第四章分子蒸馏分离技术课件

第四章分子蒸馏分离技术第四章分子蒸馏分离技术molecular distillation technology.第一节概述第一节概述分子蒸馏分子蒸馏(molecular distillation)是一种特是一种特殊的液殊的液-液分离技术，它不同于传统蒸馏液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。子运动平均自由程的差别实现分离。.一、分子蒸馏的历史一、分子蒸馏的历史Bronsted和和Hevest在在1922年世界上最早的实验年世界上最早的实验用分子蒸馏装置。用分子蒸馏装置。1930年代，世界上有代表性的关于分子蒸馏技术年代，世界上有代表性的关于分子蒸馏技术的研究小组有三个，负责人分别为的研究小组有三个，负责人分别为Burch、Waterman和和Hickman。1935年，年，Hickman领导的小组设计出了世界上第领导的小组设计出了世界上第一台离心式分子蒸馏器。一台离心式分子蒸馏器。1943年，年，Qnackenbush和和Steenbock对刮膜式对刮膜式分子蒸馏器进行了研究。分子蒸馏器进行了研究。从从20世纪世纪60年代至今的年代至今的40多年来：多年来：.二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小距离很小。普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。分普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。分子蒸馏过程是子蒸馏过程是不可逆不可逆的。的。分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相对分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相对挥发度挥发度有关，而且与各组分的有关，而且与各组分的分子量分子量有关。有关。分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没有没有鼓泡、沸腾现象。鼓泡、沸腾现象。.第二节分子蒸馏的原理第二节分子蒸馏的原理一、分子蒸馏分离一、分子蒸馏分离的基本过程的基本过程物料分子从液相主物料分子从液相主体向蒸发表面扩散。体向蒸发表面扩散。物料分子在液层上物料分子在液层上自由蒸发自由蒸发 分子从蒸发面向冷分子从蒸发面向冷凝面飞射凝面飞射 轻分子在冷凝面上轻分子在冷凝面上冷凝冷凝.(一)几个基本概念1.理论分子蒸发速率理论分子蒸发速率Langmuir研究了高真研究了高真空下纯物质的蒸发现空下纯物质的蒸发现象，他从分子动力学象，他从分子动力学出发，推导出纯物质出发，推导出纯物质理论分子蒸发速率只理论分子蒸发速率只是表面温度和分子种是表面温度和分子种类的函数。类的函数。G蒸发速度，g/(m2s)；P 0温度Ts时的饱和蒸气压，Pa；M分子摩尔质量，kg/mol；Ts蒸发液面的绝对温度，K 二、分子蒸馏基本理论二、分子蒸馏基本理论.2.分离因数分离因数 分子蒸馏可以用来分子蒸馏可以用来分离挥发度相近但分离挥发度相近但分子量不同的混合分子量不同的混合物系。物系。分子蒸馏由于处于分子蒸馏由于处于非平衡状态下操作非平衡状态下操作及其设备的内部结及其设备的内部结构特点，使得分离构特点，使得分离效率远高于常规蒸效率远高于常规蒸馏。馏。MA轻分子相对分子质轻分子相对分子质量；量；MB重分子相对分重分子相对分子质量；子质量；P0A轻分子轻分子饱和蒸汽压，饱和蒸汽压，Pa；P0B 重分子饱和蒸汽压，重分子饱和蒸汽压，Pa；0相对挥发度相对挥发度.(二二)分子运动平均自由程分子运动平均自由程依靠不同物质分子运动平均自由程的差别依靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现物质分离的。实现物质分离的。1.分子碰撞分子碰撞 2.分子有效直径分子有效直径 3.分子运动自由程分子运动自由程 4.分子运动平均自由程分子运动平均自由程m=Vm/f.1.分子碰撞分子碰撞 分子与分子之间存在着相互作用力。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，度后，分子之间的作用力会改变为排斥力，并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。并随其接近到一定程度，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，这种使两分子分开，这种由接近而至排斥分离由接近而至排斥分离的过程就是的过程就是分子的碰撞过程。分子的碰撞过程。.2.分子有效直径分子有效直径 分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短距离，即发生斥离的距离，即发生斥离的质心距离质心距离，称为分子，称为分子有效直径。有效直径。.3.分子运动自由程分子运动自由程 一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程，称为分子运动自由程。程，称为分子运动自由程。.4.分子运动平均自由程分子运动平均自由程 分子运动平均自由程：分子运动平均自由程：某一种分子在某时间某一种分子在某时间间隔内自由程的平均值间隔内自由程的平均值.m=kT/(21/2d2p)d分子的有效直径，分子的有效直径，p分子所处空间的压强，分子所处空间的压强，T分子所处环境的温度，分子所处环境的温度，k波尔兹曼常数波尔兹曼常数.1.压力压力、温度温度及及分子有效直径分子有效直径是影响分子运动平均是影响分子运动平均自由程的自由程的三个主要因素三个主要因素。2.当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程随空间温度增加而增大随空间温度增加而增大;3.当温度一定时，平均自由程当温度一定时，平均自由程与空间压力与空间压力P成反比，成反比，真空度越高真空度越高(空间压力越小空间压力越小)越大，分子之间碰越大，分子之间碰撞几率越小。撞几率越小。(表表4-1)4.即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也存在差异。存在差异。.表表4-1 平均自由程和真空度平均自由程和真空度对对照表照表真空度真空度/mmHg平均自由程平均自由程/mm810-37310-325110-3500.310-32500.110-33000.分子蒸馏的基本原理分子蒸馏的基本原理从公式可以看到从公式可以看到,混合液中的不同组成分子的有混合液中的不同组成分子的有效直径和分子自由程不同效直径和分子自由程不同,轻分子的平均自由程轻分子的平均自由程大大,而重分子的平均自由程小而重分子的平均自由程小,如果冷凝面与蒸如果冷凝面与蒸发面的间距小于轻分子的平均自由程发面的间距小于轻分子的平均自由程,而大于重而大于重分子的平均自由程分子的平均自由程,这样轻分子被冷却收集而重这样轻分子被冷却收集而重分子又返回到蒸发面分子又返回到蒸发面,从而实现了分离。从而实现了分离。.(三三)分子蒸馏需具备的条件分子蒸馏需具备的条件 1.蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差 2.蒸发面与冷凝面应保持较短的距离蒸发面与冷凝面应保持较短的距离 3.分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度 4.蒸发面上的液体膜应尽可能的薄蒸发面上的液体膜应尽可能的薄 5.分子蒸馏装置应有必要的设备系统分子蒸馏装置应有必要的设备系统.1.蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差 冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度50100。防止冷凝器表面分子的再次蒸。防止冷凝器表面分子的再次蒸发发。实际中还应尽可能地增大温度差为好实际中还应尽可能地增大温度差为好.2.蒸发面与冷凝面应保持较短的距离蒸发面与冷凝面应保持较短的距离 保持在轻质分子平均自由程和重质分子平保持在轻质分子平均自由程和重质分子平均自由程之间。均自由程之间。一般蒸发面与冷凝面的距离范围为一般蒸发面与冷凝面的距离范围为2030 mm为佳。为佳。.3.分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度 压力必须低，在压力必须低，在0.140 Pa左右。确保分子左右。确保分子之间不会发生碰撞。之间不会发生碰撞。.4.蒸发面上的液体膜应尽可能的薄蒸发面上的液体膜应尽可能的薄 可能地扩大蒸发表面和不断地更新蒸发表可能地扩大蒸发表面和不断地更新蒸发表面，以提高传质速率。面，以提高传质速率。实际中，一般薄膜厚度为实际中，一般薄膜厚度为0.050.5 mm比较比较适宜。如果过薄，则不但技术上难以实现，适宜。如果过薄，则不但技术上难以实现，而且单位时间蒸发量也要减少。而且单位时间蒸发量也要减少。一般采用机械式刮板薄膜蒸发装置和离心一般采用机械式刮板薄膜蒸发装置和离心式薄膜蒸发装置，式薄膜蒸发装置，.5.分子蒸馏装置应有必要的设备系统分子蒸馏装置应有必要的设备系统 分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、接收瓶等；接收瓶等；抽真空系统包括真空泵、扩散泵等；抽真空系统包括真空泵、扩散泵等；加热温控系统包括热油泵、导热油炉、控加热温控系统包括热油泵、导热油炉、控温仪表、油路等；温仪表、油路等；冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管路等。路等。密封结构密封结构 脱水、脱溶剂和脱氧处理脱水、脱溶剂和脱氧处理 .三、分子蒸馏技术的特点三、分子蒸馏技术的特点1.操作温度低，可大大节省能耗操作温度低，可大大节省能耗 2.蒸馏压强低，要求在高真空度下操作蒸馏压强低，要求在高真空度下操作 3.受热时间短，降低热敏性物质的热损伤受热时间短，降低热敏性物质的热损伤 4.分离效率高分离效率高.分子蒸馏技术的优势分子蒸馏技术的优势 1.对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离，对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离，分子蒸馏提供了最佳分离方法。分子蒸馏提供了最佳分离方法。2.对于混合液中的低分子物质对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、如有机溶剂、臭味物等臭味物等)的脱除。的脱除。3.分子蒸馏可以通过真空度的调节，有选择分子蒸馏可以通过真空度的调节，有选择地蒸出目的产物，去除其它杂质，通过多地蒸出目的产物，去除其它杂质，通过多级分离可同时分离多种物质。级分离可同时分离多种物质。4.分子蒸馏的分馏过程是物理过程。分子蒸馏的分馏过程是物理过程。.分子蒸馏的缺点分子蒸馏的缺点 1.由于分子蒸馏的加热面积受设备结构的限由于分子蒸馏的加热面积受设备结构的限制，生产能力不大。制，生产能力不大。2.若混合物内各组分的分子平均自由程相近若混合物内各组分的分子平均自由程相近时，则可能分离不开。时，则可能分离不开。3.由分子蒸馏的工作条件决定了其需要高真由分子蒸馏的工作条件决定了其需要高真空排气装置、高真空动静密封结构等辅助空排气装置、高真空动静密封结构等辅助系统，这就导致生产技术难度大、整体机系统，这就导致生产技术难度大、整体机组设备费用较高、维修费用较高，生产成组设备费用较高、维修费用较高，生产成本随着相应增加。本随着相应增加。.第三节第三节 分子蒸馏设备分子蒸馏设备物料输入系统物料输入系统物料输出系统物料输出系统加热系统加热系统控制系统控制系统真空系统真空系统冷凝系统冷凝系统内冷凝系统内冷凝系统蒸发系统蒸发系统.一、分子蒸发器一、分子蒸发器 分子蒸馏装置的核分子蒸馏装置的核心部分心部分 静止式蒸发器、降静止式蒸发器、降膜式蒸发器、刮膜膜式蒸发器、刮膜式蒸发器和离心式式蒸发器和离心式蒸发器。蒸发器。.1.静止式分子蒸馏器.特点设备出现最早，结构简单，具有一个静止设备出现最早，结构简单，具有一个静止不动的水平蒸发表面。不动的水平蒸发表面。分离能力低，分离效果差，物料停留时间分离能力低，分离效果差，物料停留时间长，热分解危险性大，只适用于实验室及长，热分解危险性大，只适用于实验室及小批量生产。小批量生产。.2.降膜分子蒸馏器 A.进料贮油器进料贮油器 B.滴滴液速率计数器液速率计数器 C.进进料液加热管料液加热管 D.油气油气分离球分离球 E.真空管真空管F.脱气盘管脱气盘管 G.扩散扩散泵泵 H.蒸发器蒸发器 I.冷凝冷凝器器 J.蒸余物接受器蒸余物接受器 K.蒸出物接受器蒸出物接受器.特点依靠重力在加热面流动时形成一层薄膜。依靠重力在加热面流动时形成一层薄膜。很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖，形成的液膜较厚，液体流动时常发生盖，形成的液膜较厚，液体流动时常发生翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上，翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上，影响分离效果。影响分离效果。.3.刮膜分子蒸馏器 1.残留液出口残留液出口 2.加热加热套套 3.刮膜器刮膜器 4.蒸发空蒸发空间间 5.内冷凝器内冷凝器 6.进料进料口口 7.转动电机转动电机 8.进液进液分布盘分布盘 9.加热介质出加热介质出口口 10.加热介质入口加热介质入口 11.真空口真空口 12.冷却水冷却水出口出口 13.产品馏出口产品馏出口 14.冷却水入口冷却水入口.特点内部设置有转动的刮膜器。内部设置有转动的刮膜器。物料均匀覆盖在加热表面上，液层得到充物料均匀覆盖在加热表面上，液层得到充分搅动，强化了传热和传质。物料停留时分搅动，强化了传热和传质。物料停留时间短且液膜厚度均匀，热分解可能性小，间短且液膜厚度均匀，热分解可能性小，生产能力大，且结构相对简单，价格相对生产能力大，且结构相对简单，价格相对低廉，因此在实验室和工业上应用较广。低廉，因此在实验室和工业上应用较广。.4.离心式分子蒸馏器.优点优点由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失，布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失，蒸发速率和分离效率更好；蒸发速率和分离效率更好；料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物质热分解的危险；质热分解的危险；同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速率较高，料液受热时间较短。率较高，料液受热时间较短。.缺点缺点结构复杂，要求有高速的机械运转机构，结构复杂，要求有高速的机械运转机构，又需要较高的真空密封技术，因而加工制又需要较高的真空密封技术，因而加工制造较难。造较难。蒸发面积小，处理能力不够大，并且没有蒸发面积小，处理能力不够大，并且没有刮片构件，对于易结焦的物料不太合适。刮片构件，对于易结焦的物料不太合适。.二、分子蒸馏的流程二、分子蒸馏的流程分子蒸馏流程有单级单级、多级分子多级分子蒸馏流程.1.脱气系统 2.分子蒸发器 3.加热系统 4.真空系统.四级刮膜式分子蒸馏装置流程示意图四级刮膜式分子蒸馏装置流程示意图 多种馏分需要从混合液中分离多种馏分需要从混合液中分离.离心式分子蒸馏工业化流程图离心式分子蒸馏工业化流程图.一级分子蒸馏的成套装置一级分子蒸馏的成套装置.第四节分子蒸馏技术在食品工业第四节分子蒸馏技术在食品工业中的应用中的应用 分子蒸馏技术的分子蒸馏技术的最大特点最大特点就是尽量保持食就是尽量保持食品的纯天然性，加工温度不高、无毒、无品的纯天然性，加工温度不高、无毒、无害、无残留物、无污染、分离效率高。害、无残留物、无污染、分离效率高。分子蒸馏适用于热敏性天然成分的提取、分子蒸馏适用于热敏性天然成分的提取、分离和精制。分离和精制。.一、天然维生素的提取（一、天然维生素的提取（VE）二、天然色素的提取和精制（二、天然色素的提取和精制（辣椒红素和类辣椒红素和类胡萝卜素胡萝卜素）三、天然抗氧剂的生产三、天然抗氧剂的生产四、单脂肪酸甘油酯的分离提取四、单脂肪酸甘油酯的分离提取五、不饱和脂肪酸的分离（五、不饱和脂肪酸的分离（EPA和和DHA）六、芳香油的精制六、芳香油的精制七、食品工业中胆固醇的脱除七、食品工业中胆固醇的脱除.思考题思考题1.分子蒸馏的原理是什么？分子蒸馏的原理是什么？2.分子蒸馏与传统精馏有什么区别？分子蒸馏与传统精馏有什么区别？3.分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？4.简述分子蒸馏在食品工业中的应用。简述分子蒸馏在食品工业中的应用。.