型分離技術(shù)-分子蒸餾

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1、第6章特種精餾技術(shù)—分子蒸餾浙江大學(xué)材料與化工學(xué)院陳歡林教授chenhl@zju.edu.cn主要內(nèi)容分子蒸餾的特點(diǎn)分子蒸餾及其特點(diǎn)分子蒸餾是基于不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程的差異，在高真空下實(shí)現(xiàn)混合物分離的一種新型分離技術(shù)。與真空蒸餾差異：蒸發(fā)面和冷凝面的間距小于或等于被分離物蒸汽分子的平均自由程，蒸發(fā)面逸出的分子可無(wú)碰撞、無(wú)阻攔地傳遞擴(kuò)散到冷凝面上冷凝，其蒸發(fā)傳質(zhì)速率可高達(dá)20～40g/m2s。由于分子蒸餾過(guò)程中的蒸發(fā)和冷凝面的間距小于其分子平均自由程，因此，有時(shí)也稱為短程蒸餾。分子蒸餾的特點(diǎn)在極高的真空條件下，對(duì)含有多組份的物料，使其在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行連續(xù)液-液分離，尤其適

2、合于高沸點(diǎn)、熱敏性物質(zhì)及易氧化物的高效分離提純。分子蒸餾的特點(diǎn)操作溫度低常規(guī)蒸餾是靠不同物質(zhì)的沸點(diǎn)差進(jìn)行分離的,分子蒸餾基于不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程的差異,在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)下進(jìn)行操作的。常規(guī)的真空蒸餾通常在沸騰狀態(tài)下操作，由于塔板或填料的阻力較大，使操作溫度比分子蒸餾要高得多，如某一混合物的分離，采用真空蒸餾時(shí)其操作溫度為260℃，換用分子蒸餾的操作溫度可能降到160℃左右。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度。同時(shí),由分子運(yùn)動(dòng)自由程公式可知,要想獲得足夠大的平均自由程,可以通過(guò)降低蒸餾壓強(qiáng)來(lái)獲得,一般為1×10-4Pa數(shù)量級(jí)。分子蒸餾的特點(diǎn)受熱

3、時(shí)間短受加熱面與冷凝面的間距小于輕分子的運(yùn)動(dòng)自由程,由液面逸出的輕分子可未經(jīng)碰撞到達(dá)冷凝面；在薄膜狀態(tài)下，真空蒸餾受熱時(shí)間為1h，而分子蒸餾僅用十幾秒，受熱時(shí)間很短。分離程度高相對(duì)于真空蒸餾，分子蒸餾的分離程度更高，因此，分子蒸餾常用來(lái)分離常規(guī)蒸餾不易分開(kāi)的物質(zhì)。幾種產(chǎn)物的分子蒸餾與真空蒸餾比較操作條件/原料名稱亞油酸魚(yú)油乙酯天然育酚(VE)蒸發(fā)溫度(℃)分子蒸餾真空蒸餾140200130～140220160260真空度（Pa）分子蒸餾真空蒸餾1～320～301～320～30＜120～30產(chǎn)物收率(%)分子蒸餾真空蒸餾958090758055產(chǎn)物外觀(純度)分子蒸餾真空蒸餾微黃色液體

4、棕紅色液體淡黃色液體棕紅色液體棕紅色液體棕褐色液體分子蒸餾過(guò)程分子蒸餾過(guò)程熱量通過(guò)加熱面快速傳遞到流動(dòng)的薄層液膜內(nèi)，分子從液相主體向蒸發(fā)表面擴(kuò)散；在高真空、遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)的溫度下，分子從液膜表面自由蒸發(fā)；基于真空抽力，蒸發(fā)分子向冷凝面飛射；分子自由程大于蒸發(fā)面－冷凝面距離的分子在冷凝面上冷凝，小于蒸發(fā)面－冷凝面距離的分子不能到達(dá)冷凝面；沒(méi)有蒸發(fā)的重組分和返回加熱面上的極少量輕組分由于重力或離心力作用落到加熱器底部。不同分子量組分的分子蒸餾原理單分子平均自由程分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走路程的平均值為平均自由程，這是分子蒸餾器設(shè)計(jì)中的主要參考數(shù)據(jù)。純組分的分子平均自由程為：式中：?是分子平均

5、自由程，cm；?T為溫度T時(shí)液體的粘度；T為蒸發(fā)溫度，k；P為蒸汽壓，mmHg；混合物的分子平均自由程兩種分子同時(shí)存在時(shí)，其分子平均自由程為：式中：d1,d2為分子直徑，cm；p2為蒸氣壓或組分分壓，mmHg;M1,M2為分子質(zhì)量。分子平均自由程的影響因素從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理可推出下式：?m=(k/（2）1/2)(T/d2p)式中：k為波爾茨曼常數(shù)；T為分子所處的環(huán)境溫度；P為分子所處壓力；d為分子有效直徑。可知：分子平均自由程與溫度、壓力及分子有效直徑有關(guān)。壓力對(duì)分子平均自由程的影響p/mmHg1.010-110-210-310-4?m/cm0.00560.0560.565.656

6、真空度在10－3mmHg以下，分子平均自由程可達(dá)5.6cm。蒸發(fā)面－冷凝面的距離確定分析平均自由程計(jì)算式，可以看出較重分子的平均自由程小，而較輕分子的平均自由程大。若在離蒸發(fā)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)置一冷凝面，輕分子可到達(dá)冷凝面，則重分子則不能，這樣就使混合物得以分離。分子蒸發(fā)速率（理想體系）按Langmuir-Knudsen方程，理想的多組分體系，某組分的蒸發(fā)速率為：式中：J為蒸發(fā)速率，g/m2s；p0為組分的飽和蒸汽壓,Pa；T蒸發(fā)溫度，K;M’摩爾質(zhì)量，kg/mol；x為液膜中組分的摩爾分?jǐn)?shù)。分子蒸餾的蒸發(fā)速率由物質(zhì)分子在蒸發(fā)面上的揮發(fā)速度決定，與汽液相

7、平衡無(wú)關(guān)。分子蒸發(fā)速率近似估算式對(duì)非理想物系的Langmuir-Knudsen估算方程：J=15.8×pM/T式中：J為蒸餾速率，kg/m2h;p為蒸氣壓，Pa;T為蒸發(fā)溫度，K；M為相對(duì)分子質(zhì)量。精確計(jì)算時(shí)，需對(duì)實(shí)際操作壓力作適當(dāng)校正。蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度與被蒸餾物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量大小有關(guān)，與分子質(zhì)量呈線性增加關(guān)系。分離因子假設(shè)以相對(duì)揮發(fā)度a表示分離二組分混合物的分離能力。對(duì)于分子蒸餾，由于分離過(guò)程是不可逆的，其分離因子aM，可由蒸發(fā)速度直接求出代入蒸餾過(guò)程的