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分子蒸餾技術及其應用的研究進展

閱讀:311          發布時間:2022-10-18

分子蒸餾(m olecular isillation是一種在高真空下進行的特殊蒸餾技術。該技術自20世紀30年代問世以來得到人們的廣泛重視。20世紀60年代,此項技術已成功地應用于從濃縮魚肝油提煉維生素的工業化中。雖然近年來一些國家如美國、 德國、日本、瑞典、波蘭以及前蘇聯等相繼利用分子蒸餾技術解決了許多分離領域中的難題:但分子蒸餾是一項國內外正在工業化開發應用的高新技術尚未實現大規模的工業化。我國對分子蒸餾技術的應用研究起步較晚。偶見60年代的少量報道到80年代末期,國內引進了幾套分子蒸餾生產線用于硬脂酸單甘酯等的生產.目前該項技術在我國工業化推廣應用處于起步階段。但由于該項技術的先進性和*性以及廣闊的應用前景,極大地激發了國內科研人員的興趣。一些科研單位和大專院校如:廣州漢維有限公司、北京化工大學、華南理工大學化學工程研究所等對此都做了大量的實驗研究工作和分子蒸餾設備的研制和改進,并且有些成果陸續進行了工業化生產取得了良好的經濟效益和社會效益。
分子蒸餾的基本原理1.1分子 運動平均自由程[1]
分子在運動過程中,它的自由程不斷發生變化在某時間間隔內自由程的平均值為平均自由程。設vm為任-分子的平均速度f為分子間的碰撞頻率,)m為平均自由程則)m=vm/f;由熱力學原理可知f=2vm πd2kT,所以)m=kT/2rd2p(1其中d為分子的有效直徑,p為分子所處空間的壓強,T為分子所處環境的溫度k為波爾茲曼常數。
1.2分子運動自由程的分布規律[2]
分子運動自由程的分布規律可表示為F=1 -e-Nhm(2.式中F為自由程不大于λ的概率λm
為平均自由程入為分子運動自由程.由公式可以得出,對于一群相同狀態下的運動分子其自由程不小于平均自由程)m的概率為1-F= e-m/m=e- 1=0368。
13分子蒸餾的基本原理[3]
由分子運動自由程的公式可以看出,不同種類的分子,由于其分子有效直徑不同. .其自由程也不相同,即不同種類的分子逸出液面后不與其他分子碰撞的~飛行距離是不相同的。分子蒸餾技術正是利用不同種類分子逸出液面(蒸發液面后的平均自由程不同的性質實現的。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的平均自由程而大于重分子平均自由程處設置一冷凝 面,使得輕分子落在冷凝面上被冷凝,而重分子因達不到冷凝面而返回原來液面.這樣混合物就得到了分離。
1.4影響分子運動平均自由程 的因素溫度、壓力及分子的有效直徑是影響分子運動平均自由程的主要因素物質確定以后,分子的有效直徑一-定.當溫度升高,分子運動加劇分子運動自由程增加:當溫度恒定時,壓力降低單位體積的分子數減少:分子碰撞的頻率降低分子運動的平均自由程增加。
1.5分子蒸餾的蒸餾速度和相對揮發度[4]
1.5.1 分子蒸餾速度
分子蒸餾速度是由物質分子從蒸發液面揮發速度決定.同氣液平衡無關。Greeberg從這個角度出發推導出物質分子蒸餾速度方程,即:N=p*12πT MR g1/2
(3其中N為摩爾蒸發
速度(md/cm2. s,P 為組分的蒸汽壓(g/cm2.M為分子量,T為絕對溫度(K,R g為氣體常數(gcm/g° mol: K。對于雙組分體系則Ni=cicT.aipi12rRg T Mi1/2
(4.其中ci為摩爾濃度,cT為總的摩爾濃度ci為蒸發系數,這組函數關系比較適合描述離心式蒸餾:對于降膜式分子蒸餾,由于液膜比較厚考慮擴散對蒸餾速度的影響。
1.5.2相對揮發度
分子蒸餾表示組分分離難易程度用相對揮發度表示。在分子蒸餾過程中理論相對揮發度用以下方程式表示:a1=p1op2oM2M1(5,其中p1o為組分1的飽和蒸汽壓:p2o為組分2的飽和蒸汽壓,M1為組分1的分子量,M2為組分2的分子量。在實際過程中,對于雙組分體系。真空相對揮發度為:a2=Y(1-X X(1-Y
(6.其中Y為在氣相中的摩爾分率,X為在液相中的摩爾分率。
2分子蒸餾裝置[5]
分子蒸餾技術的核心為分子蒸餾裝置。各國研制出了多種多樣分子蒸餾裝置,但根據形成蒸發液膜的不同設計和結構差異,大致可分為3大類(1降膜式分子蒸餾器(lling fim evapo2
raor(2刮膜式分子蒸餾器(iped-fIm evap02
tator(3離心式分子蒸餾器(entifigal evapora2
tor。
2.1降膜式分子蒸餾器
該裝置是采取重力使蒸發面上的物料變為液膜降下的方式。將物料加熱蒸發物就可在相對方向的冷凝面.上凝縮。降膜式裝置為早期形式結構簡單在蒸發面上形成的液膜較厚效率差.現在各國很少采用。2.2刮 膜式分子蒸餾裝置該裝置是采取重力使蒸發面_上的物料變為液膜降下的方式,但為了使蒸發面上的液膜厚度小且分布均勻,在蒸餾器中設置了-硬碳或聚四
氟乙烯制的轉動刮板。該刮板不但可以使下流液層得到充分攪樣,還可以加快蒸發面液層的更新.從而強化了物料的傳熱和傳質過程。其優點是液腹厚度小,并且沿蒸發表面流動,披蒸餾物料在操作溫度下停留時間短,熱分解的危險性較小蒸餾過程可以連續進行生產能力大。缺點是液體分配裝置難以完善,很難保證所有的綦發表面都被液膜均勻覆蓋,液體流動時常發生翻濠現象所產生的霧沫也常展到冷凝面上。但由于該裝置結構相對簡單,價格相對低廉,現在的實驗室及工業生產中,大部分都采,用該裝置。
2.3離心式分子蒸餾裝置
將物料送到高速旋轉的轉盤中央,并在旋轉面擴展形成薄膜同時加熱蒸發,使之與對面的冷凝面凝縮該裝置是目前較為理想的分子蒸餾裝置。但與其它兩種裝置相比要求有高速旋轉的轉盤,又需要較高的真空密封技術。離心式分子蒸餾器與刮膜式分子蒸餾器相比具有以下優點:由于轉盤高速旋轉??傻玫綐O薄的液膜且液膜分布更均勻,蒸發速率和分離效率更好;物料在蒸發面上的受熱時間更短降低了熱敏物質熱分解的危險:物料的處理量更大更適合工業上的連續生產。
3分子蒸餾技術的特點[4.6]
3.1分子蒸餾的操作溫度
由分子蒸餾的原理可知,混合物的分離是基于不同種類的分子平均自由程的不同來實現分離的,并不需要沸騰所以分子蒸餾是在遠低于沸點的溫度下進行操作的,屬于非平衡級蒸餾。這是分子蒸餾與常規蒸餾的本質區別。
3.2蒸餾壓強低
由于分子的平均自由程與壓強成反比以及分子蒸餾裝置的結構形式,其內部壓降很小,可以獲得很高的真空度通常分子蒸餾在很低的壓強下進行操作。--般為1- -10Pa。
3.3蒸餾液膜薄.傳熱效率高
在降膜式分子蒸餾裝置中,液膜的厚度可用以下方程計算:8m=33vRe(7,其中v為運動粘度g為重力常數,Re為雷諾數。對于刮膜式分子蒸餾和離心式分子蒸餾,液膜的厚度同操作條件有關,通常降膜式分子蒸餾的厚度為0.1-3mm .刮膜式分子蒸餾是0.1- -0.25mm ,而離心式分子蒸餾液膜厚度在5x10-2mm數量級。
3.4物料 停留時間短
由分子蒸餾原理可知受加熱的液面與加冷凝面之間的距離要小于輕分子的平均自由程,而由液面逸出的輕分子幾乎未經碰撞就達到冷凝面物料停留時間短。因此,蒸餾物料受熱時間短,減少了物料熱分解的機會。但在實際操作中蒸餾物料的停留時間同分子蒸餾柱的長度、刮板轉速或離心轉速、物料的粘度等相關。通常物料在分子蒸餾柱的停留時間在15s左右。
3.5分離程度更高在分子蒸餾過程中理論相對揮發度為:a1=p1op2oM 2M1式中M1為輕組分分子量;M2為重組分的分子量。而常規蒸餾時的相對揮發度為:a=p1op2o .在p1o p2。相同的情況。重組分的分子量比輕組分的分子量大,所以比值大于1。這表明同合液分子蒸餾較常規蒸餾更易分離。
3.6分 子蒸餾設備價格昂貴
分子蒸餾裝置保證體系壓力達到的高真空度.對材料密封要求較高.且蒸發面和冷凝面之間的距離要適中,設備加工難度大,造價高。
4分子蒸 餾技術的優勢[3]
從分子蒸餾技術以上的特點可知,它在實際工業化的應用中比常規蒸餾技術具有以下明顯的優勢:(1對于高沸點、熱敏及易氧化物料的分離,分子蒸餾提供了佳分離方法。因為分子蒸餾在遠低于物料沸點的溫度下操作而且物料停留時間短:(2分子蒸餾可極有效地脫除液體中的物質如有機溶劑、臭味等,這對于采用溶劑萃取后液體的脫溶是有效的方法:(3分子蒸餾可有選擇地基出目的產物,去除其它雜質通過多級分高可同時分離2種以上的物質(4分子基餾的分館過程是物理過程,因而可很好地保護被分離物質不受污染和侵害。
5分子蒸餾技術的應用新進展
由于分子蒸餾技術與常規蒸技術相比具有明顯的優勢隨著工業化的發展,分子基餾技術廣泛應用于精細化工、石油化工、日用化工、食品工業、醫藥工業、塑料工業等方面,適用與高沸點和熱敏性及易氧化物料的分離。目前可應用分子基儒技術生產的產品在數百種以上。今后隨著人們崇尚天然回歸自然浦流的興起,分子蒸餾技術生產的產品必將有更闊的市場。
5.1生產低游離rDI (甲苯二異氰酸酯雙組分聚氦酯涂料固化劑[7]
一般在制備雙組分聚氨酯涂料的固化劑中都含有過量的TDI。TMP(三經甲基丙烷TDI固化劑中游高TDI是一種有毒化學品,對人體的大危害是它能與人體中的蛋白質反應。使蛋白質變性。同時,它的蒸汽壓較高,較容易揮發。其蒸汽有強烈的刺激吸入后刺激呼吸系統引起干咳、喉痛。長期吸入微量TDI將引起頭痛、支氣管炎和哮嘴,嚴重的會導致死亡?,F行生產工藝制得的固化劑產品中游離的IDI含量較高,- -般在290~6%之間。采用常規蒸餾技術分高游高TDI的效果很差,而且固化劑在蒸餾塔中很容易固化。但采用分子蒸餾技術-般經三級蒸餾游離T DI的含量達到國家標準G B18581-2001。
5.2羊毛脂的提取[8]
羊毛脂及其衍生物廣泛應用于化妝品工業。羊毛脂的成分復雜,主要含脂、游離醇、游高酸和烴,這些組分相對分子量大、沸點高且具有熱教性。分子蒸儡技術將各組分進行分離對不同成分進行化學和物理方法的改性可得聚氧乙烯羊毛脂、乙酰羊毛脂、羊毛醇脂、羊毛酸脂等性能優良的高檔化妝品添加劑。
5.3類胡蘿卜素的提取[9]
類胡蘿卜素廣泛分布在自然中,西紅柿、杏子、蛋黃和胡蘿卜等都含有類胡蘿卜素。通常棕櫚油中含有濃度范圍從500ppm到3000ppm的高濃度天然的類胡蘿卜素。棕櫚油中類胡蘿卜素主要為a胡蘿卜素和β胡蘿卜素。兩者占棕櫚油中總類胡蘿卜素的80%。它們在體內可以轉化成維生素。在常規精制過程中制取輕色油時,棕櫚油中的大部分類胡蘿卜素都被破壞造成天然類胡蘿卜素潛在資源的損失?,F在已發展了從棕櫚油中回收類胡蘿卜素的各種方法:主要有:皂化提取吸附和轉酯基的分子蒸餾法等。但是只有轉酯基的分子蒸餾過程已經發展成商業規模生產。采用分子蒸餾技術回收類胡蘿卜素。所得蒸餾物含有超過3000ppm的類胡蘿卜素。
5.4茉莉精 油的提取[10]
通過分子蒸餾得到的茉莉精油其主要香氣成分苯甲酸順式-3-己烯酯由原來的13.84%提高到23.64%,精油品質高,香氣濃郁、新鮮、純正其特征香尤為突出,是一種適用于高級香水和食品中的加香劑。
55二十八碳醇的精制[11 12]
存在于小麥胚芽.米胚芽的微量二十八(碳醇,對人體及動物具有很強的生理活代謝,是被公認的抗疲勞物質,同打還具有防治心血管疾病、骨質疏松癥、恢復受損的肝臟細胞等功效,呈現出良好的發展前景已經逐步應到食品、醫藥、飼料、日比的野程擺用行于型棚技術進行植制可以有效她通免者劑錢留而且工藝過程閥單,操作安全可靠.自動化程度高,生產效率高。
5.6川芎揮發性成分的提取分離[13]
川芎味辛溫,具有活血行’氣祛風止商的功效。采用分子蒸餾技術對川營的越重明與川莒的超臨界草職物相比,經過分子蒸餾處理后,川芎揮發油的化學溶劑殘留成分明顯減少。揮發油的主要成分2.3-丁二醇、a-蒎烯等含量也相應提高,分別從0.11%、0.03%提高到0.76%、0.16%5.7高粘 度潤滑油的制造[8]
硅氧烷類化合物是很好的潤滑油常用于光盤的制造中可提高光盤的光滑性以及光盤在不同濕度和高溫下的穩定性.延長了光盤的使用壽命。由于硅氧烷類化合物屬熱敏性物質且沸點均在200以上,常規蒸餾的分離方法容易使其變性而通過分子蒸餾不但可對潤滑油進行有效的脫色,而且可以大大提高生產效率。
5.8石油 工業中渣油的處理[14.15]
原油真空精餾后的殘余物約占進料總量的25%左右.通常采用溶劑萃取法對殘余物進行處理。但是溶劑萃取法存在以下缺點:很難用溶劑萃取出全部的潤滑油和石蠟,且會萃取出高分子的物質影響產品的質量:在溶劑萃取后的殘余餾分中,瀝青和瀝青烯會形成膠體沉淀下來;溶劑的回收能耗很大。利用分子蒸餾技術處理渣油有以下優點:可以切割出更多的餾分;餾分間的切割更清晰,提高了產品質量;處理量提高好幾倍;餾出物與殘余物間的碳氫比顯著增加;分離出的潤滑油不含金屬元素:無需加入添加劑即可直接應用。
6結語
由于分子蒸餾技術能在較低的溫度和壓力下、在較短的時間內對具有高附加值的熱敏物質進行分離和提純其在精細化工、石油化工、醫藥工業、日用化工、食品工業等方面具有廣闊的應用前景。但由于該項技術是新近興起的高新技術尚未進行大規模的工業化。因此還需要加大對分子蒸餾技術的基礎研究。
6.1 分子蒸餾的基本原理方面
雖然分子自由程理論能夠較好地解釋分子蒸餾的基本過程,但LurajLutisan[1]等用分子蒸餾過程中的典型工藝條件(p=1Pa,d=9x10-10 m,T=400K帶入(1式計算出的分子平均自由程大約為1mm。但在實際的操作過程中當蒸發面同冷凝面之間的距離為50mm時,他們發現蒸餾速度與理論值相比,沒有明顯下降。
62分子蒸餾過程的數學模型方面
由于影響分子蒸溜過程的因素較多,,如蒸餾器的形式、蒸發面和冷凝面上液膜的流動狀態、分子蒸餾器內情性氣體的含量、進料溫度[8]、進料流速等,因此建立的數學模澀通布極力為復雜而且不同的研究者由于簡化方法的不同建立起的模型往往也不相同。
為了進一步推動分子蒸儒技術的發展和在工業上規?;瘧闷惹行枰獙Ψ肿淤惐_^程進行基礎理論研究對分子秦僧過程進行模擬建立相應的數學模盟為工業設計和優化生產提供理論依據。

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