资源描述
分子蒸馏原理
分子蒸馏技术不同于一般蒸馏技术,它是一种利用不同物质分子运动自由程的差别,对含有不同物质的物料在液-液状态下进行分离的技术。它能使液体在远低于其沸点的温度下将其所含的不同物质分离 , 鉴于其在高真空下运行 ,且因其特殊的结构型式 ,因而它又具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点 ,能大大降低高沸点物料的分离成本 ,极好地保护热敏性物质的品质。从而能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。
为了实现分子蒸馏 ,各国研制了多种结构的分子蒸馏体系 ,主要表现三种类型： 一是降膜式,二是刮膜式,三是离心式。降膜式装置为早期形式,结构简单,但由于液膜厚,效率差,现在世界各国很少采用。刮膜式分子蒸馏装置,形成液膜薄,分离效率高,但较降膜式结构复杂。离心式分子蒸馏装置离心力成膜,膜薄,蒸发效率高。但结构复杂,制造及操作难度大。为了提高分离效率,往往需要采用多级串联使用。即离心薄膜式和转子刷膜式 ,前一种体系的处理量大 ,适用于工业 ;实验室用的多为刮 (刷 )膜蒸发器。不管何种形式的分子蒸馏 ,其原理都是相同的。
分子运动自由程
分子碰撞 : 分子与分子之间存在着相互作用力。当两分子离得较远时 ,分子之间的作用力表现为吸引力 ,但当两分子接近到一定程度后 ,分子之间的作用力会改变为排斥力 ,并随其接近程度 ,排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度 ,排斥力的作用使两分子分开 ,这种由接近而至排斥分离的过程就是分子的碰撞过程。
分子有效直径 :分子在碰撞过程中 ,两分子质心的最短距离 ,即发生斥离的质心距离。
分子运动自由程 :一个分子相邻两次分子碰撞任一分子在运动过程中都在变化自由程，而在一定的外界条件下 ,不同物质的分子其自由程各不相同。就某一种分子来说 ,在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程。
根据分子运动理论 ,液体混合物的分子受热后运动会加剧 ,当分子获得足够能量时 ,就会从液面逸出而成为气相分子。随着液面上方气相分子的增加 ,有一部分气体就会返回液体。在外界条件保持恒定情况下 ,最终会达到分子运动的动态平衡 ,从宏观上看 ,液体系统达到了平衡。
分子蒸馏的基本原理是 :
(1)分子蒸馏中要考虑的参数是分子运行的平均自由程 λｍ ,
λｍ =Ｖｍ/ｆ
式中 :Ｖｍ是分子的平均运动速度 ,ｆ是分子碰撞频率。 由热力学原理可知 ,
ｆ=21/2Ｖｍπｄ2 ｐ/ＫＴ ,则得到λｍ为 : λｍ =ＫＴ/ 21/2πｄ2 ｐ
式中 :ｄ是分子平均直径 ,ｐ是分子的环境压强 ,Ｔ是分子的环境温度 ,Ｋ是玻尔兹曼常数。
从公式可以看到 ,混合液中的不同组成分子的有效直径和分子自由程不同 ,轻分子的平均自由程大 ,而重分子的平均自由程小 ,如果冷凝面与蒸发面的间距小于轻分子的平均自由程 ,而大于重分子的平均自由程 ,这样轻分子被冷却收集而重分子又返回到蒸发面 ,从而实现了分离。这就是分子蒸馏的基本原理。
从公式中可知 ,λｍ与温度成正比 ,而与压强及分子直径成反比 ,所以设计时要考虑真空度越高越利于蒸发 ,而温度不能过高 ,以避免热分解。 另一个重要的因素是分子蒸馏利用液膜受热使分子扩散而不同于沸腾蒸发 ,液膜厚度不能太厚 ,一般在几十到几百微米 ,所以设计研制分子蒸馏的技术关键是真空度和液膜。
分子蒸馏技术的核心是分子蒸馏装置。液体混合物为达到分离的目的，首先进行加热 ,能量足够的分子逸出液面 ,轻分子的平均自由程大 ,重分子的平均自由程小 ,若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一捕集器 ,使得轻分子不断被捕集 ,从而破坏了轻分子的动平衡而使混合液中的轻分子不断逸出 ,而重分子因达不到捕器很快趋于动态平衡 ,不再从混合液中逸出 ,这样 ,液体混合物便达到了分离的目的。分子蒸馏装置在结构设计中 ,必须充分考虑液面内的传质效率及加热面与捕集面的间距面内的传质效率及加热面与捕集面的间距。
分子蒸馏技术的核心是分子蒸馏装置。液体混合物为达到分离的目的，首先进行加热，能量足够的分子逸出液面，轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一捕集器，使得轻分子不断被捕集，从而破坏了轻分子的动平衡而使混合液中的轻分子不断逸出，而重分子因达不到捕集器很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出，这样，液体混合物便达到了分离的目的。分子蒸馏装置在结构设计中，必须充分考虑液面内的传质效率及加热面与捕集面的间距面内的传质效率及加热面与捕集面的间距
分子蒸馏技术的原理、特点及其在食品工业中的应用
作者：fankui 提交日期：2006-1-14 17:39:00
液体混合物的分子受热后运动会加剧，当分子获得足够能量时，就会从液面逸出离开加热液面，以自由方式运动。根据分子运动理论，随着加热液面外气相分子的增加，有一部分气体就会返回液体。在外界条件保持恒定的情况下，最终会达到分子运动的动态平衡，从宏观上看，液体系统达到平衡。
在一定温度下，压力越低，气体分子的平均自由程越大。但由于不同分子的分子质量不同，导致分子质量小的平均自由程大，分子质量大的平均自由程小。此时若在离液面小于分子质量小的平均自由程而大于分子质量大的平均自由程处设置一捕获器，使得分子质量小的不断被捕集，从而破坏了分子质量小的动态平衡，从而混合液中的分子质量小的不断逸出，而分子质量大的因达不到捕集器很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出，这样便达到了混合物的分离目的。
分子蒸馏装置就是通过降低蒸发空间的压力，使冷凝表面靠近蒸发表面，当其间的垂直距离小于分子质量小的平均自由程而大于分子质量大的平均自由程时，从蒸发表面汽化的分子质量小的分子，就可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝表面而冷凝。
分子蒸馏的特点：
1、分子蒸馏的操作温度远低于物料的沸点 分子蒸馏过程中，混合物的分离是由于不同种类的分子逸出液面的平均自由程不同来实现的，并不需要沸腾，所以分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的。这点与常规蒸馏有本质的区别。
2、蒸馏压强低 分子蒸馏能在很低的压强下进行操作。
3、受热时间短 分子蒸馏要求受加热的液面与冷凝面之间的距离小于或等于轻分子的平均自由程，使由液面逸出的轻分子，几乎不经碰撞就到达冷凝面，所以受热时间很短。
在食品工业上的应用举例：
1、玫瑰油采用三次分子蒸馏，第一级脱气处理，第二级脱臭或者纯化，第三级脱色或纯化。
2、辣椒红色素经两级分子蒸馏脱溶剂。
蒸馏：根据液体混合物中个组分的挥发度的差异，通过加热的方法使混合物形成气、液两相，个组分在两相中浓度不同，从而实现混合物的分离。
蒸馏分平衡蒸馏（闪蒸）、简单蒸馏、蒸汽蒸馏、恒沸蒸馏与萃取蒸馏等。蒙牛打的两张牌是闪蒸和运奶车桑拿浴。闪蒸就是在加压的情况下对牛奶加热，过热的牛奶通过减压阀进入到分离器变成沸腾的状态，部分水分迅速蒸发使牛奶得到浓缩。运奶车桑拿浴更简单，每次运完奶，都要把车开到桑拿车间冲洗干净，就是专门建了个车间用来洗运奶车以保证牛奶不被微生物污染。
酿酒用的蒸馏方法即为简单蒸馏，起特点是随着蒸馏的进行，得到的产品浓度越来越稀。
蒸发是加热含有不挥发性溶质的溶液，使溶剂（通常是水）部分蒸发，从而溶液得到浓缩的过程。
多效蒸发不可能是越多效数越好，一般是3到5效蒸发浓缩，最多的一般只有7效。限制效数的原因是：
1、物料性质的限制 由于食品物料性质，蒸发的最高温度和最终温度都有一定的限制，使蒸发的总温差有限。据经验，当各效的传热有效温差小于5到7度时，将大大降低传热效率，使传热面积增大。如考虑牛奶蒸发过程的黏度的变化所引起的各种问题，其最高浓缩温度为68度，末效奶的浓缩温度通常是42度，则其总传热温差只是68—42=26度，分配到各效，其温差与效数就有限。
2、设备费用增加 多效蒸发虽可以节省蒸汽，但设备庞大，安装、运转、维护费用均增加。以节能效益计算设备投资回收年限时，7效是3效的3倍时间。从经济角度出发，蒸发量大的选择效数多的较经济。
3、温差损失的增加 沸点升高，静压效应和热损失引起的温差损失几乎随效数而成比例增加。当效数增加到 数值后，其温差损失总和有可能等于总温差，这意味着各效传热推动力的完全消失。
分子蒸馏技术及其应用
来源：化工时刊（2007年第21卷第4期）
白石 林文 刘芸 王志祥
（中国药科大学制药工程教研室，江苏南京）
摘 要
分子蒸馏技术是一种新型液-液分离技术，现已广泛应用于很多领域。对分子蒸馏技术的原理、设备和特点做简要介绍，着重介绍了近年来分子蒸馏技术在塑料、化妆品、食品和医药领域中的应用进展。
关键词 分子蒸馏 原理 特点 应用
分子蒸馏又叫短程蒸馏，是一种在高真空（0.1～10Pa）条件下进行的液-液分离技术。该技术具有操作温度低、受热时间短、分离程度高、系统能耗低等特点；特别适用于分离高沸点、热敏性和易氧化的物质。近年来分子蒸馏被广泛应用到食品、化妆品、石油化工和中药有效成分提取等领域之中。本文参考大量国内外文献，结合作者自己在该领域的研究经验对分子蒸馏的应用进展做出综述。
1 分子蒸馏技术的基本原理和特点
1.1 分子蒸馏原理
分子蒸馏是依据液体分子受热后从液面逸出时的平均自由程不同而实现分离的。经过预热处理的待分离料液从进料口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出；并向冷凝板运动。轻分子由于平均自由程较大，能够到达冷凝板并不断在冷凝板凝集，最后进入轻组分接收罐；重分子因平均自由程较小，不能到达冷凝板，从而顺加热板流入重组分接收罐中，这样就实现了轻重组分的分离。分子蒸馏原理如下图所示。（图略）
1.2 分子蒸馏特点
分子蒸馏是在高真空条件下进行的液-液分离技术，在分子蒸馏过程中物料是在远低于自身沸点的温度下被分离的，因此分子蒸馏具有操作温度低和操作压强低的特点；其蒸馏温度可以比普通蒸馏低60～100℃以上，而真空度也可以达到10-1～10Pa数量级。同时，由于分子蒸馏是基于分子运动平均自由程的不同来实现分离的，蒸发面和冷凝面的间距通常很短（10-2～10-1m），加热面液膜很薄，因此物料受热时间很短，一般仅为几s到10几s。另外由分子蒸馏的相对挥发度公式αr=α×（Mb/Ma）1/2可知采用分子蒸馏时的相对挥发度比普通蒸馏大（Mb/Ma）1/2倍，很多挥发度相近但相对分子质量不同的物系可以采用分子蒸馏进行分离。
2 分子蒸馏的应用
分子蒸馏作为一种温和、高效、清洁的分离技术，受到国内外科研工作者的青睐；其研究已经渗透到诸如天然产物、塑料、化妆品和油脂工业等众多分支中，以下简单介绍近年来分子蒸馏在这些领域的应用进展。
2.1 分子蒸馏在塑料和石油化工中的应用
2，5-二异氰甲基-1，4-二噻烷是一种用于制造高折光率塑料镜片的物质，通过2，5-二甲氨基-1，4-二噻烷和光气的化学反应制得；Sugimoto
Yoshiaki等采用二级分子蒸馏装置对上述产物进行提纯，蒸馏温度均为130℃，压强分别为30～40Pa和5Pa
，产物收率达到66％，纯度高达99.6％。
InadaShuji等将废弃的聚酯类产品（如废瓶等）中的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在乙二醇中解聚，并采用分子蒸馏法对其进行提纯，去除二乙二醇和低聚物等杂质，回收得到的双-2-羟乙基对苯二甲酸乙二酯（BHET）是合成聚酯树脂的重要中间体，有较好的工业应用前景。
Takatsu
Haruyoshi等用有机溶剂回收废弃显示器板中的液晶并用分子蒸馏和吸附法对回收物进行分离提纯，回收得到的液晶各项技术指标均与原产品相近。
另外Sbaite
P．等还将分子蒸馏作为理论研究的手段应用于石油工业中，对描述减压蒸馏釜底重油残压的真沸点曲线进行了扩展，并获得了较高的精度。
2.2 分子蒸馏在化妆品工业中的应用
生产化妆品的原料是具有高附加值的产品，采用分子蒸馏对其进行提纯在经济上十分可行。白芒花油是深受喜爱的润肤成分，Isbell
TerryA．等应用多级分子蒸馏装置从白芒花油混和物中提取活性的二聚体成分，得到了高纯度、低色度的产品。关于这方面中试规模的工艺研究也有报道，Cermark
Steven C．等将分子蒸馏提纯白芒花油的工艺研究扩大到100L规模，对各项工艺参数均进行了考察，为工业大生产提供参考。
2.3 分子蒸馏在食品工业中的应用
（1）甘油酯的生产
甘油酯类产品主要用做食品乳化剂和饮料添加剂等，分子蒸馏技术在这个领域应用比较广泛，如Yamauehi
Yoshie等采用分子蒸馏技术对共轭脂肪酸聚甘油酯的提纯；Yamaguchi
Takashi等采用酶催化的酯交换反应和分子蒸馏生产高密度甘油三酯；Kaplon
Jacek等对单甘酯分子蒸馏生产工艺的优化研究等。随着分子蒸馏成本的下降，在甘油酯生产中的应用还会有很大的发展空间。
（2）鱼油多不饱和脂肪酸的提取
二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）是主要源于深海鱼油的ω-3型多不饱和脂肪酸，对人体健康有益，受到全世界人们的普遍青睐，EPA和DHA的提取技术也是众多研究人员关注的热点。普遍采用的尿素包合法有很多缺点，如：工艺复杂、成本高、产率低、产品过氧化值高、有害杂质多等，难以满足各方面需求。冯武文等通过多年的实验室研究和工业化探索，实现了分子蒸馏技术提取EPA和DHA的工业化生产，填补了国内空白，同时取得了较大经济效益。关于这方面的应用已经趋于成熟，不再赘述。
（3）共轭亚油酸的生产
共轭亚油酸的生产一般首先从富含亚油酸的植物油中提取高纯度的亚油酸，经共轭化反应和分离纯化得到共轭亚油酸，在分离纯化这一步分子蒸馏法优势明显。NagaoToshihiro等采用分子蒸馏法提纯共轭亚油酸，得到的碳9、11双键产物和碳10、12双键产物的纯度分别高达93.1％和95.3％。另外，王宝刚也对分子蒸馏浓缩提纯共轭亚油酸的工艺进行了研究，并介绍了该工艺中设备的特点。
2.4 分子蒸馏在医药领域中的应用
（1）中草药有效成分的提取分离
中药现代化面临的瓶颈问题之一在于有效成分的分离提纯，而中药有效成分中常常含有高沸点、热敏性、易分解的物质，分子蒸馏正适合于对这类物质的分离提纯。
王鹏等人采用超临界CO2萃取和分子蒸馏联用的技术对连翘挥发油进行提取和分离。结论是采用分子蒸馏法可以在较温和的条件下将连翘挥发油主要有效成分萜品醇-4和α-萜品醇进行分离，而超临界CO2萃取和分子蒸馏联用的技术也为中药有效成分的提取分离提供了一条可行的路线。古维新等利用超临界CO2萃取-分子蒸馏技术对独活化学成分进行了分离提纯的研究。结果表明，超临界萃取产物经过分子蒸馏分离后，化学成分明显减少，分子蒸馏产物中药用有效成分的相对含量也明显提高。
周本杰等采用分子蒸馏技术对川芎的超临界萃取产物进行了提取和分离研究。与川芎的超临界萃取物相比，经分子蒸馏得到的川芎挥发油的化学成分明显减少，挥发油中的主要成分2，3-丁二醇、α-蒎酸、桧烯等含量明显提高。
（2）制药中间体的分离提纯
这方面的研究是近年来关于分子蒸馏应用的新的尝试，开辟了将该项技术用于西药关键生产环节的探索。
天津大学许松林等采用分子蒸馏法分离合成抗组胺药的重要中间体对乙酰氨基苯乙酸乙酯，以改变对位和间位同分异构体产物的比例，为后续的结晶除杂奠定基础。通过4级分子蒸馏操作，使间位和对位产物的质量比由0.948降到0.405，达到了结晶分离技术对同分异构体两组分相对含量的要求。
应安国等应用刮膜式分子蒸馏装置对帕罗西汀的提纯进行了研究，得到提纯帕罗西汀的最适宜工艺条件。通过初步估计，以年产1000kg帕罗西汀计算，可产生利润约7000万元，体现了分子蒸馏技术在高附加值产品中的应用价值。
（3）天然维生素E的提取
维生素E又称生育酚，绿色化学的兴起，使天然维E的需求量不断增加，工业上普遍采用从油脂真空脱臭的馏出物中提取，但是溶剂萃取法收率和产品纯度较低，超临界萃取一次性投资太大，化学处理法又存在有机物
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
