分子蒸馏技术
摘要：分子蒸馏又称短程蒸馏，是一种新型的液－液分离技术，与常规蒸馏相比具有许多优点，是近几十年发展起来的一种先进的液液分离技术。本文从基本概念、基本理论（原理）、特点、应用范围和应用实例及研究现状等方面对分子蒸馏技术作一全面综述。
关键词：分子蒸馏技术;特点;设备;应用;展望
蒸馏是实现分离的一种最基本的方法，可实现固体和液体或液体和液体混合物的分离。常规蒸馏的过程中，对较易分离或分离要求不高的物系，可采用简单蒸馏；对温度不敏感、粘度适中较难分离的物系，可采用精馏或特殊精馏；而对于热敏性、高沸点、高粘度物质的分离或浓缩，受热温度和停留时间是影响其热分解(热聚合)的2 个决定性因素；King 研究发物质的热分解程度与受热温度成指数关系，与受热区停留时间成正比。由克劳修斯－克拉伯龙方程得知，物质的沸点随外压的降低而降低；因此，可通过降低蒸馏操作压力以降低物料的操作温度，即所谓的真空蒸馏(减压蒸馏)。但由于蒸馏单元内大量液体产生的静压差以及蒸馏单元与冷凝器间的管道效应等原因，阻碍了蒸馏单元内压力的进一步降低。但是，对于沸点高、热不稳定、粘度高或容易爆炸的物质，并不适宜使用普通减压蒸馏法，于是，一种新的分离技术—分子蒸馏技术也相应产生。
分子蒸馏技术(Molecular Distillation,MD)最早可以追溯到第二次世界大战
以前，伴随真空技术和真空蒸馏技术发展起来的一种液－液分离技术。它属于一种特殊的高真空蒸馏技术，其最著显的特点是蒸馏物料分子由蒸发面到冷凝面的行程不受分子间碰撞阻力的影响，蒸发面与冷凝面之间的距离小于蒸馏物质分子在该条件下的分子运动平均自由程。Hickman 博士是最早的发明人之一，早在1920年，他就利用分子蒸馏设备做过大量的小试实验，并将该方法发展到中试规模。当时的实验装置非常简单：在一块平板上将欲分离物质涂成薄层使其在高真空下蒸发，蒸气在周围的冷表面上凝结。操作时使蒸发面与冷凝面的距离小于气体分子的平均自由程，从而气体分子彼此发生碰撞的几率远小于气体分子在冷凝面上凝结的几率。因此，这种简单的蒸馏方法在美国首先以“分子蒸馏”的概念出现，并沿用至今。20 世纪的30 年代至60 年代，是分子蒸馏技术的研发
时代，至60 年代末，德、日、英、美及前苏联均有多套大型工业化装置投入工业化应用。但由于相关技术的发展还很落后，致使当时分子蒸馏技术及装备在总体上还不够完善。例如，分子蒸馏蒸发器的分离效率还有待提高，密封及真空获得技术还有待改进、应用领域还有待拓展，分离成本还有待降低等。所有这些都是后来的研究者改进的方向。从20 世纪60 年代至今的40 多年来，各国研究者均十分重视这一领域的研究，不断有新的专利和文献出现。同时，也出现了一些专业的技术公司专门从事分子蒸馏器的开发制造，使分子蒸馏技术的工业应用得到了进一步发展。目前，世界各国应用分子蒸馏技术纯化分离的产品达150 余种，特别是对于一些高难度物质的分离方面，该项技术显示了十分理想的效果。我国对分子蒸馏技术的研究开始得比较晚。20 世纪60 年代，樊丽秋首次在国内进行了分子蒸馏相关研究[1]；70 年代末，余国琮、樊丽秋发表了对降膜式分子蒸馏研究的相关论文；80 年代，国内才有分子蒸馏器方面相关专利出现，随后又引进了几套国外的分子蒸馏装置，用于硬脂酸单甘酯的生产。近年来，我国许多高校及科研单位对分子蒸馏技术进行了广泛的研发。特别是90 年代以来，随着人们对天然物质的亲睐以及全球回归自然潮流的兴起，特别是中药现代化、国际化进程的迫近，分子蒸馏技术在高沸点、热敏性天然物质的分离方面得到了迅速的发展。目前，分子蒸馏技术在石油、医药、食品、精细化工和油脂等行业得到了广泛的应用。
1.分子蒸馏基本概念：
1.1分子蒸馏是在高真空度下进行的非平衡蒸馏技术（真空度可达
0．01Pa），是气体扩散为主要形式、利用不同物质分子运动自由程的差异来实现混合物的分离。由于蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分离物料的蒸气分子的平均自由程，所以也称短程蒸馏。
1.2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。
1.3分子运动自由程：指一个分子与其他气体分子相邻两次分子碰撞
之间所走的路程。
1.4分子运动平均自由程：在一定的外界条件下，不同物质中各个分
子的自由程各不相同。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。
2. 分子蒸馏基本原理
分子蒸馏的分离是建立在不同物质挥发度不同的基础上，其操作是在低于物质沸点下进行，当冷凝表面的温度与蒸发物质的表面温度有差别时就能进行分子蒸馏。根据分子运动理论，液体混合物中各个分子受热后会从液面逸出，不同种类的分子，由于其有效直径不同，逸出液面后直线飞行距离是不相同的。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，而重分子则因达不到冷凝面，返回原来液面，这样就将混合物分离了，分子平均自由程是分子蒸馏基本理论的核心，分子蒸馏原理如图1 所示。
2．1．1 分子运动自由程
2．1．1．1 分子碰桂
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，并随其接近距离的减小，排斥力迅速增加。当两分产接近到一定程度时，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，就是分子的碰撞过秤。
2．1．1．2 分于有效支径
分于在碰撞过程中，两分于质心的最短距离的质心距离)称为分子柯效盲径。
2．1．1．3 分于运动自由程
一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程称为分子运动自由程。
2．1．1．4 分子运动平均自由程
任一分子在运动过程中都征不断变化自由程外界条件下，不同物质的分f其自由积各个相同隔内自由程的平均值称为平均自由程。
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] 。
3.分子蒸馏技术的过程及特点
3.1.1 分子蒸馏分离过程
根据分子蒸馏器设计原则，低沸点组分首先获得足够的能量从液膜表面蒸发，径直飞向中间冷凝器并被冷凝成液相，并在重力作用下沿冷凝器
