分子蒸馏原理与装置模板课件

分子蒸馏原理与装置v

分子蒸馏技术(MOLECULARDISTILLATIONTECHNOLOG)简介与应用v

原理v

设备v

装置2分子蒸馏技术简介与应用v

传统蒸馏技术ü

利用沸点差进行分离–

真空间歇蒸馏-旋转蒸发仪Ø

蒸发液面小、液体高度大、液膜厚、物料停留时间长、真空度低(残余空气压力5Pa以上)Ø

价格低、结构简单、技术高度成熟–

降膜蒸馏-降膜蒸馏器(降膜蒸发器)Ø

液膜较厚、不均匀、可能有局部过热、蒸气流阻力大Ø

技术成熟–

强制成膜蒸馏-刮膜蒸馏器(刮面蒸发器)、离心蒸馏器Ø

低沸点组分的分子运动路径长、结构复杂Ø

液膜薄且均匀3分子蒸馏技术简介与应用v

分子蒸馏是一种液-液分离技术–

依靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。–

适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。–

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。–

能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离。4分子蒸馏技术简介与应用v

技术发展–

1922年Brönsted和Hevesy设计了第一套可以应用的实验用分子蒸馏装置进行汞同位素分离。–

Burch制成盘式实验用分子蒸馏装置，用汞扩散泵达到0.13Pa的绝对压力，蒸馏出较高分子量、极低蒸气压的液体。–

1930年代，Burch、Waterman、Hickman分别发展了分子蒸馏技术，Hickman小组设计了离心式分子蒸馏装置。5分子蒸馏技术简介与应用v

应用领域–

热敏性化合物的热分离–

生物提取液中有效成分的分离–

有机合成物质的提纯–

工业废料的回收利用–

食品工业中毒害物质的去除–

有机化合物的脱色、除异味–

化合物中残留溶剂的高精度去除6分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

A：氨基酸酯阿魏酸三萜醇酯–

B：丙烯酸酯丙二醇酯苯乙烯-丙烯腈丙交酯薄荷酯

白术挥发油苯基马来酰亚胺柏木油菠萝酮苯甲酸C12～C15醇酯–

C：长链二元酸(C9-C18)粗石蜡除草剂柴胡挥发油茶树油苍术油川芎提取物蚕蛹油–

D：单甘酯(单硬脂酸甘油酯

单月桂酸甘油脂等)

(牛油及猪油等)脱胆固醇大蒜油丁三醇当归提取物2-丁基辛醇独活提取物豆甾醇独活提取物多糖酯多不饱和脂肪酸对苯二甲酸二乙酯脱除多氯联苯–

E：二十八烷醇(米糠蜡、蜂蜡、蔗蜡)

二聚酸二十碳五烯酸(EPA)二十二碳六烯酸(DHA)二十二烷内酯二异氰酸酯三聚体7分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

F：废油再生番茄红素辅酶Q蜂蜡呋喃脂酚醛树脂防风提取物氟油(全氟烃、氟氯碳油、全氟聚醚)–

G：高碳醇固化剂(脱除TDI、MDI、HDI等)共轭亚油酸果糖酯硅油(聚硅氧烷或聚硅醚)谷甾醇谷维素桂皮油香茅油香根油橄榄油广藿香油(广藿香醇、广藿香酮)癸二酸二辛酯光稳定剂–

H：花生四烯酸(ARA)胡椒基丁醚

β-胡萝卜素及类胡萝卜素(棕榈油

柑橘油

甜橙油

桔皮油

螺旋藻等)海狗油(双酚A及F型)环氧树脂花椒籽油红花籽油互叶白千层油8分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

J：聚甘油酯聚酯聚醚聚烯烃聚乙二醇(酯)聚氨酯聚戊烯醇聚四氢呋喃姜油树脂

姜辣素

姜烯酚焦油角鲨烯

结构酯芥酸酰胺碱金属精炼

甲基庚烯酮鲸醇间甲基苯甲酸3-甲基吲哚激素缩体姜樟油–

K：葵花籽油糠蜡矿物油渣脱蜡奎宁衍生物扩散泵油天然抗氧化剂–

L：沥青脱蜡辣椒油树脂辣椒红色素辣椒碱氯菊酯

磷酸酯

连翘挥发油邻苯二甲酸二辛酯–

M：玫瑰油没食子酸醛类衍生物毛油脱酸(高酸值米糠油、小麦胚芽油、花椒籽油等)茉莉精油煤焦油酶解脂肪酸9分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

N：萘甲醛

柠檬醛–

P：PET再生(聚对苯二甲酸乙二醇酯)葡萄糖衍生物天然苹果香精帕罗西汀硼酸乙二醇醚–

Q：茄尼醇(废次烟叶、马铃薯叶)

3-羟基丙腈(HPN)–

R：润滑油(聚α-烯烃、石蜡氯化合成油、烷基苯合成油、聚异丁烯合成油)

L-乳酸松香酯肉桂醛(肉桂油)

山苍子油–

S：生物柴油(脂肪酸甲酯或乙酯)

三烯生育酚三氯新(三氯-2羟基二苯醚)三甘醇三十烷醇三聚酸双甘油酯鼠尾草抗氧剂

杀虫剂食用油脱酸缩水甘油基化合物羧酸二酯(润滑油)蒜素鲨烯(三十碳六烯酸)

十二烷内酯双-β-羟乙基对苯二甲酸酯酸性氯化物生物碱衍生物四唑-1-乙酸三聚甲醛回收(天然及合成)生育酚10分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

T：碳氢化合物萜烯烃(酯)桃醛

塔尔油(妥尔油)–

W：(天然及合成)脂溶性维生素(A、D、E、K)烷基糖苷(烷基苷

烷基多苷

烷基多糖苷

烷基聚糖苷

烷基葡萄糖苷)

烷基酚微晶蜡戊二醛

维生素E醋酸酯

肟类–

X：小麦胚芽油新洋茉莉醛香附子烯

α-香附酮香芝麻蒿挥发油香叶醇香紫苏内酯–

Y：亚麻酸

油酸酰胺

(深海及发酵)鱼油鱼肝油燕麦油羊毛脂羊毛醇异氰酸酯预聚物岩兰草油月桂二酸氧化乐果(聚)乙二醇酯油酸二乙醇酰胺月桂酸二乙酰胺乙醛酸乙酰氨基苯乙酸乙酯异构体亚麻籽油同位素铀浓缩依托芬那酯乙氧基脂肪醇乙氧脂肪酸液化煤乙烯基吡咯烷酮玉米油乙酰柠檬酸酯

腰果油异丙烯二羧酸酯11分子蒸馏技术简介与应用v

工业化应用分子蒸馏技术的产品–

Z：植物甾醇植物蜡芝麻素真空泵油制动液中碳链甘油三酯(MCT)脂肪酸及其衍生物增塑剂增效醚

甾醇酯

蔗糖酯紫罗兰酮

酯类油(双酯、多元醇酯、复酯)植物油脱臭馏出物紫苏籽油蔗蜡棕蜡镇静剂棕榈油12原理v

基本原理–

根据分子运动理论，液体混合物受热后分子运动会加剧，当接受到足够能量时，就会从液面逸出成为气相分子。–

随着液面上方气相分子数量的增加、相互进行随机碰撞，有一部分气相分子就会返回液相。在外界条件保持恒定的情况下，最终会有离开液体的分子数与返回液体的分子数相同。即达到分子运动的动态平衡，从宏观上看称为达到了平衡。–

不同种类的分子，其平均自由程不同。–

液体分子受热从液面逸出，如进入高真空的空间，在小于平均自由程的距离内，碰撞概率很小。13原理v

基本原理–

为达到使液体混合物分离的目的，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冷凝面，使得轻分子落在冷凝面上被冷凝，从而破坏了轻分子的动态平衡，使得轻分子继续不断逸出。而重分子因达不到冷凝面，很快趋于动态平衡。于是将混合物分离了。–

由于轻分子只走很短的距离即被冷凝，分子蒸馏亦称短程蒸馏(Short-PathDistillation)。14原理v

基本原理15原理v

实现分子蒸馏应满足的条件–

轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；–

蒸发面与冷凝面的间距必须小于轻分子的平均自由程、大于重分子的平均自由程。v

分子蒸馏过程–

液相分子运动Ø

物料分子从液相主体向蒸发表面扩散Ø

液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速度的主要因素–

蒸发表面分子运动Ø

液体分子从液面逸出Ø

物料分子在液层上自由蒸发速度随温度升高而增大Ø

分离程度随温度升高而降低16原理–

分子从蒸发面向冷凝面运动Ø

分子在真空中飞射是主运动ü

只要真空度合适,使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面之间的距离即可。Ø

存在布朗运动ü

在飞射过程中可能与残存的空气分子碰撞,也可能相互碰撞。–

分子在冷凝面上冷凝Ø

如果液膜很薄，可以认为冷凝是瞬间完成的。Ø

冷凝面形状要合理、需极光滑，使凝结液迅速转移。17原理v

基本概念–

分子碰撞Ø

刚性球弹性碰撞理论Ø

实际碰撞与之有差别分子刚性刚球的弹性碰撞分子的碰撞机构弹性碰撞18原理–

分子有效直径Ø

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)称为分子有效直径[1]。ü

分子有效直径是热运动概念，不是物理学、化学的分子直径。ü

分子有效直径的数量级是10-10m(即0.1nm)。ü

标准状态(p=1atm、T=273.15K)下，分子平均间距约为3.3×10-9m。300K、1atm时分子有效直径分子空气氧氮氢分子量2932282有效直径(10-3.36

3.57

3.1

2.7210m)19原理分子有效直径分子直径(nm)分子He、Ne、Ar、H

、N

、O

、CO、NH

、H

O<0.3822232Kr、Xe、CO

、CS

、CH

、C

H

、C

H

、CH

Cl、～0.382242

22

63CH

OH

、CH

CN

、CH

NH

、CH

Br

、、、、、33353232C

H

、CH

I、B

H

、C

F

、n-C

H

、n-C

H

、n-3

632

62

63

84

100.41-0.49

C

H

、CF

Cl

、C

H

Cl、C

H

OH、CHFCl

、14

30222

52

52CH

Cl

、C

H

NH

、、CH

Br

、(CH

)

NH、222

52223

2SF

、i-C

H

、i-C

H

、i-C

H

、n-C

H

、CHCl

、64

105

128

187

163CHBr

、CHCl

、CHI

、CCl

、CBr

、C

F

Cl

、333442

24C

H

、B

H

、B

H

、

C

H

CH

、C

H

CF

、0.5-0.86

65

910

146

536

113C

H

(CH

)

、(CH

)

N、(C

H

)

N、C(CH

)

Br、6

43

23

32

5

33

3C(CH

)

OH、C(CH

)

CHOH、(CH

)

CHCl、呋喃、3

33

23

2吡啶、喹啉、噻吩、二氧已烷20原理Ø

分子间力[2]ü

当分子距离小于分子有效直径时，分子间的主要作用力是斥力；当分子距离大于分子有效直径时，分子间的主要作用力是范德瓦尔斯力；当分子距离大于10-9m时，分子间力可以忽略不计。21原理–

分子平均自由程Ø

分子碰撞频率vm-分子平均速度λm-分子平均自由程Ø

由热学原理：d-分子有效直径p-

压强(以下称压力)k-玻耳兹曼常数，k=1.380658×10-23T-温度22原理Ø

于是ü

平均自由程与分子有效直径、温度、压力有关。ü

分子有效直径愈小，分子平均自由程愈大。ü

温度愈高，分子平均自由程愈大。ü

压力愈低，分子平均自由程愈大。标准状态几种气体分子的平均自由程分子氢氮氧空气λm(×10-8m)11.266.56.923原理Ø

将上式改写成ü

可用于设计时换算Ø

如需将空气分子平均自由程增大至7×10-2m，压力需降至0.1Pa。24原理v

分子蒸馏的挥发度M

-轻组分相对分子质量1M

-重组分相对分子质量；2p1-轻组分饱和蒸气压，Pa；p2-重组分饱和蒸气压，Pa。25原理v

蒸发速度–

具有自由流动膜的“纯”分子蒸馏的Lang

muir－knudsen方程。G－蒸发速度[Kg/m2·h]M－分子量p－蒸汽压[Pa]T－蒸馏温度[K]Ø

上式是假定蒸发是不受其它分子阻碍情况下导出的，实际蒸发出来的分子在到达冷凝表面以前，难免要与残余气体的分子碰撞，上式给出的G值是达不到的。实际中必需乘以一个因子来加以校正，此因子用符号表示。Ø

残余气体压力愈低，值愈接近１，现代装置可达0.9。26原理v

注意–

由于刚性球弹性碰撞模型与实际有差异Ø

至今没有一个完整的理论能对分子蒸馏进行准确的描述–

未有可供实际应用的数学公式Ø

由经验从各种规格蒸发器模型中获得的蒸馏条件，可以安全可靠地近似推广到实验室用、生产线上用的分子蒸馏装置中。27分子蒸馏装置v

分类–

简单蒸馏型Ø

静止式Ø

降膜式Ø

刮膜式Ø

离心式–

精密蒸馏型28分子蒸馏装置v

静止式分子蒸馏装置–

一个静止不动的水平蒸发表面，按其形状，有釜式、盘式等。–

出现早、结构简单。–

目前已不采用。29分子蒸馏装置v

降膜式分子蒸馏装置–

流体靠重力在蒸发壁面流动时形成一层薄膜。–

液膜流动一般为层流，传质、传热阻力大。–

液膜厚度不均匀。30分子蒸馏装置v

离心式分子蒸馏装置–

物料送到高速旋转的转盘中央，在旋转面扩展形成薄膜，同时加热蒸发，在对面的冷凝面凝缩。–

目前较为理想的分子蒸馏装置，但要求有高速旋转的转盘,又需要较高的真空密封技术。31分子蒸馏装置v

刮膜式分子蒸馏装置–

组成Ø

蒸发冷凝装置Ø

驱动装置Ø

进出料装置Ø

真空装置Ø

冷热源Ø

控制系统32分子蒸馏装置–

蒸发冷凝装置Ø

蒸发装置向物料提供加热能源蒸发表面。Ø

冷凝装置主要是供物料凝结器的冷却装置。Ø

蒸发表面与冷凝表面之间的距离必须介于轻重分子平均自由程之间，才能完成分子蒸馏的全过程。–

驱动装置Ø

用以驱动物料的分布和成膜刮板作旋转运动Ø

主要设备是电动机、减速机、支架以及密封构、中轴承、底轴承等Ø

蒸发冷凝装置和驱动装置构成主机33分子蒸馏装置–

进出料装置Ø

由物料输入装置和物料输出装置组成；Ø

用以完成统的连续进料与排料功能；Ø

主要设备通常包括储罐、计泵和输送泵等。–

控制系统Ø

通常是全系统参数的自动控制或计算机控制；Ø

对系统中以上三部分的技术参数实现全自动控制；Ø

以达到最的分离效率、分离精度和最低的能耗为目的。34分子蒸馏装置–

冷热源Ø

热源可以是多种类型,主要设备有蒸气加热、电加热、导热油加热及微波加热等。Ø

冷源通常是冷却水、冷却循环器、干冰等。–

真空装置Ø

必须根据物料的特点进行选择。Ø

一般情况下用油扩散真空泵、旋片式真空泵、隔膜真空泵。Ø

需要冷阱。35分子蒸馏装置–

单位蒸发量Ø

如不凝性气体被完全抽走，那么在0.1～10Pa之间的工作压力下，分子蒸馏器能获得300kg/m

·h的生产能力。–

工作压力Ø

0.1～10Pa2Ø

工作压力指残余空气的压力，不是被蒸馏空间的压力。Ø

因蒸馏物质的蒸汽压是根据液面温度而定的，它完全可能比残余压力大很多，有可能高至133Pa–

膜厚Ø

膜厚由实验确定，介于0.05～0.5mmØ

影响因素ü

表面载荷(取决于蒸发器的长度)ü

物料粘度ü

刮片元件施加于膜上的力36分子蒸馏装置v

分子蒸馏的适用–

适用Ø

不同物质分子量差别较大的液体混合物系的分离。Ø

同系物的分离，分子量必须要有一定差别。Ø

分子量接近但性质差别较大的