)隨之下降，從而使操作溫度降低。但這種類型的蒸餾，由于其氣相必須由釜內(nèi)移至外部冷凝器冷凝，其蒸發(fā)面上的實(shí)際操作壓力必須大到足以克服氣相的管道阻力才行。因此，這種蒸餾的操作壓力的降低是有限度的。2023/5/311第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三此外，由于釜內(nèi)液層很厚，液層的壓力又進(jìn)一步增大了底層液體的實(shí)際蒸發(fā)壓力，這就進(jìn)一步限制了操作溫度的降低。與此同時(shí)，液層的厚度還增大了傳熱傳質(zhì)阻力，降低了分離效率，同時(shí)也增大了物料的受熱時(shí)間。為了解決這些問題，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種不同形式的薄膜蒸發(fā)器，如降膜式薄膜蒸發(fā)器、刮膜式薄膜蒸發(fā)器等，有效地減小了蒸發(fā)器表面上液膜的厚度，并減少了傳熱傳質(zhì)阻力，從而降低了物料的分離溫度和物料的受熱時(shí)間。所有這些，都使熱敏性物料的品質(zhì)得到了一定程度的保護(hù)。2023/5/312第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三但是，由于薄膜蒸發(fā)器仍屬于常規(guī)蒸餾，不管空載真空度多高，其操作時(shí)都必須要達(dá)到物料的沸點(diǎn)，其蒸發(fā)的氣相也必須靠一定壓力由蒸發(fā)器內(nèi)部移至外部冷凝器，因此其蒸發(fā)面上的實(shí)際操作壓力仍然比較高，因此，對(duì)于許多熱敏性、高沸點(diǎn)物系的分離，薄膜蒸發(fā)器仍然無能為力，因此，長(zhǎng)期以來，人們一直在尋求著一種更為溫和的蒸餾分離手段。正是在這種背景下，分子蒸餾技術(shù)得以開發(fā)，并得到廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)蒸餾利用沸點(diǎn)差分離的原理，而是利用分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離，從而使物料在遠(yuǎn)離沸點(diǎn)下進(jìn)行蒸餾分離成為可能。2023/5/313第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三3分子蒸餾基本原理根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，液體混合物受熱后分子運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，當(dāng)接受到足夠能量時(shí)，就會(huì)從液面逸出成為氣相分子。隨著液面上方氣相分子的增加，有一部分氣相分子就會(huì)返回液相。在外界條件保持恒定的情況下。最終會(huì)達(dá)到分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡，從宏觀上看即達(dá)到了平衡。2023/5/314第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程公式，不同種類的分子，由于其分子有效直徑不同，故其平均自由程也不同，即從統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)看，不同種類分子逸出液面后不與其他分子碰撞的飛行距離是不同的分子蒸餾的分離作用就是依據(jù)液體分子受熱會(huì)從液面逸出，而不同種類分子逸出后，在氣相中其運(yùn)動(dòng)平均自由程不同這一性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的2023/5/315第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/316第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三分子蒸餾應(yīng)滿足的兩個(gè)條件①輕、重分子的平均自由程必須要有差異，且差異越大越好；②蒸發(fā)面與冷凝面間距必須小于輕分子的平均自由程。2023/5/317第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/318第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三4分子蒸餾過程（四步曲）(1)擴(kuò)散：物料分子從液相主體向蒸發(fā)表面擴(kuò)散。注意：液相中的擴(kuò)散速度是控制分子蒸餾速度的主要因素(2)蒸發(fā)：物料分子在液層上自由蒸發(fā)速度隨溫度升高而增大,但分離因素卻隨溫度升高而降低。2023/5/319第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三(3)飛射：分子從蒸發(fā)面向冷凝面飛射。該過程中分子可能與殘存的空氣分子碰撞,也可能相互碰撞,但只要真空度合適,使蒸發(fā)分子的平均自由程大于或等于蒸發(fā)面與冷凝面之間的距離即可。(4)冷凝：輕分子在冷凝面上冷凝。如果冷凝面的形狀合理且光滑并迅速轉(zhuǎn)移,則可以認(rèn)為冷凝是瞬間完成的2023/5/320第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5分子蒸餾技術(shù)的特點(diǎn)2023/5/321第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5.1操作溫度低常規(guī)蒸餾是靠不同物質(zhì)的沸點(diǎn)差進(jìn)行分離的，而分子蒸餾是靠不同物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別進(jìn)行分離的，也就是說后者在分離過程中，蒸氣分子一旦由液相中逸出（揮發(fā)）就可實(shí)現(xiàn)分離，而并非達(dá)到沸騰狀態(tài)。因此，分子蒸餾是在遠(yuǎn)離沸點(diǎn)下進(jìn)行操作的。2023/5/322第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3235.2蒸氣壓強(qiáng)低由分子運(yùn)動(dòng)平均自由程公式可知，要想獲得足夠大的平均自由程．必須通過降低蒸餾壓強(qiáng)來獲得。

第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/324

5.3受熱時(shí)間短鑒于分子蒸餾是基于不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別而實(shí)現(xiàn)分離，因而裝置中加熱面與冷凝面的間距要小于輕分子的運(yùn)動(dòng)平均自由程（即間距很?。?，這樣，由液面逸出的輕分子幾乎未發(fā)生碰撞即達(dá)到冷凝面．所以受熱時(shí)間很短。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5.4不可逆性

普通蒸餾是蒸發(fā)與冷凝的可逆過程,液相和氣相間可以形成互相平衡狀態(tài)。而分子蒸餾過程中,從蒸發(fā)表面逸出的分子直接飛射到冷凝面上,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,所以,分子蒸餾是不可逆的。2023/5/325第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5.5沒有沸騰鼓泡現(xiàn)象

普通蒸餾有鼓泡、沸騰現(xiàn)象,分子蒸餾是液層表面上的自由蒸發(fā),在低壓力下進(jìn)行,液體中無溶解的空氣,因此在蒸餾過程中不能使整個(gè)液體沸騰,沒有鼓泡現(xiàn)象。2023/5/326第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5.6分離程度及產(chǎn)品收率高

分子蒸餾常常用來分離常規(guī)蒸餾難以分離的物質(zhì)，而且就兩種方法均能分的物質(zhì)而言，分子蒸餾的分離程度更高。從兩種方法相同條件下的揮發(fā)度不同可以看出這一點(diǎn)．2023/5/327第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三5.7無毒、無害、無污染、無殘留產(chǎn)物純凈安全，且操作工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少。

由以上特點(diǎn)可以看出,分子蒸餾技術(shù)能分離常規(guī)蒸餾不易分離的物質(zhì),特別適宜于高沸點(diǎn)、高粘度、熱敏性物質(zhì)的分離。因此,它為工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中高純物質(zhì)的提取開辟了廣闊的前景。2023/5/328第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三6分子蒸餾裝置分子蒸餾器有簡(jiǎn)單蒸餾型與精密蒸餾型之分，目前采用的裝置多為簡(jiǎn)單蒸餾型。簡(jiǎn)單蒸餾型又可分為靜止式、降膜式、離心式等幾種。2023/5/329第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三6.1靜止式分子蒸餾器靜止式分子蒸餾器出現(xiàn)早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特點(diǎn)是一個(gè)靜止不動(dòng)的水平蒸發(fā)表面，按其形狀不同，可分為釜式、盤式等，靜止式分子蒸餾設(shè)備一般用于實(shí)驗(yàn)室及小量生產(chǎn)，工業(yè)上已不采用。2023/5/330第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/331第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三6.2降膜式分子蒸餾器

流體靠重力在蒸發(fā)壁面流動(dòng)時(shí)形成一層薄膜，但液膜厚度不均勻，且液膜流動(dòng)一般為層流，傳質(zhì)、傳熱阻力大

2023/5/332第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/333第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三優(yōu)點(diǎn)：液膜厚度小,蒸餾物料可沿蒸發(fā)表面流動(dòng),停留時(shí)間短,熱分解的危險(xiǎn)性較小,蒸餾過程可以連續(xù)進(jìn)行,生產(chǎn)能力大。缺點(diǎn)：很難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋,液體流動(dòng)時(shí)常發(fā)生翻滾現(xiàn)象,產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上,影響分離效果。2023/5/334第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三6.3刮膜式分子蒸餾設(shè)備刮膜式分子蒸餾設(shè)備是對(duì)降膜式設(shè)備的改進(jìn),其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在刷膜式釜中設(shè)置一聚四氟乙烯制的轉(zhuǎn)動(dòng)刮板,既保證液體能夠均勻覆蓋蒸發(fā)表面,又可使下流液層得到充分?jǐn)噭?dòng),從而強(qiáng)化了物料的傳熱和傳質(zhì)過程,提高了分離效能。2023/5/335第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三旋轉(zhuǎn)刮膜式（wiped-filmevaporator)分子蒸餾設(shè)備組成部分:2023/5/336第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三(1)主機(jī)部分——蒸發(fā)裝置和冷凝裝置。蒸發(fā)裝置向物料提供加熱能源蒸發(fā)表面。目前熱源可以是多種類型,主要設(shè)備有蒸氣加熱、電加熱、導(dǎo)熱油加熱及微波加熱等;冷凝裝置主要是提供水冷卻的冷凝器。蒸發(fā)表面與冷凝表面之間的距離必須介于輕重分子平均自由程間,才能完成分子蒸餾的全過程;另外，主機(jī)部分還必須有驅(qū)動(dòng)裝置,用以驅(qū)動(dòng)物料的分布和成膜刮板作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其主要設(shè)備是電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、支架以及密封構(gòu)、中軸承、底軸承等。2023/5/337第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三(2)進(jìn)出料部分:由物料輸入裝置和物料輸出裝置組成,用以完成統(tǒng)的連續(xù)進(jìn)料與排料功能,主要設(shè)備通常由儲(chǔ)罐、計(jì)泵和輸送泵組成。(3)真空部分:即真空獲得裝置,由于分子蒸餾在極高真空狀態(tài)下操作,因此必須根據(jù)物料的特點(diǎn)進(jìn)行選擇,一般情況下主要設(shè)備用冷阱、油擴(kuò)散泵和旋片式真空泵組成。2023/5/338第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三(4)控制部分:控制裝置通常要求實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)控制或電腦控制,即對(duì)系統(tǒng)中以上三部分的技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)全機(jī)控制,以到達(dá)最的分離效率、分離精度和最低的能耗。2023/5/339第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/340第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三6.4離心式分子蒸餾裝置離心式(centrifugalevaporator)分子蒸餾裝置----將物料送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中央，并在旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)展形成薄膜，同時(shí)加熱蒸發(fā)，使之與對(duì)面的冷凝面凝縮，該裝置是目前較為理想的分子蒸餾裝置，但與其它兩種裝置相比,要求有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤,又需