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。分子蒸馏四个过程:
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:蒸汽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。
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,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。
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分子蒸馏技术是一种特殊的液液分离技术,它产生于20世纪20年代,是伴随着人们对真空状态下气体运动理论的深入研究以及真空蒸馏技术的不断发展而逐渐兴起的一种新的分离技术。目前,分子蒸馏技术已成为分离技术中的一个重要分支。
分子蒸馏(molecular distillation)也称短程蒸馏(short-path distillation ),是一种在高真空下(残气分子的压力<0.1Pa)进行的连续蒸馏过程。分子蒸馏过程与传统的蒸馏过程不同,传统蒸馏是在沸点温度下进行分离的,蒸发与冷凝过程是可逆的,液相与汽相间会形成平衡状态。分子蒸馏过程是一个不可逆的,并且在远离物质常压沸点温度下进行的蒸馏过程,更确切地说,它是分子蒸发的过程。
分子蒸馏技术的基本原理。根据分子运动平均自由程公式知,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,即其为不同种类分子。从统计学观点看,其逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的。分子蒸馏的分离就是利用液体分子受热后从液面逸出,而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,使得轻分子落在冷凝面上,重分子因达不到冷凝面而返回原来液面,这样混合物就得以分离。
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1、分离温度低
普通蒸馏需要在物料沸点温度进行,而分子蒸馏是根据不同种类的分子逸出液面后的平均自由程不同的性质来实现分离的,因而分子蒸馏可以低于物料沸点进行,这是分子蒸馏与常规蒸馏的本质区别,被分离物料只要存在着温度差就能分离。由于分离温度远低于物质的沸点,分子蒸馏可有效地避免被分离物质受热分解,且效率高。
2、蒸馏压力小,真空度高
由于分子蒸馏设备的特殊结构,系统内真空度较高,压力小于1Pa,根据克拉伯龙方程,压力的减小进一步降低了蒸馏温度,因而可有效避免易氧化物质的氧化分解。另外,对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、臭味物质等)的脱除,分子蒸馏较常规蒸馏有效得多。
3、受热时间短
分子蒸馏装置加热面与冷凝面的距离小于轻分子的平均自由程,液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面,因此受热时问很短。此外物料液膜厚度约为0.25~0.5mm,使液面与加热面的面积几乎相等,这样物料在蒸馏过程中受热时问就变得更短,一般是几秒至几十秒之问,能很好地保护物料的颜色及天然品质。由于分子蒸馏温度低,受热时问短,因此它很适合对高沸点、热敏性、易氧化物料进行有效分离。
分子蒸馏是在高真空条件下进行的,因此设备内要求具有较低的残气压力,这就会带来其他一系列的要求:
1、需要正确地选择真空泵机组性能与管道尺寸,确保能够快速地从容器内抽出气体。
2、正确选择蒸发面与冷凝面的形状、距离与相对位置,确保从设备的蒸馏内无阻碍地引出残余气体。蒸发面与冷凝面之间的具体过小时,一方面不利于抽除气体,另一方面蒸馏液的雾沫也易溅到冷凝面上,使分离效果变差。
3、分子蒸馏多用于分离热不稳定性物质,因此要求被加工的物料在蒸馏温度下停留较短的时间。
4、分子蒸馏过程中,液层内部的扩散是影响分子蒸馏过程的重要因素。因此分子蒸馏设备应力求减少液层厚度及强化液层的位移,使之湍动。
其次就是分子蒸馏时,被蒸馏的液体必须预先除气。因为在大气压下,无论何种液体都或多或少都会含有气体。这些气体的含量决定于液体本身的性质和它进入蒸馏装置之前所处的状态。
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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,而是与被蒸馏混合物的分子量的大小有关,能够实现远离沸点下的操作,分子量差异越大,分子自由程相差越大,馏出物就越纯。这里的分子自由程(用λ表示)是指一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。
在高真空的条件下,液体混合物沿着加热板流动被加热,根据不同分子量物质的分子平均自由程的不同,它们在汽化表面与冷凝表面之间分子平均自由程的大小以及蒸发度也明显的不同,轻组分分子的分子平均自由程的大,而重组分分子的分子平均自由程小,使得轻组分恰好能到达冷凝板上面被冷凝,使其沿冷凝板留下;而重组分分子因达不到冷凝板而沿着加热板留下,从而将不同物质进行分离。
分子蒸馏作为一种物理分离技术,能解决大量常规技术分离难于解决的问题,生产过程绿色清洁,具有广阔的应用前景。
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分子蒸馏原理示意
分子蒸馏的实现过程,简单地说,加热混合液体后,物料分子受热蒸发逸出液面,其中轻重分子的平均自由程不同,轻分子的自由程大,而重分子的自由程小。因此在离液面小于轻分子自由程、而大于重分子的自由程的某处,设置一冷凝面,轻分子就会在抵达该冷凝面时而被冷凝,冷凝后轻分子组分无法实现动态平衡,就会不断从液面逸出被冷凝面捕获,而重分子则因到不达冷凝面,很快就趋于动态平衡,从而实现混合物的分离。
另外常规真空蒸馏因为依靠沸点差,因此蒸馏过程中需要在沸点温度下进行,而分子蒸馏只要满足一定的蒸发率即可,因此操作温度都低于其沸点温度。因此这点上,分子蒸馏较常规蒸馏,被分离物质更不易分解或聚合。
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