刮膜式分子蒸馏技术理论研究进展

由于实际生产中真空度高且影响因素多,迄今为止有关分子蒸馏的基础理论尚不完善,其工艺及设备结构设计仍主要依靠于经验和实验数据确定,制约了其实现大规模的工业化应用。文中主要从蒸发表面的液体成膜、液膜在加热表面的蒸发过程、气相蒸发分子运动过程以及冷凝面上的气体分子冷凝过程4个方面,综述了国内外学者对分子蒸馏过程的机理研究进展,重点对近年来快速发展的刮膜式分子蒸馏技术进行了详细介绍。在此基础上,提出了未来分子蒸馏技术亟待解决的关键问题,认为高真空条件下的分子流运动行为的研究可揭示工业生产中分子蒸馏的分离原理。     

刮膜式分子蒸馏传质模型及其仿真

分子蒸馏器中加入刮膜器可以增强分子蒸馏过程中的传质效率。以辊筒式刮膜器作为研究对象,利用进料流量、液体浓度、刮膜电机转速以及蒸发器尺寸等主要因素之间的结构关系,建立刮膜式分子蒸馏的数学模型。通过将实验参数代入到该模型可以快速计算出分子蒸馏后流出浓度,并将计算出流出浓度与实际浓度相比较,误差范围缩小到1.5%～2.5%之间,为寻找最佳控制条件提供了参考。将该模型通过MATLAB依次调整每一个参数,研究每一个结构参数对分子蒸馏过程的影响,通过研究仿真图像的变化趋势,使分子蒸馏器的设计可以精确到具体数值,为刮膜式分子蒸馏器的设计提供了依据。     

刮膜式分子蒸馏技术精制山茶油的数值模拟

山茶油是一种具有高附加值、丰富保健功能的天然产品。由于目前山茶油的深加工技术尚不完善,采用的化学精炼工艺脱除山茶油中游离脂肪酸时存在皂脚等物质残留问题,难以达到国家标准(GB/T11765—2018)的要求。刮膜式分子蒸馏技术独特的动态膜温和蒸发过程,在精细化工分离与提纯中占据着绝对的优势。为了获得最佳的山茶油分离参数与分离机理,文中采用CFD方法对刮膜式分子蒸馏技术精制山茶油的过程进行数值模拟,结果表明:蒸发器内液膜分布和传热系数变化受转子转速和进料速度影响较大;当蒸发温度为190℃、刮膜器转速为300 r/min、进料速度为900 g/h时系统的综合指标为最佳,该模拟结果对分子蒸馏精制山茶油的工艺优化及工艺参数控制具有较好的参考价值。     

刮膜式分子蒸馏中液体流动形态的研究

分子蒸馏是一种高效的液液分离技术,但由于缺乏对其流体力学性质的认识,使得该项技术还多停留在实验室阶段.本实验通过高速摄像法,以水和丙三醇溶液作为测试液体,在冷模常压下,对在不同操作工况下蒸发壁面上的液膜形态进行图像记录,来研究刮膜式分子蒸馏设备内的流体力学性质.实验发现在整个操作过程中壁面主要出现4种不同的液膜形态:点状分布、线状分布、部分成膜和整体成膜.根据实验数据作出的壁面液体流型图证实了液膜形态与过程的转速,进料速度及物料性质有关.除此之外利用量纲分析法对影响成膜的各因素进行分析,得到与成膜过程相关的三个无量纲数∏1、∏2和∏3.使用非线性最小二乘法对实验数据进行拟合,得到整体成膜状态下方程∏3=f(∏1,∏2)的具体形式,再利用丙三醇作为测试液体验证了方程∏3=f(∏1,∏2)的准确性.结果表明成膜临界速度u*cr作为判断壁面流型的标准是可行的,其大小与过程的雷诺数、韦伯数及设备的高径比有关.成膜临界速度u*cr经验关联式的提出为分子蒸馏设备的理论研究和工业应用提供了参考.     

降膜分子蒸馏过程模型研究

通过对降膜分子蒸馏器蒸发表面上液膜流动和传质传热的分析,建立了液膜的传质和传热方程;并在单组分非线性BGK方程的基础上,建立了描述多组分稀薄气体流动的非线性BGK模型方程。通过适当的边界条件将液膜方程和气体方程耦合在一起,得到了降膜分子蒸馏过程的传质与传热数学模型。该模型揭示了液膜温度和浓度在径向和轴向上的变化规律以及气相空间气体的密度、温度和速度的变化规律,适用于恒壁温和绝热壁等不同操作情况。     

刮膜式分子蒸馏初始液膜分布及进料结构优化

初始液膜是蒸发液膜形成的基础,研究它的分布情况对改进分子蒸馏器内部流场形态和优化进料结构具有重要意义。文中建立了三角齿分布器及其外围筒体的数学模型,采用计算流体力学方法研究了三角齿分布器转速、进料速度、进料位置对初始液膜均匀性的影响。提出了一种新型进料结构,包括中间进料装置与斜齿分布器,对其进行数值模拟研究并与常规进料结构对比分析。结果表明:在侧方位进料下改变三角齿分布器转速与进料速度均不能改善初始液膜的均匀性;进料位置越靠近轴心处初始液膜分布越均匀。经结构优化后,采用中间进料与斜齿出料形成的初始液膜分布最均匀,进而有利于在转子刮擦区形成均匀的蒸发液膜,加强传热传质,提高了分离效率。     

刮膜式短程蒸馏实验装置的改进

针对刮膜式短程蒸馏实验装置在使用过程中存在的物料分布不均匀、清洗困难及冷凝介质不能完全满足要求等几个问题,提出了相应的优化方案。实践证明,改进后的装置操作稳定,分离效果更好,更有利于实验的进行。     

分子蒸馏

分子蒸馏是一种在高真空下操作的蒸馏方法,这时蒸气分子的平均自由程大于蒸发表面与冷凝表面之间的距离,从而可利用料液中各组分蒸发速率的差异,对液体混和物进行分离。在一定温度下,压力越低,气体分子的平均自由程越大。当蒸发空间的压力很低（1．33-0．266-0．532kPa）,且使冷凝表面靠近蒸发表面,其间的垂直距离小于气体分子的平均自由程时,     

乳酸精制新工艺——刮膜蒸发和短程蒸馏联用法

20%～30%粗乳酸经刮膜蒸发器,在1000～7000Pa,60～100℃条件下蒸发5～25min,得到80%～90%亚纯乳酸。亚纯乳酸再经短程蒸馏器,在10～100Pa,60～90℃条件下蒸馏0.5～5min得到纯乳酸。这种方法不用活性炭脱色和离子交换,仅经过两次减压蒸馏就能得到达到国家标准的纯乳酸。     

分子蒸馏装置中刮膜器对液膜流动状况的影响研究

分子蒸馏是一种高效的液体分离技术,在工业生产领域具有广泛的应用前景。为了探究设备中液膜的流动状况,今使用计算流体力学软件FLUENT 6.3对刮膜式分子蒸馏过程进行模拟,分别考察了刮膜器的形状、转子转速、转子半径、转子与壁面间的缝隙等因素对不同黏度流体的液膜均匀程度和湍流程度的影响。结果表明圆形转子和倾斜刮板有助于液体在蒸发壁面上形成均匀分布的薄膜,因此更适用于分子蒸馏过程;转子的结构参数对高黏度物料的流动状况的影响更为显著,在一定范围内高黏度物料的均匀度和湍流度都随转子半径和缝隙的增大而增大。研究的模拟结果对分子蒸馏过程具有深刻的理论意义和实际指导意义,为刮膜式分子蒸馏装置的设计提供了参考。     

刮膜蒸发器在热固性酚醛树脂生产中的应用

在国内首次采用刮膜蒸发器对热固性酚醛树脂进行脱水。试验考察了分离过程真空度、进料速度、进料温度、刮膜蒸发器加热温度对分离效果的影响,探索了刮膜蒸发器应用于酚醛树脂脱水工艺条件,并成功应用于酚醛树脂工业生产。     

惰性气体对分子蒸馏过程的影响

本文采用基于Bohzmann方程的Bhatnagar—Gross—Krook模型方程，建立了计算多组分稀薄气体流动的数学模型和求解方法。应用该模型对一维蒸发和冷凝问题进行了数值模拟，考察了惰性气体存在对该过程的影响，着重讨论了蒸发温度、冷凝温度、惰性气体分压以及蒸发面和冷凝面之间的距离等因素对分离因数的影响。     

分子蒸馏过程的计算流体力学模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,分析了蒸发器上液体负荷、刮膜器旋转速度对蒸发器上液膜厚度变化及液膜中速度矢量的影响。将CFD模拟结果与文献报道的计算值和实验值进行比较,发现具有较好的吻合性,同时可以用模拟计算结果解释一些实验现象。采用脉冲注射示踪剂法测定了蒸发器上流体的平均停留时间分布,与CFD模拟的在刮膜器作用下蒸发器上流体平均停留时间分布数据进行比较,二者的偏差在±8%以内,验证了CFD模拟的准确性。     

分子蒸馏过程数学建模及模拟验证

建立了分子蒸馏过程径向和轴向的二维数学模型,采用CFD方法对DBP-DBS混合物系的分离过程进行模拟计算,分析了蒸馏温度和进料速率等操作条件对蒸馏过程的影响。将模拟结果与文献中采用BGK模型计算得到的结果进行对比,两者具有较好的吻合性,验证了模型的合理性。     

刮膜式分子蒸馏器传热特性及壁面优化

使用CFD软件建立了刮膜式分子蒸馏器的三维模型,以EHP-EHS混合物为研究对象,并通过编写用户自定义函数（UDF）,研究刮膜式分子蒸馏过程传质存在时的传热特性,得到充分发展的温度场及流场,分析了蒸发壁面温度的分布及转子转速对其影响和局部Nu数的分布。结果表明：液膜表面的升温过程是周期地和波动地达到动态稳定温度的;转子转速越大,周期越小,温度波动次数越多,温度稳定性越好;局部Nu数在刮膜器刮擦的位置突增,刮膜器的刮擦作用是影响平均Nu数增大的主要因素。经过壁面优化,液体湍流程度增大,传热效果得到不同程度的增强,凸起矩形排列、三角形排列、螺旋形排列时平均Nu数分别是光滑蒸发面的1.32倍、1.23倍、1.04倍,为进一步优化刮膜式分子蒸馏器提供参考。     

刮膜薄膜蒸发器的特点和应用

详细介绍了刮膜薄膜蒸发器的结构、操作原理、型式和分类、特点、操作参数以及刮膜薄膜蒸发器的应用。因刮板对液膜的刮擦作用使液膜呈不断搅动状态,刮膜薄膜蒸发器有停留时间短、消除结焦结垢及处理粘度大等特点,认为其是处理热敏性和高粘性物质蒸发浓缩的理想设备。     

精制乙基香兰素的分子蒸馏工艺研究

为解决乙基香兰素在提纯精制过程中因高温导致的热分解或聚合引起质量下降及收率降低的难题,采用分子蒸馏技术研究提纯精制乙基香兰素的低温工艺。实验中考察了压力、蒸馏温度、进料状态(温度、流速)及刮膜器的转速对乙基香兰素分离效率的影响。研究结果表明,蒸馏温度和进料速率是影响乙基香兰素纯度的2个最重要因素;适宜的工艺条件是:压力4 Pa,蒸馏温度85—90℃,进料速率120 mL/h及刮膜器转速120—140 r/m in。粗品只进行二级分子蒸馏,即可获得纯度>99%的乙基香兰素;乙基香兰素的收率提高3%—5%。