分子蒸馏设备

分子蒸馏设备（通用7篇）

分子蒸馏设备 篇1

化工分子蒸馏需要在真空的状态进行, 作为一种蒸馏分离技术, 其应用原理是不同物质分子运动, 有些学者也将其称之为短程蒸馏。这种蒸馏技术与普通的蒸馏技术相比, 纯度更高, 尤其是在香料、药品蒸馏中更加的明显, 但是这种技术十分的复杂, 所以其还未得到大面积的使用。

1 分子蒸馏技术与设备进展

分子蒸馏技术是一种十分先进的技术, 被广泛的应用在化工分离企业中, 其所使用的设备十分先进, 可以说设备直接决定了分子蒸馏的效果。现如今, 分子蒸馏设备已经有所改进, 而且还有很多设备正在研究中, 以使其结构形式更加适合蒸馏, 化工分子蒸馏主要设备有以下几种:

1.1 降膜式分子蒸馏器。

这种设备主要是由两大部分构成, 一是冷凝器, 二是蒸发器, 这两部分可以说是同心简体, 流体依照重力作用, 在加热壁面进行流动, 而在流动期间, 生成了薄膜, 相关人员将物料进行加热处理, 此时蒸发物质会冷凝, 而如果物料并没有完全的蒸发干净, 这些残余物料通过中不断的蒸发就会生成蒸发液膜, 同时在加热面上, 通过不断的受热, 继而蒸发。相关学者对该设备的蒸馏过程进行了大量的论证分析, 研究发现, 如果能够将外筒体看作蒸发面, 就会增加蒸发面面积, 则在相同的时间内, 就会提前完成蒸发任务, 而将内筒体看作是冷凝面, 因其面积比较小, 便于馏出物有效收集。

这种装置应该是早期的化工分子蒸馏设备, 其结构比较简单, 蒸发面上通过操作会生成液膜, 这对蒸馏效率有很大的消极影响, 尤其是液膜厚度越大, 这种影响也就越明显, 再加之, 液膜厚度非常不均匀, 最终导致热点使组分解。通常情况下, 液膜流动主要的形式是层流, 无论是传质, 还是传热阻力都非常大, 因此这设备现在很少有国家使用。另外, 此种设备的应用, 限制性条件比较多, 不仅会受到蒸馏物质的限制, 同时也还会受到停留时间的影响, 所以其蒸发率十分有限。

1.2 刮膜式分子蒸馏装置。

此种装置是一种改进装置, 其主要是针对浆膜式分子蒸馏器的缺陷进行的一种改进。刮膜式分子装置的基础依然是浆膜蒸馏器, 只是在其中安装了滚筒式刮膜板, 物料轴向流动时, 刮板对液膜会形成一定的滚动压力, 进而保证液流可以有效的分布, 缓解薄厚不均匀的情况, 将物料迅速刮成厚度相同, 可以快速更新的蒸发膜, 这样下流液层就会得以搅拌均匀, 从而使得蒸发面液层更新速度更快, 这样无论是物料的传质, 还是无料的传热都得以强化。蒸发壁面上的液膜厚度以及具体的分析情况, 直接关系到装置的分离效率, 特别是那些不太容易分离的物料。

此种装置具有很多优势:首先, 薄膜十分均匀, 而且具有连续性, 利于传质以及传热的顺利进行, 进而提高分离效率, 同时不会出现热分解的情况;其次, 液膜厚度比较小, 同时其流动的形式是蒸发表面, 能够减少很多不必要的麻烦;再次, 物料几乎不会停留, 即使停留也只是极短的时间, 而且因其能连续蒸馏, 具有十分强大的生产性, 可以进行工业化的规模生产, 而且这种装置, 结构并不复杂, 成本比较低, 因此其在实验室以及工业生产中已经被广泛的应用。但是这种装置也有一定的劣势:液体分配装置难以完善, 很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖;液体流动时常发生翻滚现象, 所产生的雾沫也常溅到冷凝面上并且由于刮膜器的作用, 液体的流动、传质和传热过程变得很复杂, 其内部的许多化学工程参数均难以测定, 使得对刮膜分子蒸馏过程运行。

2 分子蒸馏在精细化工中应用

2.1 动植物营养有效体分离方面的应用。

分子蒸馏技术在食品行业中的应用, 主要是用于分离、纯化一些对人体有益的活性物质及有效成分, 如二十八烷醇的分离、葡萄籽油的精炼、不饱和脂肪酸的分离、维生素、类胡萝b素的提取等。天然产品中的有效成分大部分都含量甚微, 而且某些活性有效成分往往热稳定性差、易氧化变质。因此, 用传统方法分离方法很可能破坏这些成分的活性, 而且分离效果也不佳。由于分子蒸馏技术的特点, 已经决定了在这方面的应用成为必然。目前, 分子蒸馏技术已应用于从鱼油中提取DHA和EPA、从植物油中提取天然维生素E以及提取a-亚麻酸等多种产品的工业化生产中, 显示出了巨大的经济效益。

2.2 医药及其中间体工业上的应用。

在医药行业中, 由于医药中间体在高温下容易分解等特点, 普通蒸馏很难满足其分离要求, 而采用分子蒸馏技术后, 分离难度就大大降低。分子蒸馏技术可以用少量的粗提物, 在高效率的分离控制下, 将标准品与其他组分进行清晰分离, 从而使单体达到非常高的纯度。

分子蒸馏技术不仅对天然活性物质分离上具有高效分离和纯化的特点, 为新药创制过程中单体成分的分离纯化提供了简捷的手段, 同时还可用于制备天然药物标准品、医药中间体的提纯等诸多方面, 例如制备激素缩体、葡萄糖衍生物等。分子蒸馏技术还可用于制备天然药物标准品、医药中间体的提纯等方面, 例如制备激素缩体、葡萄糖衍生物, 以及天然维生素、胡萝卜素等。

2.3 资源综合利用及精细化工产品分离应用。

分子蒸馏可以脱除物质中的轻分子组分, 因此, 在聚氨酯工业中可以用来除去有毒的异氰酸酯单体;在香精香料工业中对天然香精油进行脱臭、脱色和提纯;在制备过程中除去萃取工艺中残留的有机溶剂、催化剂以及产品中的各项杂质等。一个典型的例子是二聚酸的分离, 传统的二聚酸提纯工艺是用真空蒸馏法, 此法蒸馏有温度高、分离温度差、受热时间长等缺点, 无法得到高纯物, 采用分子蒸馏能使产品的纯度达到96%以上。类似的例子还有树脂中单体的脱除、辣椒红色素中脱除辣味、香料类物质脱臭等。鱼油甘三酯脱酸、小麦胚芽油脱酸、米糠油脱酸、椰子油脱酸、大豆油脱酸等, 从天然物质中去除轻组分大部分条件下可应用分子蒸馏技术解决分离问题。

结束语

综上所述, 可知对化工分子蒸馏设备及应用技术进行分析十分必要, 因为作为一种先进的蒸馏技术, 其迟早要进入到很多的行业, 只是由于受到各种条件的限制, 目前还不能实现广泛的应用, 但是在其被广泛应用之前, 可以让相关行业人员对其更加的了解, 并且能够树立应该这种技术的意识, 这为相关行业的应用奠定了基础, 而且这种蒸馏技术具有很大的市场发展潜力, 对其进行研究能够让更多的人关注这种技术。

参考文献

[1]许松林, 郭凯.刮膜式分子蒸馏装置中的液膜状态实验[J].天津大学学报, 2010 (6) .

[2]孙月娥, 李超, 王卫东.分子蒸馏技术及其应用[J].粮油加工, 2010 (2) .

[3]白宇, 张炳南, 高昌保, 林国强, 何宇颉, 钱树成.分子蒸馏过程技术研究及其应用进展[J].化工装备技术, 2009 (1) .

[4]李媛, 陆晓滨, 崔波, 张树禄.分子蒸馏技术及其在食品工业中的应用[J].山东轻工业学院学报 (自然科学版) , 2008 (4) .

分子蒸馏的原理及其应用进展 篇2

分子蒸馏(Molecular Distillation,MD),又被称为短程蒸馏(Short Path Distillation)或无阻尼蒸馏(Unobstructed Distillation),是在高真空环境下所进行的非平衡连续蒸馏过程,也是一种无沸腾的高效新型液-液分离技术。在蒸馏过程中,通过特别的措施,增大离开液相的分子流而减少返回液相的分子流,实现从液相到气相的单一分子流的流向的技术,尤其适用于分离、浓缩纯化高分子量、低挥发度的有机混合物与植物天然产物。

由于分子蒸馏温度低于物料沸点,保护了热敏性物质的结构与活性,所以该项技术常用于纯天然保健品的提取,可避免传统化学处理法的弊端,令产品质量迈上一个新台阶。

1 分子蒸馏的发展

分子蒸馏是伴随真空技术和真空蒸馏技术而发展起来的,最早可追溯到二战以前。1909年,Caldwell和Hurtley发表了在高真空条件下蒸馏脂肪酸的报道,从此揭开了高真空条件下蒸馏的序幕。1921年Bronsted和Hevesy用分子蒸馏的方法成功分离了水银同位素,并探索了水银分子的状态与其蒸气压的关系。20世纪30年代以来,分子蒸馏得到了世界各国的重视[1]。20世纪60年代,分子蒸馏实现规模化的工业应用,80年代随着回归自然风潮的兴起,分子蒸馏技术发展迅猛[2]。我国对分子蒸馏的研究起源于20世纪60年代[3],直到80年代才有分子蒸馏器的专利出现[4],随后学习引进了海外的分子蒸馏装置用于生产硬脂酸单甘酯。直至20世纪90年代国内才开始对分子蒸馏设备进行研制开发。

分子蒸馏技术虽然得到了很大发展,但到目前为止仍缺乏系统的理论支持。在国内,分子蒸馏技术不仅用于提取维生素E、类胡萝卜素、天然植物油等,而且在油脂脱臭馏出物的回收和利用以及聚合物领域也有广泛应用,达到国际先进水平[5],且逐渐应用于传统中药的生产过程。

2 分子蒸馏的原理

常规蒸馏利用沸点的不同进行分离,而分子蒸馏技术是在高真空(0.1~1.0 Pa)的条件下,通过将液体分子加热,利用混合物组分中不同分子平均自由程的差异进行分离。一定温度下,压力越低,气体分子的平均自由程越大,分子蒸馏的原理即是在大于重分子自由程而小于轻分子自由程处设置一冷凝面,使轻分子不断地冷凝在冷凝面上,重分子由于达不到冷凝面而沿蒸发面馏出,从而分离轻重组分[6]。

2.1 分子平均自由程

由理想气体的分子动力学理论推导出的分子平均自由程的定义式为:

式中λm———平均自由程;

d———分子有效直径;

P———分子所处环境压力,Pa;

T———分子所处环境温度,℃;

K———波尔兹曼常数。

根据分子平均自由程公式,不同种类的分子其平均自由程也不同,即不同种类分子液体受热后,轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,在离液面小于轻分子而大于重分子平均自由程处设置一个捕集器,使得轻分子不断被捕集,从而破坏了轻分子的动态平衡而使混合液中的轻分子不断逸出,而重分子因达不到捕集器很快趋于动态平衡,不再从混合液中逸出,这样液体混合物便达到了分离的目的。在真空状态下,分子自由程的差异会增大,分子蒸馏就是利用在高真空状态下被分离物质的分子平均自由程的这种差异来实现分离的,分子量相差越大,分离效果越明显。因此,分离时要求轻、重分子的平均自由程必须要有差异,且蒸发面与冷凝面的间距必须小于轻分子的平均自由程。在分子蒸馏过程中,影响分离效果的因素有温度、压力、转速、进料速度等。温度和压力是主要影响因素,因为温度和压力改变影响分子自由程的大小,进而影响分离效果,转速和进料速度影响液膜的流动状态以及液膜的传质传热效果。

2.2 分离过程原理

在分子蒸馏的分离过程中,待分离料液经预处理后,从进料口加入,受重力作用向下流动,在加热板上轻、重分子分别逸出[7]。由于冷凝板到加热板的距离小于轻组分平均自由程,因此轻组分可以到达冷凝板,冷凝后在轻组分接收瓶中富集;而重组分由于无法达到冷凝面,在气相中饱和,又返回原来液面,从而实现了混合物中不同组分的分离[8]。其中,液体在蒸发面上的蒸发是关键一步。图1为分子蒸馏的分离过程原理图。

研究者[9,10]认为分子蒸馏分离过程可大致分为4步:

(1)被蒸发物料分子由液相主体向液膜表面扩散。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)物料分子从蒸发面上自由蒸发。一般蒸发速度随着温度的升高而上升,但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,选择经济合理的分子蒸馏温度。

(3)蒸汽分子由加热面向冷凝面飞射。在飞射过程中,蒸汽分子可能与自身或残存的空气分子碰撞。由于蒸发分子远重于空气分子,且大都运动方向相同,所以它们自身碰撞对飞射方向和蒸发速度影响不大。然而,残气分子会在设备两面之间杂乱无章的运动,故残气分子的数目是影响飞射方向和蒸发速度的主要因素。

(4)蒸汽分子在冷凝面上冷凝。只要保证分子蒸馏设备冷热面之间保持足够的温度差(一般为70~100℃),冷凝表面的形式合理且光滑,则可以认为冷凝步骤能在瞬间完成,因此应合理选择冷凝器的形式。

3 分子蒸馏的优点

由分子蒸馏的原理可知,其是高真空度下的连续不可逆蒸馏过程,这种特点决定了其相较于常规蒸馏有着显著优点。

3.1 分离温度低

普通蒸馏需要在物料沸点温度进行,而分子蒸馏是根据不同种类的分子逸出液面后的平均自由程不同的性质来实现分离的,因而分子蒸馏可以低于物料沸点进行,这是分子蒸馏与常规蒸馏的本质区别,被分离物料只要存在着温度差就能分离。由于分离温度远低于物质的沸点,分子蒸馏可有效地避免被分离物质受热分解,且效率高。

3.2 蒸馏压力小,真空度高

由于分子蒸馏设备的特殊结构,系统内真空度较高,压力小于1 Pa,根据克拉伯龙方程(ClausiusClapeyron relation),压力的减小进一步降低了蒸馏温度,因而可有效避免易氧化物质的氧化分解。另外,对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、臭味物质等)的脱除,分子蒸馏较常规蒸馏有效得多。普通的减压蒸馏一般为几百至上千帕,不利于降低蒸馏温度。由2.1节中分子运动自由程公式可知,要想获得足够大的平均自由程,可以通过降低蒸馏压强P来获得,一般为10-1Pa数量级。

3.3 受热时间短

分子蒸馏装置加热面与冷凝面的距离小于轻分子的平均自由程,液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面,因此受热时间很短。此外物料液膜厚度约为0.25~0.5 mm,使液面与加热面的面积几乎相等,这样物料在蒸馏过程中受热时间就变得更短,一般是几秒至几十秒之间,能很好地保护物料的颜色及天然品质。由于分子蒸馏温度低,受热时间短,因此它很适合对高沸点、热敏性、易氧化物料进行有效分离。

3.4 分离程度高

组分在分子蒸馏条件下具有比常规蒸馏更高的相对挥发度,因而分子蒸馏能够分离常规蒸发、蒸馏所不能分离的组分,而对常规蒸馏能分离的组分,分子蒸馏具有更高的效率。分子蒸馏常被用来分离常规蒸馏难以实现的液体混合物。

分子蒸馏的挥发度可用下式表示:

式中α———常规蒸馏的相对挥发度;

P1———轻组分的蒸气压,Pa;

P2———重组分的蒸气压,Pa;

M1———轻组分的分子量;

M2———重组分的分子量。

由于重组分的分子量M2比轻组分M1大得多,所以分子蒸馏的挥发度α1也比常规蒸馏的相对挥发度α大得多。因此,对于蒸气压相近的混合物的分离,分子蒸馏的优势远大于常规方法[11]。

3.5 不可逆性

普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程,液相与气相间可以形成互相平衡状态。而分子蒸馏过程中,蒸发面上逸出的分子直接飞射到冷凝面上,理论上此过程不与其他分子发生碰撞,没有返回蒸发面的可能性,所以分子蒸馏是不可逆的。

3.6 没有沸腾鼓泡现象

普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象,而分子蒸馏是液层表面上的自由蒸发,在低压下进行,液体中无溶解的空气。因此,在分子蒸馏过程中,整个液体没有沸腾,不会产生鼓泡现象。

3.7 工艺清洁环保

分子蒸馏是一种纯物理的分离过程,无毒、无害、无残留污染,是一种绿色环保的生产过程,可得到纯净安全的产物,且能够保证被提取物的纯天然品质,值得提倡推广。同时,分子蒸馏操作工艺简单,设备少。正是由于分子蒸馏的诸多优点,其被广泛应用于食品药品的混合料液分离提纯,此外还应用于食品添加剂、石油、油脂、天然维生素及天然色素的提纯分离等许多领域,且许多都已实现工业化。

4 分子蒸馏的设备

一套完整的分子蒸馏装置主要包括进料系统、分子蒸馏器、加热冷却系统、真空系统和控制系统,其中分子蒸馏器是实现此技术的关键。根据其设备的形式和操作特点,分子蒸馏装置主要分为间歇釜式、降膜式、刮膜式以及离心式4种类型,其中后2种使用较广泛[12,13]。

4.1 间歇釜式蒸馏器

间歇釜式蒸馏器如图2所示。此设备是出现最早的一种形式,由蒸馏釜和内置冷凝器组成,结构较为简单,类似于简单蒸馏实验装置,特点是有一个静止不动的水平蒸发表面。该设备由于形成的液膜较厚,物料需要被持续加热,造成分离能力的降低以及物料的热分解。目前,该设备已经基本淘汰。

4.2 降膜式分子蒸馏器

降膜式分子蒸馏器(图3)相对于间歇釜式有很大的改善。它由具有圆柱形蒸发面光滑蒸发器和与之同轴近距离安置的冷凝器组成,结构简单,采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式,流动过程中物料被加热蒸发,蒸汽分子在冷凝面被冷凝,未分离物料沿加热面流下收集。虽然降膜式分子蒸馏器形成的液膜厚度小,停留时间短,降低了物料的热分解,但是由于液膜厚度不均匀,易形成过热点及液膜的流动呈层流状态等原因,容易出现液体的翻滚现象,传质和传热阻力较大,降低了分离效率,应用范围并不广泛。

4.3 刮膜式分子蒸馏装置

刮膜式蒸发器(图4)是降膜分子蒸馏器的一个特例,主要分为刷膜式、刮板式、滑动式和滚筒式。为弥补降膜式分子蒸馏器的缺陷,20世纪80年代末,一些研究者在降膜式分子蒸馏装置内设置一个转动的硬碳或聚四氟乙烯制的刮膜器,使物料在蒸发面形成均匀的薄层液膜,以强化传热和传质[14],提高了分离效率。此外,由于液膜不断得到更新,物料的停留时间变短,减少了热分解。刮膜式蒸发器结构相对简单,价格相对低,在工业中得到了广泛的应用。

1—加料装置 2—马达 3—冷阱 4—压力表 5—控制阀6—真空泵 7—热媒入口 8—热媒出口 9—刮膜器辊筒10—冷凝柱 11—重组分收集瓶 12—冷凝水出口13—冷凝水入口 14—轻组分收集瓶

4.4 离心式分子蒸馏装置

离心式分子蒸馏器(图5)构造更复杂,内置有一个高速旋转的蒸发面,将物料输送到高速旋转的转盘中央,并在旋转面扩展形成液膜,同时加热蒸发使之在对面的冷凝面上冷凝。转盘上装有加热装置,物料在流动过程的同时被加热。由于离心加速度一般大于重力加速度,因此相对于刮膜式分子蒸馏器,物料停留时间更短,蒸发效率更高,分离效果更好,是目前较为理想的分子蒸馏装置。但由于该装置带有特殊的转盘结构,需要较高的真空密封技术,制造操作成本高,因此更适合工业上的连续生产,一般应用于高附加值产品的分离。

5 分子蒸馏技术的应用

作为一种高效新型的绿色分离技术,分子蒸馏因温度低、物料加热时间短等特点,成功地避免了传统分离提取方法的缺陷,不但可分离常规蒸馏无法分离的组分,还能降低成本。尤其是在天然产物的分离、提纯和浓缩方面具有较强的优势,其中包括成分复杂的以及热敏性的物质,如维生素和多元不饱和脂肪酸等。另外,分子蒸馏不必使用溶剂作为分离剂,避免了溶剂的残留及毒性的问题。目前已经广泛应用于化工、医药、食品、造纸等各个领域[15,16,17]。

5.1 在植物有效成分提取中的应用

5.1.1 天然维生素的提取纯化

随着人们对天然维生素E保健功能的日益了解,国际市场上天然维生素E的需求量日益增长[18]。天然维生素主要存在于植物的组织中,如大豆油、小麦胚芽油等富含维生素的植物油以及油脂加工的脱臭馏分和油渣中。而天然维生素具有沸点高、热敏性等特点,用普通的蒸馏方法容易使其发生受热分解,产率降低。直到采用分子蒸馏的方法,这一问题才得以解决,使产率和纯度都得以提高。油脂脱臭的馏出物含有一定量的维生素,是天然维生素的主要来源,利用其提取维生素,可以变废为宝,为油厂带来较大的经济效益[19]。栾礼侠[20]等用分子蒸馏的方法,将天然维生素E进行提纯,可将维生素由3%提高到80%。闫广[21]等用分子蒸馏的方法对维生素K1提纯,得到了93%的馏出物。

5.1.2 挥发油的提取精制

天然精油在日化、食品、制药等行业有着广泛的应用,天然精油的成分主要是萜类化合物,具有热敏性,用普通的蒸馏方法提取和精制,容易引起分子重排、聚合、氧化、水解等反应,而且萜类化合物沸点高,传统蒸馏需要采用高温,从而导致精油有效成分的破坏,损害精油的品质。用分子精馏[22]的方法提纯精制香精油,可有效地防止精油受热破坏[23]。如川芎经过分子蒸馏处理后,川芎挥发油的化学成分明显减少,挥发油主要成分2,3-丁二醇有明显提高[24]。

5.1.3 天然色素提取

随着近年来人们对绿色天然食品的追求,天然色素由于其具有食用安全、无毒等特点,越来越受到人们的欢迎,如类胡萝卜素、辣椒红色素等。有学者以冷轧甜橙油为原料,采用分子蒸馏的方法提取类胡萝卜素,结果表明提取的类胡萝卜素纯度高,且不含溶剂[25]。采用分子蒸馏的方法处理普通蒸馏所得的辣椒红色素,能够很好地脱除其中的溶剂。

5.2 在动物有效成分提取中的应用

5.2.1 蜂蜡中二十八烷醇的分离

二十八烷醇是一种存在于蜂蜡、虫蜡中的天然活性物质,具有增强体力、提高人体代谢水平、促进脂肪代谢分解等作用。但是,目前大部分生产二十八烷醇的工厂均使用传统合成法,原料成本高,制备工艺复杂,副产物多,从而影响了二十八烷醇在食品药品领域的推广应用。杨浩[26]等将精制蜂蜡皂化后使用分子蒸馏技术纯化制备的二十八烷醇,产品纯度高达89.78%,完全符合医药和食品等行业的需求。

5.2.2 精致鱼油

鱼油是一种从多脂鱼类中提取的油脂,富含全顺式高不饱和脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA),这2种成分不仅具有降血脂、降血压、抑制血小板凝集、降低血液黏度等作用,而且还具有抗炎、抗癌、提高免疫能力等作用,被认为是很具有潜力的天然药物和功能食品。EPA、DHA主要从海产鱼油中提取,传统分离方法是采用尿素包合沉淀法[27]和冷冻法[28],但回收率低。而采用分子蒸馏制成的鱼油产品的色泽好、气味纯正、过氧化值低,而且能将混合物分割成DHA与EPA不同含量比例的产品,不失为分离纯化高不饱和脂肪酸的一种有效方法[29]。

5.3 在其他领域的应用

5.3.1 石油工业应用

在石油化工领域,分子蒸馏可用于碳氢化合物的分离,原油渣油及其类似物质的分离,生产低蒸气压油、高黏度润滑油,以及表面活性剂提纯、化工中间体的精制等。分子蒸馏[30]深拔分离、切割分离出多个重馏分油,不但可使减压渣油中的理想组分饱和烃类得到充分回收,而且能有效地脱除大部分残留重金属,馏分不含沥青,质量远远优于减压渣油。

5.3.2 农药上的应用

分子蒸馏在农药上的应用一是精制和提纯农药及农药中间体,包括增效醚、氯菊酯、胡椒基丁醚和氧乐果等。二是除去农药残留:采用薄膜蒸发和多级分子蒸馏,调节蒸馏温度压力条件,可以将植物药物标准品与其他组分进行高效分离[31]。早在1972年,就有文献报道相关研究人员利用分子蒸馏技术脱除中药制剂中的残留农药和重金属,提高中药制剂的品质[32]。

6 展望

分子蒸馏是一种应用广泛的新型分离方式,适用于天然产物的提取和分离,能保持产品的天然品质,在天然药物分离方面有着显著的优越性,但同时它也存在一定的局限性:

(1)分子蒸馏基础理论的研究较少[33,34]。我国在分子蒸馏理论和实际方面的研究起步比较晚,对相关分离过程的理论基础不扎实,应用研究在20世纪90年代才得到较快发展。由于分子蒸馏过程中影响因素多,分子蒸馏器设备情况复杂,难以用数学物理模型方法对分子蒸馏进行过程描述。

(2)生产能力较小。物料在分子蒸馏器的加热面上形成一层薄膜,物料的受热面积与加热面积几乎相等,虽然传热效率较高,但对物料的处理只能在加热面上进行,局限于一个加热面的面积,受热面积与汽化量远小于常规蒸馏,所以处理能力小[35]。在相同的生产能力下,分子蒸馏所需的设备体积要比常规蒸馏大得多。

(3)设备投资较大。分子蒸发器是分子蒸馏技术的核心,尤其是离心式分子蒸馏器对设备的密封和真空系统要求都很高,设备投资相对较大,因此分子蒸馏只适合于那些附加值较大的产品[36],对于大宗类附加值较小的产品,用分子蒸馏的方式进行处理并不太适合,但相对于产品的产值而言,仍然具有投资价值。

分子蒸馏对我国分离产业经济的发展产生着积极作用,将分子蒸馏与其他的分离方法联合分离处理物料将是日后研究的发展方向。随着研究的深入,分子蒸馏在天然产物及其他领域的研究和应用具有广阔的前景。

摘要：分子蒸馏又称短程蒸馏,是在高真空条件下进行的非平衡连续蒸馏过程,综述了分子蒸馏的发展过程、基本原理、特点及其设备,同时对分子蒸馏在植物、动物药用部分及其他方面的应用进行了介绍。

分子蒸馏设备 篇3

1 分子蒸馏技术发展概况

分子蒸馏概念最早出现于美国。1920年,美国Hickman利用分子蒸馏设备进行了实验,并发展到中试规模。20世纪30—60年代,是分子蒸馏技术的研发时代。从20世纪60年代至今,各国研究者都十分重视这一领域的研究,不断有新的专利和文献出现。同时,也出现了一些专门制造分子蒸馏设备的公司,如德国的Gea公司、Vta公司和UIC公司,美国的Pope公司和Myers公司,日本的神岗公司等,使分子蒸馏技术的工业应用得到了进一步发展。目前,应用分子蒸馏技术纯化分离产品达150余种[1]。该技术特别适用于一些难分离的物质。

Kawala等[2]发现:在原有设备和温和的操作条件下,适当增加蒸发面与冷凝面的间距,对分子蒸发速率和分离效率影响不大,这表明二者间距并不局限于气体分子平均自由程[3],这样可使处理量加大,规模化生产成为可能。因此分子蒸馏又以短程蒸馏的概念提出。

我国对分子蒸馏技术的研究比较晚。20世纪60年代,樊丽秋首次在国内进行了分子蒸馏相关研究;20世纪70年代末,余国琮等[4]发表了有关降膜式分子蒸馏的论文;20世纪80年代,出现了有关分子蒸馏仪器方面的相关专利,随后又引进了几套国外的分子蒸馏装置,并应用于硬脂酸单甘酯的生产;20世纪90年代后,国内才开始对分子蒸馏设备进行研制开发。但是到目前为止,对分子蒸馏技术及其相关过程的基础理论研究较少。

目前,分子蒸馏技术已经得到了广泛的应用。由于其自身的特点,该技术特别适用于高沸点、易氧化物料的分离,主要应用于食品、医药、石油化工、农药、日用化工等领域[5]。

2 分子蒸馏的原理及特点

2.1 分子蒸馏原理

与常规蒸馏的分离原理不同,分子蒸馏是根据液体分子受热后从液面逸出时的平均自由程的不同来实现的。在分子间的每一次碰撞过程中,两分子的最短距离称为有效直径,一个分子在相邻两次碰撞间隔内所经过的距离为自由程[6]。根据分子平均自由程的数学模型可知,温度、压力和有效直径是影响分子平均自由程的主要因素。当处于相同的温度、压力环境下,由于重组分分子直径较大,其分子平均自由程较小;轻组分分子直径较小,相应的分子平均自由程较大。分子蒸馏技术根据在高真空度(0.1～1.0Pa)条件下,不同物质分子平均自由程和挥发度不同进行分离,设计的原理是在介于轻、重组分分子平均自由程之间设置一冷凝面,使轻组分分子在冷凝面上冷凝,重组分分子由于达不到冷凝面而沿蒸发面馏出,从而实现轻重组分之间的分离[7]。

2.2 分子蒸馏特点

分子蒸馏是在高真空度条件下连续不可逆的蒸馏过程,它的原理和设备结构决定了其具有其他常规蒸馏设备所没有的优点[8]:

(1)蒸馏压强低。由于分子蒸馏设备独特的结构形式,可以获得很高的真空度。虽然常规减压蒸馏也可以有较高的真空度,但是其内部装有填料或塔板,阻力较分子蒸馏装置高,使得普通减压蒸馏的真空度远低于分子蒸馏的。

(2)操作温度低。分子蒸馏是依据分子自由程的差别来进行分离的,一旦蒸汽分子从液相中逸出就能实现分离,此过程并不需要达到沸腾状态。另外,分子蒸馏过程操作压力很低,所以物料在低于常压沸点的温度下即可蒸发。

(3)物料受热时间短。分子蒸馏器中蒸发面和冷凝面的距离小于轻组分分子的平均自由程,这样轻组分从液面逸出后几乎未发生碰撞就遇到冷凝面,所经过的距离非常短,所以物料处于受热状态的时间短,在很大程度上避免了分解或聚合,降低热损伤。

(4)分离效率高。在常规蒸馏中,液相与气相能达到动态平衡,以相对挥发度(α)表示其分离能力。对于分子蒸馏来说,由于是不可逆过程,其挥发度(αM)一般由下式表示[9]:

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式中:M1,M2分别为轻、重组分的相对分子质量;P1,P2分别为轻、重组分的蒸汽压。在P1与P2相同的情况下,M2/M1大于1,所以αM大于α,这表明分子蒸馏比常规蒸馏更易实现物料的分离。

(5)没有沸腾、鼓泡现象。分子蒸馏是液相表面的自由蒸发,液体中无溶解的空气,且蒸馏过程在较高的真空度下进行,因此无沸腾及鼓泡现象。

(6)工艺清洁环保。分子蒸馏过程中不使用有机溶剂,不产生污染,是一项绿色环保工艺。

3 分子蒸馏设备

分子蒸馏设备主要是由进料系统、分子蒸馏器、馏分收集系统、加热系统、冷却系统、真空系统、控制系统等组成[8]。分子蒸馏器是分子蒸馏设备的核心系统,随着工业技术的不断发展,分子蒸馏器也得到不断地完善和改进。根据分子蒸馏设备的结构形式和操作特点,大致可分为以下4种类型[10]:

(1)间歇式分子蒸馏器。该设备出现最早,结构最简单,具有一个静止不动的水平蒸发表面。它的主要缺陷是液膜很厚,物料持续加热,因而易造成物料的分解,分离效率较低,目前已经被淘汰。

(2)降膜式分子蒸馏器。它也是较早出现的一种结构简单的分子蒸馏设备。该设备的分离效率远高于间歇式分子蒸馏器,缺点是蒸发面上的物料易受流量和黏度的影响而难以形成均匀的液膜,且液体在下降过程中易产生沟流,甚至会出现翻滚现象,所产生的雾沫夹带有时会溅到冷凝面上,导致分离效果欠佳。此外,依靠重力向下流动的液膜一般处于层流状态,传质和传热效率不高,致使蒸馏效率下降。

(3)离心式分子蒸馏器。料液由进料口送至高速旋转的转盘上,在离心力作用下逐渐形成均匀的薄膜,受热后轻组分飞逸至冷凝面上冷凝,冷凝液汇集到馏分接口,重组分由残液接口排出。该设备是目前较为理想的分子蒸馏装置,但是由于特殊的转盘结构对密封技术要求很高,且结构复杂,因此制造成本较高。

(4)刮膜式分子蒸馏器。利用刮膜器可以将料液在蒸发面上刮成厚度均匀,且连续更新的涡流液膜,使传质和传热效率得到提高,并能有效控制液膜厚度、均匀性以及物料的停留时间,使蒸馏效率明显提高,热分解的可能性显著降低。

目前,离心式和刮膜式分子蒸馏器应用最为广泛。后者具有代表性的是UIC公司生产的KD系列分子蒸馏设备。该设备具有以下特点:(1)冷凝器内置;(2)刮膜器由成膜辊轮串联于成膜杆上;(3)成膜杆与物料盘连接,当电机带动物料盘旋转时也带动了成膜杆转动,成膜杆转动时可将物料均匀甩向蒸发器表面,转动辊轮立即将液体刮成厚度均匀的液膜。

4 分子蒸馏技术在原油分离中的应用

4.1 蒸馏曲线的延长

Alain等[11]利用分子蒸馏设备对重质原油和超重质重油进行了评价,并试图在ASTM D 5236最大蒸馏温度范围外延长实沸点蒸馏曲线。此项研究以4种委内瑞拉高硫、高沥青质环烷基原油为研究对象,采用ASTM D 2892,ASTM D 5236和分子蒸馏方法对其进行评价,其中分子蒸馏过程中相当于常压沸点(AET),是采用色谱模拟蒸馏方法得到的。研究发现,在延长实沸点蒸馏曲线方面,分子蒸馏方法得到的曲线与前两者曲线拟合度很高。

Batistella等[12-18]利用德国UIC-Gmbh公司制造的KDL 5型分子蒸馏仪,对几种巴西重质原油的减压渣油进行了研究。实验中压力为0.1Pa,蒸馏温度为220～340℃(相当于常压下571～720℃),将分子蒸馏作为理论研究手段,对实沸点蒸馏曲线进行了扩展,并获得了较高的精度。

当利用分子蒸馏器对常压渣油进行分离时,蒸馏温度相当于常压下的420～540℃,常压下沸点可根据ASTM D 1160—95计算。该公式对切割温度高于540℃者不适用。因此,将分子蒸馏得到沸点高于540℃的窄馏分做模拟蒸馏,确定其终馏点,从而绘制出蒸馏曲线上沸点高于540℃的部分。由以上两步实现实沸点蒸馏曲线的延长,并且得到Framol关联式[15]。

通过实验发现,与ASTM D 1160—95计算式相比,由Framol关联式计算出的AET,并且绘制出的实沸点曲线拟合度更好,精确度更高。因此,在分子蒸馏过程中,油品AET可以由Framol关联式计算得到。

Framol关联式解决了分子蒸馏温度转换问题,但是仅对几种巴西原油进行了验证,其通用性有待进一步考证。另外,Framol关联式中的变量仅为操作温度,而且操作压力为0.1Pa,但是在实际操作时,压力并非是定值,式中没有显示出压力对AET的影响,在其他压力下,此关联式能否应用也有待考证。

4.2 渣油深拔过程中的应用

原油减压蒸馏后的残余物占进料总量的25%左右,实践中常采用溶剂萃取的方法对残余物进行后处理。但是该法很难萃取出全部的润滑油和石蜡,且在过程中会萃取出高分子物质,从而影响产品质量。另外,溶剂萃取后,残余馏分中的沥青和沥青质形成胶体而沉淀,导致溶剂的回收能耗很高[19]。利用分子蒸馏技术处理渣油,可以切割出更多的馏分,且馏分间的切割清晰,生产能力提高,分离出的润滑油基础油基本不含金属元素,产品品质好,无需加入添加剂即可直接使用[20]。

Alain等[11]利用分子蒸馏设备对MFB-81原油的常压渣油进行了深拔。得到的产物性质与相同切割温度下常规实沸点减压蒸馏方法ASTM D 5236所得产物相比,精确度高,重复性好,无热分解现象。

对常压渣油进行高真空的短程蒸馏,切割点最高可达629.4℃[21]。英国Uffington公司、瑞士Buss公司和法国Buss-SMS公司联合采用高真空薄膜蒸馏技术,实现了增产催化裂化原料的目的[22]。结果表明:采用高真空薄膜蒸馏技术,可多回收50%～60%重质馏分油,其沸程为550～570℃,金属和沥青质含量低。

张晓静等[23-26]对以下4种典型原油的减压渣油(沸点大于500℃)进行了研究:大庆原油(低硫石蜡基原油),胜利原油(含硫中间基原油),辽河原油(低硫中间-环烷基的重质原油)及我国进口量最大的沙特阿拉伯轻质原油(含硫中间基原油)。实验深拔温度最高可达640℃,并对实验所得的各深拔蜡油和渣油的特性进行了较全面的研究。结果表明,深拔蜡油基本不含沥青质,但随着深拔温度的提高,产物的密度、残炭、金属含量等均增大。石蜡基原油深拔后得到的蜡油和渣油性质较好,密度、残炭、金属含量都不高,加工和处理比较容易(如大庆原油);而中间基或中间-环烷基的原油深拔蜡油和渣油的性质较差,加工起来比较困难。

张晓静等[25-28]利用分子蒸馏技术分别对沙特阿拉伯轻质原油和辽河原油的减压渣油进行了分离,并对所得到的馏分和渣油做了分析,分离最高温度达640℃。结果表明,分子蒸馏技术可使渣油中的轻组分得到充分回收,能有效脱除部分金属(Ni,V),并且所得深拔蜡油不含沥青质,质量远优于减压渣油,可直接进行催化裂化或与普通蜡油混合作为催化裂化原料。

张韬[29]在系统压力为6Pa,操作温度为280,300,320℃的条件下,采用分子蒸馏仪,对辽河、鲁宁管输和大庆原油的常压渣油进行了深拔,最高拔出温度相当于常压下的625℃左右,得到的深拔蜡油是合格或是基本合格的催化裂化原料。辽河和鲁宁管输油的深拔渣油可作为焦化原料或建筑沥青;大庆深拔渣油可作为催化裂化掺渣油使用,或深度加工后作为重质燃料油的调和组分。该文献还提出用色谱模拟蒸馏的方法确定常压等效蒸馏温度。

5 结束语

分子蒸馏技术能利用设备结构特点达到高真空度,从而提高蒸馏温度,能尽可能多地提取出石油中的轻组分,为二次加工提供更多的原料;也可分离出减压渣油中残留的轻组分,得到石油高沸点馏分。然而,分子蒸馏技术应用在渣油分离中还存在着不足:(1)采用分子蒸馏仪一次只能得到轻、重2种馏分。想要得到窄馏分,操作烦琐,需要频繁清洗设备,影响实验效率;(2)分子蒸馏设备压力随着物料的输入会产生波动,虽然分子蒸馏设备有很高的真空度,但进料速度增加时真空度会不稳定;(3)分子蒸馏技术理论研究还不成熟,目前没有一个通用的常压等效蒸馏温度的换算公式,给所得馏分油沸点范围的确定带来了困难;(4)和常规蒸馏相比,在高真空度条件下,分子蒸馏处理量比较小,难以满足炼厂实际生产的需要。

参考文献

[1]孙艳玲,马波,凌凤香,等.渣油分离分析方法研究进展[J].当代化工,2009,38(2):203-206.

[2]周永昌.超临界流体萃取分馏技术在俄罗斯渣油分离中的应用[J].安徽工业大学学报:自然科学版,2005,22(4):358-361.

[3]付立海.分子蒸馏技术[J].化学教学,2005(9):39-40.

[4]矫彩山,李凯峰.分子蒸馏技术及其在工业上的应用[J].应用科技,2002,29(10):56-58.

[5]冯武文.一种新型分离技术——分子蒸馏技术[J].化工生产与技术,2000,7(4):6-9.

分子蒸馏设备 篇4

精细化工绿色化主要是指原料的绿色化、产品的绿色化、生产过程的绿色化, 也就是说在精细化工的整体生产过程中要尽量做到无毒或是低毒、无害、无污染。下面笔者从原料、生产、产品这三个方面来对精细化工的绿色化进行详细深入的分析与探讨。

1.1 原料绿色化

在精细化工的原料选择方面, 主要分为天然品原料和化学合成品原料, 天然品原料的有毒物质含量是几乎为零的, 而在化学合成品原料中的有毒物质含量或多或少总会有一些, 因此, 在原料选择方面, 我们一定要从天然物质中提取一些有效物质, 例如从农产物、植物、还产物、林产物中提取一些有效物质或成分, 这样能够有效的保证精细化工原料的绿色化。相反, 如果选用化学合成品作为精细化工的原料, 那么化学合成品中的有毒物质在经过化学反应之后, 是有可能会转化为无毒产品的, 但是在生产过程中, 有毒原料还是极有可能会在经过一些化学反应后, 将有毒物质带入到产品中, 最终导致产品中也含有一定含量的有毒物质。那么为了达到原料绿色化的标准, 我们不仅要依靠对天然植物和农作物等进行适当的开发, 还要致力于清除原料中的有害物质的工作, 例如在提取天然品作为原料时, 提取农作物的过程中, 可能在农作物中会有一些农药的残留物等, 那么我们就要对农药的残留物进行脱除的工作, 这样才能够为原料的绿色化提供保障。

1.2 生产过程绿色化

大部分产品的生产原料都是要经过精制或是预处理的, 处理过程中采用的方法多为化学精制的方法, 例如酸法、碱法、化学溶剂法等等, 那么这样一来, 新的污染便会随之而产生。因此, 如何利用新型的精细技术来代替原有的化学精制技术便成为了比较重要的问题, 采用新型的精细技术取代上述的方法, 或是利用新型的技术来对残留溶剂进行脱除是一个值得研究的问题, 也是达到生产过程绿色化的重要保证之一。

1.3 产品绿色化

精细化学产生的产品大多为高纯度、且高附加值的产品, 在国际上, 精细产品的竞争主要集中在产品的高纯度和无毒害物质残留方面, 因此为了实现产品的绿色化, 新型的分离技术便随之产生。高新分离技术对精细化工的作用是至关重要的。

2 分子蒸馏技术

通过上文的分析和探究, 我们已经看到了新型的分离技术在绿色精细化工的发展中起着至关重要的作用, 而分子蒸馏技术是目前国际上受到高度重视的一种高科技物理分离技术, 不同与传统的蒸馏技术依靠沸点差进行分离, 分子蒸馏技术是依靠不同的物质分子在运动时的平均自由程的差别来对其进行分离。

2.1 分子蒸馏技术的基本原理

我们通过热力学的原理不难知道, 一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程为分子运动自由程, 针对单个分子来讲, 在某个时间间隔内自由程的平均值为平均自由程。压力降低、温度提高能够加大分子的运动自由程, 分子有效直径的减小, 能够使分子的运动自由程加大, 且在一定的压力和温度中, 不同有效直径的物质的分子运动自由程也不尽相同, 而分子有效直径之间的差别越大, 则分子运动的平均自由程的差别也越大。分子蒸馏分离的原理如下图1所示。通过图1, 我们可以看出:加热板和冷凝板在一定程度的高真空情况之下, 在混合液自上部加入到加热板受热到一定的温度时, 混合液中的不同的轻分子和重分子会开始溢出液面, 并且向着冷凝板开始进行移动, 但是轻分子和重分子的有效直径是不相同的, 因此各个分子的运动平均自由程也是不相同的, 所以当分子从加热面溢出之后, 不同分子的飞行距离也是不相同的, 对于加热板和冷凝板之间的距离进行适当的设定后, 飞行距离较远的轻分子在到冷凝板之后会变成液体, 并且沿着冷凝板向外流出去, 重分子的飞行距离不能够达到冷凝板, 在气相中会进行饱和, 最终实现了在混合液中的不同物质的分离。

2.2 分子蒸馏技术的特点分析

通过上文基本原理的分析中, 我们可以总结出分子蒸馏技术具有以下特点:1.操作时的温度较低, 分子蒸馏的分离并不是依靠沸点的, 因此操作时的温度要控制在低于沸点的温度;2.蒸馏压强较低, 一般为0.1～50Pa即可, 这样一来, 物质的沸点也有一定程度的降低, 且实际的分离温度也低于沸点, 因此分子蒸馏操作的温度会比传统的蒸馏温度低。3.受热时间较短, 轻分子的运动自由程是大于分子蒸馏加热面和冷凝面的间距的, 因此, 自液面溢出的轻分子在达到冷凝面之前几乎是未发生过碰撞的。

2.3 分子蒸馏中的关键技术

北京化工大学对分子蒸馏技术的发展做出了巨大的贡献, 经过十几年的工业化实践工作, 攻克了许多技术上的难关, 极大程度的带动了我国的分子蒸馏技术的发展, 使我国的分子蒸馏技术逐渐在世界上处于较为领先的地位, 北京化工大学在分子蒸馏中研究出的主要关键技术为:1.长期、稳定的高真空密封技术和高真空的获得技术。2.多种独特新颖的分子蒸馏蒸发器结构, 使得物料的分离更为高效、先进。3.开发出了多种物料输送系统, 且都适用于分子蒸馏操作。

3 分子蒸馏技术在绿色精细化工中的应用及前景

分子蒸馏技术是一种较为温和的蒸馏分离手段, 不但解决了传统蒸馏技术中无法解决的问题, 还克服了传统蒸馏操作中温度较高、受热时间较长等问题, 可见其应用前景是十分广阔的。通过大量的工业化实践证明, 分子蒸馏技术的应用特点是较为独特、全面的。分子蒸馏技术属于物理法分离技术, 其本身并不会造成环境污染, 且还可以对污染物进行清除, 例如产品中的农药化学、有害重金属等物质, 分子蒸馏技术目前已经成为中草药提取、天然物质提取的重要手段和关键技术, 其应用的领域较为广泛, 例如工业中的增效醚、氧乐果等农药的提纯;化妆品工业中的羊毛醇、藻类、花类、苔藓类等的提取;塑料工业中的环氧树脂、增塑剂、聚醚、聚氧化烯径;食品工业中的脂肪酸和其衍生物、鱼油、种子油、乳酸等;医药工业中的氨基酸酯、茄尼酵等;化学工业中的高碳醇、硅油、润滑油、沥青和焦油等。

结论

综上所述, 我国的分子蒸馏技术虽然起步较晚, 但是经过近几年的迅速发展, 目前我国的分子蒸馏技术已经处于国际的领先水平了。分子蒸馏技术的前景十分广阔, 尤其是在绿色精细化工中, 目前绿色精细化工得到了大力的推广, 因此对分子蒸馏技术进行大力开发和推广是一项十分必要的工作

参考文献

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[3]许志杰, 毛多斌, 郭晓东, 陈永森, 甘学文.分子蒸馏技术的应用研究进展[J].包装与食品机械, 2005, 4 (03) .

[4]李昌文.分子蒸馏技术在粮油工业中的应用[J].中国食品添加剂, 2007, 9 (11) .

酒甑蒸馏工艺与设备研究 篇5

我国酒厂都是用酒甑蒸馏的技术来制作白酒的。发酵酒醅的成分可以分为两大类:一类是挥发性成分, 包括酒精、水、杂醇油、酸、酯类等物质;另一类是非挥发性的成分, 包括稻壳、蛋白质、无机盐类等物质。在蒸馏过程中, 利用这些物质的沸点不同, 把挥发性物质和非挥发性物质分离。也就是通过酒精及水蒸发变成汽体, 再冷却成液体回收, 这样就把低浓度的酒精, 浓缩成浓度较高的酒。

1 甑桶蒸馏工艺的特点

甑桶为花盆状, 固态白酒蒸馏的蒸馏方式为间隙蒸馏 (有别于酒精连续蒸馏) 是低酒精浓度蒸馏。刚开始蒸馏, 溜分中酒度最高为75°左右, 称为酒头, 随着蒸馏的进行, 酒醅酒度也逐渐降低, 直至拉尾“油花满面”时, 酒度为零。

主要特点如下:

1) 蒸馏的界面大, 没有稳定的回流比甑内配料即是填料, 又是被蒸馏的物料, 醅层有较大蒸馏界面, 容易汽化, 醅料层不断进行汽化———冷凝———回流过程称为传热和传至, 并且这种变化过程随时发生变化, 所以蒸馏没有稳定的回流比。2) 传热速度快, 传质效率高具有固、液、汽三相交换功能 (酒醅) 有较大比表面积, 甑桶蒸馏是醅料中众多物料颗粒蒸馏, 通过汽化后酒汽的夹带作用和毛细管上升作用, 使蒸馏物料中可挥发性组分尽可能被蒸出, 多组分同时得到浓缩和分离即同时得到提香和除杂。3) 进料蒸馏操作同步。上甑时不断铺一层醅料反复操作至满甑, 冷热交换、汽化冷凝回流都同步。4) 蒸馏时醅料层酒精浓度和多种微量组分组成比例多变。甑桶内醅料层酒精浓度变化是底层醅料高→低, 面层醅料酒精浓度低→高, 中层低→高→低变化过程, 最后各层醅料中残余酒精浓度总是高→低变化。其它香味物质的挥发系数, 精馏系数也会因混合液中酒精浓度变化而随时变化, 所以蒸馏时不同时间取得馏分, 酒度和香味成分都有较大变化。5) 甑盖与甑桶间的相对压力差和水蒸汽拖带蒸馏。由于发生了抽吸作用和水蒸汽蒸馏雾沫夹带作用使难挥发组分被蒸馏到白酒中, 这是液态酒精蒸馏方式不可能办到的。

2 甑桶设计讨论

老式的甑桶上、下口直径之比1.14:1, 如上甑技术好蒸馏效率可达96%, 最低也有80%以上, 甑内蒸汽浓集较好, 初溜酒度近80度, 缺点是四周蒸汽钻边现象较严重。

为了减少这种不利现象的影响, 首先从操作上加以改进, 上甑时甑边多装醅压紧, 中心少装。蒸酒时缓汽蒸, 使酒汽浓缩充分, 强化乙醇水溶液对酒醅中微量成分萃取这样断花齐, 酒尾少。

其次从设备上加以改进:

1) 加大甑边陡度10~11°, 并使内壁粗糙, 6~8°用凸形底。2) 适当加大直径, 矮甑传质速率提高, 但甑不可过大, 如3m3就大了, 愈大上汽更不均, 酒度低。3) 双层网板, 双层甑, 二层间有10~15cm空隙, 减少酒醅自身密度, 使汽流通畅加强传质, 也可缩短蒸馏时间。4) 网板采用不同孔密度, 中心密, 周边稀, 上汽均匀。5) 冷却器面积要与甑桶大小配套, 提高冷却效果利于降低甑顶部蒸汽压, 加强抽吸作用, 利于香味组分蒸出。6) 导汽管不可过高, 并保温, 向冷却器倾斜防止因冷凝液向内倒流损失酒, 影响蒸馏效率。另外酒尾、尾水流不尽会影响成品酒酒度和质量。

3 几种常见酒甑的结构特点及原理

根据不同酒企以及市场的需求, 结合上述蒸馏工艺的特点以及现有甑桶取得的经验, 进而衍生出目前常见的三种不同的不锈钢酒甑类产品。主要有活动酒甑、三联转动甑锅和旋转酒甑, 如下图所示。

1) 三种酒甑的结构特点及原理。活动酒甑主要分为甑盖、甑桶、甑底三个部分, 其中甑桶和甑底是分列结构。人工上料, 出料时辅助开盖设备打开甑盖后提起甑锅, 达到一定位置后推动插销, 底部合页形式的网板即可打开, 将里面的物料自动倾倒出来。三联转动酒甑主要由单甑锅锅体、甑盖、圆盘驱动结构、整体支撑结构等部件组成。甑锅分为三个工位:第一工位, 装甑;第二工位, 蒸酒, 此时要盖上锅盖;第三工位, 蒸粮、出甑。三个工位相互配合, 连续工作减轻人员劳动强度, 节约生产时间, 实现生产高效性。旋转酒甑主要是由甑桶、甑盖、旋转动力部件、行走升降部件和机架等部件组成。蒸酒时将物料装入酒甑, 装满后自动盖好上盖, 蒸馏结束后, 上盖自动升起并移动到特定位置, 甑锅自动旋转, 到一定位置后将里面的物料自动倾倒出来, 倒完后再旋转复位。2) 三种酒甑的异同点。三种酒甑有不同之处, 主要区别是应用工艺不同。活动酒甑主要应用于传统酿酒工艺线。具有结构简单, 易于操作, 成本低、投入小, 无需消耗电能的优点;缺点是需要事先挖好地坑, 将锅底预埋好, 自动化程度低, 生产时需要人工吊运移动甑桶。因为产品投入小所以在目前市场上应用最为广泛, 大小酒厂都有应用。三联转动酒甑主要应用于酿造半自动化生产线。其优点是集上甑、蒸酒、 (蒸粮) 、出甑三工位为一体, 实现不间断连续作业;甑桶和甑底一体化, 减少热量损失, 蒸汽利用率高。缺点是成本比活动酒甑高;需要事先挖好地坑, 将支撑结构预埋好, 上甑出甑需要人工辅助开关门。目前应用的典型厂家有山东景芝等。旋转酒甑主要应用于酿造自动化生产线中。其优点是自动化程度高, 控制方便, 生产效率高。甑桶和甑底一体化, 减少热量损失, 蒸汽利用率高。无需事先挖地坑, 节约了人力物力。缺点是成本比活动酒甑高。目前随着人力成本的提高, 许多大中型酒厂向机械化酿酒转型, 旋转酒甑的应用在不断增多。尤其是小曲清香型白酒厂已经率先实现了酿造自动化。未来的应用前景将更加广阔。

4 结束语

酒甑蒸馏设备是蒸酒工段中主机设备, 在设计方面要结合不同酒厂的特点, 配备相应的酒甑类设备。对蒸馏工艺原理和特点的研究有利于甑桶设备的改进。今后在实践中还需要进一步研究工艺, 从而提升现有设备, 不断推动酿酒工业发展的进程。

摘要：介绍酿酒工艺中的蒸馏工艺的基本原理以及特点, 甑桶设计讨论;分析目前比较常见的的几种不锈钢酒甑, 分别是活动酒甑、旋转酒甑、三联转动酒甑, 介绍其不同的结构特点、原理以及具体的应用工艺和优缺点。

关键词：蒸溜工艺,甑桶改进,旋转酒甑,结构特点

参考文献

[1]黄亚东.实用酿酒技术.科学出版社, 2011.

[2]李大和.浓香型大曲酒生产技术.北京:中国轻工业出版社, 2011.

分子蒸馏设备 篇6

维生素E的来源有天然品和化学合成品两大类。天然维生素E对人体无毒副作用,其生物学活性、营养作用和长期使用的安全性远高于合成维生素E。植物油脂是天然维生素E的主要来源。植物油脂脱臭过程中的馏出物是植物油脂加工和精炼过程的副产物,含有大量脂肪酸、生育酚(天然维生素E)、甾醇、甾醇酯、甘油酯及其它组分等[2]。一般每吨菜籽加工过程中可得到50kg左右的脱臭馏出物,其中含3%～5%天然维生素E,是提取天然维生素E的宝贵资源。从菜籽油馏出物中提取天然维生素E可变废为宝,能满足医药、食品等工业需要,还能有效提高油脂加工厂的经济效益。

目前,从植物油脂脱臭馏出物中提取天然维生素E的方法很多,如皂化萃取法 、酯化法、脲包法、超临界萃取法、色谱法、硅胶吸附层析法和分子蒸馏法等[3,4,5,6]。在这些方法中,超临界萃取法分离维生素 E效果较好,但其设备较为昂贵,成本高。直接溶剂萃取法消耗溶剂量比较大,提取物的生育酚含量也不高。而利用分子蒸馏法提纯天然维生素E,设备简单,效率高,不会引入其余杂质,十分适合油脂加工厂应用。本文就菜籽油馏出物甲酯化后天然维生素E的分子蒸馏提取工艺展开相关实验研究,为综合利用菜籽油馏出物提供依据。

1 材料和方法

1.1 实验原料和试剂

菜籽油脱臭馏出物,购自湖南省岳阳市永盛油脂化工有限公司。其中VE含量:3.2%,酸值:96.2mgKOH/g,皂化值:165.8mgKOH/g。甲醇、乙醇、丙酮和浓硫酸为分析纯,购自上海化学试剂厂。水为高纯水,由美国Millipore公司的Direct-Q3纯水机制备。

1.2 主要仪器和实验装置

数显电热恒温水浴锅HH-4,购自金坛市顺华仪器有限公司。电子分析天平FA2104A,购自上海精天电子仪器有限公司。高效液相色谱仪LC-10Avp,购自岛津仪器公司。分离装置为德国UIC公司的KDL-5型刮膜式分子蒸馏设备,见图1所示。

1.3 分析方法

采用岛津公司的LC-10Avp型高效液相色谱仪。色谱条件:色谱柱Alltima C18(4.6mm×250mm,5um),柱温35℃,流动相甲醇:水=98:2,流速1.0mL/min,紫外光检测波长290nm,样品进样量10μL。采用面积归一法计算含量。

1.4 实验方法

1.4.1 菜籽油馏出物的甲酯化

由于菜籽油馏出物中含有大量脂肪酸、生育酚、甾醇及甾醇酯、甘油酯及其他组分,生育酚含量一般为3%～5%,需要利用结晶法去除甾醇及甾醇酯,再将脂肪酸甲酯化,使其适合下一步的分子蒸馏。

将体积比为4:1的丙酮和甲醇的混合液按体积比1:1加入菜籽油馏出物中。在60℃恒温水浴中搅拌2h后,-5℃下冷冻结晶1h,用高速离心过滤机去除大部分甾醇结晶。按体积比1:1在滤液中加入甲醇,再加入少量浓硫酸作为催化剂,进行甲酯化反应。1.5h候将甲酯化混合滤液洗涤干燥后得到的油状物质主要为脂肪酸甲酯和维生素E的混合物,为分子蒸馏的实验原料。

1.4.2 维生素E的蒸馏分离

以去除甾醇的经过甲酯化的菜籽油馏出物为原料,在温度为100℃以上,压力小于1000Pa的条件下,从进料器经计量后进入分子蒸馏装置。进料速率控制在200～300mL/h,刮膜器转速为100～200r/min,原料预热温度为100℃～180℃,蒸馏温度为140℃～200℃,操作压力为0.1～2.0Pa。开启前,在冷凝管中通入冷却水,冷阱中充满液氮,将小分子烃类冷凝下来,延长油扩散泵寿命。

2 结果与讨论

2.1 蒸馏温度的影响

图2是原料预热温度100℃,进料速率为250mL/h,刮膜器转速为150r/min条件下,不同操作温度对维生素E含量的影响。随着蒸馏装置的蒸发壁面温度升高,馏出物维生素E的含量是增加的。但蒸发温度超过180℃后继续上升时,含量却有所下降。其主要原因是随着蒸发温度的升高,重组分被蒸出的比例增加。在蒸馏初期,轻组分蒸发速率比重组分蒸发速率大,馏出物中维生素E的含量是逐渐增加的。但当温度达到一定程度时,重组分蒸发增多,就使其含量降低。由图2可见当蒸发温度高于180℃时,馏出物中重组分含量明显增加,同时残液粘度过大,从而影响到刮膜器的正常运转,最终影响蒸馏分离过程。可见选择合适的蒸发温度,对获得满意的分离效果极为重要。

图3是蒸馏温度对维生素E收率的影响曲线,可以看出维生素E的收率是随着蒸发温度的升高而持续增加。当温度高于180℃时,维生素E的收率可高于65%。但温度进一步提高时,其收率增长减缓。这主要是由于蒸发温度提高时,重组分的蒸发速率提高,更多的重组分进入产品中,使馏出物中维生素E含量下降。在考虑维生素E的一次收率和产品纯度的情况下,蒸发操作温度宜控制在170℃～180℃之间。

2.2 操作压力的影响

随着操作压力的增加,馏出物中维生素E的含量和收率都呈下降趋势,蒸馏分离效果变差。操作压力对维生素E含量和收率的影响见图4。分子从蒸发表面逸出后需经过汽相空间达到冷凝表面,当操作压力增加时,汽相空间中分子密度增加,分子碰撞频率加大,阻碍了蒸发分子的运动,使其不能顺利达到冷凝表面。由图4可以看出,随着操作压力的增加,蒸发速率变小,维生素E的含量和馏出收率均减少。

2.3 进料速率的影响

在一定的操作压力下,随着进料速率的增加,馏出物的比例会减少。如图5所示为在蒸馏温度180℃,操作压力0.1Pa条件下,在不同进料速率下分离因素沿轴分布曲线。从图中可以看出进料速率较少时,轻组分浓度下降很快,蒸发液膜表面的温度和浓度变化剧烈,蒸发速率沿轴变化很快,沿轴向迅速减少,可见进料速率很慢并不利分离过程的进行。进料量较大时,蒸发液膜表面的温度变化和浓度变化较为平缓,分离因素的变化较小。但实验会发现,进料速率增加,原料的停留时间过短,导致维生素E的含量和收率降低。

2.4 进料预热温度的影响

图6是在蒸馏温度180℃,进料流量为250mL/h,操作压力0.1Pa条件下,不同进料预热温度对维生素E收率的影响。由于进料预热温度较低时,必然有一部分有效的蒸发面积被用于原料的预热,导致实际的有效蒸发面积减少。从图中可以看出随着预热温度的增加,维生素E的收率增加。但是由于进料流率较慢,用于预热原料的蒸发面积占总蒸发面积的比例较小,进料温度对维生素E的收率影响不大,但是考虑到分离效率应尽可能将原料预热到蒸发温度,以保证实际有效的蒸发面积。

2.5 刮膜器转速的影响

从图7可以看出,刮膜器转动速度较低时,维生素E的含量和收率较低,主要是由于低转速时,蒸发面难以形成均匀的液膜,同时液膜的表面更新速率变慢,不利于传质和传热。随着转速的增加,维生素E的含量和收率不断增加。由于转速提高,使得液膜变薄,其表面更新速度加快,液膜表面温度和浓度分布均匀。液膜表面温度梯度减小 提高轻重组分的蒸发速率,浓度提督的减小也有利于轻组分的蒸发速率。因此,转速增加,提高了蒸发速率,使维生素E的含量增加。但是转速过快会导致部分原料被直接甩到中间冷凝器上,导致分离效率降低。同时,转速高要消耗能量。适宜的刮膜转速为150～160r/min。

3 结 论

利用小型实验室分子蒸馏设备分离菜籽油馏出物的甲酯化原料,研究结果表明:分子蒸馏分离菜籽油馏出物中天然维生素E的最佳条件是:操作压力为0.1Pa时,蒸馏温度:170℃～180℃,进料流量250mL/h,进料预热温度160℃～170℃,搅拌速度150～160r/min,维生素E的一次收率可达65.38%,可得含量为51.72%的维生素E产品。需要经过分子蒸馏多级操作才能将维生素E含量提高到95%以上。

我国是油菜籽的主产国,年产11×107吨,而每吨菜籽可得到含3%～7%天然维生素E的脱臭馏出物。以日处理100t菜籽的加工厂为例,充分分离提取天然维生素E,年利润近200万元。因此,随着天然天然维生素E的广泛应用,充分利用有限的资源,从菜籽油脱臭馏出物中提取天然维生素E,满足人们的需要,具有广泛和深远的意义。

参考文献

[1]张彩丽,学礼.天然生育酚的结构、生物合成和功能[J].生物学杂志,2005,4(22):38-44.

[2]Durant A A,Dumont M J,Narine S S.In situ silylation for the multicomponent analysis of canola oil by products by gas chromato graphymass spectrometry.Analytica Chemica Acta,2006,559(2):227-233.

[3]邵平,姜绍通,潘丽军.分子蒸馏和脂肪酶催化水解菜籽油脱臭馏出物浓缩维生素E的优化研究[J].现代化工,2006(1):245-247.

[4]孟橘,史宣明,魏冰,等.双低菜籽油脱臭馏出物提取天然VE的醋化工艺研究[J].中国油脂,2004,29(10):32-34.

[5]刘云,丁霄霖,朱丹华.超临界CO2双柱逆流萃馏浓缩天然维生素E的最佳工艺研究[J].中国食品添加剂,2005,4:26-31.

分子蒸馏设备 篇7

注射用水是无热原的蒸馏水, 它是用纯化水经蒸馏后再通过微米甚至纳米级别的除菌滤器过滤获得。蒸馏法制备注射用水, 以前有些工厂用纯化水为原料以锅炉蒸汽直接冷凝、冷却而制得, 技术设备条件较好的则用单蒸馏水机、塔式蒸馏水机, 而现在国内已较普遍使用节汽节水的自动控制的多效蒸馏水器和气压式蒸水器这类产蒸馏水量大又经济的设备。本文介绍蒸馏法制备注射用水的单蒸馏器、塔式蒸馏水器、多效蒸馏水机、气压式蒸馏水机等几种类型的工作原理和方法。

1 单蒸馏水机

单蒸馏水机主要是以纯化水为原料利用液体遇热气化遇冷液化的原理制备注射用水的。由蒸发锅、挡沫板、冷凝器及炉膛等组成。使用时将常水送入冷凝器的回水管流入漏斗, 然后注入蒸发锅内, 经加热后锅内水沸腾气化, 蒸汽经挡沫板除去夹带的雾状液滴进入冷凝器而进行热交换被冷却成蒸馏水。由于产水量小, 环境差, 所得一次蒸馏水水质差等原因生产中已淘汰出局[1]。

2 塔式蒸馏水机

塔式蒸馏水机是较早定型生产的一类老式蒸馏水器, 塔式蒸馏水器需消耗大量能量和冷却水, 体积偏大, 从节能观点出发也是不经济的, 已经逐步被多效蒸馏水机取代。

2.1 塔式蒸馏水机特点

塔式蒸馏水机较单蒸馏水机有所改进, 它以一次蒸馏水为水源, 以蒸汽为热源, 设有隔沫装置和废气排出器, 使制得的蒸馏水质量大大的提高。

2.2 塔式蒸馏水机的操作方法

先在蒸发锅内加入适量的洁净水, 然后开启加热蒸汽阀门。加热蒸汽首先经过汽水分离器, 将蒸汽中夹带的水滴、油滴和杂质除去, 而后进入蒸发锅内的加热蛇管, 使锅内的水沸腾汽化。加热蒸汽放出潜热后冷凝为冷凝水, 冷凝木进入废气排出器内, 将不凝性气体及二氧化碳、氨等排出, 又流回蒸发锅中, 以补充锅内蒸发的水分。过量的回汽水由溢流管排出, 用溢流管控制锅内的水位。蒸发锅内所产生的二次蒸汽, 通过隔沫装置及折流式除沫器后, 进入U形管冷凝器被冷凝成蒸馏水, 落在折流式除沫器上, 然后由出口流至冷却器, 经进一步冷却降温后排出, 即为成品蒸馏水。

3 多效蒸馏水机

多效蒸馏水机主要由多个列管式降膜蒸发器、多个预热器、冷凝器、机架等组成。多效蒸馏水机依据各效蒸发器之间工作压力不同, 第一效产生的纯蒸汽可以作下一效的加热蒸汽如此经过多效的换热蒸发, 原料水被充分汽化, 各效产生的纯蒸汽则在换热过程中被冷却为蒸馏水, 从而达到节约加热蒸汽和冷却水的目的。

3.1 基本工作原理

纯化水由多级泵经流量计送入冷凝器管程通过管壁对壳程的来自末效的二次纯蒸汽进行冷凝操作而自身却被加热, 之后便顺次进入各个预热器管程被壳程的汽凝水再行加热;出第一预热器后进第一效蒸发器料水分布器, 被均匀的分布淋洒在蒸发管的内壁面上端, 料水成膜状液流沿着蒸发管内壁面由上向下流淌, 在流淌过程中不断接受通过管壁传给的一次蒸汽汽化潜热而不断的蒸发, 未被蒸发的料水流到器底被效间压力差动力送入第二效蒸发器的料水分布器中再次进行如上工作, 依此类推乃至末效, 末效未被蒸发的料水经末效器底排放管排出扔到或加以回收重新利用。各效的能源蒸汽均属于其上效产生的高纯度的二次蒸汽, 末效产生的高纯度的二次蒸汽不再作蒸发操作功而直接冷凝, 冷凝后的末效凝水在冷凝器内汇合来自各效的冷凝水, 经冷凝器的蒸馏水排出口排出进入注射用水贮罐储存备用。

3.2 多效蒸馏水机特点

多效蒸馏水机采用了并流降膜式多效蒸发工艺流程, 依据各效蒸发器之间的工作压力差, 使能量逐级降阶多次使用, 达到了节省能源蒸汽、纯化水和不用冷却水的理想效果。另一方面, 在每个蒸发器中均装有重力沉降、螺旋扰流、高效丝网三级除雾分离装置, 使得产出的蒸馏水水质更好, 大大的降低了注射用水中的内毒素含量[2]。

4 气压式蒸馏水机

气压式蒸馏水机又称热压式蒸馏水机.蒸发器中产生的蒸气可以被压缩, 在这个过程中, 蒸气的温度被提高并且循环使用的方法。热压式蒸馏水机是将纯化水以非常大的压力, 经进水口通过换热器再经泵送入蒸发冷凝器的管内, 再将蒸发冷凝器管内的纯水加热成蒸汽进入蒸发室内温度达105℃, 经除雾器以除去蒸发速度过快而带入的水滴、固体物质, 再进入压缩机时蒸汽被压缩, 其温度可高达120℃, 此高温压缩蒸汽进入蒸发冷凝器的管间。此时, 蒸发冷凝器管内与管间温差15℃以上, 管间高温高压蒸汽释放大量潜热, 将蒸管冷凝器管内的水加热成蒸汽, 该蒸汽又进入蒸发室重复前面过程。管间的高温压缩蒸汽冷凝成蒸馏水集结于管间后被引出进入保温贮罐。

5 结语

注射用水是注射剂日常生产过程中不可缺少的组成部分, 在药液配制、容器工器具胶塞洁净服清洗、房间和设备清洗等都需要用到大量的注射用水。虽然纯化水经蒸馏水机后都能除去其中的不挥发性有机、无机物质包括悬浮体、胶体、细菌、病毒、热原等杂质, 但每种蒸馏水机的结构、性能、金属材料、加工精度、操作方法各有不同, 另外各水源地水源不同, 这些因素必然影响注射用水的质量, 所以应该根据实际生产条件选用合适的蒸馏水机。

摘要：阐述了蒸馏法制备注射用水所用的单蒸馏器、塔式蒸馏水器、多效蒸馏水机、气压式蒸馏水机等几种类型蒸馏水机的基本概况、工作原理、特点等, 为学习了解蒸馏法制备注射用水提供参考。

关键词：蒸馏法,注射用水,塔式蒸馏水机,多效蒸馏水机,工作原理

参考文献

[1]游欢花.二级反渗透法制备纯化水[J].中国伤残医学, 2014 (15) :102.