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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／λmπd²P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)½πd²P（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：1 - F = e-λ／λm = e-1 = 36.8%（三）分子蒸馏的基本原理：由分子平均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，其平均自由程也不同，换句话说，不同种类的分子溢出液面后不与其它分子碰撞的飞行距离是不同的。
分子蒸馏技术正是利用不同种类分子溢出液面后平均自由程不同的性质实现的。
1、分子蒸馏技术的基本原理分子蒸馏不同于一般的蒸馏技术。
它是运用不同物质分子运动平均自由程的差别而实现物质的分离,因而能够实现在远离沸点下操作。
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,就会从液面逸出而成为气相分子,随着液面上方气相分子的增加,有一部分气体就会返回液体,在外界条件保持恒定情况下,就会达到分子运动的动态平衡。
从宏观上看达到了平衡。
液体混合物为达到分离的目的,首先进行加热,能量足够的分子逸出液面,轻分子的平均自由程大,重分子平均自由程小,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,使得轻分子不断被冷凝,从而破坏了轻分子的动平衡而使混合液中的轻分子不断逸出,而重分子因达不到冷凝面很快趋于动态平衡,不再从混合液中逸出,这样,液体混合物便达到了分离的目的。
2、分子蒸馏技术的特点由分子蒸馏的原理可以看出，分子蒸馏有许多常规蒸馏所不具备的特点。
2.1分子蒸馏的操作真空度高。
由于分子蒸馏的冷热面间的间距小于轻分子的平均自由程，轻分子几乎没有压力降就达到冷凝面，使蒸发面的实际操作真空度比传统真空蒸馏的操作真空度高出几个数量级。
分子蒸馏的操作残压一般约为0.1～1Pa数量级。
2.2分子蒸馏的操作温度低。
分子蒸馏依靠分子运动平均自由程的差别实现分离，并不需要到达物料的沸点，加之分子蒸馏的操作真空度更高，这又进一步降低了操作温度。
分子蒸馏在蒸发过程中，物料被强制形成很薄的液膜，并被定向推动，使得液体在分离器中停留时间很短。
特别是轻分子，一经逸出就马上冷凝，受热时间更短，一般为几秒或十几秒。
这样，使物料的热损伤很小，特别对热敏性物质的分离过程提供了传统蒸馏无法比拟的操作条件。
3.4分子蒸馏的分离程度更高。
,由分子蒸馏的相对挥发度可以看出：x式中：M1————轻分子分子量；M2————重分子分子量而常规蒸馏相对挥发度α=P1/P2 ，由于M2 ＞M1 ，所以ατ＞α。
【分子蒸馏技术及其在食品方面的应用】一、概述分子蒸馏技术是一种利用物质的沸点差异进行分离、提纯的方法，它在化工、医药等领域早已得到广泛应用。
然而，在食品领域，分子蒸馏技术也逐渐展现出其独特的优势和潜力。
本文将从分子蒸馏技术的原理、食品领域的具体应用以及对食品品质的提升等方面展开讨论，以期帮助读者更全面地了解这一技术及其在食品方面的应用。
二、分子蒸馏技术原理分子蒸馏技术是一种利用不同成分在相同温度下的沸点差异进行分离的技术。
在分子蒸馏过程中，液体混合物首先被加热至其沸点，然后将产生的蒸气冷凝回液体，从而实现对混合物中不同成分的分离。
这一过程主要依赖于不同成分之间的沸点差异，因此适用于需要对成分进行高效、精确分离的场合。
三、食品领域的应用1. 酒精提纯：在酿酒过程中，分子蒸馏技术可以用于提取纯净的酒精。
通过控制温度和流速，可以将水和酒精成功地分离，从而提高酒的纯度和口感。
2. 食用油脂提纯：在植物油中，可能会含有一些杂质和不良物质，而分子蒸馏技术可以有效地去除这些杂质，使食用油脂更加纯净、健康。
3. 食品香精提取：分子蒸馏技术可以帮助提取食品香精中的活性成分，从而保留食品的原味和营养成分，提高口感和风味。
四、食品品质的提升分子蒸馏技术在食品领域的应用，不仅可以帮助提高食品的纯度和香味，还能够提升食品的品质和保质期。
通过对原料的精确分离和提取，可以保留更多的营养成分和风味物质，从而使得食品更加美味和健康。
分子蒸馏技术还可以去除食品中的有害物质，提高食品的安全性和可持续性。
五、个人观点和理解分子蒸馏技术在食品领域的应用为食品加工提供了新的可能性和选择。
它不仅可以帮助提高食品的品质和口感，还能够满足人们对食品安全和健康的需求。
然而，需要注意的是，在应用分子蒸馏技术的过程中，合理控制温度和流速，严格遵守食品安全标准是至关重要的。
只有这样，才能确保食品的质量和安全，从而为用户提供更加放心的食品产品。
总结分子蒸馏技术作为一种高效、精确的分离技术，在食品领域展现出了其独特的优势和潜力。
分子蒸馏分子蒸馏是一种特殊的液--液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。
这里，分子运动自由程（用λ表示）是指一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。
当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。
这样，达到物质分离的目的。
>>> 分子蒸馏技术的特点分子蒸馏技术作为一种与国际同步的高新分离技术，具有其它分离技术无法比拟的优点：1、操作温度低（远低于沸点）、真空度高（空载≤1Pa）、受热时间短（以秒计）、分离效率高等，特别适宜于高沸点、热敏性、易氧化物质的分离；2、可有效地脱除低分子物质（脱臭）、重分子物质（脱色）及脱除混合物中杂质；3、其分离过程为物理分离过程，可很好地保护被分离物质不被污染，特别是可保持天然提取物的原来品质；4 、分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器。
蒸馏是最重要的一种用加热对不同物质进行分离的方式之一。
常规的蒸馏方式：原料在蒸发器内被加热至蒸发温度, 低沸点组分蒸发后进入冷凝器冷却, 得到所需的产品。
但是，常规的蒸馏方式 - 需要较高的蒸馏温度 - 物料加热时间较长 局限性- 无法对热敏物质进行分离真空蒸馏通过将系统抽真空可降低蒸发温度压力与沸点的关系压力每降低一个数量级，沸点降低约20－30度但对于热敏物质来说, 在蒸馏釡内进行的真空蒸馏有很多缺陷- 很长的蒸馏时间- 由于压力降的缘故，以及真空泵很难克服蒸馏釜内液面的静压高度，所以在蒸发处的真空是非常有限的。
最终的真空度并不由真空泵的大小而决定, 而是受管路的传导性和蒸发器内静液面高度的限制.薄膜蒸发器中的真空蒸馏从一个薄膜上蒸发能消除静液面高的影响, 在刮膜蒸发器中,物料沿着加热的圆柱筒体表面向下流动, 形成薄膜, 在流动过程中成薄膜状的物料被蒸发.带外冷凝器的薄膜蒸发器液膜被一个刮膜系统不断地进行混合, 冷凝在一个外置的冷凝器中进行, 冷凝器连接有真空系统.刮环靠自身的离心力在蒸发器内壁上刮出约1mm厚薄膜- 传热效率高- 质量交换快- 物料受热时间短,只有15秒到30秒- 物料以膜的形式出现，几乎没有液面压差,减少了真空度的损失但是带外冷凝器的薄膜蒸发器也有局限性:由于蒸发器与冷凝器之间的管路连接导致的压力降, 蒸发器内获得的真空度仅局限于毫巴级,最低大约可降至1毫巴(100Pa)带有内置冷凝器的短程蒸发器使用短程/分子蒸馏能够消除真空度不足的不利因素. 冷凝器置于圆筒型蒸发器的内部, 蒸发器与冷凝器之间的距离非常地短. 事实上, 不存在压力降的问题.如果内置冷凝器与蒸发器表面之间的距离正好为轻分子自由程的平均距离, 则轻分子达到冷凝器被冷凝排出，这种工艺又称为”分子蒸馏”。
第26卷第3期2007年5月 食品与生物技术学报Journal of Food Science and Biotechnology Vol.26 No.3May. 2007 文章编号:167321689(2007)0320121206 收稿日期:2007201215.作者简介:王宝辉(19602),男,黑龙江肇州人,教授,博导,主要从事新能源与环境科学方面的研究.Email :wang 2baohui60@分子蒸馏技术研究进展王宝辉, 张学佳, 纪巍, 范印帅, 柳荣伟(大庆石油学院化学化工学院,黑龙江大庆163318)摘 要:综合评述了分子蒸馏技术的基本原理、技术特点及设备,并对其优缺点进行分析评价;介绍了分子蒸馏技术在工业生产中的应用及存在的问题和解决办法;提出了未来分子蒸馏领域的重点研究方向。
分子蒸馏技术作为一种环境友好的高新分离技术,向人们展示出广阔的应用前景。
关键词:分子蒸馏技术;特点;设备;应用;展望中图分类号:TQ 028文献标识码: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 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 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 finally brought forward.K ey w ords :molecular distillation technology ;characteristic ;equip ment ;application ;pro spect 蒸馏技术作为一种较成熟的分离技术在工业生产中有着广泛的应用。
但是随着绿色生产技术与环境化工等领域的兴起发展,人们对蒸馏技术提出了很多新的要求(低能耗、高纯度、无污染等),而分子蒸馏技术则作为环境友好的分离技术备受人们青睐,是蒸馏过程由宏观向微观发展的技术创新。
分子蒸馏(molecular distillation )又称短程蒸馏(short 2pat h distillation ),是利用不同物质的分子运动平均自由程的差异实现分离目的,能解决常规蒸馏技术所不能解决的问题。
目前已广泛地应用于石油化工、医药、农药、食品和日用品等行业。
1 分子蒸馏原理分子蒸馏是依靠不同物质分子运动平均自由程的差异来实现物质分离的。
所谓分子运动平均自由程,就是一个分子在与相邻两次分子碰撞间隔内所走的路程的平均值。
Langmuir 根据热力学原理推导出分子平均自由程的定义式为[1]:λ=12πd 2n=KT2πd 2P=R T2πd 2N A P式中:λ是分子平均自由程;d 是分子有效直径;T 是分子所处环境温度;P 是分子所处环境压强;K是波尔兹曼常数;R 是气体常数,为8.314;N A 是阿佛加德罗常数,为6.02×1023.从上式可以看出,不同的分子由于有着不同的分子有效直径,故它们的平均自由程也不相同。
分子蒸馏技术就是利用不同物质分子受热逸出液面后的平均自由程大小的不同,来实现分离提纯的。
具体方法是在液面上方大于重分子平均自由程而小于轻分子平均自由程处设置一冷凝面,使得重分子达不到冷凝面而返回液面,保持原有的平衡;而轻分子则不断地在冷凝面上冷凝,从而破坏了轻分子的动态平衡,结果是混合液中的轻分子不断从液相逸出,最终达到分离的目的[2-3]。
分子蒸馏原理如图1所示。
图1 分子蒸馏原理图Fig.1 Scheme diagram of molecular distillation 因此,要利用分子蒸馏技术分离物料,必须满足3个条件:首先,轻、重分子的平均自由程要有差异,且差异越大越好;其次,蒸发面与冷凝面的间距要小于轻分子平均自由程;另外,分子蒸馏系统中应保持较高的真空度且蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差。
2 分子蒸馏器完整的分子蒸馏装置主要由脱气系统、真空系统、控制系统和蒸馏器(包括加热器、冷凝器、捕集器等)组成。
脱气系统是将物料中所溶解的挥发性组分尽量排出,避免蒸馏过程中发生爆沸。
真空系统是保证分子蒸馏过程能够进行的前提[4-5]。
分子蒸馏装置系统如图2所示。
分子蒸馏器是实现分子蒸馏技术的关键,大体可分为简单蒸馏型与精密蒸馏型,现今使用的装置大多为简单蒸馏型。
根据分子蒸馏器的结构形式及操作特点,又可分为间歇式、降膜式、刮膜式和离心式分子蒸馏器。
间歇式分子蒸馏器(batch molecular still ):出现最早,结构最简单,由蒸馏釜和内置冷凝器组成,类似于简单蒸馏实验装置。
其特点是有一个静止图2 分子蒸馏装置系统Fig.2 System of molecular distillation equipment不动的水平蒸发表面,按其形状不同,可分为釜式、盘式等。
物料在分子蒸馏过程中静止不动,停留时间较长(几分钟),分离效果差,热分解危险性大,生产能力低,一般只适用于实验室及小批量生产,工业生产已不采用。
降膜式分子蒸馏器(falling 2film molecular still ):主要由圆柱形的蒸发器和同轴的冷凝器组成,蒸发面位于中央,冷凝面位于外周且相距很近。
物料从顶部进入,靠重力作用在蒸发表面流动形成一层薄膜,液膜在流动过程中被蒸发,逸出的分子被冷凝器表面冷凝。
与间歇式分子蒸馏器相比,蒸发表面所形成的液膜厚度小,停留时间短(数10秒),热分解几率降低,并且蒸馏过程可以连续进行,生产能力有很大的提高。
但液体在向下流动时常发生翻滚现象,不能保证蒸发表面都形成均匀薄膜,容易形成过热点使热敏性组分分解,降低了分离效率。
虽然在实验室及工业生产中有一定应用,但生产规模非常有限。
刮膜式分子蒸馏器(wiped 2film molecular still ):是在降膜分子蒸馏装置内设置一个转动的刮膜器,刮膜器结构有刷膜式、刮板式、滑动式和滚筒式等多种形式。
物料在从顶部进入时,借助刮膜器的机械作用,使物料在蒸发表面形成厚度均匀、连续更新的液膜,液膜呈湍流流动,既强化了物料的传热和传质过程,又可避免局部过热。
同降膜式分子蒸馏器相比,物料停留时间更短,液膜厚度更薄且均匀,热分解可能性更小。
可是液体分配装置还是难以保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖,过程中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,操作参数容易控制,维修也较方便,故是实验室及工业生产中应用较为广泛的一种分子蒸馏设备。
离心式分子蒸馏器(cent rif ugal molecular still ):内部有一个高速旋转的圆锥盘,物料被输送到高速旋转的转盘中央,在离心力作用下,物料沿蒸发面自由向外移动并在旋转面扩展形成均匀薄221食 品 与 生 物 技 术 学 报 第26卷 膜,同时液膜受热蒸发并在对面的冷凝面上冷凝。
与其它装置相比,由于转盘高速旋转,可得到极薄且分布更均匀的连续液膜,停留时间更短(几秒),蒸馏过程中几乎没有压力损失,很少有发泡的危险,处理量更大,分离效果好,非常适用于热敏性强及高粘度的物料分离,是目前工业上较为理想的分子蒸馏装置。
但是其结构复杂,转盘的高速旋转需要高真空密封技术,制造难度大,相对投资较大。
随着人们对分子蒸馏技术的深入研究,对分子蒸馏器进行了许多有效的改进,特别是针对不同的物料,其装置结构与配套设备有不同的特点,相继出现了多种不同类型的分子蒸馏器[6-8],如E型、V 型、M型、擦膜式和立式等。
目前应用范围最广泛的还是刮膜式和离心式分子蒸馏器。
不论采用上述何种分子蒸馏器,分子蒸馏过程一般可分为以下5个步骤[9]:物料在加热表面上形成连续液膜;液膜在加热表面上的自由蒸发;蒸发逸出的分子向冷凝面运动;蒸发分子在冷凝面上冷凝;馏出物和残留物的收集。
3 分子蒸馏技术特点3.1 分子蒸馏技术的优越性从分子蒸馏的技术原理及设备设计的形式看,分子蒸馏技术具有如下一些优点:3.1.1 蒸馏温度低 常规蒸馏是依靠物料中不同物质的沸点差进行分离的,因此料液必须加热至沸腾。
而分子蒸馏是利用不同种类的分子受热逸出液面后的平均自由程的不同来实现分离的,只要蒸汽分子由液相逸出就可实现分离,可在远低于沸点的温度下进行操作,是一个没有沸腾的蒸发过程。
由此可见,分子蒸馏技术更有利于节约能源,特别适用于一些高沸点热敏性物料的分离,且可以分离常规蒸馏中难以分离的共沸混合物。
3.1.2 蒸馏压强低 常规蒸馏装置存在填料或塔板的阻力而难获得较高的真空度,而分子蒸馏本身是必须降低蒸馏体系的压强来获得足够大的分子运动平均自由程。
分子蒸馏装置内部结构比较简单,整个体系可以获得很高的真空度(一般只有0.133～1Pa),物料不易氧化受损且有利于沸点温度降低[10]。
此外,分子蒸馏可以通过真空度的调节,有选择性地蒸出目的产物,去除其它杂质,还可以通过多级分离同时分离多种物质。
3.1.3 受热时间短 分子蒸馏技术要求加热面与冷凝面间的距离小于轻分子的平均自由程,距离很小且轻分子由液面逸出后几乎未发生碰撞即射向冷凝面,受热时间极短(0.1～10s)。
另外,蒸发表面形成的液膜非常薄,加之液面与加热面的面积几乎相等,传热效率高,这样物料受热时间就变得更短。
