新型分離技術第三章新型蒸餾技術第1頁，課件共57頁，創作于2023年2月第一部分：分子蒸餾

(MolecularDistillation,MD)第2頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾技術是現代工業生產的一項重要分離技術.第3頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾，又稱短程蒸餾，在極高真空下操作，依據分子運動平均自由程的差別，使液體在遠低于其沸點的溫度下實現分離。作為一種特殊的分離技術，能解決大量常規蒸餾技術所不能解決的問題。第4頁，課件共57頁，創作于2023年2月真空蒸餾的操作壓力為104-102Pa，高真空蒸餾的壓力范圍為100-1Pa，分子蒸餾的壓力范圍為1-0.01Pa。分子蒸餾在極高真空下操作，蒸發面和冷凝面的間距小于蒸氣分子的平均自由程，由蒸發面逸出的分子，既不與殘余空氣碰撞，自身也不碰撞，毫無阻礙地噴射到冷凝面上發生冷凝。第5頁，課件共57頁，創作于2023年2月第6頁，課件共57頁，創作于2023年2月第7頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾過程（1）熱量通過加熱面傳遞到流動的薄層液膜內，分子從液相主體向蒸發表面擴散，液相內的擴散是控制分子蒸餾速率的主要因素。（2）在高真空下、遠低于沸點的溫度下，分子從液膜表面自由蒸發。（3）基于真空抽力，蒸發分子向冷凝面飛射。第8頁，課件共57頁，創作于2023年2月（4）分子自由程大于蒸發面-冷凝面距離的分子在冷凝面上冷凝，而分子自由程小于蒸發面-冷凝面距離的重組分分子則不能到達冷凝面。（5）沒有蒸發的重組分和返回加熱面上極少量輕組分由于重力或離心力作用落到加熱器的低部。第9頁，課件共57頁，創作于2023年2月比較內容分子蒸餾普通蒸餾溫度任何溫度，只要與冷凝面存在溫差沸點溫度蒸發-冷凝過程不可逆過程可逆過程液體的蒸發液膜表面上的自由蒸發，不沸騰沸騰、鼓泡分離因子與組分蒸氣壓和分子量有關與組分蒸氣壓相關第10頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾的基本原理分子的平均自由程：氣體分子在兩次連續碰撞之間所走路程的平均值。為分子平均自由程，為分子的平均速度，f為碰撞頻率。d為分子有效直徑，p

為分子所處空間的壓力。第11頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸發速率分子蒸餾的蒸發速率由物質分子在蒸發面上的揮發速率決定，與汽液相平衡無關。組分的蒸發速率為：J為蒸發速率；po為組分的飽和蒸氣壓；M為組分的摩爾質量；x為液膜中組分的摩爾分率。第12頁，課件共57頁，創作于2023年2月蒸發溫度分子蒸餾的蒸發溫度與被蒸餾的物質的相對分子質量呈線性增加關系。第13頁，課件共57頁，創作于2023年2月分離因子分子蒸餾分離過程不可逆，分離因子由蒸發速率求出：分子蒸餾的分離能力與被分離混合物的蒸氣壓和分子量有關。分子蒸餾可以分離蒸氣壓十分接近而分子質量有差別的混合物。第14頁，課件共57頁，創作于2023年2月第15頁，課件共57頁，創作于2023年2月第16頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾裝置及設計降膜式分子蒸餾器中液膜的厚度、下流速度及蒸發面直徑如下：h為液膜厚度，u為液體的動力粘度，為液體密度，為蒸發面單位周長上的流速，D為蒸發面直徑。第17頁，課件共57頁，創作于2023年2月設計中力求減少液膜厚度，強化液層流動。盡量避免液沫飛濺，料液進蒸餾器前要充分脫氣，蒸發面與冷凝面之間的間距不要過小（一般為20至70毫米）。可以在蒸發面與冷凝面之間設置篩網作霧沫分離器。第18頁，課件共57頁，創作于2023年2月第19頁，課件共57頁，創作于2023年2月MDL-150（離心式）分子蒸餾設備第20頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾技術的優點適于高沸點、熱敏性、易氧化物料(蒸餾溫度低)。可有選擇性地蒸出目的產物(利用多級分子蒸餾同時分離兩種以上物質)。工藝簡單，溶劑污染少(分離過程為物理過程，不需要使用溶劑)。典型應用：從魚油中提取二十碳五烯酸，二十二碳六烯酸。從植物中提取維生素A和E。第21頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾技術的局限性單純的分離技術，不具備提取功能。進樣物料及分離后的組分必須為低極性液態。設備、技術要求高，初期投入較大，生產能力有限。第22頁，課件共57頁，創作于2023年2月1.酸性氯化物2.氨基酸酯3.葡萄糖衍生物4.吲哚5.萜酯6.天然和合成維生素7.互葉白千層油8.辣椒堿9.大蒜素的精制10.川芎11.當歸姜油

中草藥有效成分的提純制藥第23頁，課件共57頁，創作于2023年2月1．醇類2.—酯3.乙二醇醚4.除草劑5.全能碳氫化合物6．殺蟲劑7.硅油8.妥爾革柔油化工第24頁，課件共57頁，創作于2023年2月1．脂肪酸及衍生物2.二聚酯肪酸3.魚油4.小麥胚芽油5．種子油6.單甘油酯7.雙甘油酯8.生育酚9.黃油食品第25頁，課件共57頁，創作于2023年2月1．廣藿香油2.玫瑰油3.山倉子油4.桉葉油（茶樹油）5.香茅油6.橙油7.紫羅蘭酮香料香精第26頁，課件共57頁，創作于2023年2月成套的實驗室規模短程蒸餾第27頁，課件共57頁，創作于2023年2月實驗室分子蒸餾裝置第28頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾中試裝置第29頁，課件共57頁，創作于2023年2月分子蒸餾中試第30頁，課件共57頁，創作于2023年2月蒸發面積：KD120012平方米用于乳化劑生產第31頁，課件共57頁，創作于2023年2月4個流程每個蒸發面36平方米用于石蠟生產第32頁，課件共57頁，創作于2023年2月

第二部分膜蒸餾(Membranedistillation,MD)第33頁，課件共57頁，創作于2023年2月20世紀60年代，Findly提出膜蒸餾（membranedistillation)的概念。以微孔疏水膜將兩種不同溫度的水溶液分開，膜兩側溫度差造成膜兩側蒸汽壓差，蒸汽分子通過膜孔從高溫側向低溫側擴散傳遞并冷凝。膜蒸餾是蒸餾與膜過程的結合。第34頁，課件共57頁，創作于2023年2月第35頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾傳質過程：水從熱料液主體擴散到膜—料液側表面；水在疏水膜—料液側表面汽化；水蒸汽擴散通過疏水膜孔；水蒸汽在膜—冷凝液側表面冷凝；水從膜—冷凝液側表面到液相主體擴散。第36頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾傳質示意圖第37頁，課件共57頁，創作于2023年2月當膜兩側溫差不太大時，膜通量和膜兩側的蒸汽壓差為線性關系：p1和p2為膜兩側溫度下水的飽和蒸汽壓，C為膜的傳質系數。多數情況下，膜的孔徑與膜蒸餾水蒸汽分子的平均自由程在同一個數量級，近似努森擴散。第38頁，課件共57頁，創作于2023年2月由于膜內蒸汽壓不能直接測量，轉換為溫度的表示形式：可由Antoin方程計算：第39頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾傳熱過程：膜蒸餾中的傳熱有兩種機理：一為伴隨著蒸汽通量產生的潛熱傳遞，另一為通過膜的熱傳導。稀溶液的潛熱通量為：熱傳導通量為：第40頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾傳熱示意圖第41頁，課件共57頁，創作于2023年2月通過膜的總熱傳導為：H為膜的有效傳熱系數。膜蒸餾過程的熱量衡算式為：h1、h2為膜附近熱、冷液膜的傳熱系數。第42頁，課件共57頁，創作于2023年2月溫度極化定義為溫度極化系數，表示總熱推動力用于傳質推動力的分數。理想狀況下溫度極化系數為1。第43頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜的浸潤及浸潤壓力Laplace方程：R為孔徑，i為液體的表面張力。第44頁，課件共57頁，創作于2023年2月第45頁，課件共57頁，創作于2023年2月第46頁，課件共57頁，創作于2023年2月第47頁，課件共57頁，創作于2023年2月第48頁，課件共57頁，創作于2023年2月當接觸角小于90°時，p>0，液體可以自發進入膜孔。當接觸角大于90°時，p<0，液體不能可以自發進入膜孔。必須施加一個大于p的壓力，才能將液體壓入孔中。膜蒸餾時，膜兩邊的壓力差不應超過浸潤壓力。第49頁，課件共57頁，創作于2023年2月浸潤壓力反比于膜孔的大小。膜孔較大的膜容易浸潤。影響膜浸潤的另一個重要參數為液體的表面張力。分子間的作用力強，表面張力高。水中含有有機溶劑，表面張力迅速降低，浸潤壓也降低。第50頁，課件共57頁，創作于2023年2月聚合物的表面能是決定浸潤的另一個重要因素。表面能高的聚合物容易浸潤，表面能低的聚合物不容易浸潤。第51頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾使用的疏水性微濾膜

聚合物膜表面能(103N/m)聚四氟乙烯(PTEF)19.1聚三氟乙烯23.9聚偏氟乙烯(PVDF)30.3聚乙烯(PE)33.2聚丙烯(PP)30.0第52頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾系統用于膜蒸餾的膜組件可為中空纖維、卷式和板框式等。膜蒸餾系統由預處理裝置、加熱裝置、冷卻裝置、熱能回收裝置等組成。第53頁，課件共57頁，創作于2023年2月預處理裝置：除去泥沙、懸浮物、有機物等，一般采用澄清、過濾、吸附等方法。加熱裝置：最好使用廢熱、余熱、地熱、太陽能等。冷卻裝置：用原水或自來水冷卻。熱能回收裝置：采用熱交換器回收熱能。第54頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾裝置第55頁，課件共57頁，創作于2023年2月膜蒸餾的應用膜蒸餾的優點：可在非沸騰狀態下的較低溫度下操作，可利用工業余熱和太陽