分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用

分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展摘要分子蒸餾技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的液-液分離技術(shù)，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。綜合評(píng)述了分子蒸餾的基本原理、過(guò)程技術(shù)特點(diǎn)、常用設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)。工業(yè)應(yīng)用及過(guò)程模型化的研究進(jìn)展。并對(duì)分子蒸餾過(guò)程技術(shù)的前景提出了一些展望。
前言分子蒸餾[1]又叫短程蒸餾，是一種在高真空下，利用不同物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的液-液分離技術(shù)。該技術(shù)具有蒸餾溫度低、受熱時(shí)間短、分離程度高、系統(tǒng)能耗低等特點(diǎn)，并且該分離技術(shù)為不可逆過(guò)程，不存在沸騰及鼓泡現(xiàn)象。因此特別適用于分離高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧化的物質(zhì)，能解決常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問(wèn)題。目前已廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中。
1 分子蒸餾過(guò)程技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)分子蒸餾是指在高真空的條件下，液體分子受熱從液面逸出，利用不同分子平均自由程差導(dǎo)致其表面蒸發(fā)速率不同而達(dá)到分離的方法[2]。分子分離過(guò)程如圖所示，經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的待分離料液從進(jìn)口沿加熱板自上而下流入，受熱的液體分子從加熱板逸出。由于冷凝和蒸發(fā)表面的間距一般小于或等于蒸發(fā)分子的平均自由程，逸出分子可以不經(jīng)過(guò)分子碰撞而直接到達(dá)冷凝面冷凝，后進(jìn)入輕組分接受罐。重組分分子由于平均自由程小，不能到達(dá)冷凝板，從而順加熱板流入重組分接收罐中，這樣就實(shí)現(xiàn)了輕重組分的分離[3]。
2 分子蒸餾的基本過(guò)程根據(jù)分子蒸餾的基本理論，可將蒸餾過(guò)程分解為以下5個(gè)步驟：①物料在加熱面上形成液膜；②分子在液膜表面上自由蒸發(fā)；③分子從加熱面向冷凝面的運(yùn)動(dòng)；④輕分子在冷凝面上被捕獲，重分子返回物料液膜；⑤餾出物和殘留物的收集。
3 分子蒸餾設(shè)備和特點(diǎn)
3.1 設(shè)備組成一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要由脫氣系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、分子蒸餾器、餾分收集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，其工藝流程如圖2 所示。脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發(fā)性組分，以免蒸餾過(guò)程中發(fā)生爆沸。真空系統(tǒng)是保證分子蒸餾過(guò)程進(jìn)行的前提，合適的真空設(shè)備和嚴(yán)格的密封性分子蒸餾裝置的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，為保證所需要的真空度，一般采用二級(jí)或二級(jí)以上的泵聯(lián)用，并設(shè)液氮冷阱以保護(hù)真空泵。根據(jù)形成蒸發(fā)液膜的不同，分子蒸餾器可分為：降膜式分子蒸餾器、刮膜式分子蒸餾器和離心式分子蒸餾器，由于降膜式的傳熱、傳質(zhì)效率差，已逐漸被淘汰，代之以刮膜式或離心式。由于離心力能強(qiáng)化成膜，物料停留時(shí)間短且液膜薄而均勻，降低了傳質(zhì)阻力，且加熱和冷卻大多為內(nèi)置式，因此，離心式分子蒸餾器的分離效率及生產(chǎn)能力較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對(duì)投資比較大，而轉(zhuǎn)子刮膜式結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，操作參數(shù)容易控制， 且價(jià)格相對(duì)低廉，因此， 現(xiàn)在的試驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中， 大部分都采用該裝置。
3.2 蒸餾器設(shè)計(jì)原則  分子蒸餾器是整套設(shè)備的核心， 集中體現(xiàn)了分子蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵。其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下條件： ① 高真空度： 殘余氣體的分壓須很低， 以保證蒸發(fā)分子在蒸發(fā)空間盡可能不與其他分子碰撞； ② 冷凝面與蒸發(fā)面的間距小于蒸發(fā)分子的平均自由程； ③ 為防止返蒸現(xiàn)象（已冷凝分子重新蒸發(fā)）， 蒸發(fā)面與冷凝面的溫度差至少在50～100℃之間； ④ 被蒸餾物料在蒸發(fā)面應(yīng)能形成厚度均勻的薄膜， 以提高蒸發(fā)效率。即盡可能均勻加熱， 因?yàn)榫植窟^(guò)分加熱導(dǎo)致的物料分解將會(huì)使真空度明顯降低， 致使蒸發(fā)暫停； ⑤在分子蒸餾中， 僅液體表面與蒸發(fā)相關(guān)， 因此， 在蒸發(fā)面要有不斷出現(xiàn)的新液面。 
3.3 刮膜式分子蒸餾裝置    圖3 是刮膜式分子蒸餾裝置，是一種新型的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是：液膜厚度小， 受熱時(shí)間短，熱分解的危險(xiǎn)性較小，蒸餾過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)能力大。缺點(diǎn)是：很難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋；液體流動(dòng)時(shí)常發(fā)生翻滾現(xiàn)象，所產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面上。