分子蒸馏技术在乳酸工业化应用中的问题探讨

张兴龙 张 鹏

（河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 郸城 477150）

作为三大有机酸之一的乳酸，主要应用于食品、医药、化工、新材料、饲料等诸多重要产业领域[l]。随着社会的发展，这些产业领域对乳酸纯度的要求越来越高，尤其是聚乳酸材料的应用和发展，对乳酸的纯度提出了更高的要求。而我们应用传统的分离提纯工艺不能满足这些行业的需要。因此，对于乳酸行业来说迫切需要采用新的技术进一步提升产品质量。分子蒸馏技术的出现，让我们看到了曙光。

分子蒸馏（molecular distillation）也称短程蒸馏（short-path distillation），是一种特殊的液－液分离技术，能在极高真空下操纵，它依据分子运动均匀自由程的差别，能使液体在远低于其常压沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离[2，3]。由于其具有蒸馏温度低于物料的常压沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏性物质的特点品质[4]。本文就分子蒸馏技术在乳酸行业工业化应用中存在的问题进行了分析探讨。

1 分子蒸馏原理

分子蒸馏技术是利用了不同种类分子逸出液面后直线飞行的距离不同这一性质来实现物质分离的。液体混合物为了达到分离的目的，首先进行加热，当被加热的液体混合物沿加热板活动，轻、重分子会逸出液面而变成气相，由于其中轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的气相分子移动间隔不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝并排出，而重分子达不到冷凝板，沿混合液排出。这样，达到物质分离的目的。

2 分子蒸馏技术在乳酸行业的应用现状

分子蒸馏技术，作为一种对高沸点、热敏性物料进行有效的分离手段，自本世纪三十年代出现以来，得到了世界各国的重视。到本世纪六十年代，分子蒸馏技术在维生素等少数行业实现规模化的产业应用。在日、美、英、德、苏相继设计制造了多套分子蒸馏装置，但当时由于各种原因，应用面太窄，发展速度很慢。人们一直在不断地探索着这项新的液－液分离技术，对分离装置精益求精、完善，对应用领域不断探索、扩展，使分子蒸馏技术得到了迅速的发展[5-7]。但在乳酸应用领域，由于乳酸存在严重的腐蚀性，对分离纯化系统的稳定性和各构件的材质有较高的要求，并且分子蒸馏纯化乳酸过程中严重存在收率低、效率低等问题。分子蒸馏技术在乳酸应用中很难实现规模化生产。

对分子蒸馏的设备，各国研制的形式多种多样。发展至今，大部分已被淘汰，目前应用较广的为离心薄膜式和转子刮膜式[8]。由于乳酸对分子蒸馏设备材料选择和加工精度的高要求，而现有的装备又存在真空度低、内部加热面至冷端物料捕集器的间距设置不精准等技术问题，致使分子蒸馏在乳酸应用中的设备很难达到高产能，限制了乳酸和聚乳酸行业的发展。

3 分子蒸馏技术在乳酸行业的工业化应用中的问题探讨

3.1 分子蒸馏装置在乳酸应用中的形式

分子蒸馏装置以短程蒸发器为核心，含单级或多级蒸发器；通常带有一级或多级冷阱；物料输入输出系统主要有计量泵和物料输送泵，完成连续进出料；加热系统的加热方式常用的有水蒸气加热、电加热、导热油加热和微波加热；真空系统是保证足够真空度的关键部分；控制系统可以实现对整个装置的运行控制。分子蒸馏装置的核心部件蒸发器从结构上可以分为降膜式、离心式和刮膜式三大类[9]，对比分析如下：

3.1.1 降膜式：为早期形式，结构简单，但由于液膜厚、效率差，已经淘汰。

3.1.2 离心式：离心力成膜，膜薄、蒸发效率高，但结构复杂，制造及操作难度大。该装置将物料送到高速旋转的转盘中央，并在旋转面扩展形成薄膜，同时加热蒸发，使之在对面的冷凝面凝缩。该装置要求有高速旋转的转盘，由于乳酸存在腐蚀性，对控制阀门制作工艺及精度要求极高，稍有磨损或腐蚀，就会使系统产生内漏、串料，使生产无法进行。因此，该装置主要应用于没有腐蚀性质且黏度低的物质提纯，无法应用于乳酸的工业化生产。

3.1.3 刮膜式：形成的液膜薄，分离效率高，较降膜式结构稍复杂，比离心式结构简单、稳定。它采取重力使蒸发面上的物料变为液膜降下的方式，但为了使蒸发面上的液膜厚度小且分布均匀，在蒸馏器中设置了一套耐腐蚀且耐磨损的、径向间距自动调节的转动刮板。该刮板不但可以使下流液层得到充分搅拌，还可以加快蒸发面液层的更新，从而强化了物料的传热和传质过程。该装置在操作温度下停留时间短，热分解的危险性较小，蒸馏过程可以连续进行，生产能力大。

因此，在综合分析研究了以上三种分子蒸馏装置的结构，我们选择刮膜式分子蒸馏装置进行具体探讨。

3.2 分子蒸馏设备材质

由于乳酸对金属具有腐蚀性，特别是分子蒸馏的薄膜蒸发过程，蒸发温度达到110 ℃—120 ℃，一般的抗腐蚀金属很难满足分子蒸馏提纯乳酸的工业化稳定生产，易损坏设备和污染乳酸。因此，对于分子蒸馏设备的材质，特别是与乳酸液体接触部分的材质应当进行抗腐蚀性试验。

现有的材质中，2205 双相不锈钢、316L 和317L 奥氏体不锈钢在乳酸中抗腐蚀性能均非常好。而2205 双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍，并且它的热膨胀系数更低，导热性更高。比较而言，2205 双相不锈钢作为分子蒸馏设备与液体接触部分的材质性价比更高。

对于刮膜转子，采用适用于食品和药品生产的复合石墨为材质，石墨材料是惰性的，不会对物料构成污染。

3.3 分子蒸馏设备真空度

真空度的高低直接影响物料的沸点，而分子蒸馏乳酸过程中沸点的高低直接影响产品的质量，由于液体汽化后在高真空度下气体体积很大，以及设备系统可能存在泄漏，大型的分子蒸馏设备很难保持设计的真空度。目前国内的分子蒸馏设备多为粗真空（“粗真空”101.323kPa～1.3332kPa，“中真空”133.2Pa～13.332Pa，“高真空”<13.332Pa），而目前一些工业化设备采用水环式真空泵和二级罗茨式真空泵三级联合抽真空也才达到200Pa，为中真空。

如何提高设备的真空度，设计者设计时应该从以下两个方面考虑：

首先，整体设备布置按照单元化组合模式，所有部件紧凑布置，优化管线走向、管道结构及连接方式，使设备整体布局合理，管线短，漏点少。

其次，优化真空机组和系统，不要仅限于常规机械抽真空，可以结合蒸汽抽真空，与其他真空泵多级联用，可提高分子蒸馏设备的极限真空度。设计者可以进行详细的对比试验，主要对比不同真空机组抽真空达到的真空度，配用动力，消耗蒸汽以及吨产品能源消耗。综合考虑，选择性价比高的机组。

3.4 分子蒸馏内部加热表面至冷端物料捕集器的间距及其关联因素

分子蒸馏是依据分子运动均匀自由程的差别来实现液体在远低于其沸点温度下的分离，因此，分子蒸馏设备内部加热表面至冷端物料捕集器的间距（以下简称设备冷热端间距）既分子均匀自由程直接影响着产品的收率和质量。选择合适的设备冷热端间距是分子蒸馏技术能否在乳酸行业工业化应用的关键。

经过分析可知，分子蒸馏设备冷热端间距受蒸馏温度、压力、进料流量、刮膜转子转速等因素的影响。目前由于设备制造企业和乳酸生产企业结合不紧密，造成企业购进设备为已经设计好的冷热端间距，乳酸生产企业再对蒸馏温度、压力、进料流量、刮膜转子转速等因素进行优化，这样优化出的指标并不是最优指标。

对于设备制造企业来说，应该联合乳酸生产企业对设备参数进行优化，按乳酸生产企业要求的产能设计进料流量，设备压力根据真空机组确定，那么剩下的蒸馏温度和刮膜转子转速我们应该与分子蒸馏设备冷热端间距先进行单因素优化，再进行组合优化。在其他条件不变的情况下，单独优选出设备冷热端间距、短程蒸馏温度和刮膜转子转速的最佳三个值，再以设备冷热端间距、短程蒸馏温度、刮膜转子转速为自变量，乳酸产品收率和乳酸产品金属离子总量（采用原子吸收光谱测定）为因变量，进行正交试验和分析。试验可以利用实验室的设备进行改造，从而降低成本。

3.5 刮膜转子的精密度

薄膜蒸发器和分子蒸馏蒸发器的刮膜转子是设备的核心部件，对于保证良好的传热传质效率起到非常重要的作用，所以转子的加工精密度是设备制造的关键。刮膜转子应当经过严格的动平衡测试，使转子在运转过程中最底端金属环的正负偏差尽可能低（德国的SKR型刮板式刮膜转子可达±0.1 mm），减少转子的径向偏移度，从而可增加转子的稳定性，并降低设备的磨损率。

4 结束语

伴随着食品、医药、化工等行业对高纯度乳酸的需求量越来越大，以及聚乳酸的应用越来越广，分子蒸馏技术对高沸点、热敏性及易氧化物系的高效分离性质决定了在乳酸行业将被广泛推广应用。因而解决分子蒸馏技术在乳酸行业工业化应用中的关键技术问题已经迫在眉睫。对于我国分子蒸馏设备制造企业及乳酸生产企业来说，应当紧密结合，联合解决分子蒸馏技术在工业化应用中问题，提升我国乳酸行业的核心竞争力，为生物基降解材料聚乳酸的规模化推广打下坚实基础。

[l]钱志良，胡军，雷肇祖.乳酸的工业化生产、应用和市场[J].工业微生物，2001，31（2）：49-53.

[2]Burrows G，Molecular distillation，Oxford University Press[M].1960，78-86.

[3]吴鹏，张东明，张庆波.短程蒸馏原理及工业应用[J].化工进展，2000，19（1）：49-52.

[4]陈立军，陈焕钦.分子蒸馏技术及其应用的研究进展[J].香料香精化妆品，2004（5）：22-26.

[5]DavidBGreenberg.[J].AIChEJ.，1972，18（2）：269-276.

[6]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.

[7]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.

[8]王志祥，林文，于颖.分子蒸馏设备的现状及其展望[J].化工进展，2006，25（3）：292-296.

[9]Erdweg，K，J.，Molecular and short path distillation[J]，Chem. Ind.，1983（9）：342-345.