分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用

分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展摘要分子蒸餾技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型的液-液分離技術(shù)，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。綜合評(píng)述了分子蒸餾的基本原理、過程技術(shù)特點(diǎn)、常用設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)。工業(yè)應(yīng)用及過程模型化的研究進(jìn)展。并對(duì)分子蒸餾過程技術(shù)的前景提出了一些展望。
前言分子蒸餾[1]又叫短程蒸餾，是一種在高真空下，利用不同物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異來實(shí)現(xiàn)分離的液-液分離技術(shù)。該技術(shù)具有蒸餾溫度低、受熱時(shí)間短、分離程度高、系統(tǒng)能耗低等特點(diǎn)，并且該分離技術(shù)為不可逆過程，不存在沸騰及鼓泡現(xiàn)象。因此適用于分離高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧化的物質(zhì)，能解決常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問題。目前已廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中。
1?分子蒸餾過程技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)分子蒸餾是指在高真空的條件下，液體分子受熱從液面逸出，利用不同分子平均自由程差導(dǎo)致其表面蒸發(fā)速率不同而達(dá)到分離的方法[2]。分子分離過程如圖所示，經(jīng)過預(yù)熱處理的待分離料液從進(jìn)口沿加熱板自上而下流入，受熱的液體分子從加熱板逸出。由于冷凝和蒸發(fā)表面的間距一般小于或等于蒸發(fā)分子的平均自由程，逸出分子可以不經(jīng)過分子碰撞而直接到達(dá)冷凝面冷凝，后進(jìn)入輕組分接受罐。重組分分子由于平均自由程小，不能到達(dá)冷凝板，從而順加熱板流入重組分接收罐中，這樣就實(shí)現(xiàn)了輕重組分的分離[3]。
2?分子蒸餾的基本過程根據(jù)分子蒸餾的基本理論，可將蒸餾過程分解為以下5個(gè)步驟：①物料在加熱面上形成液膜；②分子在液膜表面上自由蒸發(fā)；③分子從加熱面向冷凝面的運(yùn)動(dòng)；④輕分子在冷凝面上被捕獲，重分子返回物料液膜；⑤餾出物和殘留物的收集。
3?分子蒸餾設(shè)備和特點(diǎn)
3.1?設(shè)備組成一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要由脫氣系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、分子蒸餾器、餾分收集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，其工藝流程如圖2?所示。脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發(fā)性組分，以免蒸餾過程中發(fā)生爆沸。真空系統(tǒng)是保證分子蒸餾過程進(jìn)行的前提，合適的真空設(shè)備和嚴(yán)格的密封性分子蒸餾裝置的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，為保證所需要的真空度，一般采用二級(jí)或二級(jí)以上的泵聯(lián)用，并設(shè)液氮冷阱以保護(hù)真空泵。根據(jù)形成蒸發(fā)液膜的不同，分子蒸餾器可分為：降膜式分子蒸餾器、刮膜式分子蒸餾器和離心式分子蒸餾器，由于降膜式的傳熱、傳質(zhì)效率差，已逐漸被淘汰，代之以刮膜式或離心式。由于離心力能強(qiáng)化成膜，物料停留時(shí)間短且液膜薄而均勻，降低了傳質(zhì)阻力，且加熱和冷卻大多為內(nèi)置式，因此，離心式分子蒸餾器的分離效率及生產(chǎn)能力較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對(duì)投資比較大，而轉(zhuǎn)子刮膜式結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡單，操作參數(shù)容易控制，?且價(jià)格相對(duì)低廉，因此，?現(xiàn)在的試驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中，?大部分都采用該裝置。
3.2?蒸餾器設(shè)計(jì)原則??分子蒸餾器是整套設(shè)備的核心，?集中體現(xiàn)了分子蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵。其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：?①?高真空度：?殘余氣體的分壓須很低，?以保證蒸發(fā)分子在蒸發(fā)空間盡可能不與其他分子碰撞；?②?冷凝面與蒸發(fā)面的間距小于蒸發(fā)分子的平均自由程；?③?為防止返蒸現(xiàn)象（已冷凝分子重新蒸發(fā)），?蒸發(fā)面與冷凝面的溫度差至少在50～100℃之間；?④?被蒸餾物料在蒸發(fā)面應(yīng)能形成厚度均勻的薄膜，?以提高蒸發(fā)效率。即盡可能均勻加熱，?因?yàn)榫植窟^分加熱導(dǎo)致的物料分解將會(huì)使真空度明顯降低，?致使蒸發(fā)暫停；?⑤在分子蒸餾中，?僅液體表面與蒸發(fā)相關(guān)，?因此，?在蒸發(fā)面要有不斷出現(xiàn)的新液面。?
3.3?刮膜式分子蒸餾裝置????圖3?是刮膜式分子蒸餾裝置，是一種新型的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是：液膜厚度小，?受熱時(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)是：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，所產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上。?
3.4?分子蒸餾的特點(diǎn)???與傳統(tǒng)的普通蒸餾相比，?分子蒸餾具有以下特點(diǎn)：?（1）?物料分離建立在物質(zhì)揮發(fā)度不同的基礎(chǔ)上，分離操作在低于物質(zhì)沸點(diǎn)下進(jìn)行，?對(duì)于采用溶劑萃取后液體的脫溶有效；?（2）?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動(dòng)態(tài)平衡，?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，?中間不與其他分子發(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；?（3）?普通蒸餾雖然也可以進(jìn)行減壓蒸餾，?但真空度不是很高，?物料中溶解的氣體會(huì)導(dǎo)致物料有鼓泡、沸騰等現(xiàn)象，?而分子蒸餾是在很低壓力下進(jìn)行的液膜表面上的自由蒸發(fā)，?是非沸騰下的蒸發(fā)過程；?（4）?分子蒸餾的操作真空度高。分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾，?蒸發(fā)面與冷凝面的距離小于輕分子的平均自由程，蒸發(fā)的輕分子不與其他分子碰撞、幾乎沒有壓力降就達(dá)到冷凝面，更有利于進(jìn)行物料的分離；?（5）?蒸餾溫度比普通蒸餾低。常規(guī)蒸餾在沸點(diǎn)溫度進(jìn)行，?而分子蒸餾在真空度下操作，?可以對(duì)常規(guī)蒸餾不能分離的熱穩(wěn)定性差的物質(zhì)進(jìn)行蒸餾；?（6）?物料受熱時(shí)間短。在蒸發(fā)過程中，?混合物料呈薄膜狀，?并被定向推動(dòng)，?液面與加熱面的面積幾乎相等，?使得液體在分離器中停留時(shí)間很短（一般幾秒至幾十秒），?避免了因受熱時(shí)間長造成混合物內(nèi)某些組分分解或聚合的可能，?更適宜對(duì)一些高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物料進(jìn)行有效的分離；?（7）?分子蒸餾的分離程度更高。兩組分混合物進(jìn)行分離時(shí)，?以相對(duì)揮發(fā)度表示其分離能力。?（8）?分子蒸餾利用各分子平均自由程不同進(jìn)行