刮膜式分子蒸餾設(shè)備研究現(xiàn)狀

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(1.南京金陵石化建筑安裝工程有限公司， 江蘇 南京 210000；2.青島科技大學(xué)， 山東 青島 266100)

分子蒸餾技術(shù)可在保證物料損失極低的前提下，有效保護(hù)原有物料的物質(zhì)活性，特別適合于富集、純化操作和高沸點(diǎn)、高黏度物料的處理[1]，已在醫(yī)藥、化工、食品安全等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。理論上，分子蒸餾是根據(jù)分子平均自由程的差異而進(jìn)行分離的。液體中的分子受熱時(shí)，其熱運(yùn)動(dòng)加劇，物料在高真空環(huán)境中處于一種非平衡狀態(tài)，物料溫度升至臨界沸點(diǎn)后，輕分子會(huì)逸出液面并在冷凝面凝結(jié)，使輕重組分完成分離[2]。國內(nèi)外學(xué)者使用分子蒸餾技術(shù)處理高附加值物料，分離和提純效果顯著。

Ana V Borgarello等[3]采用分子蒸餾法從牛至精油中提取和富集百里酚，研究表明百里酚濃度越高，IC50值越低，說明細(xì)胞的抗氧化性能越好。Onur Krtenoglu[4]進(jìn)行了橄欖果渣油中多目標(biāo)優(yōu)化生育酚和角鯊烯分子蒸餾實(shí)驗(yàn)，對橄欖油渣中生育酚和角鯊烯的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了監(jiān)測。研究表明，在2 Pa和240 ℃條件下角鯊烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從初始的10 613.1×10-6降低到54.58×10-6。在同一條件，總生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)從最初的204.93×10-6下降到20.2×10-6，在保護(hù)生育酚的同時(shí)去除角鯊烯，保證了物料的純度。

Li Liang等[5]使用分子蒸餾技術(shù)提純被氯化物污染的金屬鈦，發(fā)現(xiàn)海綿鈦中氯含量會(huì)隨著鎂還原劑的增加和系統(tǒng)壓力的增加而顯著增加。在系統(tǒng)壓力較低情況下，通過提高M(jìn)gCl2在900～105 0 ℃下的揮發(fā)率可以更加有效地除去氯化物雜質(zhì)。

根據(jù)分子蒸餾技術(shù)原理設(shè)計(jì)開發(fā)的分子蒸餾設(shè)備有多種，選擇能夠滿足原料特性、工藝要求和產(chǎn)品質(zhì)量要求的設(shè)備對獲得最佳的分子蒸餾分離和提純效果至關(guān)重要。文中基于分子蒸餾技術(shù)原理，對刮膜式分子蒸餾設(shè)備的主要組成系統(tǒng)進(jìn)行分析，對多個(gè)廠家生產(chǎn)的分子蒸餾設(shè)備進(jìn)行比較，總結(jié)分子蒸餾設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)和優(yōu)化的針對性，以期為工業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)研究時(shí)的設(shè)備選用提供參考。

1 刮膜式分子蒸餾技術(shù)原理

刮膜式分子蒸餾技術(shù)原理示意見圖1。

與傳統(tǒng)分子蒸餾設(shè)備相比，刮膜式分子蒸餾設(shè)備構(gòu)成上主要增加了機(jī)械刮板和布料盤。在高真空環(huán)境中，物料從布料器進(jìn)入蒸發(fā)壁面，在設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，物料在蒸發(fā)面上被刮板迅速刮擦為薄而均勻的液膜，液膜中溫度、濃度的法向梯度會(huì)隨著液膜的刮擦依次減小[6]，受熱逸出的輕分子經(jīng)過很短的距離到達(dá)內(nèi)置冷凝器壁面，冷凝后沿著冷凝器壁面流至輕組分收集瓶中，同時(shí)重組分沿著加熱板流至重組分收集瓶。

圖1 刮膜式分子蒸餾技術(shù)原理示圖

2 刮膜式分子蒸餾裝置系統(tǒng)組成

刮膜式分子蒸餾設(shè)備在強(qiáng)化物料傳熱、傳質(zhì)，減小料液停留時(shí)間，避免物料變質(zhì)、氧化等問題上有顯著優(yōu)勢，是目前應(yīng)用最廣泛的分子蒸餾設(shè)備[7]。刮膜式分子蒸餾設(shè)備主要由進(jìn)料系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、蒸發(fā)分離系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。各個(gè)系統(tǒng)可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可針對物料進(jìn)行應(yīng)用選型。典型的刮膜式分子蒸餾裝置見圖2[8]。

圖2 典型刮膜式分子蒸餾裝置示圖

圖2的分子蒸餾裝置操作程序及要點(diǎn)包括，在設(shè)備開啟前，將導(dǎo)熱油通入加熱夾套內(nèi)，待油溫升至目標(biāo)溫度并穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)針型閥開度，控制儲(chǔ)存在進(jìn)料管中的物料緩慢流至分料盤中。分布盤連接著電機(jī)的主軸，電機(jī)帶動(dòng)分布盤旋轉(zhuǎn)將物料均勻甩到蒸發(fā)壁面上，并帶動(dòng)刮膜器將物料刮擦成均勻的薄膜。液膜在冷井和真空泵形成的高真空下達(dá)到沸點(diǎn)后迅速蒸發(fā)，輕組分在冷芯上冷凝后流至餾出罐中，重組分在刮膜器的刮擦下流至殘液罐中，從而完成了輕重組分的分離[9]。

3 刮膜式分子蒸餾裝置組成系統(tǒng)發(fā)展

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

刮膜式分子蒸餾傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件由上端負(fù)責(zé)傳動(dòng)扭矩和密封的裝置和下端的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)部件組成。傳動(dòng)系統(tǒng)是物料成膜均勻性的關(guān)鍵所在，取決于設(shè)備所能達(dá)到的高真空技術(shù)水平。

傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要使用機(jī)械密封和填料密封技術(shù)。天津君歌公司采用磁力密封結(jié)構(gòu)和刮板通軸結(jié)構(gòu)，利用磁通通過非磁性密封套筒和磁力線產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的特性，將原電機(jī)能量傳遞給負(fù)載，完成磁力驅(qū)動(dòng)和密封雙重功能[10]，解決了軸密封引起的微滲漏問題。不同密封技術(shù)的對比見表1。

3.2 蒸發(fā)分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1液膜傳熱和傳質(zhì)研究

蒸發(fā)分離系統(tǒng)以促使物料完成分子熱運(yùn)動(dòng)和冷凝分離為主要功能，該部分一般由蒸發(fā)壁面、布料器、刮板機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子及底部分離裝置組成。其中，液膜的厚度和溫度是影響蒸發(fā)分離系統(tǒng)功能的重要參數(shù)，但受高真空密閉空間的限制，液膜厚度和溫度的測量難以實(shí)施，液膜成膜技術(shù)及液相擴(kuò)散現(xiàn)象因此成為蒸發(fā)系統(tǒng)研究的一個(gè)方向。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)值方法可以準(zhǔn)確預(yù)測分子蒸餾擴(kuò)散過程。Lian等[11]建立了渣油多組分體系的二維模型，模擬了渣油多組分體系的速度、溫度和液膜濃度分布。余亞杰等[12]模擬了液膜表面的溫度和濃度分布，研究結(jié)果表明頭波離圓周越遠(yuǎn)，液膜溫度和濃度越低，徑向液膜濃度越低。

表1 密封類型對比分析

3.2.2刮板和轉(zhuǎn)子研究

為有效降低頭波帶來的影響，美國POPE公司[13]采用了Smith式45°對角斜槽的刮板式結(jié)構(gòu)(圖3)，將刮板材料鑲嵌在刮板槽中。該設(shè)備在0.1 m2的蒸發(fā)面積中能夠?qū)崿F(xiàn)3 kg/h的高處理能力，可適配高速刮板，憑借短暫的進(jìn)料時(shí)間，在高效的降壓作用下，使得物料在蒸發(fā)壁面上快速均勻成膜。斜槽結(jié)構(gòu)可促使重組分加速向下流動(dòng)，為后續(xù)進(jìn)料騰出有效的空間，減少了滯留時(shí)間。該結(jié)構(gòu)能夠有效降低刮板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的頭波帶來的影響。

圖3 POPE Smith刮板結(jié)構(gòu)示圖

UIC公司[14]改進(jìn)了分子蒸餾設(shè)備的成膜系統(tǒng)，在分料盤離心成膜基礎(chǔ)上增加了輥輪式(或刮板式)刮膜系統(tǒng)(圖4)。操作時(shí)，物料從頂部的進(jìn)料裝置垂直添加到分料盤中，進(jìn)行離心式成膜，再進(jìn)行輥輪式(或刮板式)刮膜系統(tǒng)的加工。與側(cè)壁進(jìn)料蒸發(fā)器相比，二次成膜除了膜的分布更均勻外，還可以有效避免蒸發(fā)器內(nèi)壁上部發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象。這是因?yàn)檩佂仓皇潜粍?dòng)地將物料滾輾在蒸餾器壁上，不會(huì)使物料產(chǎn)生有效的活躍運(yùn)動(dòng)，而高速旋轉(zhuǎn)的輥筒可能污染已被分離出來的輕組分，使分離效果及產(chǎn)品質(zhì)量失去控制。綜合來看，大型設(shè)備適宜采用刮板機(jī)構(gòu)，小型設(shè)備可以采用輥筒式刮板。

圖4 UIC分子蒸餾成膜原理示圖

SMS公司[15]針對不同黏度的物料，設(shè)計(jì)了不同材質(zhì)(如彈簧石墨、高分子聚合物轉(zhuǎn)子等)和不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，配備專門設(shè)計(jì)的防濺罩，保護(hù)內(nèi)部冷凝器免受蒸汽流中的液滴影響。Filmtruder轉(zhuǎn)子(圖5)采用垂直鋼刀式設(shè)計(jì)，能夠得到更加均勻的液膜，但是用于處理高黏度物料時(shí)極易產(chǎn)生頭波。 Viscon轉(zhuǎn)子(圖6)采用的斜齒形刮板可以適配高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，能夠及時(shí)破壞頭波，適用于高黏度物料。

圖5 Filmtruder轉(zhuǎn)子

圖6 Viscon轉(zhuǎn)子

上述3個(gè)廠家成膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)匯總見表2。

表2 不同廠家成膜系統(tǒng)刮板比較

文獻(xiàn)[16]介紹了一種刮膜式短程蒸餾用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖7)，該轉(zhuǎn)子四周帶有梯形槽式布料盤，其將半圓形導(dǎo)槽直接與刮板相連，防濺的同時(shí)能夠避免頭波的形成，有利于保證物料混合充分和良好的熱交換，提高了蒸餾效率。

圖7 一種刮膜式短程蒸餾用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3.3 冷凝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3.1POPE公司冷凝結(jié)構(gòu)

冷凝系統(tǒng)與蒸發(fā)分離系統(tǒng)搭配使用，是分子蒸餾裝置的主要結(jié)構(gòu)。冷凝系統(tǒng)設(shè)備類型主要包括盤管和U型管，可在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生最大的冷凝效果。有研究表明，當(dāng)蒸發(fā)速率增大時(shí)，會(huì)引起溫度和濃度在三維方向上的劇烈變化，導(dǎo)致冷凝速率不會(huì)很高，主要原因是液膜的冷卻效應(yīng)與擴(kuò)散作用的同時(shí)作用[17]。

Batistella等[18]對分子蒸餾系統(tǒng)中分子熱運(yùn)動(dòng)的研究表明，真空度的降低、蒸發(fā)距離的增加和冷凝表面溫度的升高將增強(qiáng)分子的碰撞，從而降低設(shè)備的分離效率。POPE公司根據(jù)此研究結(jié)論，設(shè)計(jì)了一套集分子蒸餾、蒸發(fā)器和分餾式蒸餾3種功能于一體的混合式蒸餾系統(tǒng)(圖8)，此系統(tǒng)在原內(nèi)置冷凝器的基礎(chǔ)上增加了外置冷凝器，形成了具有雙冷凝器的冷凝系統(tǒng)。其中外置冷凝器為盤管式設(shè)計(jì)，具有更大的表面積。

圖8 POPE公司混合式蒸餾系統(tǒng)示圖

3.3.2UIC公司冷凝結(jié)構(gòu)

UIC公司設(shè)計(jì)的蒸餾裝置采用內(nèi)置列管式或螺旋式冷凝結(jié)構(gòu)，真空抽氣口設(shè)置在主機(jī)頂部，真空系統(tǒng)配備冷井。這種設(shè)計(jì)縮短了加熱時(shí)間，可在更低的壓力下工作，更適合于高沸點(diǎn)熱敏性物質(zhì)的分離與提純[19]。

江蘇力馬生產(chǎn)的DZQ系列大型分子蒸餾器，采用獨(dú)特的多管程管式或多層交錯(cuò)盤管式冷凝器，管徑長，加熱面積大，可以保證冷凝部分溫度穩(wěn)定，減少能源損耗。

3.3.3其他冷凝結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[20]提到一種短程蒸餾內(nèi)置套管式冷凝器(圖9)。該冷凝器采用U型盤管構(gòu)造，并在底部設(shè)置有多個(gè)進(jìn)出口。其特點(diǎn)是內(nèi)部冷凝面積大，溫度分布均勻，可以保證物料流動(dòng)不受阻礙，使輕組分高效餾出。

圖9 內(nèi)置套管式冷凝器示圖

3.3.4冷凝結(jié)構(gòu)比較

POPE公司、UIC公司和力馬公司冷凝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)見表3。

表3 不同廠家冷凝系統(tǒng)比較

3.4 進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分子蒸餾設(shè)備的進(jìn)料系統(tǒng)主要由進(jìn)料罐、進(jìn)料閥、保溫夾套及進(jìn)料管等組成。其中進(jìn)料閥門和進(jìn)料管是控制進(jìn)料速度的主要部件。目前對進(jìn)料系統(tǒng)的研究主要集中在進(jìn)料速度及進(jìn)料量對蒸發(fā)速率的影響上。Komori等[21]以高黏度流體為研究對象，考察了刮膜過程中流體的混合效果和頭波的變化，頭波中流體沿軸向呈螺旋形下降，流速約是液膜速度的20倍，且70%～90%的流體以頭波形式流出蒸餾器。

分子蒸餾設(shè)備是高真空設(shè)備，含有氣體的物料在流至蒸發(fā)壁面時(shí)，氣體由于高溫和真空作用膨脹，對液面造成破壞，不利于形成薄而均勻的液膜，進(jìn)料的脫氣因此成為一個(gè)研究方向。POPE等公司將薄膜蒸發(fā)器用作分子蒸餾設(shè)備的前期處理裝置，使物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)利用真空、低溫條件進(jìn)行脫水、脫氣。與POPE公司不同的是，VTA的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備采用的是外部包有保溫夾套的梭形玻璃脫氣瓶(圖10)，物料內(nèi)部的氣體在脫氣瓶口脫出膨脹，水蒸氣在夾套的加熱下逸出物料。脫出的氣體和逸出的水蒸氣由真空泵抽離出蒸餾設(shè)備，并在真空系統(tǒng)的冷井處遇冷凝結(jié)，完成脫氣、脫水工作。

圖10 梭形玻璃脫氣瓶

西安Toption公司采用的進(jìn)料系統(tǒng)為內(nèi)置集成聚四氟乙烯壓差閥夾套玻璃罐(圖11)，對夾套可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油循環(huán)加熱，其加熱管設(shè)計(jì)了一定的長度和安裝角度，可以使少量的低沸點(diǎn)雜質(zhì)脫氣，防止料液飛濺。其側(cè)面進(jìn)料方式可以使設(shè)備易清潔，具有防止真空性能降低的優(yōu)勢。

圖11 聚四氟乙烯壓差閥進(jìn)料罐

3.5 多級(jí)蒸餾裝置

單級(jí)分子蒸餾裝置用于某些復(fù)雜物料的處理時(shí)，需要再經(jīng)過多次分離才可達(dá)到提純目標(biāo)，操作繁復(fù)。針對這種情況，技術(shù)人員開發(fā)了多級(jí)分子蒸餾裝置(圖12)。此裝置由多個(gè)單級(jí)分子蒸餾器串聯(lián)而成，每一級(jí)分子蒸餾器的重餾分排出口連接到下一級(jí)分子蒸餾器的進(jìn)料口，每一級(jí)的設(shè)備都是一個(gè)獨(dú)立的分子蒸餾設(shè)備。

圖12 多級(jí)分子蒸餾裝置

工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用多級(jí)分子蒸餾裝置的過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。針對多級(jí)分子蒸餾設(shè)備中存在的回收中間流以及優(yōu)化流程的問題， Daniela S. Laoretani等[22]對多級(jí)分子蒸餾循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出利用源-匯聚分配的方法來確定回收結(jié)構(gòu)。該研究以大豆油脫臭餾出物中分離游離脂肪酸為例，設(shè)計(jì)了循環(huán)流的同時(shí)也將逆流方案考慮在內(nèi)，優(yōu)化了兩段工藝的循環(huán)結(jié)構(gòu)，得到了生育酚的濃縮物。這種優(yōu)化的多級(jí)分子蒸餾方案也適用于山茶油、橄欖油等其他食用油的制備，可以解決其他食用油中游離脂肪酸的存在導(dǎo)致成品油酸值過高、不易存放的問題。

4 結(jié)語

刮膜式分子蒸餾設(shè)備的研發(fā)圍繞促進(jìn)物料有效、高質(zhì)量成膜展開，涉及設(shè)備的傳動(dòng)、蒸發(fā)分離、冷凝及進(jìn)料等組成系統(tǒng)。目前分子蒸餾設(shè)備基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，不同廠家的分子蒸餾設(shè)備各具特色?？傮w上，磁力密封效果優(yōu)于機(jī)械密封和填料密封，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。Smith刮板用在小型設(shè)備中可以獲得更加優(yōu)質(zhì)的液膜，用于大型設(shè)備則需要搭配布料器，二次成膜技術(shù)對液膜的穩(wěn)定更加有利。內(nèi)、外雙置冷凝系統(tǒng)使設(shè)備能夠執(zhí)行不同的功能，冷凝效率的高低取決于換熱面的大小，內(nèi)置套管U型管式冷凝器冷凝效果顯著。分子蒸餾的級(jí)數(shù)與所提純物料的純度會(huì)隨著級(jí)數(shù)的增加接近于高純度臨界值，多級(jí)分子蒸餾裝置不是簡單的設(shè)備疊加，需要根據(jù)所提純出的物料重新進(jìn)行系統(tǒng)的搭配。