新型蒸餾設(shè)備及工藝的論文

【專(zhuān)家解說(shuō)】：分子蒸餾設(shè)備的現(xiàn)狀及其展望摘要：分子蒸餾技術(shù)是一種新型高效分離技術(shù)，現(xiàn)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹了分子蒸餾的原理及 設(shè)備組成，并對(duì)靜止式、降膜式、括膜式、離心式等國(guó)內(nèi)外典型分子蒸餾設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的評(píng)述。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)分子蒸餾設(shè)備的進(jìn)料系統(tǒng)、蒸餾器、餾分收集系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)提出了一些建議。 關(guān)鍵詞：分子蒸餾；靜止式分子蒸餾器；降膜式分子蒸餾器；括膜式分子蒸餾器；離心式分子蒸餾器 分子蒸餾 [1] 是一種在高真空(0.1～10Pa)條件下 進(jìn)行的液—液分離技術(shù)，又稱(chēng)為短程蒸餾，具有蒸餾 溫度低、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(guò)程為不可逆過(guò)程，不存在沸騰和 鼓泡現(xiàn)象，因而特別適合于高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧 化物質(zhì)的分離。目前，分子蒸餾已被成功地應(yīng)用于 制藥、石油化工、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域 [1~11] 。 1分子蒸餾原理及設(shè)備組成 1.1分子蒸餾原理 分子蒸餾是利用分子平均自由程的差異來(lái)分離 液體混合物的，其基本原理如圖1所示 [12] 。待分離 物料在加熱板上形成均勻液膜，經(jīng)加熱，料液分子 由液膜表面自由逸出。在與加熱板平行處設(shè)一冷凝 板，冷凝板的溫度低于加熱板，且與加熱板之間的 距離小于輕組分分子的平均自由程而大于重組分 分子的平均自由程。這樣由液膜表面逸出的大部分 輕組分分子能夠到達(dá)冷凝面并被冷凝成液體，而重組分分子則不能到達(dá)冷凝面，故又重新返回至液膜 中，從而可實(shí)現(xiàn)輕重組分的分離。 1.2分子蒸餾設(shè)備的組成 一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要由進(jìn)料系統(tǒng)、分 子蒸餾器、餾分收集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成 [13] ，其工藝流程如 圖2所示。為保證所需的真空度，一般需采用二級(jí) 或二級(jí)以上的泵聯(lián)用，并設(shè)液氮冷阱以保護(hù)真空泵。 分子蒸餾器是整套設(shè)備的核心，分子蒸餾設(shè)備的發(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 分子蒸餾技術(shù)自上世紀(jì)20年代問(wèn)世以來(lái)，由于 其獨(dú)特的分離機(jī)制和極佳的分離效果而受到廣泛重 視。隨著分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其設(shè)備 尤其是分子蒸餾器也不斷得到改進(jìn)和完善。 2.1靜止式分子蒸餾器 靜止式分子蒸餾器 [14] 是最早出現(xiàn)的一種簡(jiǎn)單、 價(jià)廉的分子蒸餾設(shè)備。圖3是一種典型的靜止釜式 分子蒸餾器。工作時(shí)，加熱器直接加熱置于蒸發(fā)室 內(nèi)的料液，在高真空狀態(tài)下，料液分子由液態(tài)表面 逸出，飛向懸于上方的冷凝器表面，被冷凝成液滴 后由餾分罐的漏斗收集。此類(lèi)分子蒸餾器的主要缺 陷是液膜很厚，物料被持續(xù)加熱，因而易造成物料 的分解，且分離效率較低，目前已被淘汰。 2.2降膜式分子蒸餾器 降膜式分子蒸餾器 [15] 也是較早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單的分子蒸餾設(shè)備，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。工 作時(shí)，料液由進(jìn)料管進(jìn)入，經(jīng)分布器分布后在重力 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。輕組分由液態(tài)表面逸出并飛向冷凝 面，在冷凝面冷凝成液體后由輕組分出口流出，殘 余的液體由重組分出口流出。此類(lèi)分子蒸餾器的分 離效率遠(yuǎn)高于靜止式分子蒸餾器，缺點(diǎn)是蒸發(fā)面上 的物料易受流量和黏度的影響而難以形成均勻的液 膜，且液體在下降過(guò)程中易產(chǎn)生溝流，甚至?xí)l(fā)生 翻滾現(xiàn)象，所產(chǎn)生的霧沫夾帶有時(shí)會(huì)濺到冷凝面上， 導(dǎo)致分離效果下降。此外，依靠重力向下流動(dòng)的液 膜一般處于層流狀態(tài)，傳質(zhì)和傳熱效率均不高，導(dǎo) 致蒸餾效率下降。錢(qián)德康 [16] 對(duì)傳統(tǒng)的降膜式分子蒸餾器進(jìn)行了 改進(jìn)，發(fā)明了一種內(nèi)循環(huán)式薄膜分子蒸餾設(shè)備， 其結(jié)構(gòu)如圖5所示。此種分子蒸餾器的獨(dú)特之處 在于使用了軸流泵，使料液能反復(fù)循環(huán)并被蒸餾。 工作時(shí)，軸流泵將料液自底部吸入，經(jīng)循環(huán)管上 升至真空室，在分散元件和液體分布器的作用下 料液形成液膜并沿蒸發(fā)面自然流下，輕組分由液 膜表面逸出并飛向冷凝面，被冷凝成液體后由餾 出液出口流出，而殘液下降至底部后，又被軸流 泵重新輸送至真空室，如此反復(fù)循環(huán)。此種分子 蒸餾器相當(dāng)于多級(jí)分子蒸餾器，其特點(diǎn)是運(yùn)行成 本低，蒸餾效率高。 2.3刮膜式分子蒸餾器 刮膜式分子蒸餾器是目前應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi) 分子蒸餾設(shè)備，它是對(duì)降膜式分子蒸餾器的有效改 進(jìn)，與降膜式的最大區(qū)別在于刮膜器的引入。利用 刮膜器，可將料液在蒸發(fā)面上刮成厚度均勻，且連 續(xù)更新的渦流液膜，從而大大增強(qiáng)了傳質(zhì)和傳熱效 率，并能有效控制液膜的厚度（0.25～0.76 mm）、均 勻性以及物料的停留時(shí)間，使蒸餾效率明顯提高， 熱分解的可能性顯著降低。 目前，刮膜式分子蒸餾器是市場(chǎng)的主流，國(guó)內(nèi) 外的許多企業(yè)均生產(chǎn)此類(lèi)分子蒸餾器。德國(guó)UIC公 司 [17] 是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)刮膜式分子蒸餾器的企業(yè)，其產(chǎn)品 包括KD系列和KDL系列。KD系列的設(shè)備主體由 不銹鋼制成，主要用于中試和工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)； KDL系列的設(shè)備主體由硼硅玻璃制成，適用于實(shí)驗(yàn) 室科研或小批量高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 如圖6所示。UIC公司生產(chǎn)的分子蒸餾器具有下列 特點(diǎn)：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)于成膜桿上而 形成；③通過(guò)機(jī)械密封或唇形密封來(lái)保證驅(qū)動(dòng)軸的 緊實(shí)；④成膜桿連接于物料盤(pán)上，因此當(dāng)電機(jī)帶動(dòng) 物料盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)亦帶動(dòng)成膜桿轉(zhuǎn)動(dòng)。成膜桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可 將物料均勻甩向蒸發(fā)器表面，轉(zhuǎn)動(dòng)輥輪立即將液體 刮成厚度均勻的液膜，如圖7所示。由于刮膜器與 加熱壁面之間無(wú)機(jī)械連接，因而可避免成膜死角， 也不會(huì)對(duì)蒸發(fā)面造成機(jī)械損傷。此種成膜方式不僅 可形成高度混合的渦流液膜，增強(qiáng)傳質(zhì)和傳熱效果， 而且可避免在刮膜器和蒸發(fā)壁面上形成污垢，從而 延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。 德國(guó)的NGW公司生產(chǎn)KV系列的刮膜式分子 蒸餾設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。KV系列的分子蒸 餾設(shè)備主要適用于分子蒸餾過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，其設(shè) 備具有如下特點(diǎn)：①整套裝置均由透明玻璃材質(zhì)制 成；②具有在線脫氣裝置，物料在進(jìn)入蒸餾器之前 可先脫氣，從而可保證蒸發(fā)室內(nèi)的高真空度；③進(jìn) 樣斗配有夾套，可對(duì)物料進(jìn)行預(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)。 美國(guó)VTA公司也是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)刮膜式分子蒸餾 器的企業(yè)，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與UIC公司的相似，如圖9 所示。VTA公司生產(chǎn)的分子蒸餾器在成膜系統(tǒng)方面 具有獨(dú)到之處，有多種類(lèi)型的成膜系統(tǒng)可供選擇， 如圖10所示。此外，美國(guó)的POPE公司 [18] 、德國(guó)的i–Fischer 公司以及國(guó)內(nèi)的北京新特科技發(fā)展公司、無(wú)錫明燕 集團(tuán)公司、無(wú)錫和誠(chéng)生化裝備公司、廣州漢維冷氣 機(jī)電公司等也生產(chǎn)刮膜式分子蒸餾設(shè)備。 2.4離心式分子蒸餾器 離心式分子蒸餾器 [14] 的結(jié)構(gòu)如圖11所示。待 分離料液由進(jìn)料口送至高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)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 后輕組分飛逸至冷凝面上冷凝，冷凝液匯集至餾分 接口，重組分由殘液接口排出。離心式是目前較為理想的一種分子蒸餾設(shè)備， 與其他類(lèi)型的分子蒸餾設(shè)備相比，此類(lèi)分子蒸餾器 具有下列優(yōu)點(diǎn)：①由于轉(zhuǎn)盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)，可形成非 常?。?.04～0.08 mm）且均勻的液膜，蒸發(fā)速率和 分離效率均較高；②料液在轉(zhuǎn)盤(pán)上的停留時(shí)間更短， 可有效避免物料的熱分解；③轉(zhuǎn)盤(pán)與冷凝面之間的 距離可以調(diào)節(jié)，可適用于不同物系的分離。但由于 其特殊的轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)，對(duì)密封技術(shù)提出了更高的要求， 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備成本較高，比較適合于大規(guī)模的 工業(yè)生產(chǎn)或高附加值產(chǎn)品的分離。 由于離心式分子蒸餾器的密封要求較高，因而 生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)此類(lèi)分子蒸餾 器的廠家較少，比較著名的是美國(guó)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)采用的是CVC公司的產(chǎn)品，再加上其精湛的 機(jī)械制造工藝和密封技術(shù)，使該公司的產(chǎn)品可達(dá)到 0.1 Pa的絕對(duì)壓力，并能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行， 且處理量較大。 我國(guó)學(xué)者對(duì)離心式分子蒸餾器進(jìn)行了許多改 進(jìn)。蔡沂春 [19] 研制了一種M型離心式分子蒸餾器， 雖然轉(zhuǎn)軸處采用威爾遜機(jī)械密封形式，可達(dá)到較高 的真空度，但很難保持真空度的穩(wěn)定。陳德裕 [20] 發(fā) 明了一種懸錐形結(jié)構(gòu)，采用磁力驅(qū)動(dòng)裝置，可保證 密封要求，但錐形轉(zhuǎn)鼓處于垂直狀態(tài)，成膜不均勻， 因而影響蒸餾效率。楊麒等 [21] 綜合了這兩種設(shè)備的 優(yōu)點(diǎn)，研制出了一種新型分子蒸餾設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如 圖13所示。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：①物料通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán) 中央的噴嘴呈霧滴狀噴灑至轉(zhuǎn)盤(pán)上，使物料在很短 的時(shí)間內(nèi)形成均勻薄膜；②轉(zhuǎn)盤(pán)是一錐形圓盤(pán)，錐 角β為160o～170o，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)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 o ～60 o ， 可方便地將殘液和餾出液導(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，可保證軸封處無(wú)泄露，從而可維持系統(tǒng)高真空的穩(wěn)定性；⑤結(jié)構(gòu)緊 湊，易于操作，維修方便。 3分子蒸餾設(shè)備的改進(jìn)建議 盡管分子蒸餾設(shè)備已日趨完善，但在實(shí)際運(yùn)行 中仍存在許多不足之處。本文作者結(jié)合自身實(shí)踐， 就分子蒸餾設(shè)備需進(jìn)一步改進(jìn)之處提出一些建議。 (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)模工業(yè)生產(chǎn)則應(yīng)單獨(dú)設(shè)置真空 脫氣系統(tǒng)。料液貯罐應(yīng)設(shè)置加熱和攪拌裝置，這樣 在料液被送入蒸餾器之前,可在貯罐中先行預(yù)熱，以 提高蒸餾效率。在分子蒸餾過(guò)程中，進(jìn)料速度是一 個(gè)十分重要的操作參數(shù)，因此進(jìn)料管路上應(yīng)安裝精 確的流量測(cè)量和控制儀表。 (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)和傳熱研究中，非 常需要蒸餾器內(nèi)部的溫度和壓力分布數(shù)據(jù)，而目前的 普通分子蒸餾裝置僅能測(cè)量蒸發(fā)面加熱介質(zhì)的溫度 和真空泵接口處的壓力。因此，對(duì)主要用于實(shí)驗(yàn)研究 的小型分子蒸餾設(shè)備，若能在蒸餾器內(nèi)的適當(dāng)位置設(shè) 置溫度和壓力檢測(cè)探頭，以獲得蒸發(fā)面與冷凝面之間 的溫度和壓力分布數(shù)據(jù)，這對(duì)分子蒸餾過(guò)程的研究和 新型分子蒸餾器的開(kāi)發(fā)均具有十分重要的意義。 (3)餾分收集系統(tǒng)餾分在常溫下可能呈固體 狀態(tài)，因此餾分收集系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置保溫或加熱裝置， 以避免餾出液或殘液在流出過(guò)程中可能冷卻成固體 而堵塞管道。對(duì)主要用于實(shí)驗(yàn)研究的小型分子蒸餾 設(shè)備，接收器的結(jié)構(gòu)宜采用多級(jí)接收形式，這樣可 通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)或轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)在不停車(chē)的情況下收集不 同操作條件下的餾分，從而給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)方便。 (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。若僅有加熱功能，則 在氣溫較高且蒸餾溫度較低的情況下，可能會(huì)因溫 差過(guò)小而使冷凝效果不明顯，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，嚴(yán)重 時(shí)還會(huì)引起冷凝溫度不穩(wěn)定，使測(cè)量誤差增大，導(dǎo) 致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不平行。 4結(jié)語(yǔ) 目前，國(guó)內(nèi)外分子蒸餾設(shè)備的設(shè)計(jì)主要還是依 靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的理論指導(dǎo)，因而難以產(chǎn)生重大 突破，其根源在于分子蒸餾基礎(chǔ)理論的研究還比較 薄弱，缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因而還不能完全揭示分子蒸 餾過(guò)程的傳質(zhì)和傳熱機(jī)理。隨著分子蒸餾過(guò)程實(shí)驗(yàn) 技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究的不斷完善，相信分子蒸餾設(shè) 備的設(shè)計(jì)和制造均將取得突破性進(jìn)展。 參考文獻(xiàn) [1]Klaus J Erdweg.[J].Chemistry and Industry，1983，2(5)：342–345. 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