分子蒸餾的原理、儀器及發(fā)展前景

簡(jiǎn)介
在溫度下，壓力越低，氣體分子的平均自由程越大。當(dāng)蒸發(fā)空間的壓力很低(10-2 ~10-4 mmHg) ，且使冷凝表面靠近蒸發(fā)表面，其間的垂直距離小于氣體分子的平均自由程時(shí)，從蒸發(fā)表面汽化的蒸氣分子，可以不與其他分子碰撞，直接到達(dá)冷凝表面而冷凝。
工作原理
分子蒸餾是一種特殊的液-液分離技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點(diǎn)差分離原理，而是靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)分離。
當(dāng)液體混合物沿加熱板流動(dòng)并被加熱，輕、重分子會(huì)逸出液面而進(jìn)入氣相，由于輕、重分子的自由程不同，因此，不同物質(zhì)的分子從液面逸出后移動(dòng)距離不同，若能恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置一塊冷凝板，則輕分子達(dá)到冷凝板被冷凝排出，而重分子達(dá)不到冷凝板沿混合液排出。這樣，達(dá)到物質(zhì)分離的目的。
分子蒸餾設(shè)備
在沸騰的薄膜和冷凝面之間的壓差是蒸汽流向的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于微小的壓力降就會(huì)引起蒸汽的流動(dòng)。在lmbar下 運(yùn)行要求在沸騰面和冷凝面之間短的距離，基于這個(gè)原理制作的蒸餾器稱為短程蒸餾器。短程蒸餾器(分子蒸餾)有--個(gè)內(nèi)置冷凝器在加熱面的對(duì)面，并使操作壓力降到0.001mbar。
短程蒸餾器是一個(gè)工作在1~0.001mbar壓力下熱分離技術(shù)過(guò)程，它較低的沸騰溫度，適合熱敏性、高沸點(diǎn)物。其基本構(gòu)成:帶有加熱夾套的圓柱型簡(jiǎn)體，轉(zhuǎn)子和內(nèi)置冷凝器;在轉(zhuǎn)子的固定架上精確裝有刮膜器和防飛濺裝置。內(nèi)置冷凝器位于蒸發(fā)器的中心，轉(zhuǎn)子在圓柱型簡(jiǎn)體和冷凝器之間旋轉(zhuǎn)。
短程蒸餾器由外加熱的垂直圓簡(jiǎn)體、位于它的中心冷凝器及在蒸餾器和冷凝器之間旋轉(zhuǎn)的刮膜器組成。蒸餾過(guò)程是:物料從蒸發(fā)器的頂部加入，經(jīng)轉(zhuǎn)子上的料液分布器將其連續(xù)均勻地分布在加熱面上,隨即刮膜器將料液刮成一層極薄、呈湍流狀的液膜，并以螺旋狀向下推進(jìn)。
在此過(guò)程中,從加熱面上逸出的輕分子，經(jīng)過(guò)短的路線和幾乎未經(jīng)碰撞就到內(nèi)置冷凝器上冷凝成液，并沿冷凝器管流下，通過(guò)位于蒸發(fā)器底部的出料管排出;殘液即重分子在加熱區(qū)下的圓形通道中收集，再通過(guò)側(cè)面的出料管中流出。
其基本原理為分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都在變化自由程(一個(gè)分子相鄰兩次分子碰撞之間走的路程)，而在的外界條件下，不同物質(zhì)的分子自由程各不相同。就某一種分子來(lái)說(shuō)，在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值稱為平均自由程。
根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論,液體混合物的分子接受到足夠能量時(shí),就會(huì)從液面逸出而成為氣相分子，隨著液面上方氣相分子的增加，有一.部分氣體就會(huì)返回液體。在6.1. 1分子蒸餾的基本原理一個(gè)分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都在變化自由程(一個(gè)分子相鄰兩次分子碰撞之間走的路程)，而在的外界條件下，不同物質(zhì)的分子自由程各不相同。就某一-種分子來(lái)說(shuō)，在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值稱為平均自由程。由熱力學(xué)原理可推導(dǎo)出: k燾●毒(田)，，式中，A。為平均自由程; d為分子有效直徑;夕為分子所處環(huán)境壓強(qiáng); T為分子所處環(huán)境溫度; k為玻爾茲曼常數(shù)。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，液體混合物的分子接受到足夠能量時(shí)，就會(huì)從液面逸出而成為氣相分子，隨著液面上方氣相分子的增加，有一部分氣體就會(huì)返回液體。在外界條件保持恒定情況下，終會(huì)達(dá)到分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)分子平均自由程式知，不同種類的分子，其平均自由程不同,即不同種類分子，其逸出液面后不與其它分子碰撞的飛行距離是不同的，輕分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在離液面小于輕分子的平均自由程而大于重分子的平均自由程處設(shè)置一捕集器， 使得輕分子不斷被捕集，從而破壞了輕分子的動(dòng)態(tài)平衡而使混合液中的輕分子不斷逸出，而重分子因到達(dá)不了捕集器而很快趨于動(dòng)態(tài)平衡，不再?gòu)幕旌弦褐幸莩?，這樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。分子蒸餾原理如圖6.1所示。
兩組分混合物進(jìn)行分離時(shí)，以相對(duì)揮發(fā)度表示其分離能力:
分子蒸餾技術(shù)正是利用了不同種類分子逸出液面后直線飛行的距離不同這一性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的。圖14- -7為分子蒸餾原理圖。由圖14- -7可以看出，液體混合物為了達(dá)到分離的目的，首先進(jìn)行加熱，能量足夠的分子逸出液面。輕分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在離液面小于輕分子的平均自由程而大于重分子平均自由程處設(shè)置一-冷凝面，使得輕分子落在捕集器冷凝面.上被冷凝，而重分子則因達(dá)不到冷凝面而返回原來(lái)液面，這樣就將混合物分離了。蒸余物餾出物圖14-7分子蒸餾原理示意圖分子蒸餾其過(guò)程可分為5個(gè)步驟:①物料在加熱面的液膜形成;②分子在液膜表面上的自由蒸發(fā);③分子從加熱面向冷凝
面運(yùn)動(dòng):④分子在冷凝面上的捕獲:⑤餾分和殘留物的收集。
完整的分子蒸餾系統(tǒng)主要包括:脫氣系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、分子蒸餾器、加熱系統(tǒng)、真空冷卻系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。分子蒸餾系統(tǒng)見(jiàn)圖1o一2和圖10一3。圖10- -2分子蒸餾系統(tǒng)組成分子蒸餾裝置主要包括蒸發(fā)、物料輸入輸出、加熱、真空和控制等幾部分，其構(gòu)造如圖10-2所示。實(shí)驗(yàn)室所用分子蒸餾裝置多為玻璃裝置，也有適合工業(yè)化放大實(shí)驗(yàn)的小型金屬裝置。在物料輸入系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行脫氣，脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發(fā)性組分，避免其進(jìn)入分子蒸餾器內(nèi)在蒸餾過(guò)程中發(fā)生暴沸。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)格的密封性是分子蒸餾裝置的技術(shù)關(guān)鍵。一、分子蒸餾裝置的組成(1)蒸發(fā)系統(tǒng)以分子蒸餾蒸發(fā)器為核心，可以是單級(jí)，也可以是兩級(jí)或多級(jí)。該系統(tǒng)中除蒸發(fā)器外，往往還設(shè)置- -級(jí)或多級(jí)冷阱。(2)物料輸入、輸出系統(tǒng)以計(jì)量泵、級(jí)間輸料泵和物料輸出泵等組成，主要完成系統(tǒng)的連續(xù)進(jìn)料與排料功能。(3)加熱 系統(tǒng)根據(jù)熱源不同而設(shè)置不同的加熱系統(tǒng)，目前有電加熱、導(dǎo)熱油加熱及微波加熱。(4)真空獲得系統(tǒng)分子蒸餾在*真空下進(jìn)行操作，因此，該系統(tǒng)也是全套裝置的關(guān)鍵之一。真空系統(tǒng)的組合方式多種多樣，具體的選擇需要根據(jù)物料特點(diǎn)確定。
過(guò)程
短程蒸餾器還適合于進(jìn)行分子蒸餾。分子流從加熱面直接到冷凝器表面。分子蒸餾過(guò)程可發(fā)如下四步:
1、分子從液相主體向蒸發(fā)表面擴(kuò)散通常，液相中的擴(kuò)散速度是控制分子蒸餾速度的主要因素,所以應(yīng)盡量減薄液層厚度及強(qiáng)化液層的流動(dòng)。
2、分子在液層表面上的自由蒸發(fā)
蒸發(fā)速度隨著溫度的升高而上升，但分離因素有時(shí)卻隨著溫度的升高而降低，所以，應(yīng)以被加工物質(zhì)的熱穩(wěn)定性為前提，選擇經(jīng)濟(jì)合理的蒸餾溫度。
3、分子從蒸發(fā)表面向冷凝面飛射
4、蒸氣分子從蒸發(fā)面向冷凝面飛射的過(guò)程中，可能彼此相互碰撞，也可能和殘存于兩面之間的空氣分子發(fā)生碰撞。由于蒸發(fā)分子遠(yuǎn)重于空氣分子，且大都具有相同的運(yùn)動(dòng)方向，所以它們自身碰撞對(duì)飛射方向和蒸發(fā)速度影響不大。而殘氣分子在兩面間呈雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故殘氣分子數(shù)目的多少是影響飛射方向和蒸發(fā)速度的主要因素。
4、分子在冷凝面上冷凝
只要保證冷熱兩面間有足夠的溫度差( - -般為70~100°C),冷凝表面的形式合理且光滑則認(rèn)為冷凝步驟可以在瞬間完成，所以選擇合理冷凝器的形式相當(dāng)重要。
條件
1、殘余氣體的分壓很低,使殘余氣體的平均自由程長(zhǎng)度是蒸餾器和冷凝器表面之間距離的倍數(shù)。
2、在飽和壓力下，蒸汽分子的平均自由程長(zhǎng)度與蒸發(fā)器和冷凝器表面之間距離具有相同的數(shù)量級(jí)。
在這此理想的條件下，蒸發(fā)在沒(méi)有任何障礙的情況下從殘余氣體分子中發(fā)生。所有蒸汽分子在沒(méi)有遇到其它分子和返回到液體過(guò)程中到達(dá)冷凝器表面。蒸發(fā)速度在所處的溫度下達(dá)到可能的大值。蒸發(fā)速度與壓力成正比，因而，分子蒸餾的餾出液量相對(duì)比較小。在大中型短程蒸餾中，冷凝器和加熱表面之間的距離約為20~ 50mm,殘余氣體的壓力為10-3mbar時(shí)，殘余氣體分子的平均自由程長(zhǎng)度約為2倍長(zhǎng)。短程蒸餾器能滿足分子蒸餾的所有必要條件。
特點(diǎn)設(shè)備
一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要包括:分子蒸發(fā)器、脫氣系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。分子蒸餾裝置的核心部分是分子蒸發(fā)器，其種類主要有3種: (1)降膜式:為早期形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于液膜厚，效率差，當(dāng)今世界各國(guó)很少采用; (2)刮膜式:形成的液膜薄，分離效率高，但較降膜式結(jié)構(gòu)復(fù)雜; (3)離心式: 離心力成膜，膜薄，蒸發(fā)效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真空密封較難，設(shè)備的制造成本高。為提高分離效率，往往需要采用多級(jí)串聯(lián)使用而實(shí)現(xiàn)不同物質(zhì)的多級(jí)分離。