新型蒸馏设备及工艺的论文

【专家解说】：分子蒸馏设备的现状及其展望摘要：分子蒸馏技术是一种新型高效分离技术，现已在许多领域得到广泛应用。简要介绍了分子蒸馏的原理及 设备组成，并对静止式、降膜式、括膜式、离心式等国内外典型分子蒸馏设备的结构和特点进行了较详细的评述。 在此基础上，对分子蒸馏设备的进料系统、蒸馏器、馏分收集系统和冷却系统的进一步改进提出了一些建议。 关键词：分子蒸馏；静止式分子蒸馏器；降膜式分子蒸馏器；括膜式分子蒸馏器；离心式分子蒸馏器 分子蒸馏 [1] 是一种在高真空(0.1～10Pa)条件下 进行的液—液分离技术，又称为短程蒸馏，具有蒸馏 温度低、真空度高、物料受热时间短、分离程度高 等特点，且分离过程为不可逆过程，不存在沸腾和 鼓泡现象，因而特别适合于高沸点、热敏性和易氧 化物质的分离。目前，分子蒸馏已被成功地应用于 制药、石油化工、食品、化妆品、农业等领域 [1~11] 。 1分子蒸馏原理及设备组成 1.1分子蒸馏原理 分子蒸馏是利用分子平均自由程的差异来分离 液体混合物的，其基本原理如图1所示 [12] 。待分离 物料在加热板上形成均匀液膜，经加热，料液分子 由液膜表面自由逸出。在与加热板平行处设一冷凝 板，冷凝板的温度低于加热板，且与加热板之间的 距离小于轻组分分子的平均自由程而大于重组分 分子的平均自由程。这样由液膜表面逸出的大部分 轻组分分子能够到达冷凝面并被冷凝成液体，而重组分分子则不能到达冷凝面，故又重新返回至液膜 中，从而可实现轻重组分的分离。 1.2分子蒸馏设备的组成 一套完整的分子蒸馏设备主要由进料系统、分 子蒸馏器、馏分收集系统、加热系统、冷却系统、 真空系统和控制系统等部分组成 [13] ，其工艺流程如 图2所示。为保证所需的真空度，一般需采用二级 或二级以上的泵联用，并设液氮冷阱以保护真空泵。 分子蒸馏器是整套设备的核心，分子蒸馏设备的发 展主要体现在对分子蒸馏器的结构改进上。 2分子蒸馏设备 分子蒸馏技术自上世纪20年代问世以来，由于 其独特的分离机制和极佳的分离效果而受到广泛重 视。随着分子蒸馏技术应用领域的不断扩大，其设备 尤其是分子蒸馏器也不断得到改进和完善。 2.1静止式分子蒸馏器 静止式分子蒸馏器 [14] 是最早出现的一种简单、 价廉的分子蒸馏设备。图3是一种典型的静止釜式 分子蒸馏器。工作时，加热器直接加热置于蒸发室 内的料液，在高真空状态下，料液分子由液态表面 逸出，飞向悬于上方的冷凝器表面，被冷凝成液滴 后由馏分罐的漏斗收集。此类分子蒸馏器的主要缺 陷是液膜很厚，物料被持续加热，因而易造成物料 的分解，且分离效率较低，目前已被淘汰。 2.2降膜式分子蒸馏器 降膜式分子蒸馏器 [15] 也是较早出现的一种结构 简单的分子蒸馏设备，其典型结构如图4所示。工 作时，料液由进料管进入，经分布器分布后在重力 的作用下沿蒸发表面形成连续更新的液膜，并在几 秒钟内被加热。轻组分由液态表面逸出并飞向冷凝 面，在冷凝面冷凝成液体后由轻组分出口流出，残 余的液体由重组分出口流出。此类分子蒸馏器的分 离效率远高于静止式分子蒸馏器，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，甚至会发生 翻滚现象，所产生的雾沫夹带有时会溅到冷凝面上， 导致分离效果下降。此外，依靠重力向下流动的液 膜一般处于层流状态，传质和传热效率均不高，导 致蒸馏效率下降。钱德康 [16] 对传统的降膜式分子蒸馏器进行了 改进，发明了一种内循环式薄膜分子蒸馏设备， 其结构如图5所示。此种分子蒸馏器的独特之处 在于使用了轴流泵，使料液能反复循环并被蒸馏。 工作时，轴流泵将料液自底部吸入，经循环管上 升至真空室，在分散元件和液体分布器的作用下 料液形成液膜并沿蒸发面自然流下，轻组分由液 膜表面逸出并飞向冷凝面，被冷凝成液体后由馏 出液出口流出，而残液下降至底部后，又被轴流 泵重新输送至真空室，如此反复循环。此种分子 蒸馏器相当于多级分子蒸馏器，其特点是运行成 本低，蒸馏效率高。 2.3刮膜式分子蒸馏器 刮膜式分子蒸馏器是目前应用最为广泛的一类 分子蒸馏设备，它是对降膜式分子蒸馏器的有效改 进，与降膜式的最大区别在于刮膜器的引入。利用 刮膜器，可将料液在蒸发面上刮成厚度均匀，且连 续更新的涡流液膜，从而大大增强了传质和传热效 率，并能有效控制液膜的厚度（0.25～0.76 mm）、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，刮膜式分子蒸馏器是市场的主流，国内 外的许多企业均生产此类分子蒸馏器。德国UIC公 司 [17] 是专业生产刮膜式分子蒸馏器的企业，其产品 包括KD系列和KDL系列。KD系列的设备主体由 不锈钢制成，主要用于中试和工业规模的生产； KDL系列的设备主体由硼硅玻璃制成，适用于实验 室科研或小批量高附加值产品的生产，其产品结构 如图6所示。UIC公司生产的分子蒸馏器具有下列 特点：①冷凝器内置，有列管式和螺旋式两种；② 刮膜器由PTFE材质的成膜辊轮串联于成膜杆上而 形成；③通过机械密封或唇形密封来保证驱动轴的 紧实；④成膜杆连接于物料盘上，因此当电机带动 物料盘旋转时亦带动成膜杆转动。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，如图7所示。由于刮膜器与 加热壁面之间无机械连接，因而可避免成膜死角， 也不会对蒸发面造成机械损伤。此种成膜方式不仅 可形成高度混合的涡流液膜，增强传质和传热效果， 而且可避免在刮膜器和蒸发壁面上形成污垢，从而 延长了设备的使用寿命。 德国的NGW公司生产KV系列的刮膜式分子 蒸馏设备，其结构如图8所示。KV系列的分子蒸 馏设备主要适用于分子蒸馏过程的实验研究，其设 备具有如下特点：①整套装置均由透明玻璃材质制 成；②具有在线脱气装置，物料在进入蒸馏器之前 可先脱气，从而可保证蒸发室内的高真空度；③进 样斗配有夹套，可对物料进行预热，中部集成冷凝 器；④轻重组分都采用两级接收瓶，均能连续取样 10次进行检测。 美国VTA公司也是专业生产刮膜式分子蒸馏 器的企业，其产品结构与UIC公司的相似，如图9 所示。VTA公司生产的分子蒸馏器在成膜系统方面 具有独到之处，有多种类型的成膜系统可供选择， 如图10所示。此外，美国的POPE公司 [18] 、德国的i–Fischer 公司以及国内的北京新特科技发展公司、无锡明燕 集团公司、无锡和诚生化装备公司、广州汉维冷气 机电公司等也生产刮膜式分子蒸馏设备。 2.4离心式分子蒸馏器 离心式分子蒸馏器 [14] 的结构如图11所示。待 分离料液由进料口送至高速旋转的转盘上，在高速 旋转的离心力作用下逐渐扩散成均匀的薄膜，受热 后轻组分飞逸至冷凝面上冷凝，冷凝液汇集至馏分 接口，重组分由残液接口排出。离心式是目前较为理想的一种分子蒸馏设备， 与其他类型的分子蒸馏设备相比，此类分子蒸馏器 具有下列优点：①由于转盘的高速旋转，可形成非 常薄（0.04～0.08 mm）且均匀的液膜，蒸发速率和 分离效率均较高；②料液在转盘上的停留时间更短， 可有效避免物料的热分解；③转盘与冷凝面之间的 距离可以调节，可适用于不同物系的分离。但由于 其特殊的转盘结构，对密封技术提出了更高的要求， 且结构复杂，设备成本较高，比较适合于大规模的 工业生产或高附加值产品的分离。 由于离心式分子蒸馏器的密封要求较高，因而 生产工艺比较复杂，目前国内外生产此类分子蒸馏 器的厂家较少，比较著名的是美国的Myers公司， 图12是该公司产品的剖面图。Myers公司的真空 系统采用的是CVC公司的产品，再加上其精湛的 机械制造工艺和密封技术，使该公司的产品可达到 0.1 Pa的绝对压力，并能长时间连续稳定地运行， 且处理量较大。 我国学者对离心式分子蒸馏器进行了许多改 进。蔡沂春 [19] 研制了一种M型离心式分子蒸馏器， 虽然转轴处采用威尔逊机械密封形式，可达到较高 的真空度，但很难保持真空度的稳定。陈德裕 [20] 发 明了一种悬锥形结构，采用磁力驱动装置，可保证 密封要求，但锥形转鼓处于垂直状态，成膜不均匀， 因而影响蒸馏效率。杨麒等 [21] 综合了这两种设备的 优点，研制出了一种新型分子蒸馏设备，其结构如 图13所示。该设备具有以下特点：①物料通过转盘 中央的喷嘴呈雾滴状喷洒至转盘上，使物料在很短 的时间内形成均匀薄膜；②转盘是一锥形圆盘，锥 角β为160o～170o，过大或过小都会影响液膜的均匀 性，不利于蒸发；③蒸发室的倾斜角α为45 o ～60 o ， 可方便地将残液和馏出液导出；④传动装置采用磁 力驱动装置，变动密封为静密封，可保证轴封处无泄露，从而可维持系统高真空的稳定性；⑤结构紧 凑，易于操作，维修方便。 3分子蒸馏设备的改进建议 尽管分子蒸馏设备已日趋完善，但在实际运行 中仍存在许多不足之处。本文作者结合自身实践， 就分子蒸馏设备需进一步改进之处提出一些建议。 (1)进料系统为保证系统的高真空，待分离 物料应先脱气，大规模工业生产则应单独设置真空 脱气系统。料液贮罐应设置加热和搅拌装置，这样 在料液被送入蒸馏器之前,可在贮罐中先行预热，以 提高蒸馏效率。在分子蒸馏过程中，进料速度是一 个十分重要的操作参数，因此进料管路上应安装精 确的流量测量和控制仪表。 (2)蒸馏器蒸馏器在运转时内部始终处于高 真空状态，在进行分子蒸馏的传质和传热研究中，非 常需要蒸馏器内部的温度和压力分布数据，而目前的 普通分子蒸馏装置仅能测量蒸发面加热介质的温度 和真空泵接口处的压力。因此，对主要用于实验研究 的小型分子蒸馏设备，若能在蒸馏器内的适当位置设 置温度和压力检测探头，以获得蒸发面与冷凝面之间 的温度和压力分布数据，这对分子蒸馏过程的研究和 新型分子蒸馏器的开发均具有十分重要的意义。 (3)馏分收集系统馏分在常温下可能呈固体 状态，因此馏分收集系统应设置保温或加热装置， 以避免馏出液或残液在流出过程中可能冷却成固体 而堵塞管道。对主要用于实验研究的小型分子蒸馏 设备，接收器的结构宜采用多级接收形式，这样可 通过调节阀门或转盘实现在不停车的情况下收集不 同操作条件下的馏分，从而给实验研究带来方便。 (4)冷却系统控制冷却系统温度的恒温水浴 应具有加热和制冷两种功能。若仅有加热功能，则 在气温较高且蒸馏温度较低的情况下，可能会因温 差过小而使冷凝效果不明显，导致产量下降，严重 时还会引起冷凝温度不稳定，使测量误差增大，导 致实验结果不平行。 4结语 目前，国内外分子蒸馏设备的设计主要还是依 靠经验，缺乏必要的理论指导，因而难以产生重大 突破，其根源在于分子蒸馏基础理论的研究还比较 薄弱，缺乏关键数据，因而还不能完全揭示分子蒸 馏过程的传质和传热机理。随着分子蒸馏过程实验 技术和基础理论研究的不断完善，相信分子蒸馏设 备的设计和制造均将取得突破性进展。 参考文献 [1]Klaus J Erdweg.[J].Chemistry and Industry，1983，2(5)：342–345. [2]Batistella C B，Wolf Maciel M R.[J].Computer Chem.Engng.， 1998，22：53–60. [3]应安国，许松林，王淑华，等.[J].化工进展，2005，24(1)：57—60. [4]向爱双，许松林，应安国.[J].中国科学（B辑），2004，34（6）： 504—508. [5]梁成满，黄少烈，朱宝璋.[J].精细化工，2005，22(4)：272–273，286. [6]许松林，应安国.[J].农业工程学报，2005，21(2)：169–171. [7]胡孝勇，张心亚，沈慧芳，等.[J].高校化学工程学报，2005， 19(2)：197–201. [8]冯武文，杨村，于宏奇.[J].化工进展，1998，17(6)：26–29. [9]许松林，徐世民，干爱华.[J].中草药，2001，32(6)：562–563. [10]王军武，许松林，徐世民，等.[J].化工进展，2002，21（7）： 499–501，508. [11]吴鹏，张东明，张庆波.[J].化工进展，2000，19(1)：49–52. [12]冯武文，杨村，于宏奇.[J].日用化学工业，2002，32(5)：74—76. [13]祝顺琴，谈峰.[J].精细化工，2004，21(1)：46–50. [14]喻健良，翟志勇.[J].化学工程，2001，29(5)：70–74. [15]Friedrich Fauser，Hammersbach.Method and apparratus for short— path distillation[P].US 4517057，1985. [16]钱德康.[J].医药工程设计杂志，2005，26(1)：1–3. [17]Ján Cvengro?，?tefan Pollák，Miroslav Micov，et al.[J].Chemical Engineering Journal，2001，81：9–14. [18]Chen Fang，Cai Tongyi，Zhao Guanghua.[J].Journal of Food Engineering，2005，70：47–53. [19]蔡沂春.M型离心式分子蒸馏器[P].CN 86105888BA，1987. [20]陈德裕.悬锥形离心式分子蒸馏器[P].CN 2159819Y，1994. [21]杨麒，崔鹏程.真空分子蒸馏装置[P].CN 2668212Y，2005.