第二章 分子蒸馏技术(4)

启迪： 低于沸点的温度下，是否可利用分子平均自 启迪：在低于沸点的温度下，是否可利用分子平均自 的温度下 由程的差异实现分离？ 由程的差异实现分离？ 实现分离
人们设计了全新概念的高真空蒸馏装置。 人们设计了全新概念的高真空蒸馏装置。 高真空蒸馏装置
（二）分子蒸馏的原理
借助于在一定的温度和真空度下不同物质的分子运动平均自由 借助于在一定的温度和真空度下不同物质的分子运动平均自由 差异，在距受热液面小于轻分子平均自由程而大于重 程差异，在距受热液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自 由程处设置一个冷凝面，使气相轻分子不断冷凝而打破动态平衡， 由程处设置一个冷凝面，使气相轻分子不断冷凝而打破动态平衡， 使气相重分子达不到冷凝面而很快与液相重分子趋于动态平衡， 使气相重分子达不到冷凝面而很快与液相重分子趋于动态平衡，从 而实现液体混合物中轻重分子的分离。 而实现液体混合物中轻重分子的分离。
二、分子蒸馏技术特点
（一）分子蒸馏的优点 （1）操作温度低 分子蒸馏的操作温度远低于物料 ）
在该真空度下的沸点。一般可低 在该真空度下的沸点。一般可低50~100℃。 ℃
（2） 蒸馏压强低 (真空度高 真空度高) ） 真空度高
一般常规真空蒸馏其真空度仅达5kPa， 一般常规真空蒸馏其真空度仅达5kPa，而分子蒸馏 常规真空蒸馏其真空度仅达 真空度可达0.1~100Pa 真空度可达0.1~100Pa
普通真空蒸馏需受热数十分钟， （3）受热时间短 普通真空蒸馏需受热数十分钟， ） 则分子蒸馏受热仅为几秒或几十秒 ，一般 为10~25s
(4) 分离程度及产品收率高
分子蒸馏的挥发度一般用下式表示： 分子蒸馏的挥发度一般用下式表示：
常规蒸馏的相对挥发度为： 常规蒸馏的相对挥发度为：
分子蒸馏较常规蒸馏更易分离物质，且随着 分子蒸馏较常规蒸馏更易分离物质，且随着M2与 M1的差别越大，分离程度越高，分离效率也越高。 的差别越大，分离程度越高，分离效率也越高。 分子蒸馏产品的收率也较传统蒸馏大大提高。 分子蒸馏产品的收率也较传统蒸馏大大提高。
第四节 分子蒸馏技术
一、分子蒸馏技术的原理
（一）基本概念
分子蒸馏又叫短程蒸馏（ ），是一种高效新型 分子蒸馏又叫短程蒸馏（short path），是一种高效新型 短程蒸馏 ）， 液-液分离技术。特别适合于浓缩、纯化或分离高分子量、 分离技术。特别适合于浓缩、纯化或分离高分子量 高分子量、
高沸点、高黏度的物质及热稳定性差的有机混合物和天然产物 高沸点、高黏度的物质及热稳定性差的有机混合物和天然产物 的分离。 的分离。
一股是混合液受热汽化、形成由液相流向汽相的蒸汽分子流； 一股是混合液受热汽化、形成由液相流向汽相的蒸汽分子流； 蒸汽分子流 另一股是由蒸汽返回液相的分子流。 另一股是由蒸汽返回液相的分子流。
传统的蒸馏利用沸点差采用冷凝方法减少返回液相， 传统的蒸馏利用沸点差采用冷凝方法减少返回液相，实 沸点差采用冷凝方法减少返回液相 现分离。 蒸馏水，酒精等 现分离。如蒸馏水，酒精等。
（二）装置实例
四、分子蒸馏技术在工业化应用中的作用及原则 （一）分子蒸馏技术在工业化应用中的作用 1、脱除热敏性物质中的轻分子组分 、
如香精香料、大蒜油、油脂等脱臭；辣椒红色素脱溶剂等 如香精香料、大蒜油、油脂等脱臭；辣椒红色素脱溶剂等 脱臭 脱溶剂
2、脱除产品的杂质及颜色 、
3· 降低热敏性物质的热损伤 4· 改进传统生产工艺，进行清洁生产 改进传统生产工艺，
实验室型短程/分子蒸馏装置的技术数据 实验室型短程 分子蒸馏装置的技术数据: 分子蒸馏装置的技术数据 类 型
蒸馏装置操作温度 可达到的最低操作压力 产量 蒸发器的表面积 外部冷凝器的表面积 刮膜系统 蒸馏条件下， 蒸馏条件下，产品最大粘性
VKL38型，70型，125型 型 型 型 300℃或更高
< 10-3 mbar ，带有旋片和油扩 散真空泵 0.1 – 2 kg/h (取决于产品 取决于产品) 取决于产品 0.05 m² 0.065 m² WRS-自清洁辊轮式刮膜系统 自清洁辊轮式刮膜系统 约为 1.000 mPa s
（三）实现分子蒸馏应满足以下必要条件
重分子的平均自由程必须要有差异 有差异， ① 轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异 越大越好； 越大越好； 在操作的饱和压力下， ② 在操作的饱和压力下，汽化分子的平均自由路程必 须同蒸发器表面与冷凝器表面的距离具有同一数量 须同蒸发器表面与冷凝器表面的距离具有同一数量 级。约为2~5cm。 约为 。
(5) 产品品质高
由于分子蒸馏操作温度低、受热时间短， 由于分子蒸馏操作温度低、受热时间短，因而大大提 操作温度低 高了产品品质， 高了产品品质，对于保持天然物质的品质有着特殊的 功能。 功能。
（二）分子蒸馏的缺陷
(1) 生产能力小； 生产能力小； (2) 设备结构复杂、制造技术要求高； 设备结构复杂、制造技术要求高； (3) 设备投资大。 设备投资大。
分子运动平均自由程计算公式： 分子运动平均自由程计算公式：
影响 λm的主要因素： λm的主要因素： 的主要因素
温度 (T)、压力 (P)及分子有效直径 (d)。 、 及 。 在一定条件下， 在一定条件下，某一分子的平均自由程与该分子所处体系的 温度成正比 而与体系的压力和该分子的有效直径成反比。 成正比， 压力和该分子的有效直径成反比 温度成正比，而与体系的压力和该分子的有效直径成反比。
3、分子碰撞：分子与分子之间由接近而至排斥分离的现象。 、分子碰撞：分子与分子之间由接近而至排斥分离的现象。
分子有效直径：分子在碰撞过程中， 分子有效直径：分子在碰撞过程中，两分子质心间的最 短距离， 发生斥离时 质心距离。 斥离时的 短距离，即发生斥离时的质心距离。
4、分子运动平均自由程
分子运动自由程：某个分子在相邻两次分子碰撞 分子碰撞之间 分子运动自由程：某个分子在相邻两次分子碰撞之间 所走过的路程 路程。 所走过的路程。 平均自由程： 某一个分子来说， 平均自由程：就某一个分子来说，在某时间间隔内其 分子来说 自由程的平均值。 自由程的平均值。
例：脱除甘油三酸酯中游离脂肪酸的方法 脱除甘油三酸酯中游离脂肪酸的方法 甘油三酸酯 传统： 传统：碱炼法 → 环境污染 分子蒸馏技术 →→
变废为宝
甘油三酸酯 副产品） 游离脂肪酸 （副产品）
5. 对于有一定附加值的许多工业产品而言， 对于有一定附加值的许多工业产品而言， 分子蒸馏技术是十分经济可行的。 分子蒸馏技术是十分经济可行的。
分子蒸馏以处理热敏性高、沸点高、 分子蒸馏以处理热敏性高、沸点高、而产量要 热敏性高 求不大但价值又高的物料为宜 的物料为宜； 求不大但价值又高的物料为宜；而对于那些产量 要求大、价值较低、热敏性不高、 要求大、价值较低、热敏性不高、沸点较低的物 则仍以常规真空蒸馏为宜。 料，则仍以常规真空蒸馏为宜。
常温空气为例。 以常温空气为例。 空气为例 空气分子有效直径 d空气=3.11×10-10m， × ， 环境压力与分子平均自由程的关系为： 的关系为 则环境压力与分子平均自由程的关系为：
在低于沸点的温度下如何实现分离呢？ 在低于沸点的温度下如何实现分离呢？
通常，混合液在蒸发过程中会产生两股分子流向： 通常，混合液在蒸发过程中会产生两股分子流向：
三、分子蒸馏装置
分子蒸馏装置可分三类：自由降膜式、旋转刮膜式、 分子蒸馏装置可分三类：自由降膜式、旋转刮膜式、机 械离心式分子蒸馏器。 械离心式分子蒸馏器。
（一）分子蒸馏装置的组成单元
分子蒸馏全套装置由以下系统组成。 分子蒸馏全套装置由以下系统组成。
实验室型短程/分子蒸馏装置 实验室型短程 分子蒸馏装置
1、传统的蒸馏技术：是利用混合物不同组分之间的沸点差 、传统的蒸馏技术：是利用混合物不同组分之间的沸点差 不同组分之间的
来实现分离的。 来实现分离的。
2、分子蒸馏：依靠不同组分分子之间的分子运动平均自由程 、分子蒸馏：依靠不同组分分子之间的分子运动平均自由程
差异来实现分离的。 差异来实现分离的。 来实现分离的
鱼油厂来说 例：对具有一定规模的鱼油厂来说，购置一套分子蒸馏装置的 对具有一定规模的鱼油厂来说， 价格可以与采用常规蒸馏技术一年左右的产品损耗相抵。 价格可以与采用常规蒸馏技术一年左右的产品损耗相抵。
（二）分子蒸馏技术工业化应用的适用性原则
1· 分子蒸馏适用于不同组分间分子量差别较大（＞ ） 分子蒸馏适用于不同组分间分子量差别较大（＞50） 分子量差别较大（＞ 液体混合物系的分离 混合物系的分离。 的液体混合物系的分离。 2· 分子蒸馏也可用于分子量接近但性质差别较大的物 分子蒸馏也可用于分子量接近 性质差别较大 分子量接近但 差别较大的物 质的分离。 对某些沸点相差大而其分子量相差 沸点相差大而其 质的分离。如：对某些沸点相差大而其分子量相差 较小的物系。其分子有效直径不同，分子运动平均 有效直径不同 较小的物系。其分子有效直径不同， 的物系 自由程也就不同。 也就不同 自由程也就不同。 3· 分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、易氧化 (或 分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、 或 易聚合)物质的分离 物质的分离。 易聚合 物质的分离。 4· 分子蒸馏适用于附加值较高或社会效益较大的物质 的分离。 的分离。 5· 分子蒸馏不适用于同分异构体的分离。 分子蒸馏不适用于同分异构体的分离。 不适用于同分异构体的分离
五、 分子蒸馏技术在食品工业上的应用实例 例、分子蒸馏生产单甘酯
140℃、 500Pa 175℃、75Pa 200-210℃、 0.5Pa
、水、汽
思 考 题
1、何谓分子蒸馏？简述分子蒸馏的原理 、何谓分子蒸馏？ 2、实现分子蒸馏需要哪些条件？ 、实现分子蒸馏需要哪些条件？ 3、分子蒸馏装置有哪些类型，试举例说明分子蒸馏 、分子蒸馏装置有哪些类型， 的过程。 的过程。 4、简述分子蒸馏技术的特点 、 5、试述分子蒸馏技术在食品工业化应用中的作用及 、 适用性原则