分子蒸餾原理與裝置

關(guān)于分子蒸餾原理與裝置第1頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)(MOLECULARDISTILLATIONTECHNOLOG)簡介與應(yīng)用原理設(shè)備裝置第2頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)利用沸點差進(jìn)行分離真空間歇蒸餾-旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)液面小、液體高度大、液膜厚、物料停留時間長、真空度低(殘余空氣壓力5Pa以上)價格低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)高度成熟降膜蒸餾-降膜蒸餾器(降膜蒸發(fā)器)液膜較厚、不均勻、可能有局部過熱、蒸氣流阻力大技術(shù)成熟強(qiáng)制成膜蒸餾-刮膜蒸餾器(刮面蒸發(fā)器)、離心蒸餾器低沸點組分的分子運動路徑長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜液膜薄且均勻第3頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用分子蒸餾是一種液-液分離技術(shù)依靠不同物質(zhì)分子運動平均自由程的差別實現(xiàn)分離。適用于高沸點、熱敏性及易氧化物系的分離。具有蒸餾溫度低于物料的沸點、蒸餾壓強(qiáng)低、受熱時間短、分離程度高。能使液體在遠(yuǎn)低于其沸點的溫度下將其分離。第4頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展1922年Br?nsted和Hevesy設(shè)計了第一套可以應(yīng)用的實驗用分子蒸餾裝置進(jìn)行汞同位素分離。Burch制成盤式實驗用分子蒸餾裝置，用汞擴(kuò)散泵達(dá)到0.13Pa的絕對壓力，蒸餾出較高分子量、極低蒸氣壓的液體。1930年代，Burch、Waterman、Hickman分別發(fā)展了分子蒸餾技術(shù)，Hickman小組設(shè)計了離心式分子蒸餾裝置。第5頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域熱敏性化合物的熱分離生物提取液中有效成分的分離有機(jī)合成物質(zhì)的提純工業(yè)廢料的回收利用食品工業(yè)中毒害物質(zhì)的去除有機(jī)化合物的脫色、除異味化合物中殘留溶劑的高精度去除第6頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)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術(shù)揮發(fā)油苯基馬來酰亞胺柏木油菠蘿酮苯甲酸C12～C15醇酯C：長鏈二元酸(C9-C18)粗石蠟除草劑柴胡揮發(fā)油茶樹油蒼術(shù)油川芎提取物蠶蛹油D：單甘酯(單硬脂酸甘油酯單月桂酸甘油脂等)(牛油及豬油等)脫膽固醇大蒜油丁三醇當(dāng)歸提取物2-丁基辛醇獨活提取物豆甾醇獨活提取物多糖酯多不飽和脂肪酸對苯二甲酸二乙酯脫除多氯聯(lián)苯E：二十八烷醇(米糠蠟、蜂蠟、蔗蠟)

二聚酸二十碳五烯酸(EPA)二十二碳六烯酸(DHA)二十二烷內(nèi)酯二異氰酸酯三聚體第7頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)品F：廢油再生番茄紅素輔酶Q蜂蠟呋喃脂酚醛樹脂防風(fēng)提取物氟油(全氟烴、氟氯碳油、全氟聚醚)G：高碳醇固化劑(脫除TDI、MDI、HDI等)共軛亞油酸果糖酯硅油(聚硅氧烷或聚硅醚)谷甾醇谷維素桂皮油香茅油香根油橄欖油廣藿香油(廣藿香醇、廣藿香酮)癸二酸二辛酯光穩(wěn)定劑H：花生四烯酸(ARA)胡椒基丁醚β-胡蘿卜素及類胡蘿卜素(棕櫚油柑橘油甜橙油桔皮油螺旋藻等)海狗油(雙酚A及F型)環(huán)氧樹脂花椒籽油紅花籽油互葉白千層油第8頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)品J：聚甘油酯聚酯聚醚聚烯烴聚乙二醇(酯)聚氨酯聚戊烯醇聚四氫呋喃姜油樹脂姜辣素姜烯酚焦油角鯊烯結(jié)構(gòu)酯芥酸酰胺堿金屬精煉

甲基庚烯酮

間甲基苯甲酸3-甲基吲哚激素縮體姜樟油鯨醇K：葵花籽油糠蠟礦物油渣脫蠟奎寧衍生物擴(kuò)散泵油天然抗氧化劑L：瀝青脫蠟辣椒油樹脂辣椒紅色素辣椒堿氯菊酯磷酸酯連翹揮發(fā)油鄰苯二甲酸二辛酯M：玫瑰油沒食子酸醛類衍生物毛油脫酸(高酸值米糠油、小麥胚芽油、花椒籽油等)茉莉精油煤焦油酶解脂肪酸第9頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)品N：萘甲醛檸檬醛P：PET再生(聚對苯二甲酸乙二醇酯)葡萄糖衍生物天然蘋果香精帕羅西汀硼酸乙二醇醚Q：茄尼醇(廢次煙葉、馬鈴薯葉)3-羥基丙腈(HPN)R：潤滑油(聚α-烯烴、石蠟氯化合成油、烷基苯合成油、聚異丁烯合成油)

L-乳酸松香酯肉桂醛(肉桂油)山蒼子油S：生物柴油(脂肪酸甲酯或乙酯)

三烯生育酚三氯新(三氯-2羥基二苯醚)三甘醇三十烷醇三聚酸雙甘油酯鼠尾草抗氧劑殺蟲劑食用油脫酸縮水甘油基化合物羧酸二酯(潤滑油)蒜素鯊烯(三十碳六烯酸)十二烷內(nèi)酯雙-β-羥乙基對苯二甲酸酯酸性氯化物生物堿衍生物四唑-1-乙酸三聚甲醛回收(天然及合成)生育酚第10頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)品T：碳?xì)浠衔镙葡N(酯)桃醛

塔爾油(妥爾油)W：(天然及合成)脂溶性維生素(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)烷基酚微晶蠟戊二醛維生素E醋酸酯肟類X：小麥胚芽油新洋茉莉醛香附子烯α-香附酮香芝麻蒿揮發(fā)油香葉醇香紫蘇內(nèi)酯Y：亞麻酸

油酸酰胺

(深海及發(fā)酵)魚油魚肝油燕麥油羊毛脂羊毛醇異氰酸酯預(yù)聚物巖蘭草油月桂二酸氧化樂果(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異構(gòu)體亞麻籽油同位素鈾濃縮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檸檬酸酯腰果油異丙烯二羧酸酯第11頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾技術(shù)簡介與應(yīng)用工業(yè)化應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的產(chǎn)品Z：植物甾醇植物蠟芝麻素真空泵油制動液中碳鏈甘油三酯(MCT)脂肪酸及其衍生物增塑劑增效醚甾醇酯

蔗糖酯紫羅蘭酮酯類油(雙酯、多元醇酯、復(fù)酯)植物油脫臭餾出物紫蘇籽油蔗蠟棕蠟鎮(zhèn)靜劑棕櫚油第12頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理基本原理根據(jù)分子運動理論，液體混合物受熱后分子運動會加劇，當(dāng)接受到足夠能量時，就會從液面逸出成為氣相分子。隨著液面上方氣相分子數(shù)量的增加、相互進(jìn)行隨機(jī)碰撞，有一部分氣相分子就會返回液相。在外界條件保持恒定的情況下，最終會有離開液體的分子數(shù)與返回液體的分子數(shù)相同。即達(dá)到分子運動的動態(tài)平衡，從宏觀上看稱為達(dá)到了平衡。不同種類的分子，其平均自由程不同。液體分子受熱從液面逸出，如進(jìn)入高真空的空間，在小于平均自由程的距離內(nèi)，碰撞概率很小。第13頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理基本原理為達(dá)到使液體混合物分離的目的，首先進(jìn)行加熱，能量足夠的分子逸出液面。輕分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在離液面小于輕分子平均自由程而大于重分子平均自由程處設(shè)置冷凝面，使得輕分子落在冷凝面上被冷凝，從而破壞了輕分子的動態(tài)平衡，使得輕分子繼續(xù)不斷逸出。而重分子因達(dá)不到冷凝面，很快趨于動態(tài)平衡。于是將混合物分離了。由于輕分子只走很短的距離即被冷凝，分子蒸餾亦稱短程蒸餾(Short-PathDistillation)。第14頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理基本原理第15頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理實現(xiàn)分子蒸餾應(yīng)滿足的條件輕、重分子的平均自由程必須要有差異，且差異越大越好；蒸發(fā)面與冷凝面的間距必須小于輕分子的平均自由程、大于重分子的平均自由程。分子蒸餾過程液相分子運動物料分子從液相主體向蒸發(fā)表面擴(kuò)散液相中的擴(kuò)散速度是控制分子蒸餾速度的主要因素蒸發(fā)表面分子運動液體分子從液面逸出物料分子在液層上自由蒸發(fā)速度隨溫度升高而增大分離程度隨溫度升高而降低第16頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子從蒸發(fā)面向冷凝面運動分子在真空中飛射是主運動只要真空度合適,使蒸發(fā)分子的平均自由程大于或等于蒸發(fā)面與冷凝面之間的距離即可。存在布朗運動在飛射過程中可能與殘存的空氣分子碰撞,也可能相互碰撞。分子在冷凝面上冷凝如果液膜很薄，可以認(rèn)為冷凝是瞬間完成的。冷凝面形狀要合理、需極光滑，使凝結(jié)液迅速轉(zhuǎn)移。第17頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理基本概念分子碰撞剛性球彈性碰撞理論實際碰撞與之有差別分子的碰撞機(jī)構(gòu)分子剛性彈性碰撞剛球的彈性碰撞第18頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子有效直徑分子在碰撞過程中，兩分子質(zhì)心的最短距離(即發(fā)生斥離的質(zhì)心距離)稱為分子有效直徑[1]。分子有效直徑是熱運動概念，不是物理學(xué)、化學(xué)的分子直徑。分子有效直徑的數(shù)量級是10-10m(即0.1nm)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(p=1atm、T=273.15K)下，分子平均間距約為3.3×10-9m。300K、1atm時分子有效直徑分子空氣氧氮氫分子量2932282有效直徑(10-10m)3.363.573.12.72第19頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子有效直徑分子直徑(nm)分子<0.38He、Ne、Ar、H2、N2、O2、CO、NH3、H2O～0.38Kr、Xe、CO2、CS2、CH4、C2H2、C2H6、CH3Cl、CH3OH3、CH3CN5、CH3NH2、CH3Br2、、、、、0.41-0.49C3H6、CH3I、B2H6、C2F6、n-C3H8、n-C4H10、n-C14H30、CF2Cl2、C2H5Cl、C2H5OH、CHFCl2、CH2Cl2、C2H5NH2、、CH2Br2、(CH3)2NH、0.5-0.8SF6、i-C4H10、i-C5H12、i-C8H18、n-C7H16、CHCl3、CHBr3、CHCl3、CHI3、CCl4、CBr4、C2F2Cl4、C6H6、B5H9、B10H14、C6H5CH3、C6H11CF3、C6H4(CH3)2、(CH3)3N、(C2H5)3N、C(CH3)3Br、C(CH3)3OH、C(CH3)2CHOH、(CH3)2CHCl、呋喃、吡啶、喹啉、噻吩、二氧已烷0.8-11,3,5-三已基苯第20頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子間力[2]當(dāng)分子距離小于分子有效直徑時，分子間的主要作用力是斥力；當(dāng)分子距離大于分子有效直徑時，分子間的主要作用力是范德瓦爾斯力；當(dāng)分子距離大于10-9m時，分子間力可以忽略不計。第21頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子平均自由程分子碰撞頻率vm-分子平均速度λm-分子平均自由程由熱學(xué)原理：d-分子有效直徑p-壓強(qiáng)(以下稱壓力)k-玻耳茲曼常數(shù)，k=1.380658×10-23T-溫度第22頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理于是平均自由程與分子有效直徑、溫度、壓力有關(guān)。分子有效直徑愈小，分子平均自由程愈大。溫度愈高，分子平均自由程愈大。壓力愈低，分子平均自由程愈大。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)幾種氣體分子的平均自由程分子氫氮氧空氣λm(×10-8m)11.266.56.9第23頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理將上式改寫成可用于設(shè)計時換算如需將空氣分子平均自由程增大至7×10-2m，壓力需降至0.1Pa。第24頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理分子蒸餾的揮發(fā)度M1-輕組分相對分子質(zhì)量M2-重組分相對分子質(zhì)量；

p1-輕組分飽和蒸氣壓，Pa；

p2-重組分飽和蒸氣壓，Pa。第25頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理蒸發(fā)速度具有自由流動膜的“純”分子蒸餾的Langmuir－knudsen方程。G－蒸發(fā)速度[Kg/m2·h]M－分子量p－蒸汽壓[Pa]T－蒸餾溫度[K]上式是假定蒸發(fā)是不受其它分子阻礙情況下導(dǎo)出的，實際蒸發(fā)出來的分子在到達(dá)冷凝表面以前，難免要與殘余氣體的分子碰撞，上式給出的G值是達(dá)不到的。實際中必需乘以一個因子來加以校正，此因子用符號表示。殘余氣體壓力愈低，值愈接近１，現(xiàn)代裝置可達(dá)0.9。第26頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三原理注意由于剛性球彈性碰撞模型與實際有差異至今沒有一個完整的理論能對分子蒸餾進(jìn)行準(zhǔn)確的描述未有可供實際應(yīng)用的數(shù)學(xué)公式由經(jīng)驗從各種規(guī)格蒸發(fā)器模型中獲得的蒸餾條件，可以安全可靠地近似推廣到實驗室用、生產(chǎn)線上用的分子蒸餾裝置中。第27頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置分類簡單蒸餾型靜止式降膜式刮膜式離心式精密蒸餾型第28頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置靜止式分子蒸餾裝置一個靜止不動的水平蒸發(fā)表面，按其形狀，有釜式、盤式等。出現(xiàn)早、結(jié)構(gòu)簡單。目前已不采用。第29頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置降膜式分子蒸餾裝置流體靠重力在蒸發(fā)壁面流動時形成一層薄膜。液膜流動一般為層流，傳質(zhì)、傳熱阻力大。液膜厚度不均勻。第30頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置離心式分子蒸餾裝置物料送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中央，在旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)展形成薄膜，同時加熱蒸發(fā)，在對面的冷凝面凝縮。目前較為理想的分子蒸餾裝置，但要求有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤,又需要較高的真空密封技術(shù)。第31頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置刮膜式分子蒸餾裝置組成蒸發(fā)冷凝裝置驅(qū)動裝置進(jìn)出料裝置真空裝置冷熱源控制系統(tǒng)第32頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置蒸發(fā)冷凝裝置蒸發(fā)裝置向物料提供加熱能源蒸發(fā)表面。冷凝裝置主要是供物料凝結(jié)器的冷卻裝置。蒸發(fā)表面與冷凝表面之間的距離必須介于輕重分子平均自由程之間，才能完成分子蒸餾的全過程。驅(qū)動裝置用以驅(qū)動物料的分布和成膜刮板作旋轉(zhuǎn)運動主要設(shè)備是電動機(jī)、減速機(jī)、支架以及密封構(gòu)、中軸承、底軸承等蒸發(fā)冷凝裝置和驅(qū)動裝置構(gòu)成主機(jī)第33頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置進(jìn)出料裝置由物料輸入裝置和物料輸出裝置組成；用以完成統(tǒng)的連續(xù)進(jìn)料與排料功能；主要設(shè)備通常包括儲罐、計泵和輸送泵等。控制系統(tǒng)通常是全系統(tǒng)參數(shù)的自動控制或計算機(jī)控制；對系統(tǒng)中以上三部分的技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)全自動控制；以達(dá)到最的分離效率、分離精度和最低的能耗為目的。第34頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置冷熱源熱源可以是多種類型,主要設(shè)備有蒸氣加熱、電加熱、導(dǎo)熱油加熱及微波加熱等。冷源通常是冷卻水、冷卻循環(huán)器、干冰等。真空裝置必須根據(jù)物料的特點進(jìn)行選擇。一般情況下用油擴(kuò)散真空泵、旋片式真空泵、隔膜真空泵。需要冷阱。第35頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置單位蒸發(fā)量如不凝性氣體被完全抽走，那么在0.1～10Pa之間的工作壓力下，分子蒸餾器能獲得300kg/m2·h的生產(chǎn)能力。工作壓力0.1～10Pa工作壓力指殘余空氣的壓力，不是被蒸餾空間的壓力。因蒸餾物質(zhì)的蒸汽壓是根據(jù)液面溫度而定的，它完全可能比殘余壓力大很多，有可能高至133Pa膜厚膜厚由實驗確定，介于0.05～0.5mm影響因素表面載荷(取決于蒸發(fā)器的長度)物料粘度刮片元件施加于膜上的力第36頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置分子蒸餾的適用適用不同物質(zhì)分子量差別較大的液體混合物系的分離。同系物的分離，分子量必須要有一定差別。分子量接近但性質(zhì)差別較大的物質(zhì)分離，如分子量接近、沸點差較大的物系。高沸點、熱敏性、易氧化（或易聚合）物質(zhì)的分離。價高的物質(zhì)不適用同分異構(gòu)體的分離價廉的物質(zhì)第37頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置分子蒸餾裝置產(chǎn)品VTA產(chǎn)品第38頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分子蒸餾裝置VTA產(chǎn)品第39頁，講稿共48頁，2023年5月2