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分子蒸餾技術(shù)及應(yīng)用推廣

更新時(shí)間:2022-12-26  |  點(diǎn)擊率:1845

引言
 

  分子蒸餾技術(shù)是一種特殊的液液分離技術(shù),它產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代,是伴隨著人們對真空狀態(tài)下氣體運(yùn)動(dòng)理論的深入研究以及真空蒸餾技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸興起的一種新的分離技術(shù)。目前,分子蒸餾技術(shù)已成為分離技術(shù)中的一個(gè)重要分支。
 

  分子蒸餾(moleculardistillation)也稱短程蒸餾(short-pathdistillation),是一種在高真空下(殘氣分子的壓力<0.1Pa)進(jìn)行的連續(xù)蒸餾過程。分子蒸餾過程與傳統(tǒng)的蒸餾過程不同,傳統(tǒng)蒸餾是在沸點(diǎn)溫度下進(jìn)行分離的,蒸發(fā)與冷凝過程是可逆的,液相與汽相間會(huì)形成平衡狀態(tài)。分子蒸餾過程是一個(gè)不可逆的,并且在遠(yuǎn)離物質(zhì)常壓沸點(diǎn)溫度下進(jìn)行的蒸餾過程,更確切地說,它是分子蒸發(fā)的過程。
 

  1基本原理
 

  (1)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程。任一分子在運(yùn)動(dòng)過程中都在不斷變化自由程,在某時(shí)間間隔內(nèi)自由程的平均值為平均自由程。設(shè)Vm為某一分子的平均速度,f為碰撞頻率,λm為平均自由程。則λm=Vm/f,故f=Vm/λm。由熱力學(xué)原理可知:
 

  那么,可得:
 

  式中,d為分子的有效直徑,P為分子所處空間的壓強(qiáng),T為分子所處環(huán)境的溫度,K為波爾茲曼常數(shù)。
 

  (2)分離因數(shù)Langmuir研究了高真空下純物質(zhì)的蒸發(fā)現(xiàn)象,從理論上推導(dǎo)出純物質(zhì)的分子蒸發(fā)速率為:
 

  式中,P0為物質(zhì)的飽和蒸汽壓,Rg為氣體常數(shù),Ts為液膜表面溫度,M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。由上式可知,理論分子蒸發(fā)速率只是液體表面溫度和分子種類的函數(shù)。
 

  分子蒸餾是一種非平衡分離過程,分子蒸餾理論分離因數(shù)為:
 

  與普通蒸餾相比,分子蒸餾理論分離因數(shù)增加了(MB/MA)1/2倍,因此,分子蒸餾技術(shù)可以用來分離揮發(fā)度相近但分子量不同的混合物系。
 

  (3)分子蒸餾技術(shù)的基本原理。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程公式知,不同種類的分子,由于其分子有效直徑不同,故其平均自由程也不同,即其為不同種類分子。從統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)看,其逸出液面后不與其他分子碰撞的飛行距離是不同的。分子蒸餾的分離就是利用液體分子受熱后從液面逸出,而不同種類分子逸出后其平均自由程不同這一性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。輕分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,使得輕分子落在冷凝面上,重分子因達(dá)不到冷凝面而返回原來液面,這樣混合物就得以分離。
 

  2特點(diǎn)
 

  由分子蒸餾的基本原理可以看出,分子蒸餾是一種區(qū)別于常規(guī)蒸餾的非平衡狀態(tài)下的特殊蒸餾。與常規(guī)蒸餾相比,分子蒸餾有如下wu法比擬的特點(diǎn):
 

  (1)操作溫度低,可大大節(jié)省能耗
 

  常規(guī)蒸餾是依靠物料混合物中不同物質(zhì)的沸點(diǎn)差進(jìn)行分離的,而分子蒸餾是靠不同物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別來進(jìn)行分離的,并不要求物料一定要達(dá)到沸騰狀態(tài),只要分子從液相中揮發(fā)逸出,就可以實(shí)現(xiàn)分離。正因?yàn)榉肿诱麴s是在遠(yuǎn)離沸點(diǎn)下進(jìn)行操作,因此產(chǎn)品的能耗小。
 

  (2)蒸餾壓強(qiáng)低,要求在高真空度下操作。
 

  分子運(yùn)動(dòng)平均自由程與系統(tǒng)壓力成反比,只有加大真空度,才能獲得足夠大的平均自由程。研究指出,分子蒸餾的真空度高達(dá)0.1-100Pa。
 

  (3)受熱時(shí)間短,降低熱敏性物質(zhì)的熱損傷。
 

  由于分子蒸餾是利用不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別而實(shí)現(xiàn)分離的,其基本要求是加熱面與冷凝面的距離必須小于輕分子的運(yùn)動(dòng)平均自由程,這個(gè)距離通常很小,因此輕分子由液面逸出后幾乎未發(fā)生碰撞即射向冷凝面,所以受熱時(shí)間極短。研究測定指出,分子蒸餾受熱時(shí)間僅為幾秒或幾十秒,從而在很大程度上避免了物質(zhì)的分解或聚合。
 

  (4)分離程度及產(chǎn)品收率高,尤其適合于特定蒸餾。分子蒸餾的揮發(fā)度可以用下式表示:
 

  式中M1——輕分子相對分子質(zhì)量;
 

  M2——重分子相對分子質(zhì)量;
 

  P1——輕分子飽和蒸汽壓,Pa,
 

  P2——重分子飽和蒸汽壓,Pa;
 

  Tt——相對揮發(fā)度。
 

  但是,常規(guī)蒸餾的相對揮發(fā)度為:
 

  對比式(5)與式(6)可以看出,由于M2大于M1,因此分子蒸餾的相對揮發(fā)度大于常規(guī)蒸餾的相對揮發(fā)度,這就從理論上證明了分子蒸餾比常規(guī)蒸餾更容易實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。同時(shí),分子蒸餾由于處于非平衡狀態(tài)下操作及其設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使得分離效率遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸餾,從而可使產(chǎn)品的收率大大提高,降低生產(chǎn)成本。


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