新型分离技术--第三章-新型蒸馏技术

第三章:新型蒸馏技术Noveldistillationtechnique第一部分：分子蒸馏(MolecularDistillation,MD)分子蒸馏技术是现代工业生产的一项重要分离技术.分子蒸馏，又称短程蒸馏，在极高真空下操作，依据分子运动平均自由程的差别，使液体在远低于其沸点的温度下实现分离。作为一种特殊的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。真空蒸馏的操作压力为104-102Pa，高真空蒸馏的压力范围为100-1Pa，分子蒸馏的压力范围为1-0.01Pa。分子蒸馏在极高真空下操作，蒸发面和冷凝面的间距小于蒸气分子的平均自由程，由蒸发面逸出的分子，既不与残余空气碰撞，自身也不碰撞，毫无阻碍地喷射到冷凝面上发生冷凝。分子蒸馏过程（1）热量通过加热面传递到流动的薄层液膜内，分子从液相主体向蒸发表面扩散，液相内的扩散是控制分子蒸馏速率的主要因素。（2）在高真空下、远低于沸点的温度下，分子从液膜表面自由蒸发。（3）基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射。（4）分子自由程大于蒸发面-冷凝面距离的分子在冷凝面上冷凝，而分子自由程小于蒸发面-冷凝面距离的重组分分子则不能到达冷凝面。（5）没有蒸发的重组分和返回加热面上极少量轻组分由于重力或离心力作用落到加热器的低部。比较内容分子蒸馏普通蒸馏温度任何温度，只要与冷凝面存在温差沸点温度蒸发-冷凝过程不可逆过程可逆过程液体的蒸发液膜表面上的自由蒸发，不沸腾沸腾、鼓泡分离因子与组分蒸气压和分子量有关与组分蒸气压相关分子蒸馏的基本原理分子的平均自由程：气体分子在两次连续碰撞之间所走路程的平均值。为分子平均自由程，为分子的平均速度，f为碰撞频率。d为分子有效直径，p为分子所处空间的压力。fvvkTpdvf22分子蒸发速率分子蒸馏的蒸发速率由物质分子在蒸发面上的挥发速率决定，与汽液相平衡无关。组分的蒸发速率为：J为蒸发速率；po为组分的饱和蒸气压；M为组分的摩尔质量；x为液膜中组分的摩尔分率。MRTxpJo21蒸发温度分子蒸馏的蒸发温度与被蒸馏的物质的相对分子质量呈线性增加关系。分离因子分子蒸馏分离过程不可逆，分离因子由蒸发速率求出：分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸气压和分子量有关。分子蒸馏可以分离蒸气压十分接近而分子质量有差别的混合物。1220210121MMrprpJJM分子蒸馏装置及设计降膜式分子蒸馏器中液膜的厚度、下流速度及蒸发面直径如下：h为液膜厚度，u为液体的动力粘度，为液体密度，为蒸发面单位周长上的流速，D为蒸发面直径。323guhDQ323hguQD设计中力求减少液膜厚度，强化液层流动。尽量避免液沫飞溅，料液进蒸馏器前要充分脱气，蒸发面与冷凝面之间的间距不要过小（一般为20至70毫米）。可以在蒸发面与冷凝面之间设置筛网作雾沫分离器。MDL-150（离心式）分子蒸馏设备分子蒸馏技术的优点适于高沸点、热敏性、易氧化物料(蒸馏温度低)。可有选择性地蒸出目的产物(利用多级分子蒸馏同时分离两种以上物质)。工艺简单，溶剂污染少(分离过程为物理过程，不需要使用溶剂)。典型应用：从鱼油中提取二十碳五烯酸，二十二碳六烯酸。从植物中提取维生素A和E。分子蒸馏技术的局限性单纯的分离技术，不具备提取功能。进样物料及分离后的组分必须为低极性液态。设备、技术要求高，初期投入较大，生产能力有限。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.天然和合成维生素7.互叶白千层油8.辣椒碱9.大蒜素的精制10.川芎11.当归12.姜油13.中草药有效成分的提纯制药1．醇类2.—酯3.乙二醇醚4.除草剂5.全能碳氢化合物6．杀虫剂7.硅油8.妥尔革柔油化工1．脂肪酸及衍生物2.二聚酯肪酸3.鱼油4.小麦胚芽油5．种子油6.单甘油酯7.双甘油酯8.生育酚9.黄油食品1．广藿香油2.玫瑰油3.山仓子油4.桉叶油（茶树油）5.香茅油6.橙油7.紫罗兰酮香料香精成套的实验室规模短程蒸馏实验室分子蒸馏装置分子蒸馏中试装置分子蒸馏中试蒸发面积：KD120012平方米用于乳化剂生产4个流程每个蒸发面36平方米用于石蜡生产第二部分膜蒸馏(Membranedistillation,MD)20世纪60年代，Findly提出膜蒸馏（membranedistillation)的概念。以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，膜两侧温度差造成膜两侧蒸汽压差，蒸汽分子通过膜孔从高温侧向低温侧扩散传递并冷凝。膜蒸馏是蒸馏与膜过程的结合。膜蒸馏传质过程：水从热料液主体扩散到膜—料液侧表面；水在疏水膜—料液侧表面汽化；水蒸汽扩散通过疏水膜孔；水蒸汽在膜—冷凝液侧表面冷凝；水从膜—冷凝液侧表面到液相主体扩散。膜蒸馏传质示意图当膜两侧温差不太大时，膜通量和膜两侧的蒸汽压差为线性关系：p1和p2为膜两侧温度下水的饱和蒸汽压，C为膜的传质系数。多数情况下，膜的孔径与膜蒸馏水蒸汽分子的平均自由程在同一个数量级，近似努森扩散。)(21ppCN由于膜内蒸汽压不能直接测量，转换为温度的表示形式：可由Antoin方程计算：)()(21mmTTTdTdpCNm)453841238.23exp(mTp膜蒸馏传热过程：膜蒸馏中的传热有两种机理：一为伴随着蒸汽通量产生的潜热传递，另一为通过膜的热传导。稀溶液的潜热通量为：热传导通量为：)(21mmvTTdTdpCQ)(21mmmcTTkQ膜蒸馏传热示意图通过膜的总热传导为：H为膜的有效传热系数。膜蒸馏过程的热量衡算式为：h1、h2为膜附近热、冷液膜的传热系数。)())((2121mmmmmcvTTHTTkdTdpCQQQ)()(222111bmmbTThTThQ温度极化定义为温度极化系数，表示总热推动力用于传质推动力的分数。理想状况下温度极化系数为1。)(121212121bbbbmmTThHhHTTTT膜的浸润及浸润压力Laplace方程：R为孔径，i为液体的表面张力。cos2Rpi当接触角小于90°时，p0，液体可以自发进入膜孔。当接触角大于90°时，p0，液体不能可以自发进入膜孔。必须施加一个大于p的压力，才能将液体压入孔中。膜蒸馏时，膜两边的压力差不应超过浸润压力。浸润压力反比于膜孔的大小。膜孔较大的膜容易浸润。影响膜浸润的另一个重要参数为液体的表面张力。分子间的作用力强，表面张力高。水中含有有机溶剂，表面张力迅速降低，浸润压也降低。聚合物的表面能是决定浸润的另一个重要因素。表面能高的聚合物容易浸润，表面能低的聚合物不容易浸润。膜蒸馏使用的疏水性微滤膜聚合物膜表面能(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膜蒸馏系统用于膜蒸馏的膜组件可为中空纤维、卷式和板框式等。膜蒸馏系统由预处理装置、加热装置、冷却装置、热能回收装置等组成。预处理装置：除去泥沙、悬浮物、有机物等，一般采用澄清、过滤、吸附等方法。加热装置：最好使用废热、余热、地热、太阳能等。冷却装置：用原水或自来水冷却。热能回收装置：采用热交换器回收热能。膜蒸馏装置膜蒸馏的应用膜蒸馏的优点：可在非沸腾状态下的较低温度下操作，可利用工业余热和太阳能。膜蒸馏设备紧凑。膜蒸馏的缺点：膜遭受润湿而损害，膜费用较高。小规模海水淡化、超纯水生产、以及高沸点、高浓度含水制品的脱水、浓缩。工业案例使用孔径为0.45um、孔隙率为75%的PDVF膜进行海水的膜蒸馏，在热侧温度为60°C，冷侧温度为20°C，水通量可以达到3kg/(m2·h)，制得总固含量低于5ug/g的高纯水。膜法能耗(kwh/m3)费用(元/m3)规模(m3/天)反渗透约7约2约320000800膜蒸馏约12约3（太阳能或废热）约2至2.5100电渗析约18约7（太阳能）约62000工业案例思考题(1)表层海水与深层海水之间有温度差，是否可以这样考虑：利用这个温差，使用膜蒸馏技术，一劳永逸制取淡水？(2)设想如何降低膜蒸馏的温度极化现象？