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分子蒸馏技术及应用推广(一)

发表时间:2021-04-26  |  点击率:76

  分子蒸馏技术是一种特殊的液液分离技术,它产生于20世纪20年代,是伴随着人们对真空状态下气体运动理论的深入研究以及真空蒸馏技术的不断发展而逐渐兴起的一种新的分离技术。目前,分子蒸馏技术已成为分离技术中的一个重要分支。
  分子蒸馏(moleculardistillation)也称短程蒸馏(short-pathdistillation),是一种在高真空下(残气分子的压力<0.1Pa)进行的连续蒸馏过程。分子蒸馏过程与传统的蒸馏过程不同,传统蒸馏是在沸点温度下进行分离的,蒸发与冷凝过程是可逆的,液相与汽相间会形成平衡状态。分子蒸馏过程是一个不可逆的,并且在远离物质常压沸点温度下进行的蒸馏过程,更确切地说,它是分子蒸发的过程。
   1基本原理
   (1)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,在某时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。设Vm为某一分子的平均速度,f为碰撞频率,λm为平均自由程。则λm=Vm/f,故f=Vm/λm。由热力学原理可知:
   那么,可得:
   式中,d为分子的有效直径,P为分子所处空间的压强,T为分子所处环境的温度,K为波尔兹曼常数。
   (2)分离因数Langmuir研究了高真空下纯物质的蒸发现象,从理论上推导出纯物质的分子蒸发速率为:
   式中,P0为物质的饱和蒸汽压,Rg为气体常数,Ts为液膜表面温度,M为物质的摩尔质量。由上式可知,理论分子蒸发速率只是液体表面温度和分子种类的函数。
   分子蒸馏是一种非平衡分离过程,分子蒸馏理论分离因数为:
   与普通蒸馏相比,分子蒸馏理论分离因数增加了(MB/MA)1/2倍,因此,分子蒸馏技术可以用来分离挥发度相近但分子量不同的混合物系。
   (3)分子蒸馏技术的基本原理。根据分子运动平均自由程公式知,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,即其为不同种类分子。从统计学观点看,其逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的。分子蒸馏的分离就是利用液体分子受热后从液面逸出,而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,使得轻分子落在冷凝面上,重分子因达不到冷凝面而返回原来液面,这样混合物就得以分离。
   2特点
   由分子蒸馏的基本原理可以看出,分子蒸馏是一种区别于常规蒸馏的非平衡状态下的特殊蒸馏。与常规蒸馏相比,分子蒸馏有如下特点:
  (1)操作温度低,可大大节省能耗
  常规蒸馏是依靠物料混合物中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来进行分离的,并不要求物料要达到沸腾状态,只要分子从液相中挥发逸出,就可以实现分离。正因为分子蒸馏是在远离沸点下进行操作,因此产品的能耗小。
  (2)蒸馏压强低,要求在高真空度下操作。
  分子运动平均自由程与系统压力成反比,只有加大真空度,才能获得足够大的平均自由程。研究指出,分子蒸馏的真空度高达0.1-100Pa。
  (3)受热时间短,降低热敏性物质的热损伤。
  由于分子蒸馏是利用不同物质分子运动平均自由程的差别而实现分离的,其基本要求是加热面与冷凝面的距离小于轻分子的运动平均自由程,这个距离通常很小,因此轻分子由液面逸出后几乎未发生碰撞即射向冷凝面,所以受热时间极短。研究测定指出,分子蒸馏受热时间仅为几秒或几十秒,从而在很大程度上避免了物质的分解或聚合。
  (4)分离程度及产品收率高,尤其适合于特定蒸馏。分子蒸馏的挥发度可以用下式表示:
  式中M1——轻分子相对分子质量;
  M2——重分子相对分子质量;
  P1——轻分子饱和蒸汽压,Pa,
  P2——重分子饱和蒸汽压,Pa;
  Tt——相对挥发度。
  但是,常规蒸馏的相对挥发度为:
  对比式(5)与式(6)可以看出,由于M2大于M1,因此分子蒸馏的相对挥发度大于常规蒸馏的相对挥发度,这就从理论上证明了分子蒸馏比常规蒸馏更容易实现物质的分离。同时,分子蒸馏由于处于非平衡状态下操作及其设备的内部结构特点,使得分离效率远高于常规蒸馏,从而可使产品的收率大大提高,降低生产成本。

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