新型分離技術(shù)第三章新型蒸餾技術(shù)第一部分：分子蒸餾

(MolecularDistillation,MD)第2頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一項重要分離技術(shù).第3頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾，又稱短程蒸餾，在極高真空下操作，依據(jù)分子運動平均自由程的差別，使液體在遠低于其沸點的溫度下實現(xiàn)分離。作為一種特殊的分離技術(shù)，能解決大量常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問題。第4頁,共57頁，星期六，2024年，5月真空蒸餾的操作壓力為104-102Pa，高真空蒸餾的壓力范圍為100-1Pa，分子蒸餾的壓力范圍為1-0.01Pa。分子蒸餾在極高真空下操作，蒸發(fā)面和冷凝面的間距小于蒸氣分子的平均自由程，由蒸發(fā)面逸出的分子，既不與殘余空氣碰撞，自身也不碰撞，毫無阻礙地噴射到冷凝面上發(fā)生冷凝。第5頁,共57頁，星期六，2024年，5月第6頁,共57頁，星期六，2024年，5月第7頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾過程（1）熱量通過加熱面?zhèn)鬟f到流動的薄層液膜內(nèi)，分子從液相主體向蒸發(fā)表面擴散，液相內(nèi)的擴散是控制分子蒸餾速率的主要因素。（2）在高真空下、遠低于沸點的溫度下，分子從液膜表面自由蒸發(fā)。（3）基于真空抽力，蒸發(fā)分子向冷凝面飛射。第8頁,共57頁，星期六，2024年，5月（4）分子自由程大于蒸發(fā)面-冷凝面距離的分子在冷凝面上冷凝，而分子自由程小于蒸發(fā)面-冷凝面距離的重組分分子則不能到達冷凝面。（5）沒有蒸發(fā)的重組分和返回加熱面上極少量輕組分由于重力或離心力作用落到加熱器的低部。第9頁,共57頁，星期六，2024年，5月比較內(nèi)容分子蒸餾普通蒸餾溫度任何溫度，只要與冷凝面存在溫差沸點溫度蒸發(fā)-冷凝過程不可逆過程可逆過程液體的蒸發(fā)液膜表面上的自由蒸發(fā)，不沸騰沸騰、鼓泡分離因子與組分蒸氣壓和分子量有關(guān)與組分蒸氣壓相關(guān)第10頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾的基本原理分子的平均自由程：氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走路程的平均值。

為分子平均自由程，為分子的平均速度，f為碰撞頻率。d為分子有效直徑，p

為分子所處空間的壓力。第11頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸發(fā)速率分子蒸餾的蒸發(fā)速率由物質(zhì)分子在蒸發(fā)面上的揮發(fā)速率決定，與汽液相平衡無關(guān)。組分的蒸發(fā)速率為：J為蒸發(fā)速率；po為組分的飽和蒸氣壓；M為組分的摩爾質(zhì)量；x為液膜中組分的摩爾分率。第12頁,共57頁，星期六，2024年，5月蒸發(fā)溫度分子蒸餾的蒸發(fā)溫度與被蒸餾的物質(zhì)的相對分子質(zhì)量呈線性增加關(guān)系。第13頁,共57頁，星期六，2024年，5月分離因子分子蒸餾分離過程不可逆，分離因子由蒸發(fā)速率求出：分子蒸餾的分離能力與被分離混合物的蒸氣壓和分子量有關(guān)。分子蒸餾可以分離蒸氣壓十分接近而分子質(zhì)量有差別的混合物。第14頁,共57頁，星期六，2024年，5月第15頁,共57頁，星期六，2024年，5月第16頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾裝置及設(shè)計降膜式分子蒸餾器中液膜的厚度、下流速度及蒸發(fā)面直徑如下：h為液膜厚度，u為液體的動力粘度，

為液體密度，

為蒸發(fā)面單位周長上的流速，D為蒸發(fā)面直徑。第17頁,共57頁，星期六，2024年，5月設(shè)計中力求減少液膜厚度，強化液層流動。盡量避免液沫飛濺，料液進蒸餾器前要充分脫氣，蒸發(fā)面與冷凝面之間的間距不要過小（一般為20至70毫米）。可以在蒸發(fā)面與冷凝面之間設(shè)置篩網(wǎng)作霧沫分離器。第18頁,共57頁，星期六，2024年，5月第19頁,共57頁，星期六，2024年，5月MDL-150（離心式）分子蒸餾設(shè)備第20頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)點適于高沸點、熱敏性、易氧化物料(蒸餾溫度低)。可有選擇性地蒸出目的產(chǎn)物(利用多級分子蒸餾同時分離兩種以上物質(zhì))。工藝簡單，溶劑污染少(分離過程為物理過程，不需要使用溶劑)。典型應(yīng)用：從魚油中提取二十碳五烯酸，二十二碳六烯酸。從植物中提取維生素A和E。第21頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾技術(shù)的局限性單純的分離技術(shù)，不具備提取功能。進樣物料及分離后的組分必須為低極性液態(tài)。設(shè)備、技術(shù)要求高，初期投入較大，生產(chǎn)能力有限。第22頁,共57頁，星期六，2024年，5月1.酸性氯化物2.氨基酸酯3.葡萄糖衍生物4.吲哚5.萜酯6.天然和合成維生素7.互葉白千層油8.辣椒堿9.大蒜素的精制10.川芎11.當歸姜油

中草藥有效成分的提純制藥第23頁,共57頁，星期六，2024年，5月1．醇類2.

—酯3.乙二醇醚4.除草劑5.全能碳氫化合物6．殺蟲劑7.硅油8.妥爾革柔油化工第24頁,共57頁，星期六，2024年，5月1．脂肪酸及衍生物2.二聚酯肪酸3.魚油4.小麥胚芽油5．種子油6.單甘油酯7.雙甘油酯8.生育酚9.黃油食品第25頁,共57頁，星期六，2024年，5月1．廣藿香油2.玫瑰油3.山倉子油4.桉葉油（茶樹油）5.香茅油6.橙油7.紫羅蘭酮香料香精第26頁,共57頁，星期六，2024年，5月成套的實驗室規(guī)模短程蒸餾第27頁,共57頁，星期六，2024年，5月實驗室分子蒸餾裝置第28頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾中試裝置第29頁,共57頁，星期六，2024年，5月分子蒸餾中試第30頁,共57頁，星期六，2024年，5月蒸發(fā)面積：KD120012平方米用于乳化劑生產(chǎn)第31頁,共57頁，星期六，2024年，5月4個流程每個蒸發(fā)面36平方米用于石蠟生產(chǎn)第32頁,共57頁，星期六，2024年，5月

第二部分膜蒸餾(Membranedistillation,MD)第33頁,共57頁，星期六，2024年，5月20世紀60年代，F(xiàn)indly提出膜蒸餾（membranedistillation)的概念。以微孔疏水膜將兩種不同溫度的水溶液分開，膜兩側(cè)溫度差造成膜兩側(cè)蒸汽壓差，蒸汽分子通過膜孔從高溫側(cè)向低溫側(cè)擴散傳遞并冷凝。膜蒸餾是蒸餾與膜過程的結(jié)合。第34頁,共57頁，星期六，2024年，5月第35頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾傳質(zhì)過程：水從熱料液主體擴散到膜—料液側(cè)表面；水在疏水膜—料液側(cè)表面汽化；水蒸汽擴散通過疏水膜孔；水蒸汽在膜—冷凝液側(cè)表面冷凝；水從膜—冷凝液側(cè)表面到液相主體擴散。第36頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾傳質(zhì)示意圖第37頁,共57頁，星期六，2024年，5月當膜兩側(cè)溫差不太大時，膜通量和膜兩側(cè)的蒸汽壓差為線性關(guān)系：p1和p2為膜兩側(cè)溫度下水的飽和蒸汽壓，C為膜的傳質(zhì)系數(shù)。多數(shù)情況下，膜的孔徑與膜蒸餾水蒸汽分子的平均自由程在同一個數(shù)量級，近似努森擴散。第38頁,共57頁，星期六，2024年，5月由于膜內(nèi)蒸汽壓不能直接測量，轉(zhuǎn)換為溫度的表示形式：可由Antoin方程計算：第39頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾傳熱過程：膜蒸餾中的傳熱有兩種機理：一為伴隨著蒸汽通量產(chǎn)生的潛熱傳遞，另一為通過膜的熱傳導(dǎo)。稀溶液的潛熱通量為：熱傳導(dǎo)通量為：第40頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾傳熱示意圖第41頁,共57頁，星期六，2024年，5月通過膜的總熱傳導(dǎo)為：H為膜的有效傳熱系數(shù)。膜蒸餾過程的熱量衡算式為：h1、h2為膜附近熱、冷液膜的傳熱系數(shù)。第42頁,共57頁，星期六，2024年，5月溫度極化

定義為溫度極化系數(shù)，表示總熱推動力用于傳質(zhì)推動力的分數(shù)。理想狀況下溫度極化系數(shù)為1。第43頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜的浸潤及浸潤壓力Laplace方程：R為孔徑，

i為液體的表面張力。第44頁,共57頁，星期六，2024年，5月第45頁,共57頁，星期六，2024年，5月第46頁,共57頁，星期六，2024年，5月第47頁,共57頁，星期六，2024年，5月第48頁,共57頁，星期六，2024年，5月當接觸角小于90°時，

p>0，液體可以自發(fā)進入膜孔。當接觸角大于90°時，

p<0，液體不能可以自發(fā)進入膜孔。必須施加一個大于

p的壓力，才能將液體壓入孔中。膜蒸餾時，膜兩邊的壓力差不應(yīng)超過浸潤壓力。第49頁,共57頁，星期六，2024年，5月浸潤壓力反比于膜孔的大小。膜孔較大的膜容易浸潤。影響膜浸潤的另一個重要參數(shù)為液體的表面張力。分子間的作用力強，表面張力高。水中含有有機溶劑，表面張力迅速降低，浸潤壓也降低。第50頁,共57頁，星期六，2024年，5月聚合物的表面能是決定浸潤的另一個重要因素。表面能高的聚合物容易浸潤，表面能低的聚合物不容易浸潤。第51頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾使用的疏水性微濾膜

聚合物膜表面能(103N/m)聚四氟乙烯(PTEF)19.1聚三氟乙烯23.9聚偏氟乙烯(PVDF)30.3聚乙烯(PE)33.2聚丙烯(PP)30.0第52頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾系統(tǒng)用于膜蒸餾的膜組件可為中空纖維、卷式和板框式等。膜蒸餾系統(tǒng)由預(yù)處理裝置、加熱裝置、冷卻裝置、熱能回收裝置等組成。第53頁,共57頁，星期六，2024年，5月預(yù)處理裝置：除去泥沙、懸浮物、有機物等，一般采用澄清、過濾、吸附等方法。加熱裝置：最好使用廢熱、余熱、地?zé)帷⑻柲艿取＠鋮s裝置：用原水或自來水冷卻。熱能回收裝置：采用熱交換器回收熱能。第54頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾裝置第55頁,共57頁，星期六，2024年，5月膜蒸餾的應(yīng)用膜蒸餾的優(yōu)點：可在非沸騰狀態(tài)下的較低溫度下操作，可利用工