第四章分子蒸馏分离技术

1 分子蒸馏技术

X Y Zhou 化学工程 110427001

摘要 分子蒸馏是一种新型的液－液分离技术，与传统的蒸馏技术相比：操作温度远低于液体沸点，蒸馏压力在极高真空度下，受热时间短，能最大限度地保证物系中的有效成分。本文分析了分子蒸馏技术的原理、过程，介绍了目前分子蒸馏技术的特点、分子蒸馏设备及其特点，以及分子蒸馏技术在食品、医药、化工等行业的应用。

关键词 分子蒸馏；分离技术；分子蒸馏器

分子蒸馏技术[1]是一种特殊的液-液分离技术，是新型分离技术中的一个重要分支。液体混合物的分离，一般是通过蒸馏或精馏来实现的。在蒸馏或精馏过程中，存在着两股分子流向：一股是被蒸液体的气化，由液相流向气相的蒸气分子流；另一股是由蒸气返回至液相的分子流。当气液两相达到平衡时，表观上蒸气分子不再从液面逸出。若果利用某种措施，使蒸气分子不再返回(或减少返回)液相，就会大大提高分离效率。分子蒸馏技术正是在蒸馏技术的不断改进发展中而产生的一种特殊的蒸馏分离技术。

1 分子蒸馏的原理、过程及其特点

1.1 分子蒸馏的基本原理

根据分子运动理论，液体混合物的分子受热后运动会加剧，当接受到足够能量时，就会成为气体分子而从液面逸出。而随着液面上方气体分子的增加，有一部分气体分子就会返回液体，在外界温度保持恒定的情况下，最终达到分子运动的动态平衡，此外，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由度也不同，从统计学观点看，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同的[2]。

传统的液体混合物的分离，一般都是利用溶液组分间沸点的差异，通过蒸馏或精馏来实现的，其气液处于平衡状态。而分子蒸馏技术却不同于常规蒸馏，它是利用不同物质分子运动平均自由程的差异，实现液体混合物的分离。具体的分离过程是：经过预热处理的待分离料液从进料口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出，并向冷凝板运动。轻分子由于平均自由程较大，能够到达冷凝板并不断在冷凝板凝集，最后进入轻组分接收罐；重分子因平均自由程较小，不能到达冷凝板，从而顺加热板流入重组分接收罐中，这样就实现了轻重组分的分离[3]。

第六章 蒸馏与吸收设备

实训内容

（一） 板式精馏塔设备

1开车准备

（1） 对塔设备进行全面检查。逐层检查所有塔板，确认安装正确，塔板、阀和降液管清洁无杂物；检查溢流口尺寸、堰高等应符合要求；检查所有塔盘紧固件紧固安装；分布器安装定位正确，分布孔畅通。

（2） 检查泵、风机、换热器性能完好，按规定加好润滑油脂，运转部件转动灵活，冷却水畅通，各设备内、外洁净无杂物。

（3） 检查所有新配管、新焊缝等的强度和致密性，进行水压试验和气密性试验，确保合格（特殊情况不能做强度试验，则必须100%X射线探伤合格）。

（4） 对设备、管道、配件进行空气吹（清）扫等清洁工作，以免焊渣等杂物对设备、管道、管件、仪表造成堵塞。

（5） 在系统不需要进人工作、动火作业已完成、检查气密性以前，可以按需要安排拆除盲板，并按盲板台账逐块核实、销账，防止遗漏。

（6） 用水冲洗塔设备后可对系统通水进行水循环，以打通流程，检查工艺缺陷和设备、仪表的性能。水循环结束后，放净存水，用压缩空气吹干。对于低温操作的设备塔，还应严格要求系统内的含水量，以防降温后冻堵。

（7） 用氮气将系统内的空气都置换出去，是系统内氧含量达安全规定（0.2%以下）。对氧含量有更高要求的装置按工艺要求控制。

（8） 投料前，要确保全部仪表、安全阀处于投运状态。

2投料开车操作

（1） 缓慢打开进料阀，平稳进料。

（2） 当塔釜中见到液位后，开启再沸器和各加热器的热源，开启塔顶冷凝器和各冷却器的冷源，逐渐将釜温升到工艺操作温度。

（3） 控制好塔压力，因为稳定塔压力是操作的基础。随着塔内压力的增大，应当开启塔顶通气口，排除塔内的空气或惰性气体，进行压力调节。

（4） 随着塔压力的建立，塔顶冷凝器开始出现凝液，回流罐逐渐建立起液面。当液面达到1／3时，启动回流泵，逐步提高回流量，当达到规定值时，转为自动控制。

如果回流液是低沸点物质，回流温度低，回流泵在启动前必须按照泵的操作说明书规定进行预冷，遇冷时必须不断盘车。

分子蒸馏技术

一、分子蒸馏技术简介

分子蒸馏是一项较新的尚未广泛应用于工业化生产的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。分子蒸馏是一种特殊的液－液分离技术，能在极高真空下操作，它依据分子运动平均自由程的差别，能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏性物质的特点品质，该项技术用于纯天然保健品的提取，可摆脱化学处理方法的束缚，真正保持了纯天然的特性，使保健产品的质量迈上一个新台阶。

二、分子蒸馏技术的基本原理

（一） 分子运动平均自由程：

任一分子在运动过程中都在不断变化自由程。在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。

设 Vm ＝ 某一分子的平均速度

f ＝ 碰撞频率

λm ＝ 平均自由程

则 λm ＝ Vm／f ∴ f ＝ Vm／λm

πd²P

由热力学原理可知，f ＝ (2)½Vm·────

KT

其中： d － 分子有效直径

P － 分子所处空间的压强

T － 分子所处环境的温度

K － 波尔兹曼常数

K T

则： λm ＝ ──── · ────

(2)½π d²P

（二） 分子运动平均自由程的分布规律：

分子运动自由程的分布规律为正态分布，其概率公式为：F = 1 - e-λ／λm

其中： F － 自由程度 ≤ λm 的概率

λm － 分子运动的平均自由程

λ － 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，其自由程等于或大于平均自由程λm的概率为：

新技术讲座

一种新型分离技术󰀁󰀁󰀁分子蒸馏技术

冯武文󰀂杨󰀂村󰀂于宏奇

(北京化工大学,北京100029)

摘要󰀂介绍了分子蒸馏技术的基本原理及其有别于一般蒸馏技术的特

点。例如,蒸馏温度远低于液体沸点,蒸馏压强低,受热时间短等。还

介绍了分子蒸馏技术在工业中的应用以及国内外发展概况,特别介绍

了北京化工大学的有关研究开发情况。

关键词󰀂分子蒸馏󰀂分离󰀂分子运动平均自由程

󰀂󰀂分子蒸馏技术不同于一般蒸馏技术[1]。它是

运用不同物质分子运动自由程的差别而实现物质的

分离,因而能够实现远离沸点下的操作。鉴于其在

高真空下运行,且因其特殊的结构型式,因而它又具

备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点,能

大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏

性物质的品质。该项技术已广泛应用于高纯物质的

提取,特别适用于天然物质的提取与分离。

1󰀂分子蒸馏的基本原理[2]

1󰀁1󰀂分子运动自由程

分子碰撞:分子与分子之间存在着相互作用力。

当两分子离得较远时,分子之间的作用力表现为吸

引力,但当两分子接近到一定程度后,分子之间的作

用力会改变为排斥力,并随其接近程度,排斥力迅速

增加。当两分子接近到一定程度,排斥力的作用使

两分子分开,这种由接近而至排斥分离的过程就是

分子的碰撞过程。

分子有效直径:分子在碰撞过程中,两分子质心

的最短距离,即发生斥离的质心距离。

分子运动自由程:一个分子相邻两次分子碰撞

之间所走的路程。

1󰀁2󰀂分子运动平均自由程

任一分子在运动过程中都在变化自由程,而在

一定的外界条件下,不同物质的分子其自由程各不

相同。就某一种分子来说,在某时间间隔内自由程

的平均值称为平均自由程。

由热力学原理可推导出:

󰀁m=K

21/2󰀂 T

d2P式中󰀂󰀁m󰀁平均自由程;

d󰀁分子有效直径;P󰀁分子所处环境压强;

T󰀁分子所处环境温度;

K󰀁波尔兹曼常数。1󰀁3󰀂分子蒸馏的基本原理

根据分子运动理论,液体混合物的分子受热后