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分子精馏
作者:佚名    技术进步来源:本站原创    点击数:8331    更新时间:2010/12/2

 

分子精馏(短程蒸馏器)

    许多如石油重渣油、化学药品、药物及天然食品、保健品、脂肪酸等,常常是热敏性的、粘滞的及/或具有高沸点的物料。要把这些物料从它们的其它组分分离出来,而保持产物的质量,只能在低的沸腾温度甚至是不到沸腾温度下精馏,且只能在很短的时间里,把热分解作用或聚合作用减到最小,以消除对产品的破坏。
    当操作真空度约为500Pa时,可以在刮膜蒸发器或降膜蒸发器中进行。但是,如果蒸馏必须在中高真空下操作(如压力在0.001~100Pa之间)就存在问题了。必须选用在产品蒸汽压不超过通过加热表面和冷凝表面之间压差的蒸发器,因而带有外置冷凝器的蒸发器被排除在中高真空范围的蒸馏过程之外。
    相比之下,短程蒸发器非常适合于这种应用场合,冷凝器被制造在蒸发器内,直接位于加热蒸馏发生的对面。所以,短程蒸发器是项较新的尚未广泛应用于工业化生产,能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的新型分离技术。

    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(分子精馏)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1~0.001mbar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。

  短程蒸馏器还适合于进行分子精馏。分子流从加热面直接到冷凝器表面。如图所示,分子精馏过程可发如下四步:


  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70~100℃),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。

由此可得,分子精馏的条件是:
  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。
    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,分子精馏的馏出液量相对比较小。
    在短程蒸馏中,冷凝器和加热表面之间的距离约为20~50mm,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精馏的所有必要条件。
  分子蒸馏有如下特点:
  1、 普通蒸馏在沸点温度下进行分离,分子精馏可以在任何温度下进行,只要冷热两面间存在着温度差,就能达到分离目点。
  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,分子精馏过程是不可逆的。
  3、 普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象;分子精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,表示分子精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。

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