分子蒸馏技术在分离过程中的应用与进展

分离工程 期末论文

分子蒸馏技术在分离过程中的应用与进展

Molecular distillation in the application and progress on

the separation process

学 院： 化学工程学院 专业班级： 化学工程与工艺 化工081 学生姓名： 刘 栋

学 号： 050811122

指导教师： 戴卫东（副教授）

2011年6月

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分子蒸馏技术在分离过程中的应用与进展

摘要：分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提取或纯化的一门新

型学科。随着社会的发展，首先对产品的质量及物质纯度的要求也随之提高了;人们不但希望采用更高效的节能、优产的方法，而且希望所采用的过程与环境友好。在传统蒸馏、萃取等化工分离技术基础上，分析分子蒸馏技术的原理。并结合实际应用要求，论述分子蒸馏技术在分离过程方面的进展及其重要性。

关键词：分子蒸馏技术 ； 研究分析 ； 分离 ； 进展

Abstract: the separation technology research and production process is a mixture

of separation, purification products of a door extracted or new academic disciplines. With the development of society, the first of the quality of the products and the material requirements of purity increases; People not only hope using more efficient energy-saving, excellent production method, and hope the process and environmental friendly. In traditional distillation and extraction, and other chemical separation technology, analysis based on the principle of molecular distillation technology. And actual application requirements, this paper discusses the separation process molecular distillation in progress and its importance.

Keywords: molecular distillation; Research analysis; Depart; progress

分子蒸馏技术(Molecular Distillation,MD)不同于一般蒸馏技术,它是运用不同物质分子运动自由程的差别而实现物质的分离,能够实现远离沸点下的操【1】作。它具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，特别适用于高沸点、高热敏性及易氧化物质的分离提取纯化，能解决大量用常规技术分离难于解决的

【2】

问题。分子蒸馏作为一种物理法分离技术，生产过程绿色清洁，具有广泛的应用前景。

一、分子蒸馏技术原理

分子蒸馏是在高真空条件下进行的非平衡蒸馏，根据组分间的相对挥发度不同而进行的分离。操作是在混合物的沸点温度下进行的，其分离是依据不同物质分子运动平均自由程的差别，在高真空下实现物质间的分离。当设备冷凝表面与蒸发表面有温度差时，分离操作就能进行。在分子蒸馏操作过程中，轻组分分子的平均自由程大，重组分分子的平均自由程小。若在离蒸发面小于轻组分分子的平均自由程而大于重组分分子平均自由程处设置一冷凝面，使得轻组分分子落在冷凝面上被冷凝，使其流出，而重组分分子因到达不了冷凝面而返回原来液面，混合物中的不同组分就能分离开来【3-5】。分子蒸馏原理如图1 所示。

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图1 分子蒸馏原理示意图

由图1可以看出,液体混合物为了达到分离的目的,首先混合液沿加热板向下流动,被加热后,轻、重分子均向气相逸出,由于轻、重分子自由程不同,轻分子自由程大,可达到冷凝板,冷凝后沿冷凝板向下流动,重分子自由程小,达不到冷凝面而在气相中饱和,并返回液相,沿加热板向下流动,从而形成轻、重分子的分流与分离【6-7】。

二、分子蒸馏影响因素分析

2.1 混合物分子量对分离程度的影响

分离程度与所有被蒸馏混合物的分子量的大小有关,分子量差异越大,其沸点和自由程差异越大,馏出物就越纯;分子量越接近,分馏效率也就越低。因此,分子蒸馏要满足2个条件:①轻、重分子的平均自由程必须要有差异,且差异越大越好;②蒸发面与冷凝面的间距必须小于轻分子的平均自由程。

2.2 压力对分离程度的影响

分子蒸馏要求整个系统可在很高的真空度下工作。分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小,欲使蒸汽分子从蒸发面向冷凝面飞射的过程中,蒸汽分子之间发生碰撞的几率很小，则操作系统必须存在较大压差【8】。加之其独特的结构形式决定了其操作压强很低,一般为0·13~1·33 Pa。

2.3 温度对分离程度的影响

分子蒸馏是靠不同物质分子运动自由程的差别进行分离的，因此蒸馏温度远低于待分馏组分的沸点【9】。分子从蒸发面上自由蒸发。分子在高真空远低于沸点的温度下进行蒸发。蒸发速率随着温度的升高而上升,但分离效率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。一般来说,分子蒸馏的分离温度比传统蒸馏的操作温度低50~100℃【10】。

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2.4 受热时间对分离程度影响

分子蒸馏装置加热液面与冷凝面间的距离小于轻分子的平均自由程，受热液体呈薄膜状，一般为0.5 mm 左右，而受热面与冷凝面间距很小，比轻分子移动距离还要小，液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就到达冷凝面，所以受热时间很短，一般为几秒至几十秒之间【11】.这一特点很好地保护了被处理物料的颜色和特性品质,使得用分子蒸馏精制的产品在品质上优于传统真空蒸馏法生产的产品。

三、分子蒸馏操作过程及设备

（1）使设备达到高真空、低于混合物料沸点的加热温度、达到轻组分分子冷凝的冷凝面温度条件；

（2）通过重力或机械力使物料在加热蒸发面形成非常薄且分布均匀便于蒸发的液膜； （3）混合物分子在高真空和远低于常压沸点的温度下在液膜表面进行自由蒸发； （4）在高真空下，蒸发中的分子从加热面向冷凝面运动；

（5）轻组分分子到达冷凝面被捕获收集，重组分分子不能到达冷凝面而返回原来液面；

（6）轻组分分子馏出物在冷凝面相接的容器收集，重组分分子在加热面相接的容器收集。

根据操作过程，完整的分子蒸馏装置主要包括：分子蒸馏器、进出料系统、真空系统、加热系统、冷却系统、控制系统。操作设备大致可分为三类降膜式分子蒸馏器(falling–film evaporator)、离心式分子蒸馏器(centrifugal evaporator)【12】、刮膜式分子蒸馏器(wiped-film evaporator)【13】（如图2）。

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图2 刮膜式分子蒸馏器

旋转刮膜式分子蒸馏器（如图2）的蒸发器内设置了刮膜装置，使物料形成均匀的薄液膜，从而使液膜不断更新，大大减少了液膜的传热传质阻力，提高了蒸发速率，而且被蒸馏物料在操作温度下停留时间短，热分解的危险性较小，有较高的分离效率.

四、分子蒸馏技术的应用

分子蒸馏技术作为一种高效、新型的绿色分离技术，较常规蒸馏具有更高的挥发度。加之真空度高、操作温度低、受热时间短，其分离效率比常规蒸馏高【14】.

4.1 分离热敏性物质中的轻组分

例如二聚酸中二聚体的含量决定着产品的质量。运用常规蒸馏的方法可以使 二聚体的质量分数在75%、83%及87%,而采用分子蒸馏的方法可以使二聚体的质量

【15】

分数达90%~95%以上.在石油化工中分离沥青也用此法，蜡含量越高，沥青的温度敏感性越大，沥青的高温黏度、低温延度、黏结性和塑性等就下降越多，从而给沥青带来坏的影响。降低蜡含量，是提高沥青性能，稳定质量的关键因素。

【16】

通过分子蒸馏对沥青进行处理，蜡脱除率非常之高。因此，采用分子蒸馏法进行脱蜡处理，已成为沥青产业的一个新趋势。

4.2 在塑料工业中的应用

增塑剂型酯类的提纯，高分子物质的脱臭，树脂类物质的精制等。许多磷酸酯类增塑剂都可应用分子蒸馏提纯，如磷酸三丁酯、磷酸三苯酯、磷酸甲苯二苯酯、磷酸二苯异癸酯等【17】。

4.3在石油化工中的应用。

利用分子蒸馏技术处理渣油可以切割出更多的馏分，馏分间切割清晰，分离出的润滑油不含金属元素，产品品质好。崔毅【18】采用分子蒸馏技术，对沙轻减压渣油深拔分离出7 个重馏分油，使减压渣油中的理想组分饱和烃得到充分的回收，饱和烃回收率最高可达90.59%，而且能有效地脱除减压渣油中的大部分重金属(Ni、V)，所得深拔馏分均不含沥青，质量远远优于减压渣油，是较好的催化裂化原料。

对废旧机油进行三级分子蒸馏处理，依次蒸馏出汽油、柴油、机油或润滑油；第一级分子蒸馏温度为50～90 ℃，压强为－0.3～－0.9 MPa，分离出汽油；第二级分子蒸馏，温度为50～150 ℃，压强为200～10 Pa，分离出柴油；第三级分子蒸馏，温度为100～300 ℃，压强为20～0.1 Pa，分离出机油或润滑油。该方法在处理废旧机油过程中，没有经过酸洗、碱洗、脱色、沉淀、干燥等化学过程，并且没有酸碱中和后的钠盐及脱色剂的排放，没有污染，分离蒸馏出来的汽油、柴油、机油和润滑油能达到或超过其原来的质量指标【19】。

4.4分离产品和催化剂

催化剂的分离在整个生产工艺过程中占有重要的地位，关系到生产成本和产

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品质量。很多反应中，需要催化剂与产品分离开来。一方面是产品质量要求要将催化剂彻底分离掉；另一方面是一些价值昂贵的催化剂必须循环使用。因此，选择合适的分离方法就显得尤为重要。对于产品与催化剂具有热敏性的物系，传统的蒸馏方法难以处理，而采用分子蒸馏可取得理想效果。分子蒸馏技术在得到高质量产品的同时，保护了可循环利用的催化剂活性。如碳酸醋类是一种现代润滑剂原料，但是由于其中常常残存有从反应带来的催化剂，故影响了它的质量和使用。为了使碳酸醋类得到净化，一般在220 ℃、1 Pa 下采用两级分子蒸馏除去残存的催化剂。其产率可达到90%，生产能力可达到200kg/m2·h【20】。

五、分子蒸馏技术的前景与展望

分子蒸馏作为液-液热敏分离及高提纯的专用技术，工艺研究及设备制造水平已逐渐趋向成熟，其技术创新、环保、高效，已得到了广泛的工业化应用，为企业创造了更好的社会效益和经济效益，但是,分子蒸馏技术作为一种新型的分离技术,理论研究和实践过程中仍然存在一些问题,主要体现在:对其相关过程的基础理论研究非常少;生产能力小;设备投资高。随着人们追求天然产品、回归自然潮流的兴起,新产品不断出现,分子蒸馏技术必将以其在产品提纯中的高效优质、条件温和而备受青睐,随着理论研究的深入,开发应用将会得到进一步发展。

参考文献

[1]王 虎,刘吉平,马 超,马志敏。分子蒸馏技术及应用[J].现代化工，2008，28（1）。

[2]刘 松，冯志豪，朱宝璋。分子蒸馏技术在石油化工中的应用[J].化工进展，2009,28.

[3] Cvengros J，Lutisan J，Micov M. Feed temperature influence on the efficiency of a molecular evaporator [J]. Chem. Eng. J.，2000，78：261-269. [4] Batiatella C B，Maciel M R W，Fiho RM. Rigorous modeling and simulation of molecular distillators：development of a simulator under conditions of non ideality of the vapor phase [J]. Com. and Chem.Eng.，2000，24 (7)：1309-1315.

[5] Masaaki S. Evaluation of ring size distribution in a heavy oil based onboiling point and molecular weight distributions [J]. Fuel，2000，79：339.

[6] 于鸿寿,王世昌,吴锦元.化学工程手册:3卷.蒸馏[M].北京:化学工业出版社,1989.

[7]冯武文,杨村,于宏寄.蒸馏技术与日用化工:分子蒸馏技术的原理及特点[J].日用化学工业,2002,32(5):74-76.

[8] E.克雷耳.实验室蒸馏技术指南:中间工厂蒸馏的导论[M].陈甘棠译.北京:化学工业出版社,1988。

[9]张桂，赵国群，姜娟娟。 分子蒸馏技术[J]。试验研究。

[10]陈文伟,陈钢,高荫榆.分子蒸馏的应用研究进展[J].西北粮油科技,2003(5):35-37.

[11]冯武文,杨村,于宏奇,等.工业表面活性剂技术经济文集[C].大连:大连出版

分离工程期末论文 第7页共7页

社,2000:373-375.

[12]Jan Cvengros，Stifan Pollok，Miroslav Micov，et al. Film wiping in the molecular evaporator [J]. Chemical Engineering Journal，2001(81)：9-14.

[13]Kawala Z，Dakiniewicz P. Influence of evaporation space geometry on rate of distillation in high-vacuum evaporator [J]. Separation Sicience and Technology，2002 (37)：1877-1895. [14]卓震，许进文，张晶. 分子蒸馏技术分析[J]. 化工装备技术，2005，26 （6）：29- 33.

[15]邓朝霞,叶代勇等.分子蒸馏及其在精细化工上的应用[J].广州化学,2006,34(2):6-10.

[16]Helm R V，Petersen J C. Compositional studies of an asphalt and its molecular distillation fractions by nuclear magnetic resonance and infrared spectrometry [J]. Anal. Chem.，1968，40 (7)：1100-1103.

[17]杨村，刘玮，冯武文，等.分子蒸馏在高聚物中间体中的应用[J]. 化工新型材料，2001，29(4)：48-49.

[18]崔毅. 沙轻减压渣油深拔窄馏分性质及催化裂化性能的研究[J].石油炼制与化工，2002，33(11)：18-21.

[19]朱宝璋.利用分子蒸馏技术还原、再生废旧机油的方法：中国，101177646[P]. 2008.

[20]朱宝璋，杨婉珍，黄少烈.利用分子蒸馏技术生产生物柴油的方法：中国，1869163[P]. 2006.