分子蒸餾的原理、儀器及發展前景

簡介
在溫度下，壓力越低，氣體(ti) 分子的平均自由程越大。當蒸發空間的壓力很低(10-2 ~10-4 mmHg) ，且使冷凝表麵靠近蒸發表麵，其間的垂直距離小於(yu) 氣體(ti) 分子的平均自由程時，從(cong) 蒸發表麵汽化的蒸氣分子，可以不與(yu) 其他分子碰撞，直接到達冷凝表麵而冷凝。
工作原理
分子蒸餾是一種特殊的液-液分離技術，它不同於(yu) 傳(chuan) 統蒸餾依靠沸點差分離原理，而是靠不同物質分子運動平均自由程的差別實現分離。
當液體(ti) 混合物沿加熱板流動並被加熱，輕、重分子會(hui) 逸出液麵而進入氣相，由於(yu) 輕、重分子的自由程不同，因此，不同物質的分子從(cong) 液麵逸出後移動距離不同，若能恰當地設置一塊冷凝板，則輕分子達到冷凝板被冷凝排出，而重分子達不到冷凝板沿混合液排出。這樣，達到物質分離的目的。
分子蒸餾設備
在沸騰的薄膜和冷凝麵之間的壓差是蒸汽流向的驅動力，對於(yu) 微小的壓力降就會(hui) 引起蒸汽的流動。在lmbar下 運行要求在沸騰麵和冷凝麵之間短的距離，基於(yu) 這個(ge) 原理製作的蒸餾器稱為(wei) 短程蒸餾器。短程蒸餾器(分子蒸餾)有--個(ge) 內(nei) 置冷凝器在加熱麵的對麵，並使操作壓力降到0.001mbar。
短程蒸餾器是一個(ge) 工作在1~0.001mbar壓力下熱分離技術過程，它較低的沸騰溫度，適合熱敏性、高沸點物。其基本構成:帶有加熱夾套的圓柱型簡體(ti) ，轉子和內(nei) 置冷凝器;在轉子的固定架上精確裝有刮膜器和防飛濺裝置。內(nei) 置冷凝器位於(yu) 蒸發器的中心，轉子在圓柱型簡體(ti) 和冷凝器之間旋轉。
短程蒸餾器由外加熱的垂直圓簡體(ti) 、位於(yu) 它的中心冷凝器及在蒸餾器和冷凝器之間旋轉的刮膜器組成。蒸餾過程是:物料從(cong) 蒸發器的頂部加入，經轉子上的料液分布器將其連續均勻地分布在加熱麵上,隨即刮膜器將料液刮成一層極薄、呈湍流狀的液膜，並以螺旋狀向下推進。
在此過程中,從(cong) 加熱麵上逸出的輕分子，經過短的路線和幾乎未經碰撞就到內(nei) 置冷凝器上冷凝成液，並沿冷凝器管流下，通過位於(yu) 蒸發器底部的出料管排出;殘液即重分子在加熱區下的圓形通道中收集，再通過側(ce) 麵的出料管中流出。
其基本原理為(wei) 分子在運動過程中都在變化自由程(一個(ge) 分子相鄰兩(liang) 次分子碰撞之間走的路程)，而在的外界條件下，不同物質的分子自由程各不相同。就某一種分子來說，在某時間間隔內(nei) 自由程的平均值稱為(wei) 平均自由程。
根據分子運動理論,液體(ti) 混合物的分子接受到足夠能量時,就會(hui) 從(cong) 液麵逸出而成為(wei) 氣相分子，隨著液麵上方氣相分子的增加，有一.部分氣體(ti) 就會(hui) 返回液體(ti) 。在6.1. 1分子蒸餾的基本原理一個(ge) 分子在運動過程中都在變化自由程(一個(ge) 分子相鄰兩(liang) 次分子碰撞之間走的路程)，而在的外界條件下，不同物質的分子自由程各不相同。就某一-種分子來說，在某時間間隔內(nei) 自由程的平均值稱為(wei) 平均自由程。由熱力學原理可推導出: k燾●毒(田)，，式中，A。為(wei) 平均自由程; d為(wei) 分子有效直徑;夕為(wei) 分子所處環境壓強; T為(wei) 分子所處環境溫度; k為(wei) 玻爾茲(zi) 曼常數。根據分子運動理論，液體(ti) 混合物的分子接受到足夠能量時，就會(hui) 從(cong) 液麵逸出而成為(wei) 氣相分子，隨著液麵上方氣相分子的增加，有一部分氣體(ti) 就會(hui) 返回液體(ti) 。在外界條件保持恒定情況下，終會(hui) 達到分子運動的動態平衡。根據分子平均自由程式知，不同種類的分子，其平均自由程不同,即不同種類分子，其逸出液麵後不與(yu) 其它分子碰撞的飛行距離是不同的，輕分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在離液麵小於(yu) 輕分子的平均自由程而大於(yu) 重分子的平均自由程處設置一捕集器， 使得輕分子不斷被捕集，從(cong) 而破壞了輕分子的動態平衡而使混合液中的輕分子不斷逸出，而重分子因到達不了捕集器而很快趨於(yu) 動態平衡，不再從(cong) 混合液中逸出，這樣液體(ti) 混合物便達到了分離的目的。分子蒸餾原理如圖6.1所示。
兩(liang) 組分混合物進行分離時，以相對揮發度表示其分離能力:
分子蒸餾技術正是利用了不同種類分子逸出液麵後直線飛行的距離不同這一性質來實現物質分離的。圖14- -7為(wei) 分子蒸餾原理圖。由圖14- -7可以看出，液體(ti) 混合物為(wei) 了達到分離的目的，首先進行加熱，能量足夠的分子逸出液麵。輕分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在離液麵小於(yu) 輕分子的平均自由程而大於(yu) 重分子平均自由程處設置一-冷凝麵，使得輕分子落在捕集器冷凝麵.上被冷凝，而重分子則因達不到冷凝麵而返回原來液麵，這樣就將混合物分離了。蒸餘(yu) 物餾出物圖14-7分子蒸餾原理示意圖分子蒸餾其過程可分為(wei) 5個(ge) 步驟:①物料在加熱麵的液膜形成;②分子在液膜表麵上的自由蒸發;③分子從(cong) 加熱麵向冷凝
麵運動:④分子在冷凝麵上的捕獲:⑤餾分和殘留物的收集。
完整的分子蒸餾係統主要包括:脫氣係統、進料係統、分子蒸餾器、加熱係統、真空冷卻係統、接收係統和控製係統。分子蒸餾係統見圖1o一2和圖10一3。圖10- -2分子蒸餾係統組成分子蒸餾裝置主要包括蒸發、物料輸入輸出、加熱、真空和控製等幾部分，其構造如圖10-2所示。實驗室所用分子蒸餾裝置多為(wei) 玻璃裝置，也有適合工業(ye) 化放大實驗的小型金屬裝置。在物料輸入係統時進行脫氣，脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發性組分，避免其進入分子蒸餾器內(nei) 在蒸餾過程中發生暴沸。真空係統是保證分子蒸餾過程進行的前提，合適的真空設備和嚴(yan) 格的密封性是分子蒸餾裝置的技術關(guan) 鍵。一、分子蒸餾裝置的組成(1)蒸發係統以分子蒸餾蒸發器為(wei) 核心，可以是單級，也可以是兩(liang) 級或多級。該係統中除蒸發器外，往往還設置- -級或多級冷阱。(2)物料輸入、輸出係統以計量泵、級間輸料泵和物料輸出泵等組成，主要完成係統的連續進料與(yu) 排料功能。(3)加熱 係統根據熱源不同而設置不同的加熱係統，目前有電加熱、導熱油加熱及微波加熱。(4)真空獲得係統分子蒸餾在*真空下進行操作，因此，該係統也是全套裝置的關(guan) 鍵之一。真空係統的組合方式多種多樣，具體(ti) 的選擇需要根據物料特點確定。
過程
短程蒸餾器還適合於(yu) 進行分子蒸餾。分子流從(cong) 加熱麵直接到冷凝器表麵。分子蒸餾過程可發如下四步:
1、分子從(cong) 液相主體(ti) 向蒸發表麵擴散通常，液相中的擴散速度是控製分子蒸餾速度的主要因素,所以應盡量減薄液層厚度及強化液層的流動。
2、分子在液層表麵上的自由蒸發
蒸發速度隨著溫度的升高而上升，但分離因素有時卻隨著溫度的升高而降低，所以，應以被加工物質的熱穩定性為(wei) 前提，選擇經濟合理的蒸餾溫度。
3、分子從(cong) 蒸發表麵向冷凝麵飛射
4、蒸氣分子從(cong) 蒸發麵向冷凝麵飛射的過程中，可能彼此相互碰撞，也可能和殘存於(yu) 兩(liang) 麵之間的空氣分子發生碰撞。由於(yu) 蒸發分子遠重於(yu) 空氣分子，且大都具有相同的運動方向，所以它們(men) 自身碰撞對飛射方向和蒸發速度影響不大。而殘氣分子在兩(liang) 麵間呈雜亂(luan) 無章的熱運動狀態，故殘氣分子數目的多少是影響飛射方向和蒸發速度的主要因素。
4、分子在冷凝麵上冷凝
隻要保證冷熱兩(liang) 麵間有足夠的溫度差( - -般為(wei) 70~100°C),冷凝表麵的形式合理且光滑則認為(wei) 冷凝步驟可以在瞬間完成，所以選擇合理冷凝器的形式相當重要。
條件
1、殘餘(yu) 氣體(ti) 的分壓很低,使殘餘(yu) 氣體(ti) 的平均自由程長度是蒸餾器和冷凝器表麵之間距離的倍數。
2、在飽和壓力下，蒸汽分子的平均自由程長度與(yu) 蒸發器和冷凝器表麵之間距離具有相同的數量級。
在這此理想的條件下，蒸發在沒有任何障礙的情況下從(cong) 殘餘(yu) 氣體(ti) 分子中發生。所有蒸汽分子在沒有遇到其它分子和返回到液體(ti) 過程中到達冷凝器表麵。蒸發速度在所處的溫度下達到可能的大值。蒸發速度與(yu) 壓力成正比，因而，分子蒸餾的餾出液量相對比較小。在大中型短程蒸餾中，冷凝器和加熱表麵之間的距離約為(wei) 20~ 50mm,殘餘(yu) 氣體(ti) 的壓力為(wei) 10-3mbar時，殘餘(yu) 氣體(ti) 分子的平均自由程長度約為(wei) 2倍長。短程蒸餾器能滿足分子蒸餾的所有必要條件。
特點設備
一套完整的分子蒸餾設備主要包括:分子蒸發器、脫氣係統、進料係統、加熱係統、冷卻真空係統和控製係統。分子蒸餾裝置的核心部分是分子蒸發器，其種類主要有3種: (1)降膜式:為(wei) 早期形式，結構簡單，但由於(yu) 液膜厚，效率差，當今世界各國很少采用; (2)刮膜式:形成的液膜薄，分離效率高，但較降膜式結構複雜; (3)離心式: 離心力成膜，膜薄，蒸發效率高，但結構複雜，真空密封較難，設備的製造成本高。為(wei) 提高分離效率，往往需要采用多級串聯使用而實現不同物質的多級分離。