分子蒸餾技術(shù)的原理和應(yīng)用

1、分子蒸餾技術(shù)的原理和應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)簡介     分子蒸餾是一項(xiàng)較新的尚未廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的分離技術(shù)，能解決大量常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的題目。分子蒸餾是一種特殊的液液分離技術(shù)，能在極高真空下操縱，它依據(jù)分子運(yùn)動均勻自由程的差別，能使液體在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)的溫度下將其分離，特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物系的分離。由于其具有蒸餾溫度低于物料的沸點(diǎn)、蒸餾壓強(qiáng)低、受熱時(shí)間短、分離程度高等特點(diǎn)，因而能大大降低高沸點(diǎn)物料的分離本錢，極好地保護(hù)了熱敏性物質(zhì)的特點(diǎn)品質(zhì)，該項(xiàng)技術(shù)用于純自然保健品的提取，可擺脫化學(xué)處理方法的束縛，真正保持了純自然的特性，使保健產(chǎn)品的質(zhì)量邁上一個(gè)新臺階。&#

2、160;       分子蒸餾技術(shù)，作為一種對高沸點(diǎn)、熱敏性物料進(jìn)行有效的分離手段，自本世紀(jì)三十年代出現(xiàn)以來，得到了世界各國的重視。到本世紀(jì)六十年代，為適應(yīng)濃縮魚肝油中維生素的需要，分子蒸餾技術(shù)得到了規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)應(yīng)用。在日、美、英、德、蘇相繼設(shè)計(jì)制造了多套分子蒸餾裝置，用于濃縮維生素，但當(dāng)時(shí)由于各種原因，應(yīng)用面太窄，發(fā)展速度很慢。但是，在過往地三十多年中，人們一直在不斷地重視著這項(xiàng)新的液液分離技術(shù)的發(fā)展，對分離裝置精益求精、完善，對應(yīng)用領(lǐng)域不斷探索、擴(kuò)展，因而一直有新的專利和新的應(yīng)用出現(xiàn)。特別是從八十年代末以來，隨著人們對自然物質(zhì)的青睞，回回自然潮流的興起，分子蒸

3、餾技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。對分子蒸餾的設(shè)備，各國研制的形式多種多樣。發(fā)展至今，大部分已被淘汰，目前應(yīng)用較廣的為離心薄膜式和轉(zhuǎn)子刮膜式。這兩種形式的分離裝置，也一直在精益求精和完善，特別是針對不同的產(chǎn)品，其裝置結(jié)構(gòu)與配套設(shè)備要有不同的特點(diǎn)，因此，就分子蒸餾裝置本身來說，其開發(fā)研究的內(nèi)容尚十分豐富。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，國外已在數(shù)種產(chǎn)品中進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。特別是近幾年來在自然物質(zhì)的提取方面應(yīng)用較為突出，如：從魚油中提取EPA與DHA、從植物油中提取自然維生素E等。另外，在精細(xì)化工中間體方面的提取和分離，品種也越來越多。我國對分子蒸餾技術(shù)的研究起步較晚，八十年代末期，國內(nèi)引進(jìn)了幾套分子蒸餾生產(chǎn)線，用于硬脂酸單

4、甘酯的生產(chǎn)。國內(nèi)的科研職員也曾經(jīng)作過一些研究，但未見產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道。分子蒸餾成套產(chǎn)業(yè)化裝置具有設(shè)計(jì)新奇、結(jié)構(gòu)獨(dú)特、工藝先進(jìn)，可明顯進(jìn)步分離效率。從小試到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)又到小試的反復(fù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)探索中，特別解決了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中輕易出現(xiàn)的突出題目。如有效地解決了物料返混題目，明顯地進(jìn)步了產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了有補(bǔ)償功能的消息密封方式；實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)裝置高真空下的長期穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)技術(shù)屬國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)。截止目前為止已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品有二十余種，如：硬脂酸單甘酯、丙二醇酯、玫瑰油、小麥胚芽油、米糠油、谷維素等。并已確定了應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)的有關(guān)工藝條件，為進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。分子蒸餾的原理和裝置的結(jié)構(gòu)決定其

5、有如下特點(diǎn)： 、分子蒸餾的操縱溫度遠(yuǎn)低于物料的沸點(diǎn)：由分子蒸餾原理可知，混合物的分離是由于不同種類的分子溢出液面后的均勻自由程不同的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的，并不需要沸騰，所以分子蒸餾是在遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行操縱的，這一點(diǎn)與常規(guī)蒸餾有本質(zhì)的區(qū)別。、蒸餾壓強(qiáng)低：由于分子蒸餾裝置獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部壓強(qiáng)極小，可以獲得很高的真空，因此分子蒸餾是在很低的壓強(qiáng)下進(jìn)行操縱，一般為×10-1Pa數(shù)目級（×10-3為托數(shù)目級）。、受熱時(shí)間短：由分子蒸餾原理可知，受加熱的液面與冷凝面間的間隔要求小于輕分子的均勻自由程，而由液面溢出的輕分子，幾乎未經(jīng)碰撞就到達(dá)冷凝面，所以受熱時(shí)間很短。另外，混合液體呈

6、薄膜狀，使液面與加熱面的面積幾乎相等，這樣物料在蒸餾過程中受熱時(shí)間就變得更短。對真空蒸餾而言，受熱時(shí)間為一小時(shí)，而分子蒸餾僅為十幾秒。、分子蒸餾比常規(guī)蒸餾分離程度更高，能分離常規(guī)蒸餾不易分開的物質(zhì)：分子蒸餾的相對揮發(fā)度 = (P1/P2)(M2/M1)?br /> 式中：M1輕組份分子量M2重組份分子量而常規(guī)蒸餾的相對揮發(fā)度P1/P2。在P1/P2相同的情況下，重組份分子量M2比輕組份分子量M1大，所以>。這就表明同種混合液分子蒸餾較常規(guī)蒸餾更易分解。分子蒸餾的特點(diǎn)決定了它在實(shí)際應(yīng)用中較傳統(tǒng)技術(shù)有明顯的上風(fēng)：、由于分子蒸餾真空度高，操縱溫度低和受熱時(shí)間短，對于高沸點(diǎn)和熱敏性及易氧化

7、物料的分離，有常規(guī)方法不可相比的特點(diǎn)，能極好地保證物料的自然品質(zhì)?？杀粡V泛應(yīng)用于自然物質(zhì)的提取中。、分子蒸餾不僅能有效地往除液體中的低分子物質(zhì)，如：有機(jī)溶劑、臭味等，而且可以有選擇地蒸出目的產(chǎn)物，往除其它雜質(zhì)，因此被視為自然品質(zhì)的保護(hù)者和回回者。、分子蒸餾能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分離方法無法實(shí)現(xiàn)的物理過程，因此，在一些高價(jià)值物料的分離上被廣泛用作脫臭、脫色及提純的手段。分子蒸餾技術(shù)簡介 分子蒸餾的原理逐一分子蒸餾是一種特殊的液-液分離技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點(diǎn)差分離原理，而是靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動均勻自由程的不同實(shí)現(xiàn)分離。這里，分子運(yùn)動自由程（用表示）是指一個(gè)分子相鄰兩次碰撞之間所走的路程。逐一當(dāng)液體混合物

8、沿加熱板活動并被加熱，輕、重分子會逸出液面而進(jìn)進(jìn)氣相，由于其中輕、重分子的自由程不同，因此，不同物質(zhì)的氣相分子移動間隔不同，若能恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置一塊冷凝板，則輕分子達(dá)到冷凝板被冷凝并排出，而重分子達(dá)不到冷凝板沿混合液排出。這樣，達(dá)到物質(zhì)分離的目的。          分子蒸餾技術(shù)的特點(diǎn)分子蒸餾技術(shù)作為一種與國際同步的高新分離技術(shù)，具有其它分離技術(shù)無法相比的優(yōu)點(diǎn)：    1、 操縱溫度低（遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)）、真空度高（空載1Pa）、受熱時(shí)間短（以秒計(jì)）、分離效率高等，特別適宜于高沸點(diǎn)、熱敏性、易氧化

9、物質(zhì)的分離；    2、 可有效地脫除低分子物質(zhì)（脫臭）、重分子物質(zhì)（脫色）及脫除混合物中雜質(zhì)；    3、 其分離過程為物理分離過程，可很好地保護(hù)被分離物質(zhì)不被污染，特別是可保持自然提取物的原來品質(zhì)；    4 、分離程度高，高于傳統(tǒng)蒸餾。       分子蒸餾技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用范圍化學(xué)產(chǎn)業(yè)：    高碳醇、碳?xì)浠衔铩⒔嫠狨０?、油酸酰胺、塔爾油、硅油、潤滑油、真空泵油、制動液、瀝青脫蠟、粗石蠟、微晶蠟、焦油、廢油回收等。食品產(chǎn)業(yè)：   精制魚油、魚肝油、脂

10、肪酸及其衍生物、二聚酸、生養(yǎng)酚、單甘酯、脂肪酸酯、牛油及豬油脫膽固醇、小麥胚芽油、乳酸、雙甘油酯、辣椒油樹脂、植物蠟等。醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)：   酸性氯化物、氨基酸酯、葡萄糖衍生物、茄尼醇、萜烯烴、自然及合成維生素等。 化妝品產(chǎn)業(yè)：    羊毛脂、羊毛醇、烷基多苷、玫瑰油、姜油、辣椒紅色素等。 塑料及涂料產(chǎn)業(yè)：   異氰酸酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、增塑劑等。農(nóng)業(yè)：氯菊酯、增效醚、氧化樂果、除草劑、殺蟲劑等。 分子蒸餾技術(shù)的基本原理（一）分子運(yùn)動均勻自由程：   任一分子在運(yùn)動過程中都在不斷變化自由程。在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的均勻

11、值為均勻自由程。 設(shè)Vm某一分子的均勻速度f 碰撞頻率m 均勻自由程則m VmffVmmd睵由熱力學(xué)原理可知，f(2)絍mKT其中：d分子有效直徑P分子所處空間的壓強(qiáng)T分子所處環(huán)境的溫度K波爾茲曼常數(shù)KT則：m (2)濺小睵（二）分子運(yùn)動均勻自由程的分布規(guī)律：分子運(yùn)動自由程的分布規(guī)律為正態(tài)分布，其概率公式為：F = 1 - e-m其中： F自由程度m的概率m分子運(yùn)動的均勻自由程分子運(yùn)動自由程由公式可以得出，對于一群相同狀態(tài)下的運(yùn)動分子，其自由程即是或大于均勻自由程m的概率為：1 - F = e-m = e-1 = 36.8%（三）分子蒸餾的基本原理：由分子均勻自由程的公式可以看出，不同種類的分

12、子，由于其分子有效直徑不同，其均勻自由程也不同，換句話說，不同種類的分子溢出液面后不與其它分子碰撞的飛行間隔是不同的。分子蒸餾技術(shù)正是利用不同種類分子溢出液面后均勻自由程不同的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。輕分子的均勻自由程大，重分子的均勻自由程小，若在離液面小于輕分子的均勻自由程而大于重分子均勻自由程處設(shè)置一冷凝面，使得輕分子落在冷凝面上被冷凝，而重分子因達(dá)不到冷凝面而返回原來液面，這樣混合物就分離了。（三）分子蒸餾技術(shù)中的相關(guān)模型：對于很多物料而言，至今還沒有可供實(shí)際應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型來正確地描述分子蒸餾中的變量參數(shù)，實(shí)際的應(yīng)用仍靠經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。但由經(jīng)驗(yàn)從各種規(guī)格蒸發(fā)器中獲得的蒸發(fā)條件，可以安全地推廣到生產(chǎn)裝置的

13、設(shè)計(jì)中。相關(guān)的模型有： 、膜形成對于降膜、無機(jī)械運(yùn)動的垂直壁上的膜厚，Nasselt公式為：m（3v2Re/g）1/3其中：m名義膜厚米v物料動力粘度米2秒-1g重力加速度米秒-2Re雷諾數(shù)，無因次Re>400時(shí)，該方程成立。這里：Rev表面載荷米3秒-1米-1對于機(jī)械式刮膜來看，上述公式并不適用，一般由實(shí)驗(yàn)確定，其膜厚大致為0.05-0.5mm之間。但從上述公式可以看出機(jī)械式刮膜中膜厚的影響參數(shù)主要有表面載荷、物料粘度和刮片元件作用于膜上的力。 、熱分解Hickman 和 Embree 對分解幾率給出以下公式：Z = p t式中：Z分解幾率p工作壓力（與工作溫度T成正比）t停留時(shí)間秒其

14、中停留時(shí)間取決于加熱面長度、物料粘度、表面載荷和物料的流量，通過分解幾率可以看出物料的熱損傷。下表為相同物料在不同蒸餾過程中的熱損傷比較一覽表。從中可以看到物料在分子蒸餾中的分解幾率和停留時(shí)間比其他類型的蒸餾器低了幾個(gè)數(shù)目級。因此，用分子蒸餾可以保證物料少受破壞，從而保證了物料的品質(zhì)。系統(tǒng)類型      停留時(shí)間秒      工作壓力毫托      分解幾率Z = p t      穩(wěn)定性指數(shù)Z1=lg z間歇蒸餾柱 

15、60;   4000      760×103      3×109      9.48間歇蒸餾      3000      20×103      6×107      7.78旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器      3000

16、0;     2×103      6×106      6.78真空循環(huán)蒸發(fā)器      100      20×103      2×106      6.30薄膜蒸發(fā)器      25      2

17、15;103      5×104      4.70分子蒸發(fā)器      10      1      10      1.00、蒸發(fā)速度關(guān)于蒸發(fā)速度的計(jì)算，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)公式近適用于理論上分子蒸餾的模型研究，而實(shí)際的應(yīng)用要由實(shí)驗(yàn)確定。推廣的Lang Muir-Knudsen方程為：G = kp(M/T)健街校?br /> G蒸發(fā)速度Kg/m2

18、hM分子量p蒸汽壓mbarT蒸餾溫度kk常數(shù)分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用 （一）應(yīng)用范圍分子蒸餾可廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，特別適用于高沸點(diǎn)和熱敏性及易氧化物料的分離。目前可應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品在數(shù)百種以上。今后，隨著現(xiàn)代人們崇尚自然、回回自然的潮流興起，分子蒸餾技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品必將有更廣闊的時(shí)常遠(yuǎn)景?，F(xiàn)就其應(yīng)用領(lǐng)域先容如下：石油化工方面：碳?xì)浠衔锏姆蛛x、原油的渣油及其類似物質(zhì)的分離、表面活性劑的提純及化工中間體的精制等，如高碳醇及烷基多酣、乙烯基吡咯烷酮等的純化、羊毛酸酯、羊毛醇酯等的制取等。塑料產(chǎn)業(yè)方面：增塑劑的提純、高分子物質(zhì)的脫臭、樹脂類物質(zhì)的精制等。食品產(chǎn)業(yè)方面：分離混合油脂，可獲

19、純度達(dá)90%以上的單甘油脂，如硬脂酸單甘酯、月桂酸單甘酯、丙二醇脂等；提取脂肪酸及其衍生物、生產(chǎn)二聚脂肪酸等；從動植物中提取自然產(chǎn)物如魚油、米糠油、小麥胚芽油等。醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)方面：提取合成及自然維生素、；制取氨基酸及葡萄糖衍生物等。香料產(chǎn)業(yè)方面：處理自然精油，脫臭、脫色、進(jìn)步純度，使自然香料的品位大大進(jìn)步。如桂皮油、玫瑰油、香根油、香茅油、山蒼子油等。（二）應(yīng)用舉例下面列舉一些典型的分子蒸餾生產(chǎn)工藝：    、低沸點(diǎn)、熱敏性物料的分離       如香料類物質(zhì)，該類物質(zhì)揮發(fā)性強(qiáng)，熱敏性高，其共同的工藝要求是脫臭、脫色及純化，一般可采用三級

20、分子蒸餾，第一級脫氣處理，第二級脫臭或純化，第三級脫色或純化。如：產(chǎn)品玫瑰油第一級（脫氣）第二級產(chǎn)品蒸余物第三級渣通過上述處理，可解決香味不好、顏色深及蠟含量高等題目，使產(chǎn)品的附加值大大進(jìn)步。       、高沸點(diǎn)、熱敏性物料的分離       該類物質(zhì)分離的關(guān)鍵是溫度和受熱時(shí)間的控制。若溫度和受熱時(shí)間控制得不好，不但影響分離效果，而且還會使物質(zhì)歧化宿合。如：付產(chǎn)品魚油乙酯第一級(脫腥)第二級(提純)主產(chǎn)品蒸余物第三級(脫色)渣通過上述處理，所得產(chǎn)品不僅氣味、顏色優(yōu)良，而且有效成分的含量進(jìn)步，保護(hù)了自然的結(jié)構(gòu)。 &

21、#160;     、主產(chǎn)品是不揮發(fā)物，餾出物是少量低沸點(diǎn)組份       該類物質(zhì)如辣椒紅色素脫溶，魚油甘三酯脫酸等。采用二級分子蒸餾即可完成。如：辣椒紅色素脫溶溶劑辣椒紅色素第一級(脫溶)溶劑蒸余物第二級(脫溶)合格產(chǎn)品辣椒紅色素中含有1%-2%的溶劑，經(jīng)分子蒸餾，產(chǎn)品中溶劑殘留量<20ppm，達(dá)到質(zhì)量要求。       、常溫下呈固態(tài)或粘性很大的物質(zhì)的分離       該類物質(zhì)如硬脂酸單甘酯、丙二醇脂等。以硬脂酸單甘酯的生產(chǎn)為例，原料

22、經(jīng)過酯化后一般含有 40%左右的單甘酯，其它成分有雙甘酯、三甘酯、甘油以及硬脂酸等物質(zhì)，若不對單甘酯進(jìn)行精制，則其乳化效果不好，價(jià)值也不高，而經(jīng)過三級分子蒸餾精制，可以獲得90%以上純度的單甘酯，從而進(jìn)步其使用效果及附加值。甘油（返回利用）甘油游離脂肪酸原料第一級（返回利用）單甘酯(脫氣)蒸余物第二級蒸余物第三級（返回利用）二、三酯       、產(chǎn)品與其催化劑的分離       該類物料的特點(diǎn)是產(chǎn)品與催化劑都易分解，而最好能回收利用價(jià)格高昂的催化劑。如在催化劑鈷磷化合物催化下用烯烴羰基合成制高級脂肪酸醇的工藝中，

23、催化劑和產(chǎn)品醇要分開。可采用二級分子蒸餾完成。溶劑混合物第一級(脫氣)第二級蒸余物（催化劑、返回利用）通過上述處理，不僅得到了高質(zhì)量的產(chǎn)品醇，而且極大地減少了催化劑的分解。 分子蒸餾裝置的性能規(guī)格   回納起來，分子蒸餾裝置主要有以下特點(diǎn)：、采用了能適應(yīng)不同粘度物料的布料結(jié)構(gòu)，使液體分布均勻，有效地避免了返混，明顯地進(jìn)步了產(chǎn)品質(zhì)量。、獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了離心力強(qiáng)化成膜裝置，有效地減少了濃膜厚度，降低了液膜的傳質(zhì)阻力，從而大幅度地進(jìn)步了分離效率及生產(chǎn)能力，并節(jié)省了能耗。、成功地解決了液體的飛濺題目，省往了傳統(tǒng)的液體擋板，減少了分子運(yùn)動的行程，進(jìn)步了裝置的分離效率。、設(shè)計(jì)了獨(dú)特、新奇的動、靜密封結(jié)構(gòu)，解決了高溫、高真空下密封變形的補(bǔ)償題目，保證了設(shè)備高真空下能長期穩(wěn)定運(yùn)行的性能。、開發(fā)了能適應(yīng)多種不同物料溫度要求的加熱方式，進(jìn)步了設(shè)備的調(diào)節(jié)性能及適應(yīng)能力。、徹底地解決了裝置運(yùn)轉(zhuǎn)下的級間物料輸送及輸進(jìn)輸出的真空泄漏題目，保證了裝置的連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)。、優(yōu)化了真空獲得方式，進(jìn)步了設(shè)備的操縱彈性，避免了因壓力波動對設(shè)備正常操縱性能的干擾。、設(shè)備運(yùn)行可靠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。、適應(yīng)多種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，可進(jìn)行多品