第三章(二)分子蒸馏.ppt

第二节 分 子 蒸 馏 技术 主要内容 分子蒸馏的概念和原理 分子蒸馏的设备与流程 分子蒸馏的特征 在天然产物分离领域的应用 国内外发展概况 目前工业化应用存在的问题 展望 ● 分子蒸馏是在高真空下进行的一种特殊的蒸馏技术，在此条件下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，所以又叫短程蒸馏。 ● 分子蒸馏技术不同于一般蒸馏技术。它是运用不同物质分子运动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的操作。 以加热的手段进行液体混合物的分离操作：蒸馏和精馏。 ● 蒸馏和精馏是以液体混合物中各组分的挥发性的差异作为分离依据的。 例如各种芳香成分的提取，液化空气中氮、氧等气体的生产，石油馏分的分离等等。 ● 简单的蒸馏一般只能实现液体混合物的粗分离，并且分离效率远达不到理想的效果。因为在通常的蒸馏过程中，存在着两股分子流的流向： 一是被蒸液体的汽化，由液相流向汽相的蒸气分子流；一是由蒸气回流至液相的分子流。一般来说，这两股分子流的量是不同的，前者大于后者。 分子蒸馏减少了蒸气回流到液相表面的分子流，实现从液相到汽相的单一分子流的流向，能够降低物料组分的热分解，因此有利于此种技术在食品和医药工业上应用。 ◆分子运动自由程 ● 分子碰撞：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，并随其接近程度，排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度，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程。 ● 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。 ● 分子运动自由程 ： 一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程。 ◆低压稀薄气体流动的基本认识 流动状态 当系统压力从大气压被抽成高真空时，气体将依次经历黏性态、过渡态和分子态三种状态。 黏性态：其动量交换主要以全体分子间频繁的相互碰撞为主。 分子态：系统内气体非常稀薄，分子平均自由程与容器相比很大，动量交换主要靠气体分子和器壁的撞击，而几乎没有气体分子之间的碰撞。 过渡态：存在于上述二者之间，又称黏性分子态。 ◆平均自由程 ● 平均自由程是气体分子两次碰撞所经历的平均距离。 分子平均自由程的一般表达式： 对于常温T=298K，d=3.72×10-10m， 则λ＝6.70×10-3/ P。 ◆分子蒸馏的基本原理 ● 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，最终会达到分子运动的动态平衡，从宏观上看，达到了平衡。 ● 根据分子平均自由程公式知，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由程也不同，即不同种类分子，从统计学观点看，其逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不相同的。 ● 分子蒸馏的分离作用就是利用液体分子受热会从液面逸出，而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。 ● 从分子蒸馏的字面含义来说，蒸发器表面到冷凝器表面的距离应该小于在操作压力下分子的平均自由路程。因此，分子蒸馏的基本原理是蒸发和冷凝的表面都在同一个设备单元内，两者之间的距离只有几厘米。但实际上，要使蒸发器表面与冷凝器表面的距离小于分子的平均自由路程，往往是很不经济的。所以通常是采用蒸发器表面与冷凝器表面的距离稍大于分子的平均自由路程，并控制在同一数量级的范围内。一般的操作实际上取前者为后者的10~15倍。 实现单流向的分子蒸馏的先决条件有两个 ● 不凝性气体的分压必须足够小，使得不凝性气体分子的平均自由路程为蒸发器表面与冷凝器表面之间距离的若干倍。也就是说：蒸发面与冷凝面的间距必须小于轻分子的平均自由程。 ●轻、重分子的平均自由程必须有差异，且差异越大越好。 二、分子蒸馏的设备与流程 ● 分子蒸馏技术的核心是分子蒸馏装置。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，重分子的平均自由程小，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捕集器，使得轻分子不断被捕集，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，而重分子因达不到捕集器很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出，这样，液体混合物便达到了分离