第四章分子蒸餾分離技術(shù)

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1、第四章分子蒸憾分離技術(shù)moleculardistillationtechnology第一節(jié)概述?分子蒸餡(moleculardistillation)是一種特殊的液“液分離技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)蒸憾依靠沸點(diǎn)差分離原理，而是靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)分離。一、分子蒸餡的歷史?Bronsted和Hevest在1922年世界上最早的實(shí)驗(yàn)用分子蒸檐裝置。?1930年代，世界上有代表性的關(guān)于分子蒸憾技術(shù)的研究小組有三個(gè)，負(fù)責(zé)人分別為Burch、Waterman和Hickman。?1935年，Hickman領(lǐng)導(dǎo)的小組設(shè)計(jì)出了世界上第一

2、臺(tái)南心衣分子蒸檜器。?1943年，Qnackenbush和Steenbock對(duì)刮膜式分子蒸憾器進(jìn)行了研究。?從20世紀(jì)60年代至今的40多年來(lái)：二、分子蒸館技術(shù)與傳統(tǒng)精館的區(qū)另I」①分子蒸餡的蒸發(fā)面與冷凝面距離很小。②普通減壓精館是蒸發(fā)與冷凝的可逆過程。分子蒸餡過程是不可逆的。③分子蒸憎的分離能力不但與各組分間的相對(duì)揮發(fā)度有關(guān)，而且與各組分的分子量有關(guān)。④分子蒸餡是液膜表面的自由蒸發(fā)過程，沒有鼓泡、沸騰現(xiàn)象。第二節(jié)分子蒸餡的原理、分子蒸憾分離的基本過程腳在液層上分子從蒸發(fā)面向冷凝面飛射輕分子在冷凝面上冷凝子分二m二3分of組■亍二

3、H/3AAY—-nrf二、分子蒸餡基本理論(一)幾個(gè)基本概念1■理論分子蒸發(fā)速率Langmuir研究了高真空下純物質(zhì)的蒸發(fā)現(xiàn)象，他從分子動(dòng)力學(xué)出發(fā)，推導(dǎo)出純物質(zhì)理論分子蒸發(fā)速率只是表面溫度和分子種類的函數(shù)。G=P?J2栗gTG—蒸發(fā)速度，g/(m2?s)；P。一溫度Ts時(shí)的飽和蒸氣壓，Pa；M—分子摩爾質(zhì)量,kg/mol；人一蒸發(fā)液面的絕對(duì)溫度，K2■分離因數(shù)①分子蒸憎可以用來(lái)分離揮發(fā)度相近但分子量不同的混合物索。②分子蒸餡由于處于非平衡狀態(tài)下操作及其設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得分離效率遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸Mr輕分子相對(duì)分子質(zhì)量；/她一重分子

4、相對(duì)分子質(zhì)量；POa—輕分子飽和蒸汽壓，Pa；P°B—重分子飽和蒸汽壓，Pa；a。一相對(duì)揮發(fā)度（二）分子運(yùn)動(dòng)平均自由程?依靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的。?1?分子碰撞?2.分子有效直徑?3.分子運(yùn)動(dòng)自由程?4.分子運(yùn)動(dòng)平均自由程Zm=Vm/f1?分子碰撞?分子與分子之間存在著相互作用力。?當(dāng)兩分子離得較遠(yuǎn)時(shí)，分子之間的作用力表現(xiàn)為吸引力，但當(dāng)兩分子接近到一定程度后，分子之間的作用力會(huì)改變?yōu)榕懦饬?并隨其接近到一定程度，排斥力迅速增加。?當(dāng)兩分子接近到一定程度，排斥力的作用使兩分子分開，這種由接近而至排斥分離的過

5、程就是分子的碰撞過程。2■分子有效直徑?分子在碰撞過程中，兩個(gè)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。3■分子運(yùn)動(dòng)自由程?一個(gè)分子相鄰兩次分子碰撞之間所走的路程，稱為分子運(yùn)動(dòng)自由程。4?分子運(yùn)動(dòng)平均自由程?分子運(yùn)動(dòng)平均自由程：某一種分子在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值.Am=kT/(21/2Trd2p)d—分子的有效直徑，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)壓力、溫度及分子有效直徑是影響分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的三個(gè)主要因素。＞當(dāng)壓力一定時(shí)，特定物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程隨空間溫度增加而增大當(dāng)溫

6、度一定時(shí)，平均自由程入與空間壓力P成反比，真空度越高（空間壓力越?。┤朐酱螅肿又g碰撞幾率越小。俵4?1）＞即使物系空間的壓力和溫度相同，對(duì)于不同的物質(zhì)由于分子有效直徑不同，其分子平均自由程也存在差異。表4?1平均自由程和真空度對(duì)照表真空度/mmHg平均自由程/mm8XIO373X103251X103500.3X1032500.1X1033000分子蒸館的基本原理?從公式可以看到，混合液中的不同組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)面的間距小于輕分子的平均自由程，而大于

7、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。（三）分子蒸憾需具備的條件1?蒸發(fā)面與冷凝面之間應(yīng)保證較高的溫度差2?蒸發(fā)面與冷凝面應(yīng)保持較短的距離3?分子蒸餡分離系統(tǒng)中應(yīng)保持較高的真空度4.蒸發(fā)面上的液體膜應(yīng)盡可能的薄5?分子蒸餡裝置應(yīng)有必要的設(shè)備系統(tǒng)1■蒸發(fā)面與冷凝面之間應(yīng)保證較高的溫度差?冷凝器表面的溫度應(yīng)低于蒸發(fā)表面溫度50^100°Co防止冷凝器表面分子的再次蒸發(fā)。實(shí)際中還應(yīng)盡可能地增大溫度差為好2■蒸發(fā)面與冷凝面應(yīng)保持較短的距離?保持在輕質(zhì)分子平均自由程和重質(zhì)分子平均自由程之間。一般蒸發(fā)

8、面與冷凝面的距離范圍為20~30mm為佳。3■分子蒸憾分離系統(tǒng)中應(yīng)保持較高的真空度?壓力必須低，在0.1?40Pa左右。確保分子之間不會(huì)發(fā)生碰撞。4■蒸發(fā)面上的液體膜應(yīng)盡可能的薄?可能地?cái)U(kuò)大蒸發(fā)表面和不斷地更新蒸發(fā)表面，以提咼傳質(zhì)速率。?實(shí)際中，一