分子蒸馏技术研究进展

1、分子蒸馏技术研究进展分子蒸馏技术研究进展主要内容主要内容 分子蒸馏技术简介分子蒸馏技术简介原理原理过程过程特点特点 分子蒸馏技术研究进展分子蒸馏技术研究进展设备发展设备发展研究成果研究成果应用进展应用进展2021-8-72一、分子蒸馏技术简介一、分子蒸馏技术简介 分子蒸馏又称分子蒸馏又称短程蒸馏。短程蒸馏。 分子蒸馏是一种特殊的液分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，它不同于传统蒸液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差的分离原理，而是靠不同物质分子运动馏依靠沸点差的分离原理，而是靠不同物质分子运动平均平均自由程自由程的差别实现分离。的差别实现分离。 在在高真空高真空下，当液体混合物沿加热板流动并

2、被加热，轻、下，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，不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板，轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板，与混合液排出。这样，达到物质分离的目的。与混合液排出。这样，达到物质分离的目的。1.分子蒸馏技术原理分子蒸馏技术原理2021-8-73分子平均自由程分子平均自由程自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰

3、撞之间，经过的直线路程间，经过的直线路程对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律的自由程具有确定的统计规律大量分子自由程的平均值称为平均自由程大量分子自由程的平均值称为平均自由程轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小 2021-8-742.分子蒸馏过程分子蒸馏过程分子蒸馏过程可分为以下四步：分子蒸馏过程可分为以下四步：分子从液相主体向蒸发表面扩散分子从液相主体向蒸发表面扩散分子在液层表面上的自由蒸发分子在液层表面上的自由蒸发分子从蒸发表面向冷凝面飞射分子从蒸发表面向冷凝面飞射分子

4、在冷凝面上冷凝分子在冷凝面上冷凝2021-8-753.分子蒸馏技术特点分子蒸馏技术特点蒸馏温度低蒸馏温度低受热时间短受热时间短分离程度高分离程度高特别适合以下物料的分离、浓缩与纯化特别适合以下物料的分离、浓缩与纯化热敏性、易氧化的活性物质热敏性、易氧化的活性物质高分子量、高沸点、高粘度物料高分子量、高沸点、高粘度物料2021-8-76二、分子蒸馏技术研究进展二、分子蒸馏技术研究进展 静止式分子蒸馏装置静止式分子蒸馏装置最早出现，简单、低廉，容易分解，分离效率低，现已被淘汰最早出现，简单、低廉，容易分解，分离效率低，现已被淘汰 降膜式分子蒸馏装置降膜式分子蒸馏装置早期形式，结构简单，但液膜厚，效

5、率差，当今世界各国很少采用早期形式，结构简单，但液膜厚，效率差，当今世界各国很少采用 刮膜式分子蒸馏装置刮膜式分子蒸馏装置形成的液膜薄，分离效率高，但较降膜式结构复杂形成的液膜薄，分离效率高，但较降膜式结构复杂 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，真空密封较难离心力成膜，膜薄，蒸发效率高，但结构复杂，真空密封较难1.分子蒸馏设备的发展分子蒸馏设备的发展2021-8-77德国德国U.I.C 公司公司 KDL-12021-8-782.分子蒸馏技术最新研究成果分子蒸馏技术最新研究成果对分子蒸馏器的设计研究对分子蒸馏器的设计研究对分子蒸馏基本理论的研究对分子蒸

6、馏基本理论的研究对分子蒸馏数学分析模型的研究对分子蒸馏数学分析模型的研究2021-8-792.1 对分子蒸馏器的设计研究对分子蒸馏器的设计研究对离心式分子蒸馏器的加热装置进行改进对离心式分子蒸馏器的加热装置进行改进美国的美国的Jacques和和Alain发明了电感加热的分子蒸馏装置。发明了电感加热的分子蒸馏装置。此装置采用一电感加热设备代替传统的热能加热设备此装置采用一电感加热设备代替传统的热能加热设备, , 真正实现对蒸馏料液的均匀加热真正实现对蒸馏料液的均匀加热, , 具有高效、节能的具有高效、节能的特点特点, , 很有推广应用价值很有推广应用价值四川省的周增龙发明了真空分子蒸馏静态电加热

7、器四川省的周增龙发明了真空分子蒸馏静态电加热器, , 此发明可使热量直接迅速均匀地传至被加热壁面此发明可使热量直接迅速均匀地传至被加热壁面, , 无无需导热油循环设备需导热油循环设备, , 既简化了设备结构既简化了设备结构, , 降低了热损降低了热损失失, , 又提高了传热效率又提高了传热效率, , 适用于化工医药行业中分离适用于化工医药行业中分离精制高感热、高沸点及高粘物质的真空分子蒸馏精制高感热、高沸点及高粘物质的真空分子蒸馏2021-8-710对分子蒸馏器的蒸馏空间几何外形进行改进对分子蒸馏器的蒸馏空间几何外形进行改进中国山东青岛的蔡沂春发明了中国山东青岛的蔡沂春发明了M形离心式分子蒸馏

8、器形离心式分子蒸馏器, , 此发明是一种从液状油脂类中分离提纯出高沸点而易此发明是一种从液状油脂类中分离提纯出高沸点而易于热分解的有机物的分子蒸馏器于热分解的有机物的分子蒸馏器, , 具有高药用纯、高具有高药用纯、高分离能力及高节能能力的特性分离能力及高节能能力的特性, , 回收率与处理能力均回收率与处理能力均良好。良好。中国福建省的陈德裕发明了悬锥形离心式分子蒸馏器中国福建省的陈德裕发明了悬锥形离心式分子蒸馏器, , 具有便于制造及安装、能够防止雾沫飞溅、提高产品具有便于制造及安装、能够防止雾沫飞溅、提高产品质量等优点。由于该结构相对的蒸发面积大质量等优点。由于该结构相对的蒸发面积大, ,

9、可以在可以在分子自由程较短的条件下完成蒸馏分子自由程较短的条件下完成蒸馏, , 蒸馏效果好。蒸馏效果好。2021-8-711对分子蒸馏器的结构进行改进对分子蒸馏器的结构进行改进以均衡分离因素和蒸发速率以均衡分离因素和蒸发速率,使其达到最佳状态使其达到最佳状态 Lutisan等人在分子蒸馏器内部设计一个捕集分离器等人在分子蒸馏器内部设计一个捕集分离器, , 从而提高了馏出物的组分浓度，但同时也降低了蒸发从而提高了馏出物的组分浓度，但同时也降低了蒸发速率速率, , 这种设计特别适用于有闪蒸现象的分子蒸馏这种设计特别适用于有闪蒸现象的分子蒸馏国内有学者设计了降膜回流式分子蒸馏装置国内有学者设计了降膜

10、回流式分子蒸馏装置, , 并对分并对分子蒸馏中流出液以液液接触的方式进行多段回流子蒸馏中流出液以液液接触的方式进行多段回流, , 提提高其分离能力高其分离能力, , 使蒸馏装置实现精馏使蒸馏装置实现精馏, , 对难分离物质对难分离物质进行分离进行分离2021-8-7122.2 对分子蒸馏基本理论的研究对分子蒸馏基本理论的研究近几年近几年, , 随着分子蒸馏技术应用的不断深入随着分子蒸馏技术应用的不断深入, ,学者学者们发现其基本理论有一定缺陷们发现其基本理论有一定缺陷传统的分子蒸馏理论是建立在分子动力学中平均自由传统的分子蒸馏理论是建立在分子动力学中平均自由程概念上程概念上, , 认为分子蒸馏

11、需满足蒸发面与冷凝面的间认为分子蒸馏需满足蒸发面与冷凝面的间距小于或等于分子平均自由程。距小于或等于分子平均自由程。但在生产实践中，存在较大偏差。实践中把蒸发面与但在生产实践中，存在较大偏差。实践中把蒸发面与冷凝面的间距设计为远大于分子平均自由程冷凝面的间距设计为远大于分子平均自由程, , 可发现可发现蒸发速率和分离效率并无显著变化。蒸发速率和分离效率并无显著变化。2021-8-713在分子蒸馏过程中在分子蒸馏过程中, , 液体混合物被加热蒸发液体混合物被加热蒸发, ,液液界面被液液界面被冷却冷却, , 易挥发相浓度不断减少易挥发相浓度不断减少, , 主体相存在着传质传热主体相存在着传质传热阻

12、力阻力在蒸馏过程中在蒸馏过程中, , 分子又以一定的速度逃逸气液界面分子又以一定的速度逃逸气液界面, , 存存在界面阻力在界面阻力, , 此时需考虑液膜中扩散作用和分子蒸馏蒸此时需考虑液膜中扩散作用和分子蒸馏蒸发作用的双重影响发作用的双重影响研究人员从微观动力学入手研究人员从微观动力学入手, , 结合流体动力学、热结合流体动力学、热传递、质量传递和表面蒸发现象传递、质量传递和表面蒸发现象, , 建立一系列系统建立一系列系统平衡方程，从而得到界面温度、液膜厚度和浓度等平衡方程，从而得到界面温度、液膜厚度和浓度等宏观性质，阐明蒸发系数宏观性质，阐明蒸发系数E E的物理意义的物理意义, , 完善分子

13、完善分子蒸馏基本理论。蒸馏基本理论。2021-8-714 Micov，Miroslav等对分子蒸馏的平衡方程等对分子蒸馏的平衡方程进行了深入的研究和理论推导进行了深入的研究和理论推导, 认为分子蒸馏过认为分子蒸馏过程可由以下四个基本平衡方程构建程可由以下四个基本平衡方程构建:应用于分子蒸馏蒸汽阶段质量传递的应用于分子蒸馏蒸汽阶段质量传递的Boltzmann方程方程: 式中式中, PA为组分为组分A的分压；的分压；MA为组分为组分A的分子质量；的分子质量；A， B为组分为组分A、组分、组分B的单粒子分布函数的单粒子分布函数2021-8-715在重力作用下形成液膜流动的在重力作用下形成液膜流动的N

14、avier-Stokes方方程程: 式中式中, , j j为蒸发面上的液膜流动速度；为蒸发面上的液膜流动速度；为蒸馏物料为蒸馏物料的运动粘度的运动粘度; ; j j为蒸发面上的单粒子分布函数。为蒸发面上的单粒子分布函数。质量扩散方程质量扩散方程: 式中，式中，Cijij为组分为组分i在蒸发面或冷凝面在蒸发面或冷凝面j上的浓度；上的浓度；D为扩为扩散系数散系数2021-8-716热量平衡方程热量平衡方程:式中式中, Tj为蒸发面或冷凝面为蒸发面或冷凝面j的温度的温度; 为液膜导热系数。为液膜导热系数。 运用这些方程可对各种操作条件下的分子蒸运用这些方程可对各种操作条件下的分子蒸馏过程建立模型馏过

15、程建立模型, 并对其影响参数进行估算并对其影响参数进行估算, 优化优化其模型。此外其模型。此外, 还有学者结合具体工艺流程对其蒸还有学者结合具体工艺流程对其蒸发速率、分离效率进行分析发速率、分离效率进行分析, 建立工艺参数数学模建立工艺参数数学模型型, 为确定最佳工艺流程提供依据。为确定最佳工艺流程提供依据。2021-8-7172.3 对分子蒸馏数学分析模型的研究对分子蒸馏数学分析模型的研究 国外许多学者尝试建立分子蒸馏数学分析国外许多学者尝试建立分子蒸馏数学分析模型模型, , 用以对分子蒸馏进行分析研究。用以对分子蒸馏进行分析研究。 G.JREES针对离心式分子蒸馏器针对离心式分子蒸馏器,

16、, 从传质传热机理及流从传质传热机理及流体动力学理论出发体动力学理论出发, , 提出一维数学分析模型提出一维数学分析模型, , 建立了蒸建立了蒸发面温度、液膜厚度与蒸发速率关联的有限元方程发面温度、液膜厚度与蒸发速率关联的有限元方程, ,并并考虑了重力与离心力的相互影响关系考虑了重力与离心力的相互影响关系, , 从微观方面分析从微观方面分析分子蒸馏过程。分子蒸馏过程。2021-8-718 Jirai Lutisan和和Jan Cvengros采用直接模拟采用直接模拟Monte Carlo法法(DSMC)建立一个分子蒸馏的一维数学模型建立一个分子蒸馏的一维数学模型, , 可求出可求出蒸馏空间的微

17、粒速率。应用此数据蒸馏空间的微粒速率。应用此数据, , 那些与蒸馏空间中那些与蒸馏空间中特定位置有关的宏观变量例如微粒密度、碰撞频率、平特定位置有关的宏观变量例如微粒密度、碰撞频率、平均自由程和动力学温度均可计算出来。均自由程和动力学温度均可计算出来。 目前目前, , 分子蒸馏数学模型多为一维模型分子蒸馏数学模型多为一维模型, , 二维及多维模二维及多维模型研究较少。型研究较少。2021-8-7193.分子蒸馏技术的应用新进展分子蒸馏技术的应用新进展精细化工精细化工石油化工石油化工日用化工日用化工食品工业食品工业医药工业医药工业塑料工业塑料工业2021-8-720国内学者普遍开展这方面的研究，

18、如：国内学者普遍开展这方面的研究，如：广东的陆韩涛利用分子蒸馏技术制备各种芳香油，广东的陆韩涛利用分子蒸馏技术制备各种芳香油，通过分子蒸馏通过分子蒸馏, , 芳香油产品中的余味和颜色基本芳香油产品中的余味和颜色基本除去有效成分增加除去有效成分增加, , 质量可达到出口要求质量可达到出口要求山东的孙伯鲁发明了用植物油脂不皂化物提取天山东的孙伯鲁发明了用植物油脂不皂化物提取天然然VE的新工艺的新工艺, , 这是一种实用的工业化生产过程这是一种实用的工业化生产过程, , 而其核心是分子蒸馏而其核心是分子蒸馏2021-8-721西南农业大学的吴永娴、钟耕发明了利用分子蒸馏方西南农业大学的吴永娴、钟耕发明了利用分子蒸馏方法从甜橙油中提取类胡萝卜色素的新工艺法从甜橙油中提取类胡萝卜色素的新工艺生产低游离生产低游离TDI( (甲苯二异氰酸酯甲苯二异氰酸酯) )双组分聚氨酯涂料固双组分聚氨酯涂料固化剂，采用分子蒸馏技术一般经三级蒸馏化剂，采用分子蒸馏技术一般经三级蒸馏, , 游离游离TDI的的含量达到国家标准含量达到国家标准GB1858 -2001二十八碳醇采用分子蒸馏技术进行精制二十八碳醇采用分子蒸馏技术进行精制, 可以有效地避可以有效地避免溶剂残留免溶剂残留, 而且工艺过程简单而且工艺过程简单, 操作安全可靠