分子蒸餾是一種新型的分離技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用。本文主要針對(duì)分子蒸餾裝置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分子蒸餾器的國內(nèi)外進(jìn)展作了詳實(shí)的介紹；并結(jié)合自己的實(shí)踐應(yīng)用，提出了對(duì)分子蒸餾設(shè)備改進(jìn)的建議。
關(guān)鍵詞 分子蒸餾；設(shè)備；進(jìn)展

分子蒸餾[1]（molecular distillation）也稱短程蒸餾（short-path distillation），是一種在高真空（10-1~101Pa）條件下進(jìn)行的液-液分離技術(shù)。具有蒸餾溫度低，體系真空度高，物料受熱時(shí)間短，分離程度高等特點(diǎn)；且分離過程不可逆，沒有沸騰鼓泡現(xiàn)象。特別適用于分離高沸點(diǎn)、熱敏性和易被氧化的物質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)的維生素 [2]-[4]和中草藥有效成分[5]-[7]的提取、石油化工[8]、食品工業(yè)[9]、化妝品工業(yè)[10]和農(nóng)業(yè)[11]等各行各業(yè)。盡管分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，但到目前為止，有關(guān)分子蒸餾設(shè)備的文獻(xiàn)卻較少。為增補(bǔ)這方面的空白，筆者在查閱大量相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己在實(shí)踐過程中的心得，詳實(shí)地介紹了分子蒸餾設(shè)備的國內(nèi)外進(jìn)展情況，并對(duì)分子蒸餾設(shè)備系統(tǒng)的完善提出了自己的見解。
1分子蒸餾裝置
1.1分子蒸餾的原理
分子蒸餾是利用分子平均自由程的差別進(jìn)行物質(zhì)分離的，其基本原理如圖1所示[12]。待分離的物料在加熱板上形成均勻液膜，經(jīng)加熱，料液分子逸出。在與加熱板平行處設(shè)一冷凝板，冷凝板溫度低于加熱板，且與加熱板的距離應(yīng)小于輕分子的平均自由程而大于重分子的平均自由程。這樣大部分的輕分子就能到達(dá)冷凝面形成液體流出，重分子則返回到加熱面，從而實(shí)現(xiàn)了分離。

1.2 分子蒸餾設(shè)備的組成
一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、分子蒸餾器、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)[13]。分子蒸餾大致的工藝流程如圖2所示。為保證真空度，一般采用二級(jí)泵聯(lián)用的方式，并設(shè)液氮冷阱保護(hù)真空泵。分子蒸餾器是整套裝置的核心。分子蒸餾裝置的發(fā)展主要體現(xiàn)在對(duì)分子蒸餾器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)上。
2 分子蒸餾設(shè)備的國內(nèi)外進(jìn)展
  分子蒸餾技術(shù)自上世紀(jì)20年代出現(xiàn)以來，由于其*的分離機(jī)制，的分離效果受到各國廣泛重視。隨著分子蒸餾技術(shù)日趨廣泛的應(yīng)用，其設(shè)備也不斷被改進(jìn)及完善。其發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階
段。
2.1 靜止式
靜止式[14]是zui早出現(xiàn)的一種簡(jiǎn)單、低廉的分子蒸餾設(shè)備。根據(jù)形狀可分為釜式、盤式等。圖3就是一典型靜止釜式分子蒸餾器，加熱器直接加熱置于蒸發(fā)室內(nèi)的料液，冷凝器懸于料液上方。高真空下料液分子飛離液態(tài)表面至冷凝器表面被冷凝成液滴，并由接餾分的漏斗收集。該裝置的主要缺陷是液膜很厚，物料被持續(xù)加熱，容易分解，分離效率低，現(xiàn)已被淘汰。

2.2 降膜式
降膜式裝置[15]也是早期形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖4所示。物料從進(jìn)料口進(jìn)入，經(jīng)分布器后在重力的作用下沿蒸發(fā)表面形成連續(xù)更新的液膜，并在幾秒鐘內(nèi)被加熱。輕組分從蒸發(fā)面逸出飛向冷凝面，然后在冷凝面冷卻成液態(tài)流出被收集，殘余的液體從重組分出口流出。這種裝置的蒸餾效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜止式分子蒸餾器，但由于蒸發(fā)面上的物料受流量和粘度的影響不能形成均勻的液膜，有時(shí)甚至不能*覆蓋蒸發(fā)面，并且靠重力流動(dòng)的液膜處于層流狀態(tài)，傳質(zhì)傳熱效率不高，因而嚴(yán)重影響了蒸發(fā)有效面積和蒸餾效率。
   
我國研究人員錢德康[16]在對(duì)傳統(tǒng)降膜式蒸餾器改進(jìn)后發(fā)明了內(nèi)循環(huán)薄膜分子蒸餾設(shè)備（圖5）。這套設(shè)備的*之處在于采用了軸流泵，使料液能反復(fù)循環(huán)被蒸餾。軸流泵將料液自底部吸入，經(jīng)循環(huán)管上升到真空室，在分散元件和液體分配器的作用下料液形成液膜沿蒸發(fā)面自然流下，蒸餾出的輕組分從頂部被抽到冷凝室被冷凝，殘余液落到底部，又被軸流泵送到真空室，反復(fù)循環(huán)，直到獲得合格的產(chǎn)品，這就相當(dāng)于多級(jí)分子蒸餾。該裝置流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，蒸餾效率高，已經(jīng)申請(qǐng)了國家。
2.3 刮膜式
刮膜式是目前應(yīng)用zui廣的一種分子蒸餾器形式，它是對(duì)降膜式分子蒸餾器的有效改進(jìn)，與降膜式的zui大區(qū)別在于刮膜器的介入。刮膜器將料液在蒸發(fā)面上刮成厚度均勻，連續(xù)更新的渦流液膜，大大增強(qiáng)了傳質(zhì)傳熱效率并有效控制了液膜厚度（0.25-0.76mm）[17]、均勻性和物料停留時(shí)間，使蒸餾效率明顯提高，熱分解顯著降低。
目前，刮膜式分子蒸餾器是市場(chǎng)的主流，國內(nèi)外有很多企業(yè)生產(chǎn)這種類型的蒸餾器。德國U.I.C公司[18]是專業(yè)生產(chǎn)刮膜式分子蒸餾器的企業(yè)，產(chǎn)品包括KD系列和KDL系列。KD系列設(shè)備的主體為不銹鋼材質(zhì)，主要用于中試和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；KDL系列主體是硼硅玻璃材質(zhì)，適用于實(shí)驗(yàn)室科研或少量高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖6所示，該裝置的特點(diǎn)有：①冷凝器內(nèi)置，有列管式和螺旋式兩種；②刮膜器由PTFE材質(zhì)的成膜輥輪串聯(lián)在成膜桿上形成；③機(jī)械密封或唇形密封保證驅(qū)動(dòng)軸的緊實(shí)；④成膜桿連接在物料盤上，電機(jī)帶動(dòng)物料盤旋轉(zhuǎn)同時(shí)也帶動(dòng)了成膜桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可將物料均勻地甩向蒸發(fā)器表面，轉(zhuǎn)動(dòng)的輥輪立即將液體刮成均勻的液膜 （如圖7所示） 。這種成膜方式的優(yōu)點(diǎn)是：①刮膜器與加熱壁面無機(jī)械連接，避免了成膜死角；②可避免刮膜器對(duì)蒸發(fā)面造成機(jī)械傷痕；③刮膜器和蒸發(fā)壁面都無污垢形成，設(shè)備使用壽命延長；④可形成高度混合的渦流液膜，增強(qiáng)了傳質(zhì)和傳熱。這些優(yōu)點(diǎn)已在實(shí)踐中得到認(rèn)可，并在世界各國的分子蒸餾設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。
 
美國VTA公司也專業(yè)生產(chǎn)分子蒸餾設(shè)備。他們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與UIC公司相似，如圖8所示，其*之處在于該公司的成膜系統(tǒng)類型多種多樣，如圖9所示。德國的NGW公司生產(chǎn)的KV系列的刮膜式分子蒸餾裝置主要適用于實(shí)驗(yàn)室科研，結(jié)構(gòu)如圖10所示，該裝置的特點(diǎn)是：①整個(gè)裝置都是透明玻璃材質(zhì)；②在線脫氣裝置使物料在進(jìn)入蒸餾器前先脫氣，保證了蒸發(fā)室內(nèi)的高真空度；③進(jìn)樣斗配有夾套，可進(jìn)行物料預(yù)熱，中部集成冷凝器；④輕重組分都采用兩級(jí)接收瓶，均能連續(xù)取樣10次進(jìn)行檢測(cè)。
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2.4 離心式
離心式分子蒸餾器[20]的結(jié)構(gòu)如圖11所示。待分離料液從進(jìn)料口被送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上，在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下逐漸擴(kuò)散成均勻的薄膜，受熱后輕組分飛逸到冷凝面上冷凝，匯集到餾分接口，重組分從殘液接口排出。

離心式是目前較為理想的一種裝置，與其他類型相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于轉(zhuǎn)盤的高速旋轉(zhuǎn)，可形成非常薄（0.04-0.08mm）且均勻的液膜，蒸發(fā)速率和分離效率都較好；②料液在轉(zhuǎn)盤上的停留時(shí)間更短，有效地避免了物料的熱分解；③轉(zhuǎn)盤和冷凝面的距離可調(diào)，可適用于不同物系的分離。但由于其特殊的轉(zhuǎn)盤裝置，對(duì)密封技術(shù)提出了更高的要求，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投入成本較高，比較適合大規(guī)模生產(chǎn)和高經(jīng)濟(jì)效益物質(zhì)的分離。
現(xiàn)國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的離心式分子蒸餾設(shè)備結(jié)構(gòu)大體相同，但由于離心式分子蒸餾器的密封技術(shù)較難，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的廠家較少，比較的是美國的Myers公司，圖12是該公司產(chǎn)品的剖面圖。Myers公司的真空系統(tǒng)采用的CVC公司的產(chǎn)品，再加上其的機(jī)械制造工藝和密封技術(shù)，使該公司的產(chǎn)品確保達(dá)到10-1Pa，并能長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定操作，處理量較大。
 
3 設(shè)備功能的完善
盡管分子蒸餾裝置日趨完善，但在實(shí)際運(yùn)行中仍然存在很多不足之處。筆者根據(jù)大量的文獻(xiàn)資料，結(jié)合自身實(shí)踐，就分子蒸餾設(shè)備需要改進(jìn)的地方提出自己的觀點(diǎn)。
①進(jìn)料系統(tǒng) 為保證系統(tǒng)的高真空，待分離物料應(yīng)先脫氣，大規(guī)模生產(chǎn)則應(yīng)單獨(dú)設(shè)置真空除氣裝置。料液罐應(yīng)配有加熱和攪拌裝置來均勻地預(yù)熱物料，提高蒸餾效率。使物料在被送入蒸餾器中前被加熱。實(shí)驗(yàn)室研究中進(jìn)料速度是非常重要的操作參數(shù)，所以進(jìn)料管路上應(yīng)安裝的流量定量控制和測(cè)量儀表，這將非常有利于分子蒸餾過程的研究。
②蒸餾器 蒸餾器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部始終處于高真空狀態(tài)，在進(jìn)行分子蒸餾的傳質(zhì)傳熱研究中，非常缺乏蒸餾器內(nèi)部溫度和壓力的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)普通裝置只能測(cè)量蒸發(fā)面加熱介質(zhì)的溫度和真空泵接口處的壓力，如果能在蒸餾器內(nèi)安裝溫度和壓力探頭，用于測(cè)量蒸發(fā)面和冷凝面間任一位置的溫度和壓力，對(duì)分子蒸餾的過程研究將十分有意義。
③接受系統(tǒng) 原料有可能在常溫下呈固體狀態(tài)，那么接收裝置就需要有保溫或加熱設(shè)備，避免餾出物和殘余物在流出過程中冷卻成固體堵塞管道。另外接收器的結(jié)構(gòu)可以采用多級(jí)接收形式，通過調(diào)節(jié)閥門或轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)在不停車的情況下接收不同操作條件下的餾分，方便科學(xué)研究。
④冷卻系統(tǒng) 控制冷卻系統(tǒng)溫度的恒溫水浴應(yīng)具有加熱和制冷兩種功能，如果只有加熱功能，那么在氣溫較高且蒸餾溫度較低的情況下，就會(huì)由于溫差過小而導(dǎo)致冷凝效果不明顯從而影響產(chǎn)量；也會(huì)引起冷凝溫度的不穩(wěn)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不平行，引入誤差。
4 結(jié)語
現(xiàn)國內(nèi)外分子蒸餾裝置的設(shè)計(jì)主要靠經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，缺乏理論的指導(dǎo)，因而還沒有重大突破，根源在于對(duì)分子蒸餾工藝?yán)碚撗芯亢鼙∪?，缺乏關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，傳熱傳質(zhì)機(jī)理也沒有*揭示，這些都是化工研究者們努力的方向，使分子蒸餾能真正成為一門實(shí)用的技術(shù)。
 
另外美國的POPE公司[19]、德國的i-Fischer公司也生產(chǎn)分子蒸餾設(shè)備如KD200，同時(shí)國內(nèi)也有很多廠家生產(chǎn)刮膜式分子蒸餾，主要有北京新特，廣州漢維，無錫雪浪等公司

我國學(xué)者對(duì)離心式分子蒸餾裝置也進(jìn)行了很多改進(jìn)，蔡沂春[21]研制了一種M型離心式裝置，雖然也采用了傾斜式結(jié)構(gòu)，但轉(zhuǎn)軸處采用威爾遜機(jī)械密封形式，雖然能達(dá)到真空度要求，但很難保持真空度的穩(wěn)定。陳德裕[22]發(fā)明了一種懸錐形結(jié)構(gòu)，采用了磁力驅(qū)動(dòng)裝置，保證了密封，但是錐形轉(zhuǎn)鼓處于垂直狀態(tài)，成膜不均勻，影響了蒸餾效率。楊麒[23]等綜合了這兩種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，研制出了一種新型裝置，如圖13所示。該裝置有以下特點(diǎn)：①物料通過轉(zhuǎn)盤中央的噴嘴呈霧滴狀噴灑到轉(zhuǎn)盤上，使物料在很短時(shí)間內(nèi)形成均勻薄膜；②轉(zhuǎn)盤是一錐角b為160-170°的錐形圓盤，β過大或過小都影響液膜的均勻性，不利于蒸發(fā)；③蒸發(fā)室的傾斜角α為45-60°，方便將殘余液和產(chǎn)物導(dǎo)出；④傳動(dòng)裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)裝置，變動(dòng)密封為靜密封，保證軸封處無泄露，維持了系統(tǒng)高真空的穩(wěn)定性。該裝置體現(xiàn)了分子蒸餾的特點(diǎn)，且裝置結(jié)構(gòu)緊湊，易操作，維修方便。

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