分子蒸餾原理

分子蒸餾原理分子蒸餾技術(shù)不同于普通蒸餾技術(shù),它是一種運(yùn)用不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程的差別,對(duì)含有不同物質(zhì)的物料在液-液狀態(tài)下進(jìn)行分離的技術(shù)。它能使液體在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)的溫度下將其所含的不同物質(zhì)分離,鑒于其在高真空下運(yùn)行,且因其特殊的構(gòu)造型式,因而它又含有蒸餾壓強(qiáng)低、受熱時(shí)間短、分離程度高等特點(diǎn),能大大減少高沸點(diǎn)物料的分離成本,極好地保護(hù)熱敏性物質(zhì)的品質(zhì)。從而能解決大量常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)分子蒸餾,各國(guó)研制了多個(gè)構(gòu)造的分子蒸餾體系,重要體現(xiàn)三種類(lèi)型：一是降膜式,二是刮膜式,三是離心式。降膜式裝置為早期形式,構(gòu)造簡(jiǎn)樸,但由于液膜厚,效率差,現(xiàn)在世界各國(guó)極少采用。刮膜式分子蒸餾裝置,形成液膜薄,分離效率高,但較降膜式構(gòu)造復(fù)雜。離心式分子蒸餾裝置離心力成膜,膜薄,蒸發(fā)效率高。但構(gòu)造復(fù)雜,制造及操作難度大。為了提高分離效率,往往需要采用多級(jí)串聯(lián)使用。即離心薄膜式和轉(zhuǎn)子刷膜式,前一種體系的解決量大,合用于工業(yè);實(shí)驗(yàn)室用的多為刮(刷)膜蒸發(fā)器。不管何種形式的分子蒸餾,其原理都是相似的。分子運(yùn)動(dòng)自由程分子碰撞:分子與分子之間存在著互相作用力。當(dāng)兩分子離得較遠(yuǎn)時(shí),分子之間的作用力體現(xiàn)為吸引力,但當(dāng)兩分子靠近到一定程度后,分子之間的作用力會(huì)變化為排斥力,并隨其靠近程度,排斥力快速增加。當(dāng)兩分子靠近到一定程度,排斥力的作用使兩分子分開(kāi),這種由靠近而至排斥分離的過(guò)程就是分子的碰撞過(guò)程。分子有效直徑:分子在碰撞過(guò)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。分子運(yùn)動(dòng)自由程:一種分子相鄰兩次分子碰撞任一分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都在變化自由程，而在一定的外界條件下,不同物質(zhì)的分子其自由程各不相似。就某一種分子來(lái)說(shuō),在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值稱(chēng)為平均自由程。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論,液體混合物的分子受熱后運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇,當(dāng)分子獲得足夠能量時(shí),就會(huì)從液面逸出而成為氣相分子。隨著液面上方氣相分子的增加,有一部分氣體就會(huì)返回液體。在外界條件保持恒定狀況下,最后會(huì)達(dá)成分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡,從宏觀上看,液體系統(tǒng)達(dá)成了平衡。分子蒸餾的基本原理是:(1)分子蒸餾中要考慮的參數(shù)是分子運(yùn)行的平均自由程λｍ,

λｍ=Ｖｍ/ｆ式中:Ｖｍ是分子的平均運(yùn)動(dòng)速度,ｆ是分子碰撞頻率。由熱力學(xué)原理可知,

ｆ=21/2Ｖｍπｄ2ｐ/ＫＴ,則得到λｍ為:λｍ=ＫＴ/21/2πｄ2ｐ式中:ｄ是分子平均直徑,ｐ是分子的環(huán)境壓強(qiáng),Ｔ是分子的環(huán)境溫度,Ｋ是玻爾茲曼常數(shù)。從公式能夠看到,混合液中的不同構(gòu)成分子的有效直徑和分子自由程不同,輕分子的平均自由程大,而重分子的平均自由程小,如果冷凝面與蒸發(fā)面的間距不大于輕分子的平均自由程,而不不大于重分子的平均自由程,這樣輕分子被冷卻收集而重分子又返回到蒸發(fā)面,從而實(shí)現(xiàn)了分離。這就是分子蒸餾的基本原理。從公式中可知,λｍ與溫度成正比,而與壓強(qiáng)及分子直徑成反比,因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮真空度越高越利于蒸發(fā),而溫度不能過(guò)高,以避免熱分解。另一種重要的因素是分子蒸餾運(yùn)用液膜受熱使分子擴(kuò)散而不同于沸騰蒸發(fā),液膜厚度不能太厚,普通在幾十到幾百微米,因此設(shè)計(jì)研制分子蒸餾的技術(shù)核心是真空度和液膜。分子蒸餾技術(shù)的核心是分子蒸餾裝置。液體混合物為達(dá)成分離的目的，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,若在離液面不大于輕分子的平均自由程而不不大于重分子平均自由程處設(shè)立一捕集器,使得輕分子不停被捕集,從而破壞了輕分子的動(dòng)平衡而使混合液中的輕分子不停逸出,而重分子因達(dá)不到捕器很快趨于動(dòng)態(tài)平衡,不再?gòu)幕旌弦褐幸莩?這樣,液體混合物便達(dá)成了分離的目的。分子蒸餾裝置在構(gòu)造設(shè)計(jì)中,必須充足考慮液面內(nèi)的傳質(zhì)效率及加熱面與捕集面的間距面內(nèi)的傳質(zhì)效率及加熱面與捕集面的間距。分子蒸餾技術(shù)的核心是分子蒸餾裝置。液體混合物為達(dá)成分離的目的，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，若在離液面不大于輕分子的平均自由程而不不大于重分子平均自由程處設(shè)立一捕集器，使得輕分子不停被捕集，從而破壞了輕分子的動(dòng)平衡而使混合液中的輕分子不停逸出，而重分子因達(dá)不到捕集器很快趨于動(dòng)態(tài)平衡，不再?gòu)幕旌弦褐幸莩?，這樣，液體混合物便達(dá)成了分離的目的。分子蒸餾裝置在構(gòu)造設(shè)計(jì)中，必須充足考慮液面內(nèi)的傳質(zhì)效率及加熱面與捕集面的間距面內(nèi)的傳質(zhì)效率及加熱面與捕集面的間距分子蒸餾技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用作者：fankui提交日期：-1-1417:39:00液體混合物的分子受熱后運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，當(dāng)分子獲得足夠能量時(shí)，就會(huì)從液面逸出離開(kāi)加熱液面，以自由方式運(yùn)動(dòng)。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，隨著加熱液面外氣相分子的增加，有一部分氣體就會(huì)返回液體。在外界條件保持恒定的狀況下，最后會(huì)達(dá)成分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡，從宏觀上看，液體系統(tǒng)達(dá)成平衡。

在一定溫度下，壓力越低，氣體分子的平均自由程越大。但由于不同分子的分子質(zhì)量不同，造成分子質(zhì)量小的平均自由程大，分子質(zhì)量大的平均自由程小。此時(shí)若在離液面不大于分子質(zhì)量小的平均自由程而不不大于分子質(zhì)量大的平均自由程處設(shè)立一捕獲器，使得分子質(zhì)量小的不停被捕集，從而破壞了分子質(zhì)量小的動(dòng)態(tài)平衡，從而混合液中的分子質(zhì)量小的不停逸出，而分子質(zhì)量大的因達(dá)不到捕集器很快趨于動(dòng)態(tài)平衡，不再?gòu)幕旌弦褐幸莩?，這樣便達(dá)成了混合物的分離目的。

分子蒸餾裝置就是通過(guò)減少蒸發(fā)空間的壓力，使冷凝表面靠近蒸發(fā)表面，當(dāng)其間的垂直距離不大于分子質(zhì)量小的平均自由程而不不大于分子質(zhì)量大的平均自由程時(shí)，從蒸發(fā)表面汽化的分子質(zhì)量小的分子，就能夠不與其它分子碰撞，直接達(dá)成冷凝表面而冷凝。

分子蒸餾的特點(diǎn)：

1、分子蒸餾的操作溫度遠(yuǎn)低于物料的沸點(diǎn)分子蒸餾過(guò)程中，混合物的分離是由于不同種類(lèi)的分子逸出液面的平均自由程不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并不需要沸騰，因此分子蒸餾是在遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行操作的。這點(diǎn)與常規(guī)蒸餾有本質(zhì)的區(qū)別。

2、蒸餾壓強(qiáng)低分子蒸餾能在很低的壓強(qiáng)下進(jìn)行操作。

3、受熱時(shí)間短分子蒸餾規(guī)定受加熱的液面與冷凝面之間的距離不大于或等于輕分子的平均自由程，使由液面逸出的輕分子，幾乎不經(jīng)碰撞就達(dá)成冷凝面，因此受熱時(shí)間很短。

在食品工業(yè)上的應(yīng)用舉例：

1、玫瑰油采用三次分子蒸餾，第一級(jí)脫氣解決，第二級(jí)脫臭或者純化，第三級(jí)脫色或純化。

2、辣椒紅色素經(jīng)兩級(jí)分子蒸餾脫溶劑。

蒸餾：根據(jù)液體混合物中個(gè)組分的揮發(fā)度的差別，通過(guò)加熱的辦法使混合物形成氣、液兩相，個(gè)組分在兩相中濃度不同，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離。

蒸餾分平衡蒸餾（閃蒸）、簡(jiǎn)樸蒸餾、蒸汽蒸餾、恒沸蒸餾與萃取蒸餾等。蒙牛打的兩張牌是閃蒸和運(yùn)奶車(chē)桑拿浴。閃蒸就是在加壓的狀況下對(duì)牛奶加熱，過(guò)熱的牛奶通過(guò)減壓閥進(jìn)入到分離器變成沸騰的狀態(tài)，部分水分快速蒸發(fā)使牛奶得到濃縮。運(yùn)奶車(chē)桑拿浴更簡(jiǎn)樸，每次運(yùn)完奶，都要把車(chē)開(kāi)到桑拿車(chē)間沖洗干凈，就是專(zhuān)門(mén)建了個(gè)車(chē)間用來(lái)洗運(yùn)奶車(chē)以確保牛奶不被微生物污染。

釀酒用的蒸餾辦法即為簡(jiǎn)樸蒸餾，起特點(diǎn)是隨著蒸餾的進(jìn)行，得到的產(chǎn)品濃度越來(lái)越稀。

蒸發(fā)是加熱含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液，使溶劑（普通是水）部分蒸發(fā)，從而溶液得到濃縮的過(guò)程。

多效蒸發(fā)不可能是越多效數(shù)越好，普通是3到5效蒸發(fā)濃縮，最多的普通只有7效。限制效數(shù)的因素是：

1、物料性質(zhì)的限制由于食品物料性質(zhì)，蒸發(fā)的最高溫度和最后溫度都有一定的限制，使蒸發(fā)的總溫差有限。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)各效的傳熱有效溫差不大于5到7度時(shí)，將大大減少傳熱效率，使傳熱面積增大。如考慮牛奶蒸發(fā)過(guò)程的黏度的變化所引發(fā)的多個(gè)問(wèn)題，其最高濃縮溫度為68度，末效奶的濃縮溫度普通是42度，則其總傳熱溫差只是68—42=26度，分派到各效，其溫差與效數(shù)就有限。

2、設(shè)備費(fèi)用增加多效蒸發(fā)雖能夠節(jié)省蒸汽，但設(shè)備龐大，安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)費(fèi)用均增加。以節(jié)能效益計(jì)算設(shè)備投資回收年限時(shí)，7效是3效的3倍時(shí)間。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，蒸發(fā)量大的選擇效數(shù)多的較經(jīng)濟(jì)。

3、溫差損失的增加沸點(diǎn)升高，靜壓效應(yīng)和熱損失引發(fā)的溫差損失幾乎隨效數(shù)而成比例增加。當(dāng)效數(shù)增加到數(shù)值后，其溫差損失總和有可能等于總溫差，這意味著各效傳熱推動(dòng)力的完全消失。分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用來(lái)源：化工時(shí)刊（第21卷第4期）白石林文劉蕓王志祥（中國(guó)藥科大學(xué)制藥工程教研室，江蘇南京）摘要分子蒸餾技術(shù)是一種新型液-液分離技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。對(duì)分子蒸餾技術(shù)的原理、設(shè)備和特點(diǎn)做簡(jiǎn)要介紹，著重介紹了近年來(lái)分子蒸餾技術(shù)在塑料、化妝品、食品和醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。核心詞分子蒸餾原理特點(diǎn)應(yīng)用分子蒸餾又叫短程蒸餾，是一種在高真空（0.1～10Pa）條件下進(jìn)行的液-液分離技術(shù)。該技術(shù)含有操作溫度低、受熱時(shí)間短、分離程度高、系統(tǒng)能耗低等特點(diǎn)；特別合用于分離高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧化的物質(zhì)。近年來(lái)分子蒸餾被廣泛應(yīng)用到食品、化妝品、石油化工和中藥有效成分提取等領(lǐng)域之中。本文參考大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，結(jié)合作者自己在該領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)對(duì)分子蒸餾的應(yīng)用進(jìn)展做出綜述。1分子蒸餾技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)1.1分子蒸餾原理分子蒸餾是根據(jù)液體分子受熱后從液面逸出時(shí)的平均自由程不同而實(shí)現(xiàn)分離的。通過(guò)預(yù)熱解決的待分離料液從進(jìn)料口沿加熱板自上而下流入，受熱的液體分子從加熱板逸出；并向冷凝板運(yùn)動(dòng)。輕分子由于平均自由程較大，能夠達(dá)成冷凝板并不停在冷凝板凝集，最后進(jìn)入輕組分接受罐；重分子因平均自由程較小，不能達(dá)成冷凝板，從而順加熱板流入重組分接受罐中，這樣就實(shí)現(xiàn)了輕重組分的分離。分子蒸餾原理以下圖所示。（圖略）1.2分子蒸餾特點(diǎn)分子蒸餾是在高真空條件下進(jìn)行的液-液分離技術(shù)，在分子蒸餾過(guò)程中物料是在遠(yuǎn)低于本身沸點(diǎn)的溫度下被分離的，因此分子蒸餾含有操作溫度低和操作壓強(qiáng)低的特點(diǎn)；其蒸餾溫度能夠比普通蒸餾低60～100℃以上，而真空度也能夠達(dá)成10-1～10Pa數(shù)量級(jí)。同時(shí)，由于分子蒸餾是基于分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的，蒸發(fā)面和冷凝面的間距普通很短（10-2～10-1m），加熱面液膜很薄，因此物料受熱時(shí)間很短，普通僅為幾s到10幾s。另外由分子蒸餾的相對(duì)揮發(fā)度公式αr=α×2分子蒸餾的應(yīng)用分子蒸餾作為一種溫和、高效、清潔的分離技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的青睞；其研究已經(jīng)滲入到諸如天然產(chǎn)物、塑料、化妝品和油脂工業(yè)等眾多分支中，下列簡(jiǎn)樸介紹近年來(lái)分子蒸餾在這些領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。2.1分子蒸餾在塑料和石油化工中的應(yīng)用2，5-二異氰甲基-1，4-二噻烷是一種用于制造高折光率塑料鏡片的物質(zhì)，通過(guò)2，5-二甲氨基-1，4-二噻烷和光氣的化學(xué)反映制得；SugimotoYoshiaki等采用二級(jí)分子蒸餾裝置對(duì)上述產(chǎn)物進(jìn)行提純，蒸餾溫度均為130℃，產(chǎn)物收率達(dá)成66％，純度高達(dá)99.6％。InadaShuji等將廢棄的聚酯類(lèi)產(chǎn)品（如廢瓶等）中的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）在乙二醇中解聚，并采用分子蒸餾法對(duì)其進(jìn)行提純，去除二乙二醇和低聚物等雜質(zhì)，回收得到的雙-2-羥乙基對(duì)苯二甲酸乙二酯（BHET）是合成聚酯樹(shù)脂的重要中間體，有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。TakatsuHaruyoshi等用有機(jī)溶劑回收廢棄顯示屏板中的液晶并用分子蒸餾和吸附法對(duì)回收物進(jìn)行分離提純，回收得到的液晶各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均與原產(chǎn)品相近。另外SbaiteP．等還將分子蒸餾作為理論研究的手段應(yīng)用于石油工業(yè)中，對(duì)描述減壓蒸餾釜底重油殘壓的真沸點(diǎn)曲線進(jìn)行了擴(kuò)展，并獲得了較高的精度。2.2分子蒸餾在化妝品工業(yè)中的應(yīng)用生產(chǎn)化妝品的原料是含有高附加值的產(chǎn)品，采用分子蒸餾對(duì)其進(jìn)行提純?cè)诮?jīng)濟(jì)上十分可行。白芒花油是深受愛(ài)慕的潤(rùn)膚成分，IsbellTerryA．等應(yīng)用多級(jí)分子蒸餾裝置從白芒花油混和物中提取活性的二聚體成分，得到了高純度、低色度的產(chǎn)品。有關(guān)這方面中試規(guī)模的工藝研究也有報(bào)道，CermarkStevenC．等將分子蒸餾提純白芒花油的工藝研究擴(kuò)大到100L規(guī)模，對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)均進(jìn)行了考察，為工業(yè)大生產(chǎn)提供參考。2.3分子蒸餾在食品工業(yè)中的應(yīng)用（1）甘油酯的生產(chǎn)甘油酯類(lèi)產(chǎn)品重要用做食品乳化劑和飲料添加劑等，分子蒸餾技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，如YamauehiYoshie等采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)共軛脂肪酸聚甘油酯的提純；YamaguchiTakashi等采用酶催化的酯交換反映和分子蒸餾生產(chǎn)高密度甘油三酯；KaplonJacek等對(duì)單甘酯分子蒸餾生產(chǎn)工藝的優(yōu)化研究等。隨著分子蒸餾成本的下降，在甘油酯生產(chǎn)中的應(yīng)用還會(huì)有很大的發(fā)展空間。（2）魚(yú)油多不飽和脂肪酸的提取二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）是重要源于深海魚(yú)油的ω-3型多不飽和脂肪酸，對(duì)人體健康有益，受到全世界人們的普遍青睞，EPA和DHA的提取技術(shù)也是眾多研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。普遍采用的尿素包正當(dāng)有諸多缺點(diǎn)，如：工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)率低、產(chǎn)品過(guò)氧化值高、有害雜質(zhì)多等，難以滿足各方面需求。馮武文等通過(guò)數(shù)年的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化探索，實(shí)現(xiàn)了分子蒸餾技術(shù)提取EPA和DHA的工業(yè)化生產(chǎn)，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，同時(shí)獲得了較大經(jīng)濟(jì)效益。有關(guān)這方面的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，不再贅述。（3）共軛亞油酸的生產(chǎn)共軛亞油酸的生產(chǎn)普通首先從富含亞油酸的植物油中提取高純度的亞油酸，經(jīng)共軛化反映和分離純化得到共軛亞油酸，在分離純化這一步分子蒸餾法優(yōu)勢(shì)明顯。NagaoToshihiro等采用分子蒸餾法提純共軛亞油酸，得到的碳9、11雙鍵產(chǎn)物和碳10、12雙鍵產(chǎn)物的純度分別高達(dá)93.1％和95.3％。另外，王寶剛也對(duì)分子蒸餾濃縮提純共軛亞油酸的工藝進(jìn)行了研究，并介紹了該工藝中設(shè)備的特點(diǎn)。2.4分子蒸餾在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用（1）中草藥有效成分的提取分離中藥當(dāng)代化面臨的瓶頸問(wèn)題之一在于有效成分的分離提純，而中藥有效成分中經(jīng)常含有高沸點(diǎn)、熱敏性、易分解的物質(zhì)，分子蒸餾正適合于對(duì)這類(lèi)物質(zhì)的分離提純。王鵬等人采用超臨界CO2萃取和分子蒸餾聯(lián)用的技術(shù)對(duì)連翹揮發(fā)油進(jìn)行提取和分離。結(jié)論是采用分子蒸餾法能夠在較溫和的條件下將連翹揮發(fā)油重要有效成分萜品醇-4和α-萜品醇進(jìn)行分離，而超臨界CO2萃取和分子蒸餾聯(lián)用的技術(shù)也為中藥有效成分的提取分離提供了一條可行的路線。古維新等運(yùn)用超臨界CO2萃取-分子蒸餾技術(shù)對(duì)獨(dú)活化學(xué)成分進(jìn)行了分離提純的研究。成