分子蒸馏器(短程蒸馏器).docx

分子蒸馏是一种在高真空下操作的蒸馏方法，这时蒸气分子的平均自由程大于蒸发表面与冷凝表面之间的距离，从而可利用料液中各组分蒸发速率的差异，对液体混合物进行分离。   分子蒸馏简介在一定温度下，压力越低，气体分子的平均自由程越大。当蒸发空间的压力很低（10-2 10-4 mmHg），且使冷凝表面靠近蒸发表面，其间的垂直距离小于气体分子的平均自由程时，从蒸发表面汽化的蒸气分子，可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝表面而冷凝。 工作原理分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。 当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，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。这样，达到物质分离的目的。    分子蒸馏设备在沸腾的薄膜和冷凝面之间的压差是蒸汽流向的驱动力，对于微小的压力降就会引起蒸汽的流动。在1mbar下运行要求在沸腾面和冷凝面之间非常短的距离，基于这个原理制作的蒸馏器称为短程蒸馏器。短程蒸馏器（分子蒸馏）有一个内置冷凝器在加热面的对面，并使操作压力降到0.001mbar。 短程蒸馏器是一个工作在10.001mbar压力下热分离技术过程，它较低的沸腾温度，非常适合热敏性、高沸点物。其基本构成：带有加热夹套的圆柱型筒体，转子和内置冷凝器；在转子的固定架上精确装有刮膜器和防飞溅装置。内置冷凝器位于蒸发器的中心，转子在圆柱型筒体和冷凝器之间旋转。 短程蒸馏器由外加热的垂直圆筒体、位于它的中心冷凝器及在蒸馏器和冷凝器之间旋转的刮膜器组成。 蒸馏过程是：物料从蒸发器的顶部加入，经转子上的料液分布器将其连续均匀地分布在加热面上，随即刮膜器将料液刮成一层极薄、呈湍流状的液膜，并以螺旋状向下推进。在此过程中，从加热面上逸出的轻分子，经过短的路线和几乎未经碰撞就到内置冷凝器上冷凝成液，并沿冷凝器管流下，通过位于蒸发器底部的出料管排出；残液即重分子在加热区下的圆形通道中收集，再通过侧面的出料管中流出。 过程短程蒸馏器还适合于进行分子蒸馏。分子流从加热面直接到冷凝器表面。分子蒸馏过程    分子蒸馏可发如下四步： 1、分子从液相主体向蒸发表面扩散通常，液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速度的主要因素，所以应尽量减薄液层厚度及强化液层的流动。 2、分子在液层表面上的自由蒸发蒸发速度随着温度的升高而上升，但分离因素有时却随着温度的升高而降低，所以，应以被加工物质的热稳定性为前提，选择经济合理的蒸馏温度。 3、分子从蒸发表面向冷凝面飞射蒸气分子从蒸发面向冷凝面飞射的过程中，可能彼此相互碰撞，也可能和残存于两面之间的空气分子发生碰撞。由于蒸发分子远重于空气分子，且大都具有相同的运动方向，所以它们自身碰撞对飞射方向和蒸发速度影响不大。而残气分子在两面间呈杂乱无章的热运动状态，故残气分子数目的多少是影响飞射方向和蒸发速度的主要因素。 4、分子在冷凝面上冷凝只要保证冷热两面间有足够的温度差（一般为70100），冷凝表面的形式合理且光滑则认为冷凝步骤可以在瞬间完成，所以选择合理冷凝器的形式相当重要。 条件1、 残余气体的分压必须很低，使残余气体的平均自由程长度是蒸馏器和冷凝器表面之间距离的倍数。 2、 在饱和压力下，蒸汽分子的平均自由程长度必须与蒸发器和冷凝器表面之间距离具有相同的数量级。    分子蒸馏在这此理想的条件下，蒸发在没有任何障碍的情况下从残余气体分子中发生。所有蒸汽分子在没有遇到其它分子和返回到液体过程中到达冷凝器表面。蒸发速度在所处的温度下达到可能的最大值。蒸发速度与压力成正比，因而，分子蒸馏的馏出液量相对比较小。 在大中型短程蒸馏中，冷凝器和加热表面之间的距离约为2050mm，残余气体的压力为10-3mbar时，残余气体分子的平均自由程长度约为2倍长。短程蒸馏器完全能满足分子蒸馏的所有必要条件。 特点1、普通蒸馏在沸点温度下进行分离，分子蒸馏可以在任何温度下进行，只要冷热两面间存在着温度差，就能达到分离目的。 2、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相平衡状态；而分子蒸馏过程    分子蒸馏中，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，分子蒸馏过程是不可逆的。 3、普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象；分子蒸馏过程是液层表面上的自由蒸发，没有鼓泡现象。 4、表示普通蒸馏分离能力的分离因素与组元的蒸汽压之比有关，表示分子蒸馏分离能力的分离因素则与组元的蒸汽压和分子量之比有关，并可由相对蒸发速度求出。 优势优点优点1. 蒸馏温度低，分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的，只要存在温度差就可以达到分离目的，这是分子蒸馏与常规蒸馏的本质区别。 2. 蒸馏真空度高，分子蒸馏装置其内部可以获得很高的真空度，通常分子蒸馏在很低的压强下进行操作，因此物料不易氧化受损。 3. 蒸馏液膜薄,传热效率高。 4. 物料受热时间短，受加热的液面与加冷凝面之间的距离小于轻分子的平均自由程，所以由液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面。因此，蒸馏物料受热时间短，在蒸馏温度下停留时间一般    分子蒸馏几秒至几十秒之间，减少了物料热分解的机会。 5. 分离程度更高，分子蒸馏能分离常规不易分开的物质 6. 没有沸腾鼓泡现象，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。 7. 无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物，且操作工艺简单，设备少。分子蒸馏技术能分离常规蒸馏不易分离的物质。 8. 分子蒸馏设备价格昂贵，分子蒸馏装置必须保证体系压力达到的高真空度，对材料密封要求较高，且蒸发面和冷凝面之间的距离要适中，设备加工难度大，造价高。 9. 产品耗能小，由于分子蒸馏整个分离过热损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式,内部压强极低,内部阻力远比常规蒸馏小,因而可大大节省能耗。 优势从分子蒸馏技术以上的特点可知,它在实际工业化的应用中比常规蒸馏技术具有以下明显的优势: (1)对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离,分子蒸馏提供了最佳分离方法。因为分子蒸馏在远低于物料沸点的温度下操作,而且物料停留时间短; (2)分子蒸馏可极有效地脱除液体中的物质如有机溶剂、臭味等,这对于采用溶剂萃取后液体的脱溶是非常有效的方法; (3)分子蒸馏可有选择地蒸出目的产物,去除其它杂质,通过多级分离可同时分离2种以上的物质; (4)分子蒸馏的分馏过程是物理过程,因而可很好地保护被分离物质不受污染和侵害。 设备一套完整的分子蒸馏设备主要包括：分子蒸发器、脱气系统、进料系统、加热系统、冷却真空系统和控制系统。分子蒸馏装置的核心部分是分子蒸发器，其种类主要有3种：(1)降膜式：为早期形式，结构简单，但由于液膜厚，效率差，当今世界各国很少采用；(2)刮膜式:形成的液膜薄，分离效率高，但较降膜式结构复杂；(3)离心式：离心力成膜，膜薄，蒸发效率高，但结构复杂，真空密封较难，设备的制造成本高。为提高分离效率，往往需要采用多级串联使用而实现不同物质的多级分离。 1.降膜式分子蒸馏器为早期形式，结构简单，但由于液膜厚，效率差，当今世界各国很少采用。该装置是采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式。将物料加热,蒸发物就可在相对方向的冷凝面上凝缩。降膜式装置为早期形式，结构简单，在蒸发面上形成的液膜较厚，效率差，现在各国很少采用。 2.刮膜式分子蒸馏装置我国在80年代末才开展刮膜式分子蒸馏装置和工艺应用研究。该装置形成的液膜薄，分离效率高，但较降膜式结构复杂。它采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式，但为了使蒸发面上的液膜厚度小且分布均匀,在蒸馏器中设置了一硬碳或聚四氟乙烯制的转动刮板。该刮板不但可以使下流液层得到充分搅拌,还可以加快蒸发面液层的更新,从而强化了物料的传热和传质过程。其优点是:液膜厚度小,并且沿蒸发表面流动;被蒸馏物料在操作温度下停留时间短,热分解的危险性较小,蒸馏过程可以连续进行,生产能力大。缺点是:液体分配装置难以完善,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,所产生的雾沫也常溅到冷凝面上。但由于该装置结构相对简单,价格相对低廉,现在的实验室及工业生产中,大部分都采用该装置。 3. 刮板式分子蒸馏装置（Wiped-Film Molecular Still） 刮板式技术（Wiped-Film Style）采用的是Smith式45°对角斜槽刮板，这些斜槽会促使物料围绕蒸馏器壁向下运动，通过可控的刮板转动就能够提供一个程度很高的薄膜混合，使物料产生有效的微小的活跃运动，（而非被动地将物料滚辗在蒸馏器壁上，）这样就实现了最短的而且可控的物料驻留时间，和可控的薄膜厚度，从而能够达到最佳的热能传导、物质传输和分离效率。刮板式分子蒸馏设备通过一个平缓的过程，进料液体流经一个被加热的圆柱形真空室，利用进料液体薄膜的刮擦作用，将易挥发的成分从不易挥发的成分中分离出来。这种工艺的关键卓越优势在于：短暂的进料液体滞留时间、凭借高真空性能的充分降温、最佳的混合效率，以及最佳的物质和热传导。这种高效的热分离技术的结果是：最小的产品降解和最高的产品质量。进料液体暴露给加热壁的时间非常短暂（仅几秒钟），这部分归因于带缝隙的刮板设计，它迫使液体向下运动，并且滞留时间、薄膜厚度和流动特性都受到严格的控制，非常适合热敏性物质的分离应用。另外，这种带斜槽的刮板不会将物料甩离蒸馏器壁，污染已被分离出来的轻组分。与传统的柱式蒸馏设备、降膜式蒸馏设备、旋转蒸发器和其他分离设备比较，刮板式蒸馏设备被公认为要出色得多。 4.离心式分子蒸馏装置离心式分子蒸馏装置离心力成膜，膜薄，蒸发效率高。但结构复杂，制造及操作难度大。该装置将物料送到高速旋转的转盘中央,并在旋转面扩展形成薄膜,同时加热蒸发,使之与对面的冷凝面凝缩,该装置是目前较为理想的分子蒸馏装置。但与其它两种装置相比,要求有高速旋转的转盘,又需要较高的真空密封技术。离心式分子蒸馏器与刮膜式分子蒸馏器相比具有以下优点:由于转盘高速旋转,可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀,蒸发速率和分离效率更好;物料在蒸发面上的受热时间更短,降低了热敏物质热分解的危险;物料的处理量更大,更适合工业上的连续生产。 设备发展状况1. 北京新特科技发展公司分子蒸馏设备，北京新特科技发展公司是由北京化工大学创办的全资高科技公司，成立十几年来，所开发的分子蒸馏(短程蒸馏)技术及工业化装置得到了迅猛发展，该项目于1998年获国家石化局(原化工部)科技进步一等奖，同年被国家科技部列为全国重点推广项目，另外完成“863”国家项目一项，并获得2001年度国家科技进步二等奖。被专家们誉为“国内领先、国际先进，是产、学、研相结合的典范”。 2. 美国POPE科学公司成立于1963年，是专业从事蒸馏、精馏设备的制造厂家，产品涵盖实验室、中试和工业生产用设备。Pope采用的刮板式工艺（Wiped-Film Style）的特点是：短暂的进料液体滞留时间、凭借高真空性能的充分降温、最佳的混合效率，以及最佳的物质和热传导。这种高效的热分离技术的结果是：最小的产品降解和最高的产品质量。物料暴露给加热壁的时间非常短（仅几秒钟），这部分归因于带缝隙的刮板设计，它迫使进料液体向下运动，并且滞留时间、薄膜厚度和流动特性都受到严格控制。 3. 德国NGW公司分子蒸馏设备，又称短程蒸馏，英文名称为：short-path evaporator，其操作压力范围为：0.001-1000mbar。采用两级回收瓶,真空的密封性能更好。在蒸馏的同时，重相和轻相组份均能连续取样进行检测，取样次数可以达到10次以上。在0.001mar的真空条件下进行的薄膜蒸发过程称为短程蒸发过程,蒸发器中部保证集成冷凝器,在小于或等于0.001mbar的真空条件下进行的薄膜蒸发过程统称为分子蒸馏.分子蒸馏能达到0.001mbar的超低真空度，这是因为蒸发面和冷凝面的距离小于或等于被分离物料的分子平均自由程，而这是传统类型的蒸馏无法达到的。 4. 德国威帝恩公司为真空蒸馏设备的专业生产厂家，提供刮膜蒸发和短程/分子蒸馏设备。产品从小试，中试，到大型生产设备。世界上最大的短程蒸馏设备即为VTA提供。这些设备专门用于热敏物质和高沸点物质的蒸馏分离和提纯，短程蒸馏真空度可达0.001毫巴，使物质的沸点降低，蒸馏的持续时间缩短，避免对蒸馏产品的破坏。 5.德国UIC公司成立于1950年，UIC公司专攻于蒸馏设备的设计和交钥匙工程，为客户的各种需求提供最佳解决方案，并且有世界上最小的实验研究用的短程蒸馏设备。采用上部进料，物料从进料管进入后加到物料分配盘上，物料盘旋转离心分配物料到蒸发器四周侧壁，不会出现结焦现象。全加热型蒸发器为模块化设计，具有三个独立的加热区域（蒸发区域、重组分出料区域、馏分出料区域和内置冷凝器）以保证物料在整个蒸馏过程中具有良好的流动性。UIC设备具有一次离心成膜+ 一次机械成膜，膜更均匀，真空度可达0.001毫巴。分子蒸馏器一种分子蒸馏器，属于机械设备领域。由进料口(1)、电动减速机(2)、加热器(3)、冷凝器(4)、蒸馏器外壳(5)、法兰盘(6)、蒸馏液收集罐 (7)、残余物收集罐(8)、冷井(9)、真空泵(10)构成，其特征在于蒸馏器外壳(5)设在冷井管路的下方，冷凝器(4)设在蒸馏器外壳(5)的内部，蒸馏液同样通过管路自冷凝器下部流出，但由于蒸馏器外壳(5)下移，扩大了蒸馏残余物的堆积空间，即便是蒸馏残余物倒流，也是通过冷井管路流入冷井，不至于出现蒸馏残余物倒流至冷凝器污染蒸馏液的问题。法兰盘(6)设在冷井下方，冷凝器(4)固定在法兰盘(6)上。清洗和维修时，只需将法兰盘(6)拆开，就可将冷凝器取出。