分子蒸馏.ppt
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分子蒸馏是一种特殊的液分子蒸馏是一种特殊的液-液分离液分离技术,它不同于传统蒸馏依靠沸点差分技术,它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离,而是靠不同物质分子运动平均自由离,而是靠不同物质分子运动平均自由程的不同实现分离。
程的不同实现分离。
分子蒸馏技术分子蒸馏技术分子运动自由程分子运动平均自由程分子运动自由程的分布规律有关分子运动理论有关分子运动理论分子运动平均自由程分子运动平均自由程一、分子蒸馏原理一、分子蒸馏原理分分子子与与分分子子之之间间存存在在着着相相互互作作用用力力。
当当两两分分子子离离得得较较远远时时,分分子子之之间间的的吸吸引引力力是是主主要要的的。
但但当当两两分分子子相相互互接接近近到到一一定定距距离离之之后后,分分子子之之间间的的作作用用力力就就会会改改变变为为斥斥力力,并并且且随随着着其其接接近近程程度度而而迅迅速速增增加加。
当当接接近近到到一一定定程程度度时时,由由于于斥斥力力的的作作用用,两两分分子子发发生生斥斥离离。
这这种种由由于于接接近近而而至至斥斥离离的的过过程程就就是是分分子子的的碰撞过程碰撞过程。
分子碰撞:
分子运动自由程:
一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。
一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。
分子有效直径分子在碰撞过程中,两分子质心的最短距离(即发生斥离的质心距离)称为分子有效直径。
分子运动自由程分子运动自由程一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程分子运动平均自由程分子运动平均自由程任一分子在运动过程中都在不断变化自由程,而在一定的外界条件下,不同物质的分子其自由程各不相同。
在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程在某时间间隔内,分子自由程的平均值平均自由程的数字表达式可写为:
平均自由程平均自由程dd分子有效直径(两质心最短距离)分子有效直径(两质心最短距离)p运动分子所处空间的压强;运动分子所处空间的压强;运动分子的环境温度;运动分子的环境温度;波尔兹曼常数波尔兹曼常数分子运动平均自由程:
温度、压力及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素。
当压力一定时,一定物质的分子运动平均自由程随温度增加而增加。
当温度一定时,平均自由程m与压力p成反比,压力越小(真空度越高),m越大,即分子间碰撞机会越少、不同物质因其有效直径不同,因而分子平均自由程不同。
根据分子运动理论,液体分子受热从液面逸出,不同种类的分子,其平均自由程不同;液体混合物为达到分离的目的,首先进行加热,能量足够的分子逸出液面。
轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面,使得轻分子落在冷凝面上被冷凝,从而破坏了轻分子的动态平衡,使得轻分子继续不断逸出。
而重分子因达不到冷凝面,很快趋于动态平衡。
这样就将混合物分离了。
由于轻分子只走很短的距离即被冷凝,所以分子蒸馏亦叫短程蒸馏。
(ShortPathDistillation)分子蒸馏原理示意图分子蒸馏原理示意图当液体混合物沿加热板流动当液体混合物沿加热板流动并被加热并被加热,轻、重分子会逸轻、重分子会逸出液面而进入气相出液面而进入气相,由于其由于其中轻、重分子的自由程不同中轻、重分子的自由程不同,因此因此,不同物质的气相分子不同物质的气相分子移动距离不同,若能恰当地移动距离不同,若能恰当地设置一块冷凝板,则轻分子设置一块冷凝板,则轻分子达到冷凝板被冷凝并排出,达到冷凝板被冷凝并排出,而重分子达不到冷凝板沿混而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。
这样,达到物质合液排出。
这样,达到物质分离的目的。
分离的目的。
分子蒸馏技术的特点分子蒸馏技术的特点由分子蒸馏的基本原理可知,分子蒸馏应满足两个条件:
轻、重分子的平均自由程必须要有差异,且差异越大越好;蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。
分子蒸馏较于常规蒸馏的优势分子蒸馏较于常规蒸馏的优势操作温度低蒸气压强低受热时间短分离程度及产品收率高()操作温度低常规蒸馏是靠不同物质的沸点差进行分离的,而分子蒸馏是靠不同物质的分子运动平均自由程的差别进行分离的,也就是说后者在分离过程中,蒸气分子一旦由液相中逸出(挥发)就可实现分离,而并非达到沸腾状态。
因此,分子蒸馏是在远离沸点下进行操作的。
()蒸气压强低由分子运动平均自由程公式可知,要想获得足够大的平均自由程必须通过降低蒸馏压强来获得。
()受热时间短鉴于分子蒸馏是基于不同物质分子运动平均自由程的差别而实现分离,因而装置中加热面与冷凝面的间距要小于轻分子的运动平均自由程(即间距很小),这样,由液面逸出的轻分子几乎未发生碰撞即达到冷凝面所以受热时间很短。
()分离程度及产品收率高分子蒸馏常常用来分离常规蒸馏难以分离的物质,而且就两种方法均能分离的物质而言,分子蒸馏的分离程度更高。
从两种方法相同条件下的挥发度不同可以看出这一点分子蒸馏的挥发度一般用下式表示:
M1轻组分相对分子质量M2重组分相对分子质量;p1轻组分饱和蒸气压,Pa;p2重组分饱和蒸气压,Pa;相对挥发度。
而常规蒸馏的相对挥发度为:
由于项中,因此即分子蒸馏的适用范围1.分子蒸馏适用于不同物质分子量差别较大的液体混合物系的分离,特别是同系物的分离,分子量必须要有一定差别。
2.分子蒸馏也可用于分子量接近但性质差别较大的物质的分离,如沸点差较大、分子量接近的物系的分离。
3.分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、易氧化(或易聚合)物质的分离。
4.分子蒸馏适宜于附加值较高或社会效益较大的物质的分离。
5.分子蒸馏不适宜于同分异构体的分离。
对于许多物料而言,至今基本上仍未有可供实际应用的数学公式能对分子蒸馏中的变量参数进行准确的描述。
但在包括生产线在内的相关设计模型范围内,由经验从各种规格蒸发器模型中获得的蒸馏条件,可以安安全全地推广到从实验室用的到生产线上用的分子蒸馏装置中,尽管没有一个完整的理论。
二、分子蒸馏有关理论二、分子蒸馏有关理论膜形成Nasselt对降膜、无机械运动的“垂直”装置中的膜形成,描述如下:
假设一个层(无扰动)流,其名义膜厚:
式中:
名义膜厚米物料动力粘度米2秒-1g重力加速度米秒-2雷诺数,无因次400时,该方程成立表面载荷米3秒-1米-1物料的动力粘度米2秒-1这里:
对机械式刮膜来说,文献中所见到的所有膜厚都是由经验公式确定的,它们介于0.050.5mm之间。
主要参数是:
*表面载荷(取决于蒸发器的长度)*物料粘度*刮片元件施加于膜上的力停留时间和热分解停留时间和热分解名义停留时间直接取决于:
加热面长度物料粘度表面载荷要求的产量简单的例子:
每小时60升的物料加到0.75m2的一个蒸发器内,假设最大刮膜厚度为0.5mm,那么必然只有0.375升的物料分布整个蒸发面上。
在这种情况下,物料被“滞留”在蒸发面上的时间仅为22.5秒放射同位素测量结果与这些数据一致。
根据各种物料的浓度曲线计算出的名义停留时间为15秒。
分解几率(对物料的热破坏)Hickman和Embree对分解几率给出如下公式:
ZptZ分解几率P工作压力(与工作温度成正比)t停留时间秒相同物料在不同蒸馏过程中的相同物料在不同蒸馏过程中的热损伤热损伤比较一览表:
比较一览表:
系统类型停留时间(秒)工作压力(毫托)分解几率Z=p.t稳定性指数Z1=lgz间歇蒸馏柱4,00076010331099.48间歇蒸馏3,0002010361077.78旋转蒸发器3,000210361066.78真空循环蒸发器1002010321066.30刮膜蒸发器柱25210351044.70降膜蒸发器201201.30分子蒸发器101101.00物料在分子蒸馏中的分解几率分解几率和停留时间停留时间比其它类型的蒸发器低了数量级。
因此,用分子蒸馏总是可以保证:
物料少受破坏重复性效率蒸发速度蒸发速度数学公式仅仅适用于具有自由流动膜的“纯”分子蒸馏推广的Langmuirknudsen方程为:
式中:
蒸发速度Kg/m2h分子量蒸汽压mbar蒸馏温度k此式是假定蒸发是不受其它分子的阻碍情况下导出的,然而某些蒸发出来的分子在到达冷凝表面以前,难免要与残余气体的分子碰撞,所以上式给出的G值通常是达不到的,用了一个近似等号。
实际中必需乘以一个因子来加以校正,此因子用符号表示。
残余气体的压力愈低,值愈接近在现代的工业装置中其值可达0.9。
顺便指出:
所说的分子蒸馏的压力为10-3托级,系指残余空气的压力,绝非被蒸馏空间的压力。
因蒸馏物质的蒸汽压是根据液面温度而定的,它完全可能比残余压力大很多,直到约托(即两者相差近千倍)举一例子:
分子量为284的硬脂酸。
在工作压力为10-3mbar和蒸馏温度为95时,方程得出1.85kg/m2h的馏出物。
如果是生产,该生产能力是微不足道的,但是这里讨论的是“纯”分子蒸馏。
分子蒸馏的特点分子蒸馏的特点操作温度低操作温度低(远低于沸点远低于沸点)、真空度高、真空度高(空载空载1Pa)、受热时间短受热时间短(以秒计以秒计)、分离效率高,、分离效率高,特别适于高沸点、热敏性、易氧化物的分离;特别适于高沸点、热敏性、易氧化物的分离;可有效地脱除低分子物质(脱臭)、重分子物可有效地脱除低分子物质(脱臭)、重分子物质(脱色)及脱除混合物中杂质;质(脱色)及脱除混合物中杂质;分离过程为物理分离,可很好地保护被分离物分离过程为物理分离,可很好地保护被分离物质不被污染,特别是保持天然物的品质;质不被污染,特别是保持天然物的品质;分离程度高,高于传统蒸馏分离程度高,高于传统蒸馏分子蒸馏与其它蒸馏方法相比其突出优点在于:
a.操作温度低b.物料受热时间短(这两点对于高沸点和热敏物料尤为重要)分子蒸馏的缺点:
1生产能力方面2设备投资方面石油化工方面石油化工方面塑料工业方面塑料工业方面食品工业方面食品工业方面医药方面医药方面香料工业方面香料工业方面四、应用情况简介四、应用情况简介分子蒸馏的应用范围分子蒸馏的应用范围
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