关于分子蒸馏技术

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【摘要】主要对分子蒸馏技术的原理、过程及其特点和分类做了简单介绍，并概括性的介绍了其在工业方面的一些应用。

【关键词】分子蒸馏 短程蒸馏

【中图分类号】TE624.2 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0141-02

分子蒸馏又叫短程蒸馏,它依据不同物质分子运动平均自由程的差别,在高真空(压强一般小于5Pa)下实现物质的分离,待分离物质组分可在远低于常压沸点的温度下挥发,各组分的受热过程很短,成为目前分离目的产物最温和的蒸馏方法,特别适合高沸点、粘度大、热敏性的天然物料的分离。目前,已成功应用于很多行业。

1 分子蒸馏的基本原理

常规蒸馏是在气液相平衡的基础上,在蒸馏物质的沸点温度下,根据蒸馏物质在气液相组成上的差异进行分离的。分子蒸馏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[1]。根据分子的平均自由程公式:λm=Vm/f(λm代表分子的平均自由程,Vm代表某一分子的平均速度,f代表碰撞频率)可知,不同的分子由于其运动速度和有效分子直径的不同,它们的平均自由程是不相同的,轻组分分子的平均自由程大,重组分分子的平均自由程小。分子蒸馏装置首先对混合物进行加热,能量足够的分子就会逸出液面,轻组分的平均自由程大,重组分的平均自由程小,若在离液面小于轻组分的平均自由程而大于重组分的平均自由程处设置一个捕集器,使得轻组分不断被捕集,进而使轻组分不断逸出,重组分到达不了捕集器很快趋于动态平衡,不再从混合液逸出,这样液体混合物便达到了分离目的。

2 分子蒸馏的基本过程

(1)物料在加热表面上形成液膜:通过重力或机械力在蒸发面形成快速移动、厚度均匀的薄膜;

(2)分子在液膜表面自由蒸发:分子在高真空和远低于常压沸点的温度下蒸发;

(3)分子从加热面向冷凝面的运动:在蒸馏器内保持足够高的真空条件下,使蒸发分子的平均自由程大于或等于加热面和冷凝面之间的距离,则分子向冷凝面的运动和蒸发过程就可以迅速进行;

(4)分子在冷凝面的捕获:保持加热面和冷凝面之间达到足够的温差,冷凝面的形状合理且光滑,

(5)馏出物和残留物的收集:馏出物在冷凝器底部收集,残留物在加热器底部收集,没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物,由于重力或离心力的作用,滑落到加热器底部或转盘外缘[2]。轻组分就会在冷凝面上瞬间冷凝;

3 分子蒸馏器的种类

分子蒸馏器大体上可以分为以下三类:

3.1 降膜式分子蒸馏器

它是较早出现的一种结构简单的分子蒸馏设备。工作时,料液由进料管进入,经分布器分布后在重力作用下沿蒸发表面形成液膜,在几秒钟内被加热。轻组分由液态表面逸出并飞向冷凝面,冷凝成液体后由轻组分出口流出,残余的液体由重组分出口流出。缺点是蒸发面上的物料易受流量和黏度的影响而难以形成均匀的液膜,且液体在下降过程中易产生沟流,甚至会发生翻滚现象,所产生的雾沫夹带有时会溅到冷凝面上;此外,依靠重力向下流动的液膜一般处于层流状态,传质和传热效率均不高,这两种效应都会导致蒸馏效率的下降。

3.2 刮膜式分子蒸馏器

它是目前应用最广泛的一类分子蒸馏设备,是对降膜式分子蒸馏器的有效改进,最大区别在于刮膜器的引入。利用刮膜器,可将料液在蒸发面上刮成厚度均匀的涡流液膜,大大增强了传质和传热效率,并能有效控制液膜厚度(0.25mm～0.76mm)、均匀性以及物料的停留时间,使蒸馏效率明显提高,热分解的可能性显著降低。

3.3 离心式分子蒸馏器

它是目前较为理想的一种分子蒸馏设备。料液由进料口送至高速旋转的转盘上,在离心力作用下逐渐扩散成均匀的薄膜。具有以下优点:由于转盘的高速旋转,可形成非常薄(0.04mm～0.08mm)且均匀的液膜,蒸发速率和分离效率均较高;料液在转盘上的停留时间更短,可有效避免物料的热分解;转盘与冷凝面之间的距离可调,适用于不同物系的分离。但由于其特殊的转盘结构,对密封技术提出了更高的要求,且结构复杂,设备成本较高,比较适合于大规模的工业生产或高附加值产品的分离[3]。

另外,大规模工业化的发展迫切要求自动化程度越来越高的分子蒸馏设备。

4 分子蒸馏技术的优点

(1)蒸馏压力低。分子蒸馏由于其特殊的结构,系统内真空度较高,压强只有0.5Pa―1Pa,而常规蒸馏尽管可提高真空度,但由于结构上的制约,特别是板式塔或填料塔,其阻力较分子蒸馏要大得多。因此,分子蒸馏的压力要比常规蒸馏小的多。

(2)操作温度低。分子蒸馏温度远低于待分馏组分的沸点。因此,可以处理高沸点、热敏性物料及难以分离的共沸混合物。

(3)受热时间短。分子蒸馏装置加热液面与冷凝面间的距离小于轻组分的平均自由程,受热液体呈薄膜状,一般为0.5mm 左右,比轻组分移动距离还要小,液面逸出的轻组分几乎未经碰撞就到达冷凝面,所以受热时间很短(一般几秒至几十秒之间)。对物料的影响很小,因此,它特别适合对高沸点、热敏性物料进行有效的分离。

(4)分离效率高。由于轻组分持续不断逸出,重组分达不到冷凝面,很快趋于动态平衡,所以分子蒸馏较常规蒸馏具有更高的挥发度,其分离效率远比常规蒸馏高。

5 分子蒸馏技术的应用

应用分子蒸馏技术, 能够最大限度地减少对环境的污染,最大程度地保护好产品的天然品质,因此,它在精细化工、食品工业、医药工业、分子生物学等领域得到了广泛的应用 (见表1)。

另外,分子蒸馏技术还在从鱼油中提取DHA、EPA,生产单甘酯,提取天然辣椒红素等工业生产中得到很满意的应用效果。

参考文献

[1] 王丽华,丁红军,李尔春等.分子蒸馏技术及其在食品工业中的应用.包装与食品机械,2007,25(2):50-53.

[2] 吴鹏,张东明,张庆波.短程蒸馏原理及工业应用[J].化工进展,2000,19(1):49-52.

[3] 王宝辉,张学佳,纪巍等.分子蒸馏技术研究进展,食品与生物技术学报,2007.5,26(3):121-126.