分子蒸馏技术讲义课件.ppt
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1、2023/3/22,1,分子蒸馏技术,分子蒸馏技术讲义,2023/3/22,2,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。,引子,2023/3/22,3,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
2、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。,分子蒸馏技术的优点,2023/3/22,4,1 几个基本概念,2023/3/22,5,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。,分子碰撞,2023/3/22,6,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
3、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,2023/3/22,7,则m=Vm/ff=Vm/m 由热力学原理可知:则,设Vm为某一分子的平均速度;f为碰撞频率;m为平均自由程,2023/3/22,8,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
4、同。,2023/3/22,9,分子蒸馏的挥发度,M1轻组分相对分子质量M2重组分相对分子质量;p1轻组分饱和蒸气压,Pa;p2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,2023/3/22,10,2 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间题,首
5、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。,2023/3/22,11,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。,2023/3/22,12,此外,由于釜内液层很厚,液层的压力又进一步增大了底层
6、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。,2023/3/22,13,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
7、,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。,2023/3/22,14,3 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。
8、,2023/3/22,15,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,2023/3/22,16,2023/3/22,17,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。,2023/3/22,18,2023/3/22,19,4 分子蒸馏过程(四步曲),(1)物料分子从液相主体向蒸
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