第三章分子蒸馏课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2024/11/22,1,引子,分子蒸馏的原理,.,液体混合物沿加热板流动并被加热,.,轻、重分子会逸出液面而进入气相,.,由于轻、重分子的,自由程,不同,.,轻分子达到冷凝板被冷凝排出,;,重分子达不到冷凝板沿混合液排出,分子运动自由程,（用,表示）：一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。,2023/8/21引子分子蒸馏的原理.液体混合物沿加热板流,1,2024/11/22,2,分子蒸馏技术的优点,操作温度低（远低于沸点）、真空度高、受热时间短（以秒计）、分离效率高等，特别适宜于高沸点、热敏性、易氧化物质的分离；,可有效地脱除低分子物质（脱臭）、重分子物质（脱色）及脱除混合物中杂质；,其分离过程为物理分离过程，可很好地保护被分离物质不被污染，特别是可保持天然提取物的原来品质；,分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器。,2023/8/22分子蒸馏技术的优点 操作温度低（远低于,2,1,几个基本概念,2024/11/22,3,1 几个基本概念2023/8/23,3,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，并随其接近距离的减小，排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度时，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。,2024/11/22,4,分子碰撞,2023/8/24分子碰撞,4,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）称为分子有效直径。,分子运动自由程,一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程,分子运动平均自由程,任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，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。在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程,2024/11/22,5,分子有效直径2023/8/25,5,则,m,=V,m,/ff=V,m,/,m,由热力学原理可知：,则,2024/11/22,6,设,V,m,为某一分子的平均速度；,f,为碰撞频率；,m,为,平均自由程,则m=Vm/ff=Vm/m 2023/8/26 设,6,温度,、,压力,及,分子有效直径,是影响分子运动平均自由程的主要因素。当压力一定时，一定物质的分子运动平均自由程随温度增加而增加。当温度一定时，平均自由程,m,与压力p成反比，压力越小（真空度越高），,m,越大，即分子间碰撞机会越少、不同物质因其有效直径不同，因而分子平均自由程不同。,2024/11/22,7,温度、压力及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素。,7,分子蒸馏的挥发度,M,1,轻组分相对分子质量,M,2,重组分相对分子质量；,p,1,轻组分饱和蒸气压，Pa；,p,2,重组分饱和蒸气压，Pa；,相对挥发度。,而常规蒸馏的相对挥发度为：,由于 项中，因此,即,2024/11/22,8,分子蒸馏的挥发度M1轻组分相对分子质量2023/8/28,8,2,分子蒸馏背景,常规蒸馏,，通常是指将液相加热至沸腾后再将气相冷凝，从而实现混合物的分离，其实质是利用了不同物质间的沸点差来完成的。尽管这种手段在工业上普遍应用，但对于许多热敏性物系而言，这种方法并不适用。原因在于热敏性物质在沸腾过程中会出现热分解，而这种热分解的速度又是随着温度的升高呈指数升高，随停留时间的增大呈线性增大的。因此，要解决好热敏性物系的分离问题，首先就必须从降低蒸发过程的分离温度和缩短物料的受热时间开始。,2024/11/22,9,2 分子蒸馏背景常规蒸馏，通常是指将液相加热至沸腾后再将气相,9,物料的沸点依赖于操作压力，为此，人们开发了各种类型的,真空蒸馏,设备，试图通过降低过程的操作压力来降低物料的沸点，从而达到降低分离温度的目的。如间歇真空蒸馏，将物料放置在一加热釜中蒸发，并在釜外冷凝器后配置上真空系统，由于操作压力的降低，物料的沸点随之下降，从而使操作温度降低。但这种类型的蒸馏，由于其气相必须由釜内移至外部冷凝器冷凝，其蒸发面上的实际操作压力必须大到足以克服气相的管道阻力才行。因此，这种蒸馏的操作压力的降低是有限度的。,2024/11/22,10,物料的沸点依赖于操作压力，为此，人们开发了各种类型的真空蒸馏,10,此外，由于釜内液层很厚，液层的压力又进一步增大了底层液体的实际蒸发压力，这就进一步限制了操作温度的降低。,与此同时，液层的厚度还增大了传热传质阻力，降低了分离效率，同时也增大了物料的受热时间。为了解决这些问题，人们设计了各种不同形式的,薄膜蒸发器,，如降膜式薄膜蒸发器、刮膜式薄膜蒸发器等，有效地减小了蒸发器表面上液膜的厚度，并减少了传热传质阻力，从而降低了物料的分离温度和物料的受热时间。所有这些，都使热敏性物料的品质得到了一定程度的保护。,2024/11/22,11,此外，由于釜内液层很厚，液层的压力又进一步增大了底层液体的实,11,但是，由于薄膜蒸发器仍属于常规蒸馏，不管空载真空度多高，其操作时都必须要达到物料的沸点，其蒸发的气相也必须靠一定压力由蒸发器内部移至外部冷凝器，因此其蒸发面上的实际操作压力仍然比较高，因此，对于许多热敏性、高沸点物系的分离，薄膜蒸发器仍然无能为力，因此，长期以来，人们一直在寻求着一种更为温和的蒸馏分离手段。正是在这种背景下，分子蒸馏技术得以开发，并得到广泛应用。该项技术突破了传统蒸馏利用沸点差分离的原理，而是利用分子运动平均自由程的差别实现物质的分离，从而使物料在远离沸点下进行蒸馏分离成为可能。,2024/11/22,12,但是，由于薄膜蒸发器仍属于常规蒸馏，不管空载真空度多高，其操,12,3,分子蒸馏基本原理,根据分子运动理论，液体混合物受热后分子运动会加剧，当接受到足够能量时，就会从液面逸出成为气相分子。随着液面上方气相分子的增加，有一部分气相分子就会返回液相。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，从宏观上看即达到了平衡。,2024/11/22,13,3 分子蒸馏基本原理 根据分子运动理论，液体混合物受热后分子,13,根据分子运动平均自由程公式，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，故其平均自由程也不同，即从统计学观点看，不同种类分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的,分子蒸馏的分离作用就是依据液体分子受热会从液面逸出，而不同种类分子逸出后，在气相中其运动平均自由程不同这一性质来实现的,2024/11/22,14,根据分子运动平均自由程公式，不同种类的分子，由于其分子有效直,14,2024/11/22,15,2023/8/215,15,分子蒸馏应满足的两个条件,轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；,蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。,2024/11/22,16,分子蒸馏应满足的两个条件轻、重分子的平均自由程必须要有差异,16,2024/11/22,17,2023/8/217,17,4,分子蒸馏过程（四步曲）,(1)扩散：物料分子从液相主体向蒸发表面扩散。,注意：液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速度的主要因素,(2)蒸发：物料分子在液层上自由蒸发速度随温度升高而增大,但分离因素却随温度升高而降低。,2024/11/22,18,4 分子蒸馏过程（四步曲）(1)扩散：物料分子从液相主体向蒸,18,(3)飞射：分子从蒸发面向冷凝面飞射。该过程中分子可能与残存的空气分子碰撞,也可能相互碰撞,但只要真空度合适,使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面之间的距离即可。,(4)冷凝：轻分子在冷凝面上冷凝。如果冷凝面的形状合理且光滑并迅速转移,则可以认为冷凝是瞬间完成的,2024/11/22,19,(3)飞射：分子从蒸发面向冷凝面飞射。该过程中分子可能与残存,19,5,分子蒸馏技术的特点,2024/11/22,20,5 分子蒸馏技术的特点2023/8/220,20,5.1,操作温度低,常规蒸馏是靠不同物质的沸点差进行分离的，而分子蒸馏是靠不同物质的分子运动平均自由程的差别进行分离的，也就是说后者在分离过程中，蒸气分子一旦由液相中逸出（挥发）就可实现分离，而并非达到沸腾状态。因此，分子蒸馏是在远离沸点下进行操作的。,2024/11/22,21,5.1 操作温度低2023/8/221,21,2024/11/22,22,5.2,蒸气压强低,由分子运动平均自由程公式可知，要想获得足够大的平均自由程必须通过降低蒸馏压强来获得。,2023/8/222 5.2 蒸气压强低由分子运动平均自由,22,2024/11/22,23,5.3,受热时间短,鉴于分子蒸馏是基于不同物质分子运动平均自由程的差别而实现分离，因而装置中加热面与冷凝面的间距要小于轻分子的运动平均自由程（即间距很小），这样，由液面逸出的轻分子几乎未发生碰撞即达到冷凝面所以受热时间很短。,2023/8/223 5.3 受热时间短鉴于分子蒸馏是基于,23,5.4,不可逆性,普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程,液相和气相间可以形成互相平衡状态。而分子蒸馏过程中,从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上,中间不与其它分子发生碰撞,理论上没有返回蒸发面的可能性,所以,分子蒸馏是不可逆的。,2024/11/22,24,5.4 不可逆性 普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程,24,5.5,没有沸腾鼓泡现象,普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象,分子蒸馏是液层表面上的自由蒸发,在低压力下进行,液体中无溶解的空气,因此在蒸馏过程中不能使整个液体沸腾,没有鼓泡现象。,2024/11/22,25,5.5 没有沸腾鼓泡现象 普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象,25,5.6,分离程度及产品收率高,分子蒸馏常常用来分离常规蒸馏难以 分离的物质，而且就 两种方法均能分的物质而言，分子蒸馏的分离程度更高。从两种方法相同条件下的挥发度不同可以看出这一点,2024/11/22,26,5.6 分离程度及产品收率高 分子蒸馏常常用来分离常规,26,5.7,无毒、无害、无污染、无残留,产物纯净安全,，,且操作工艺简单,，,设备少。,由以上特点可以看出,分子蒸馏技术能分离常规蒸馏不易分离的物质,特别适宜于高沸点、高粘度、热敏性物质的分离。因此,它为工业生产的各个领域中高纯物质的提取开辟了广阔的前景。,2024/11/22,27,5.7 无毒、无害、无污染、无残留 产物纯净安全，,27,6,分子蒸馏装置,分子蒸馏器有,简单蒸馏型,与,精密蒸馏型,之分，目前采用的装置多为简单蒸馏型。,简单蒸馏型又可分为,静止式、降膜式、离心式,等几种。,2024/11/22,28,6 分子蒸馏装置分子蒸馏器有简单蒸馏型与精密蒸馏型之分，目,28,6.1,静止式分子蒸馏器,静止式分子蒸馏器出现早，结构简单，特点是一个,静止不动的水平蒸发表面,，按其形状不同，可分为釜式、盘式等，静止式分子蒸馏设备一般用于实验室及小量生产，工业上已不采用。,2024/11/22,29,6.1 静止式分子蒸馏器静止式分子蒸馏器出现早，结构简单,29,2024/11/22,30,2023/8/230,30,6.2,降膜式分子蒸馏器,流体靠重力在蒸发壁面流动时形成一层薄膜，但液膜厚度不均匀，且液膜流动一般为层流，传质、传热阻力大,2024/11/22,31,6.2 降膜式分子蒸馏器 流体靠重力在蒸发,31,2024/11/22,32,2023/8/232,32,优点：液膜厚度小,蒸馏物料可沿蒸发表面流动,停留时间短,热分解的危险性较小,蒸馏过程可以连续进行,生产能力大。,缺点：很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖,液体流动时常发生翻滚现象,产生的雾沫也常溅到