综述与专论分子蒸馏技术及其应用的研究进展陈立军陈焕钦(华南理工大学化学工程研究所,广州510640摘要分子蒸馏是一种在高真空下进行的特殊蒸馏技术。
分子蒸馏是一项国内外正在工业化开发应用的高新分离技术,尚未实现大规模的工业化。
分子蒸馏技术同普通蒸馏技术的差别很大。
介绍了分子蒸馏基本原理、技术特点、主要装置和优势。
此外还详细介绍了分子蒸馏技术在国内外的应用新进展,并提出了未来分子蒸馏领域的重点研究方向。
关键词平均自由程分子蒸馏应用进展R esearch Progress in the T echnique ofMolecular Distillation and its ApplicationChen Lijun Chen H uanqin(R esearch I nstitute of Chemical E ngineering ,Southern ChinaU niversity of T echnology ,G uangzhou 510640AbstractThe m olecular distillation (short -path distillation or unobstructed distillation is a special separation technique of liquid-liquid and a special distillation technique under the high vacuum.It is an industrializing Hi -tech at home and abroad and not used inthe industry in a large scale.There is much difference between the m olecular distillation and the conventional distillation.The basic principle ,technique characteristics ,main equipment and predominance of the m olecular distillation were introduced.In addition ,the new advance in the application of the m olecular distillation at home and abroad is introduced at length.The key research orientation of m olecular distillation in the future is brought forward.K eyw ordsMean free path M olecular distillation Application Progress 收稿日期:2004204202陈立军(19752,男,安徽合肥人,博士研究生。
Email :chenlijun 1975@s 。
陈焕钦,教授,博士生导师。
Email :cehqchen @ 。
分子蒸馏(m olecular distillation 是一种在高真空下进行的特殊蒸馏技术。
该技术自20世纪30年代问世以来得到人们的广泛重视。
20世纪60年代,此项技术已成功地应用于从浓缩鱼肝油提炼维生素A 的工业化中。
虽然近年来一些国家如美国、德国、日本、瑞典、波兰以及前苏联等相继利用分子蒸馏技术解决了许多分离领域中的难题,但分子蒸馏是一项国内外正在工业化开发应用的高新技术,尚未实现大规模的工业化。
我国对分子蒸馏技术的应用研究起步较晚,偶见60年代的少量报道,到80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等的生产,目前该项技术在我国工业化推广应用处于起步阶段。
但由于该项技术的先进性和独特性以及广阔的应用前景,极大地激发了国内科研人员的兴趣,一些科研单位和大专院校如:广州汉维有限公司、北京化工大学、华南理工大学化学工程研究所等对此都做了大量的实验研究工作和分子蒸馏设备的研制和改进,并且有些成果陆续进行了工业化生产,取得了良好的经济效益和社会效益。
1分子蒸馏的基本原理1.1分子运动平均自由程[1]分子在运动过程中,它的自由程不断发生变化,在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。
设v m为任一分子的平均速度,f为分子间的碰撞频率,λm为平均自由程,则λm=v m/f;由热力学原理可知f=2v m・πd2/kT,所以λm=kT/2πd2p(1,其中d为分子的有效直径,p为分子所处空间的压强,T为分子所处环境的温度,k为波尔兹曼常数。
1.2分子运动自由程的分布规律[2]分子运动自由程的分布规律可表示为F=1 -e-λ/λm(2,式中F为自由程不大于λ的概率,λm为平均自由程,λ为分子运动自由程,由公式可以得出,对于一群相同状态下的运动分子,其自由程不小于平均自由程λm的概率为1-F= e-λm/λm=e-1=0.368。
1.3分子蒸馏的基本原理[3]由分子运动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,其自由程也不相同,即不同种类的分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不相同的。
分子蒸馏技术正是利用不同种类分子逸出液面(蒸发液面后的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,这样混合物就得到了分离。
1.4影响分子运动平均自由程的因素温度、压力及分子的有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素,物质确定以后,分子的有效直径一定,当温度升高,分子运动加剧,分子运动自由程增加;当温度恒定时,压力降低,单位体积的分子数减少,分子碰撞的频率降低,分子运动的平均自由程增加。
1.5分子蒸馏的蒸馏速度和相对挥发度[4]1.5.1分子蒸馏速度分子蒸馏速度完全是由物质分子从蒸发液面挥发速度决定,同气液平衡无关。
G reeberg从这个角度出发推导出物质分子蒸馏速度方程,即:N=p・12πT MR g1/2(3,其中N为摩尔蒸发速度(md/cm2・s,P为组分的蒸汽压(g/cm2,M 为分子量,T为绝对温度(K,R g为气体常数(g・cm/g・m ol・K。
对于双组分体系则N i=c ic T・αi・p i・12πR g T M i1/2(4,其中c i为摩尔浓度,c T为总的摩尔浓度,αi为蒸发系数,这组函数关系比较适合描述离心式蒸馏;对于降膜式分子蒸馏,由于液膜比较厚,必须考虑扩散对蒸馏速度的影响。
1.5.2相对挥发度分子蒸馏表示组分分离难易程度用相对挥发度表示。
在分子蒸馏过程中,理论相对挥发度用以下方程式表示:α1=p1op2oM2M1(5,其中p1o为组分1的饱和蒸汽压,p2o为组分2的饱和蒸汽压,M1为组分1的分子量,M2为组分2的分子量。
在实际过程中,对于双组分体系,真空相对挥发度为:α2=Y(1-XX(1-Y(6,其中Y为在气相中的摩尔分率,X为在液相中的摩尔分率。
2分子蒸馏装置[5]分子蒸馏技术的核心为分子蒸馏装置。
各国研制出了多种多样分子蒸馏装置,但根据形成蒸发液膜的不同设计和结构差异,大致可分为3 大类:(1降膜式分子蒸馏器(falling-film evapo2 rator;(2刮膜式分子蒸馏器(wiped-film evapo2 rator;(3离心式分子蒸馏器(centrifugal evapora2 tor。
2.1降膜式分子蒸馏器该装置是采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式。
将物料加热,蒸发物就可在相对方向的冷凝面上凝缩。
降膜式装置为早期形式,结构简单,在蒸发面上形成的液膜较厚,效率差,现在各国很少采用。
2.2刮膜式分子蒸馏装置该装置是采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式,但为了使蒸发面上的液膜厚度小且分布均匀,在蒸馏器中设置了一硬碳或聚四氟乙烯制的转动刮板。
该刮板不但可以使下流液层得到充分搅拌,还可以加快蒸发面液层的更新,从而强化了物料的传热和传质过程。
其优点是:液膜厚度小,并且沿蒸发表面流动;被蒸馏物料在操作温度下停留时间短,热分解的危险性较小,蒸馏过程可以连续进行,生产能力大。
缺点是:液体分配装置难以完善,很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖;液体流动时常发生翻滚现象,所产生的雾沫也常溅到冷凝面上。
但由于该装置结构相对简单,价格相对低廉,现在的实验室及工业生产中,大部分都采用该装置。
2.3离心式分子蒸馏装置将物料送到高速旋转的转盘中央,并在旋转面扩展形成薄膜,同时加热蒸发,使之与对面的冷凝面凝缩,该装置是目前较为理想的分子蒸馏装置。
但与其它两种装置相比,要求有高速旋转的转盘,又需要较高的真空密封技术。
离心式分子蒸馏器与刮膜式分子蒸馏器相比具有以下优点:由于转盘高速旋转,可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀,蒸发速率和分离效率更好;物料在蒸发面上的受热时间更短,降低了热敏物质热分解的危险;物料的处理量更大,更适合工业上的连续生产。
3分子蒸馏技术的特点[4,6]3.1分子蒸馏的操作温度由分子蒸馏的原理可知,混合物的分离是基于不同种类的分子平均自由程的不同来实现分离的,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,属于非平衡级蒸馏。
这是分子蒸馏与常规蒸馏的本质区别。
3.2蒸馏压强低由于分子的平均自由程与压强成反比以及分子蒸馏装置独特的结构形式,其内部压降很小,可以获得很高的真空度,通常分子蒸馏在很低的压强下进行操作,一般为1—10Pa 。
3.3蒸馏液膜薄,传热效率高在降膜式分子蒸馏装置中,液膜的厚度可用以下方程计算:δm =33v2gRe (7,其中v 为运动粘度,g 为重力常数,R e 为雷诺数。
对于刮膜式分子蒸馏和离心式分子蒸馏,液膜的厚度同操作条件有关,通常降膜式分子蒸馏的厚度为0.1—3mm ,刮膜式分子蒸馏是0.1—0.25mm ,而离心式分子蒸馏液膜厚度在5×10-2mm 数量级。
3.4物料停留时间短由分子蒸馏原理可知,受加热的液面与加冷凝面之间的距离要小于轻分子的平均自由程,而由液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面,物料停留时间短。
因此,蒸馏物料受热时间短,减少了物料热分解的机会。
但在实际操作中,蒸馏物料的停留时间同分子蒸馏柱的长度、刮板转速或离心转速、物料的粘度等相关。
通常物料在分子蒸馏柱的停留时间在15s 左右。
3.5分离程度更高在分子蒸馏过程中,理论相对挥发度为:α1=p 1op 2o M 2M 1式中M 1为轻组分分子量;M 2为重组分的分子量。