（化工过程机械专业论文）短程蒸馏传热传质研究及其在废润滑油再生中的应用.pdf

摘要短程蒸馏传热传质研究及其在废润滑油再生中的应用化工过程机械专业研究生：周松锐指导老师：黄卫星教授短程蒸馏是一种高真空度条件下操作的新型分离技术，具有蒸馏温度低、加热时间短、分离效率高等优点，特别适用于高沸点、熟敏性和易氧化物系的分离，在食品、医药、油脂加工、香料生产等精细化工领域有广阔的应用前景。刮膜式短程蒸馏器作为一种高效短程蒸馏设备，其刮板的搅动增强了液膜表面的更新，强化了传热和蒸发过程，但同时又使得设备内的液膜流动及液膜内的传递过程机理变得复杂。本文详细介绍了短程蒸馏过程的原理，指出短程蒸馏与分子蒸馏本质上的区别，并对短程蒸馏技术的特点、设备类型与结构、工业应用的发展以及传热传质模型的研究现状等进行了系统的阐述。通过对刮膜式短程蒸馏器内蒸馏过程的分析，指出在高真空下设备中残留惰性气体对蒸发过程的影响微弱，易挥发组分的蒸发阻力主要来自于组分在液膜中的扩散；在此基础上，建立传热和传质模型，得到了液膜内的传热传质微分方程，采用差分方法对微分方程及其边界条件进行离散化处理并编制了数值求解程序；以d b p ( 邻苯二甲酸二丁酯) 和d b s ( 癸二酸二丁酯) 二元混合物为物料进行模拟计算，获得了蒸发器内液膜的温度、浓度分布以及蒸发速率，并分析讨论了进料温度、进料量、初始浓度等参数的影响。最后，利用一级薄膜蒸发和两级短程蒸馏工艺对废润滑油进行了再生回收工业应用试验，将柴油、汽油等轻油以及润滑油馏分分别蒸馏出来，而大部分胶质、沥青质、碳垢存在于残渣中，试验得到的再生润滑油符合基础油的标准，回收率达到7 5 ，达到废润滑油再生的目的；同时再生过程中没有酸洗、碱中和等工序，不产生酸渣、二氧化硫等二次污染，是一种清洁环保的废润滑油再生工艺。对试验结果和模拟计算结果进行比较分析表明，两者吻合较好，短程蒸馏过程传热传质模型具有一定的可靠性。关键词：短程蒸馏；刮膜蒸馏器；传热传质；数值模拟；废润滑油；再生h e a ta n dm a s st r a n s f e ri ns h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o np r o c e s sa n da p p l i c a t i o no ft h ep r o c e s st or e g e n e r a t i o no fw a s t el u b r i c a t i n go i lg r a d u a t es t u d e n t ：z h o us o n g r u is u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gw e i x i n gs h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o ni san e w - t y p os e p a r a t i o nt e c h n o l o g yu n d e rh i g hv a c u u mc o n d i t i o n i th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o wt e m p e r a t u r e , s h o r te x p o s u r et i m ea n dh i g he v a p o r a t i o ne f f i c i e n c y i ti st h e r e f o r ee s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h es e p a r a t i o no fm a t e r i a l sw i t hh i g hb o i l i n gp o i n t , h i g hh e a t - s e n s i t i v i t ya n de a s yo x i d i z a t i o n i na d d i t i o n , i th a sb r o a da p p f i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i n ec h e m i s t r yp r o c e s s e ss u c ha sf o o dp r o d u c t i o n , m e d i c a m e n tp u r i f i c a t i o n , g r e a s er e f i n e r ya n df l a v o rm a n u f a c t u r e t h ew i p e df i l ms h o r t - p a t hd i s t i l l e ri sak i n do fs h o r t p a t hd i s t i l l a t i o ne q u i p m e n tw i t hh i 【g he v a p o r a t i o nr a t e d u et ot h ea g i t a t i o no ft h ew i p e r s ，t h er e n e w a lo ft h ef i q u i df i l ms u r f a c ei sq u i c k e n e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra n de v a p o r a t i o na l es t r e n g t h e n e d a tt h es a m et i m e ，h o w e v e r , t h el i q u i df l o wi nt h ed i s t i l l e ra sw e l la st r a n s f e rp r o c e s sm e c h a n i s mi nt h el i q u i df i l mb e c o m e sv e r yc o m p l i c a t e d f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo ft h es h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o ni sr e v i e w e d , w h i c hi n d i c a t e st h er a d i c a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h es h o r t p a t hd i s t i l l a t i o na n dm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n a p a r tf r o mt h i s ，t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs h o r t p a t hd i s t i l l a t i o n ,t h ed e v e l o p m e n to ft h et y p e sa n ds t r u c t u r eo fe q u i i ，m e n lt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o na sw e l la st h ec u r r e n tr e s e a r c ho nh e a ta n dm a s st r a n s f e ra r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ee v a p o r a t o ri nt h ew i p e df i l ms h o r t - p a t hd i s t i l l a t o r y , i tc 柚b ec o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to ft h er e m a i n e di n e r tg a si n s i d et h ee q u i p m e n to nt h ee v a p o r a t i o np r o c e s si se x t r e m e l ym m o l a n dt h ed i s t i l l a t i o nr e s i s t a n c eo fv o l a t i l ec o m p o n e n t sm a i n l yc o m e sf r o mt h et h e i rd i f f u s i o ni nt h ei i 四川大学硕士学位论文l i q u i df i l l t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e l si n s i d et h el i q u i df i l la r ef o u n d e du n d e rt h ea b o v eb a s i st oo b t a i nt h ed i f f e r e n c ee q u a t i o n so fh e a ta n dm a s st r a n s f e r d i f f e r e n c em e t h o di su s e dt od i s c r e t i z et h ed i f f e r e n c ee q u a t i o n sa n dt h e i rb o u n d a r yc o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h en u m e r i c a lv a l u es o l u t i o ni sp r o g r a m m e d t h e n , t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nw a sm a d eo nt h eb a s i so ft h em i x t u r e so fd b p( d i b u t y l p h t h a l a t c ) a n dt h ed b s ( d i - b u t y l s e b a c a t e ) t oo b t a i nt h el i q u i df i l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n , a sw e l la st h ee v a p o r a t i o nr a t e a n dt h ee f f e c t so ft h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e ，f e e dr a t ea n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o na r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t w os h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o np r o c e s s e sa n do n ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o ra l ea p p l i e di nt h er e g e n e r a t i o no fw a s t el u b r i c a t i n go i l i nt h et e s t , t h ed i e s e lo i l ,g a s o l i n ea n dl u b r i c a t i n go i la r ed i s t i l l e dr e s p e c t i v e l y , w h i l et h eg e l a t i n o i dm a t e r i a l s ，a s p h a l t e n ea n dc a r b o nr e s i d u er e m a i ni nt h ed r a f t t h er e g e n e r a t i v el u b r i c a t i n go i la c c o r d sw i t ht h es t a n d a r d so f b a s eo i l a n dt h er e c o v e r ye f f i c i e n c yi su pt o7 5p e r c e n t t h et e c h n o l o g yu s e di nt h et e s td o e s n tc o m p r i s ep r o c e s s e sl i k ep i c k l i n ga n da l k a l in e u t r a l i z a t i o n , w h i c hw o u l dc a u s es e c o n d a r yp o l l u t i o nl i k ea c i dd r a f ta n ds u l f u rd i o x i d ea n ds oo i la sar e s u ho ft h i s 。o u rt e c h n o l o g yi sf z i e n d l yt ot h ee n v k o m e n li ns p i t eo fs o m ed e v i a t i o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n tv a l u ea n ds i m u l a t i o nv a l u e , t h ev a r i a t i o nt r e n di sa p p r o x i m a t e l yc o n s i s t e n t , w h i c hs h o w sac e r t a i nr e l i a b i l i t yo fo u rh e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e lc o n c e r n i n gt h es h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：s h o r t - p a t hd i s t i l l a t i o n , w i p ef i l mv a p o r i z e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w a s t el u b r i c a t i n g0 i l r e g e n e r a t i o n 符号说明符号说明c 一摩尔浓度，m 0 1 m - 3d一分子有效直径，md一扩散系数，m 2 f 1譬一重力加速度，m 2 s - 1，一碰撞频率g 一蒸发速率，m o l m - 2 s - 1一蒸发面与冷凝面间距，m日一蒸发潜热，j t o o l lt一导熟系数，w - m 1 k 工一加热面高度，mm 一质量流量，蚝1m 一分子质量，g m o l 1p 一压力，p a少一饱和蒸气压，p a，一半径，m也一气体常数，j t o o l 1 r s 一蒸发面积，m 2丁一温度，k“一速率，m s - i善一摩尔分率y一液膜径向坐标。mz一液膜轴向坐标，m4 y 一径向方向迭代步长，ma z 一轴向方向迭代步长。m希腊字母口热扩散系数，如2 s - 1p 密度，l 【g m - ：36 5 一一液膜厚度，m一分子运动自由程，m一动力粘度一喷溅系数一蒸气相的阻力系数一易挥发组分一难挥发组分一壁面一进料状态5j芦，ll】珠a口w 口声明声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。研究生：鼬利导师物2 0 0 7 年4 月2 8 日第一章绪论第一章绪论1 1 分离技术概述自然界的物质，无论是无机物，还是有机物，多以混合物状态存在。诸如天然燃料中煤、石油和天然气乃至日常生活中必不可少的空气、水和食物等，都是混合物。除了它们自身的使用价值外，往往需要将它们加以分离或提纯，才能为人们充分和合理地使用【l 】o分离过程就是按人们的需求，将某种或某几种物质从混合物中分离出来，其方法可分为机械分离和传质分离两大类【1 2 1 。1 1 1 机械分离过程机械分离过程的对象是两相或两相以上的非均相混合物，只要用简单的机械方法就可将其中某一相与其它相分离，各相间并无物质传递现象发生，如压力过滤、重力沉降、离心沉降、旋风( 离心) 分离和静电除尘等。这类过程在工业上有广泛的应用，但不适用于均相混合物的分离。1 1 2 传质分离过程传质分离过程适用于各种均相混合物的分离，也可以在非均相中进行。其特点是有物质传递现象发生。依据分离的物理、化学原理的不同，工业上常用的传质分离过程又分为平衡分离过程及速率分离过程。平衡分离过程系借助分离媒介( 如热能、溶剂、吸附剂等) 使均相混合物系统变为两相体系，再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离。工程中属于平衡分离过程的操作有蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等。速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。速率分离过程主要包括膜分离( 如超滤、反渗透、渗析和电渗析等) 和场分离( 如电泳、热扩散、高梯度磁力分离等)四川大学硕士学位论文两大类【3 l 。在上述分离过程中，可用于液一液体系分离的主要有蒸馏、萃取、膜分离和结晶等。其中，萃取、膜分离、结晶主要用于组分间的沸点非常接近的物料的分离，而蒸馏除了技术比较成熟以外，还具有操作流程简单、适用范围广泛等特点，是目前应用最广的一类液体混合物分离方法。在通常的蒸馏( 精馏) 过程中，存在着两股分子流向：一股是被蒸液体的气化，由液相流向气相的蒸汽分子流；另一股是由蒸汽返回至液相的分子流。当气液两相达到平衡时，表观上蒸汽分子不再从液面逸出。假若采用某种措施，使蒸汽分子不再返回( 或减少返回) 液相，就会大大提高分离效率。分子蒸馏和短程蒸馏正是在蒸馏技术的不断改进发展中而产生的特殊的蒸馏分离技术。1 2 分子蒸馏基本原理【4 1分子蒸馏( m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n ) 是一种高真空下( 残留气体的压力小于0 1p a ) 进行分离操作的非平衡蒸馏过程，它突破了常规蒸馏依靠沸点差分离物质的原理，依靠不同物质分子运动平均分子自由程的差别实现物质的分离，具有蒸馏压力低、受热时间短、操作温度低和分离效率高等优点。1 2 1 分子蒸馏的基本概念( 1 ) 分子碰撞分子与分子之间存在着相互作用力，当两分子离得较远时，分子之间的作用力表现为吸引力，但当两分子接近到一定程度后，分子之间的作用力会改变为排斥力，并随其接近距离的减小，排斥力迅速增加。当两分子接近到一定程度时，排斥力的作用使两分了分开。这种由接近而至排斥分离的过程，就是分子的碰撞过程。( 2 ) 分子有效直径分子在碰撞过程中，两分子质心的最短距离( 即发生斥力的质心距离)称为分子有效直径。( 3 ) 分子运动平均自由程一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程称为分子运动平均自第一章绪论由程。任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，而在一定的外界条件下，不同物质的分子其自由程各不相同。在某段时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程。设为某一分子的平均速度，为碰撞频率，丸为平均自由程，则九- 了u m( 1 1 )所以f 。竺i( 1 2 )九由热力学原理可知：，- 也。鲁( 1 - 3 )式中，d 分子有效直径，m ；p 分子所处空间的压强，p a ：r 分子所处环境的温度，k ；露波尔兹曼常数。对比式( 1 2 ) 和( 1 2 ) ，可得出平均自由程的表达式为：k - 去去- 面r , 面tc ，4 ，。瓦石。五孑而u 刮分子运动自由程的分布规律可用概率公式表示为：f 1 一p 可 -( 1 - 5 )式中，f 自由程小于或等于九的概率；丸平均自由程，m ；a 分子自由程，m 。由式( 1 5 ) 可以得出，对于一群相同状态下的运动分子，其自由程等于或大于平均自由程丸的概率为：t1 一f 。e i 。e 一3 6 8 1 2 2 影响分子运动平均自由程的因素由式( 1 4 ) 可以看出，温度、压力及分子有效直径是影响分子运动平均一3 一四川大学硕士学位论文自由程的主要因素。当压力一定时，一定物质的分子运动平均自由程随着温度增加而增加。当温度一定时，平均自由程厶与压力p 成反比，压力越小，丸越大，即分子间碰撞机会越少。不同物质因其有效直径不同，因而分子平均自由程不同。以空气为例，分子有效直径d 空气取3 1 1 x 1 0 加m 嗍，在不同压力下空气的分子平均自由程如表1 - 1 所示。表1 - 1 不同压力下空气的分子平均自由程t a b 1 - 1m e a nf r e ep a t ho fa i rm o l e c u l e sa td i f f e r e n tp r e s s u r e sp m m h gl 0l f f l1 0 21 0 31 矿1 2 3 分子蒸馏过程分子蒸馏过程如图1 - 1 所示，混合料液沿加热面自上而下流动，被加热后获得足够能量的分子逸出液面，由于轻分子的分子运动平均自由程大，重分子的分子运动平均自由程小，若在离蒸发液面距离小于轻分子的分子运动加热酥之加热-重组分轻组分冷凝面冷凝图1 - 1 分子蒸馏分离原理示意图f i g 1 1t h es k e t c ho f b a s i cp r i n c i p l eo f m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n4 一第一章绪论平均自由程而大于重分子的分子平均运动自由程处设置一冷凝面，使轻分子不断被冷凝捕集，从而破坏体系中轻分子的动态平衡，而使混合料液中的轻分子不断逸出；相反，气相中重分子因不能到达冷凝面，很快与液相中重分子趋于动态平衡，表观上重分子不再从液相中逸出，这样，液体混合物便达到了分离的目的。1 2 4 分子蒸馏工程应用问题由1 2 2 的分析可见，在实际运用过程中，只有小处理量的实验室装置在真空度非常高( 装置内压力小于1 0 2 1 0 1 p a ) 时，分子平均自由程可能达到几个厘米，其蒸发面与冷凝面的距离能够小于或等于蒸发分子的平均自由程，可以成为真正意义上的分子蒸馏设备。对于大多数工业化装置而言，由于处理量大，结构尺寸也相应较大，加热面与冷凝面的距离一般大于5 0 m m ，远远超出蒸发分子的平均自由程，根本不可能实现分子蒸馏垆l 。此外，由于工业化装置必须考虑到设备的运行费用和维修费用，因此，一般采用能够使设备内部真空度达到1 l o p a 的真空发生装置，如多级蒸汽喷射泵。由此可见，工业化装置只能实现短程蒸馏( s h o r t p a t hd i s t i l l a f i o n ) 1 3 短程蒸馏基本原理所谓短程蒸馏就是在高真空下( 残留气体压力一般为l l o p a ) 进行的一种特殊的液一液分离技术，蒸发分子受热逸出液膜后经过较短的距离( 远远大于分子平均自由程) 后在内置冷凝器上迅速冷凝，克服了常规蒸馏蒸发中汽液平衡的约束，使得短程蒸馏过程始终保持较高的传质推动力，从而实现物质的高效分离。短程蒸馏原理如图1 2 所示，物料进入短程蒸馏器后沿加热面向下流动，被加热后获得足够能量的分子逸出液面，分子经过若干次碰撞后到达离加热面很近的冷凝面，只要加热面和冷凝面之间达到足够的温差，便可使到达冷凝面的分子在瞬间冷凝下来。蒸发分子的快速冷凝克服了蒸馏中汽液平衡关系的制约，使加热面和冷凝面之间的蒸发气体分压维持在一个较低的水平，保证整个蒸发过程具有较大的传质推动力。物料中的轻分子逸出液面所需的能量比重分子所需的能量小，在相同的加热条件下，轻分子具有更大的传质一5 一四川大学硕士学位论文重组分轻组分图1 2 短程蒸馏原理示意图f i g 1 - 2 t h es k e t c h o f b a s i c p r i n c i p l e o f s h o r t - p a t h d i s t i l l a t i o n推动力，因此，轻分子可以不断逸出，重分子只有少量被蒸发出来，从而达到混合物分离的目的。短程蒸馏过程分为以下五个步骤睁1 ：。( 1 ) 物料在加热面上的液膜形成：物料依靠重力在加热壁面流动时形成一层薄膜，或通过机械方式在加热面上产生快速移动、厚度均匀的薄膜。( 2 ) 分子在液膜表面上的自由蒸发：分子在高真空远低于常压沸点的温度下进行蒸发。( 3 ) 分子从加热面向冷凝面的运动：只要短程蒸馏器保证足够高的真空度，加热面和冷凝面之间的距离足够小，则分子向冷凝面的运动和蒸发过程就可以迅速进行。( 4 ) 分子在冷凝面上的捕获：只要加热面和冷凝面之间达到足够的温度差，冷凝面的形状合理且光滑，轻组分就会在冷凝面上进行冷凝，该过程可第一章绪论以在瞬间完成。( 5 ) 馏出物和残留物的收集：由于重力作用，馏出物在冷凝器底部收集。没有蒸发的重组分和返回到加热面上的极少轻组分残留物由于重力或离心力作用，滑落到加热器底部或转盘外缘。1 4 短程蒸馏的优点短程蒸馏的原理和设备的结构决定了其具有很多常规蒸馏设备所不具备的优点【6 ，8 - 1 1 ：( 1 ) 蒸馏压强低由于短程蒸馏装置独特的结构形式，可以获得很高的真空度。尽管常规真空蒸馏也可以采用较高的真空度，但由于其内部结构上的制约( 特别是填料塔或板式塔) ，其阻力较短程蒸馏装置要大得多，因而难以达到高的真空度。一般常规真空蒸馏其真空度仅达几十到几千帕斯卡，而短程蒸馏器的真空度可达l l o p a 。( 2 ) 操作温度较低由克劳修斯一克拉伯龙方程可知，压力越低，蒸发温度越低。短程蒸馏的操作压力很小，物料在远低于常压沸点的温度下就可蒸发出来。因此，短程蒸馏特别适合于高沸点、热敏性、易氧化( 或易聚合) 物质的分离。例如对某些热敏性物质的蒸馏，其操作温度可比常压沸点低2 0 0 2 5 0 c ，避免了热敏性物质遭到破坏【l l 】。( 3 ) 物料受热时间短一般的真空蒸馏，被分离组分从沸腾的液面逸出到冷凝馏出，由于所走的路程较长，所以受热的时间较长，而短程蒸馏由于气态分子从液面逸出到冷凝面冷凝所走的距离较短，所以物料处于气态这一受热状态的时间就短，一般仅为0 。0 5 1 5 s 。( 4 ) 物料分离效率高由短程蒸馏的原理知，短程蒸馏克服了常规蒸馏中汽液平衡关系制约，使得物料中的轻组分能够快速的被蒸发、冷凝。另外，短程蒸馏为膜式蒸发，蒸发过程中传热、传质阻力较常规蒸馏小得多，因此，其分离效率远比常规蒸馏高。 一四川大学硕士学位论文1 5 短程蒸馏设备的发展短程蒸馏设备从2 0 世纪3 0 年代至今，至今已有多种形式。其形式的改进始终围绕这样一个宗旨进行，即实现使蒸馏物质沿蒸发面形成连续更新、完全覆盖、厚度均匀的蒸发液膜。实质上都是对蒸发面与冷凝面的改进。根据短程蒸馏设备的结构形式和操作特点，大致可分为以下四类【5 ，7 ，9 1 2 ，1 3 】；( 1 ) 间歇釜式短程蒸馏器该设备出现最早，结构最简单，具有一个静止不动的水平蒸发表面。如图l - 3 所示，物料在一个封闭的容器里面加热一段时间后，易挥发组分在真空状态下受热蒸发，并在蒸发面上部的冷凝器上冷凝。这种形式的短程蒸馏器分离能力很低，分离效果差，物料停留时间长，加热温度高，热分解危险性大，只适应于实验室及小批量生产，目前基本淘汰。( 2 ) 降膜式短程蒸馏器物料依靠重力在加热壁面流动时形成一层薄膜，易挥发组分在真空状态下受热蒸发，并在加热面周围的冷凝面上冷凝。但这种形式的短程蒸馏器存在液膜厚度不均匀，容易形成热点使物料分解，液膜流动一般呈层流，传热和传质阻力大等缺点，不适用从物料中分离大量的蒸馏产物。但由于其结构简单，不存在动密封的问题，蒸馏过程可以连续进行，因此，对于从物料中分离少量的易挥发组分的情况还有一定的使用价值。降膜式短程蒸馏器的示意图如图1 4 所示。( 3 ) 离心式短程蒸馏器如图1 5 所示，离心式短程蒸馏器的蒸发器是高速旋转的锥形容器，物料被送到转盘中央，在离心力作用下形成覆盖整个蒸发面、持续更新的厚度均匀的蒸发膜。馏出物从锥形冷凝器底部抽取，残留物从蒸发面顶部外缘专门通道抽取收集。这种设备最大的特点在于容易形成均匀而且极薄的液膜( 0 0 4 - 0 0 8 r a m ) ，蒸发面与冷凝面的间距可调，分离效果好，物料停留时间很短，可分离热稳定性很差的混合物。但离心式短程蒸馏器机构复杂、不容易实现动密封，同时也很难在高转速下将设备结构尺寸做大，投资和操作成本非常高，较适于大型实验室、中试厂及工业上产品经济价值较高或特殊性能物质的分离。在工业应用上不如刮膜式短程蒸馏器广泛。第一章绪论真堪蝴艟惫口圈1 4 降膜式短程燕馏器f i g 1 - 4t h ef a l l i n gf i l ms h o r t - p a t hd i s t i l l e r图1 - 5 离心式短程蒸馏器图l _ 6 刮膜式短程蒸馏器f i g 1 巧1 n b cm 仃i f i l g a ls h o r t - p a t hd i s t i l l e rf i g 1 - 6t h ew i p e rf i l ms h o r t - p a t hd i s t i l l e r四川大学硕士学位论文( 4 ) 刮膜式短程蒸馏器该设备可以解决降膜式短程蒸馏器的不足，通过在降膜式短程蒸馏器内部设置一个转动的刮膜器，使物料均匀覆盖在加热表面上，同时使得沿加热面向下流动的液层得到充分搅动，强化了传热和传质过程，如图1 - 6 所示。刮膜式短程蒸馏器的优点是液膜厚度小且均匀，停留时间短，不容易形成热点，热分解可能性小由于传热传质效果好，单位面积的蒸馏产率比降膜式短程蒸馏器大许多，生产能力大，并且刮膜器的转速一般在5 0 - 5 0 0r p m ( 刮膜器的线速度一般在3 ，s m s 左右，直径大，转速低) ，容易实现动密封。因此，该种短程蒸馏器在工业上应用最为广泛。，1 6 刮膜式短程蒸馏器的结构刮膜式短程蒸馏器的结构如图1 - 6 所示。主要由上部的驱动部分和下部的蒸发部分组成。驱动部分由电机、减速机、联轴器、机械密封等部件组成；蒸发部分由刮膜器及转子、夹套简体和内置冷凝器组成，而转子由分布盘、主轴及转动框架等部件组成。1 6 1 分配盘【1 4 】分配盘的结构如图1 - 7 所示。整个分配盘固定在转子的主轴上，并随主轴一起转动，分布环上开有“v ”形缺口，物料从进料管流到连续转动着的分配盘圆盘上，然后从分布环上的“v ”形缺口处溢出，再向下流到筒壁上，以达到物料均匀分布的目的。q 蘑誊翊i 黪蓍l r第一章绪论1 6 2 刮膜器在刮膜式短程蒸馏器中，位于加热面与冷凝面之间的环状空间、靠近加热面一侧，安装有旋转的刮膜器。刮膜器是短程蒸馏的一个重要构件，它可以使液体在加热面上形成均匀的薄膜，还可以使同一位置的液膜充分搅拌，因此，有利于液膜的传热传质，对提高短程蒸馏装置的蒸馏速率和分离效率是至关重要的。短程蒸馏器的刮膜器有以下几种，具体采用哪一种刮膜器取决于运用的场所。刮膜元件结构形式有多种，其中主要有自由摆动的刮板刮膜器、径向滑动的斜凹槽块状刮膜器、自由转动的滚筒刮膜器三种【1 s 1 ( 1 ) 自由摆动的刮板刮膜器如图1 8 所示，这种形式的刮膜器主要适用于容易在加热面结焦、结垢，带有固体颗粒或在蒸发过程中有可能会结晶，以及要求浓缩至干的物料，广泛用于处理高粘度物料。刮膜元件一般采用带铰链的金属刮板，金属刮膜片通过铰链与中心回转轴连接，在成膜系统的运行过程中，金属刮板在离心力的作用下紧贴蒸发器的内壁呈一定的角度滑动，将物料刮制成所需要的液膜，并且防止物料在加热面结焦、结垢。根据工艺要求和物料特性，可以通过改变刮膜装置的转速和刮板调节离心力，以达到调节成膜效果的目的。其不足之处在于传质效果不佳以及金属刮板可能长时间粘附物料。图l _ 8 自由摆动的刮板刮膜器f i g 1 - 8f r e es w i n gw i p e r四川大学硕士学位论文( 2 ) 径向滑动的斜凹槽块状刮膜器径向滑动的斜凹槽块状刮膜器应用范围较广，如图1 - 9 所示。刮膜元件一般采用石墨或p t f e ( 聚四氟乙烯) 制成。若干块状刮膜器安装在开口朝加热面的u 型槽中，当刮膜系统旋转时，刮膜器受离心力的作用沿导槽径向甩到加热面并随转子一起做圆周运动，保证液膜分布均匀、完全混合和良好的热交换。块状刮膜器( 也叫梳妆刮板，如图1 1 0 所示) 外端面上带有一定角度的斜凹槽，使得物料沿着斜凹槽的轨迹向下强制移动。沟槽不仅可防止刮板前面的液体飞溅和逃逸，而且可保证在流量很小时也可能成膜，以保证运转的稳定性。通过改变凹槽的角度可以调节物料在加热面上的停留时间。由于物料是在刮膜器的作用下强制向下移动的，这种形式的刮膜器对于高粘度物料的传质是非常有利的。其不足之处在于传热效果不佳以及块状刮膜器的凹槽内可能长时间粘附物料。为了适用更多的工作场合，在此基础上可以衍生出自由摆动的斜凹槽块状刮膜器和弹簧压紧的斜凹槽块状刮膜器。图1 - 9 径向滑动的斜凹槽块状刮膜器f i g 1 - 9r a d i a ls t i pw i p e rw i t ho b l i q u e 知l i s 把m图1 1 0 梳状刮板f i g 1 1 0c o m bw i p e r( 3 ) 自由摆动的滚筒刮膜器自由摆动的斜凹槽滚筒刮膜元件一般采用带玻璃纤维的聚四氟乙烯制成( 特殊情况下也可采用纯聚四氟乙烯) 。如图1 1 1 所示，当刮膜系统旋转时，滚筒及中间的中心轴( 如图1 1 2 所示) 在离心力的作用下紧贴加热面，第一章绪论滚筒围绕加热面中心在公转的同时，也相对中心轴自转。由于滚筒的不停自转，物料不容易粘附在滚筒上，具有“自清洁”功能。为了加强传质效果，可在滚筒上刻有一定角度的斜凹槽。同时，调节滚筒上斜凹槽的角度可以改变物料在加热面上的停留时间。为了适用更多的工作场合，在此基础上还可以衍生出径向滑动的斜凹槽滚筒刮膜器和弹簧压紧的斜凹槽滚筒刮膜器。图1 1 1 自由摆动的滚筒刮膜器图1 1 2 滚筒刮板f i g 1 ，1 1f r c cs w i n gw i p e rw i t hr e v o l v i n gd r a m sf i g 1 1 2r o l l 日w i p e r1 6 3 脱气装置由于整个短程蒸馏系统必须维持在非常高的真空度下操作，排气装置以及系统的密封性是短程蒸馏装置设计的关键之一。一般来说，短程蒸馏装置所要求的极限真空度为1 矿l o a p a ，工作真空度为l 1 0 p a ，通常选用油扩散泵为主泵，气填式油封机械真空泵为前级泵。料液中的杂质、水分及其分解情况也是影响真空度的主要因素。脱气装置的功能是防止料液爆沸，将料液中溶解的各种气体在高真空条件下排出。常用的脱气设备有降膜式、喷射式、填充式及层板式，如图1 1 3 至图1 1 6 所示1 1 9 1 。图中“v ”接真空泵，“d ”为脱气部件，“o ”为脱气原料气入口，“a ”为脱气原料出口。四川大学硕士学位论文茹图。感ov貉l 瓣i i i i i i i i i ill 叫旷u图1 1 5 填充式脱气装置f i g 1 1 5p a c k i n gd e g a s s e rv图1 1 6 层板式脱气装置f i g 1 1 6l a y e r e dp l a n kt y p ed e g a s s e r1 7 短程蒸馏的应用经过几十年对几千种物质的加工处理及探索，短程蒸馏器已经得到了广泛的应用，随着绿色食品、回归大自然浪潮的兴起，人们对高纯度品质和天然绿色产品需求逐渐加大，短程蒸馏这种纯物理分离技术生产的产品必将有更广阔的市场前景。与传统的蒸馏技术相比，短程蒸馏具有操作温度低、受热时间短、分离程度高及产品收率高等优点1 4 】，特别适用于高沸点、热敏性、易氧化物料的分离。其工业应用包括食品、医药、塑料、石油化工、造纸和第一章绪论农业等领域1 6 - 7 , 9 一o , m 4 4 1 。( 1 ) 能源环保：废机油再生、生物柴油。( 2 ) 石油工业：原油的分离与精制，如低蒸气压油、高黏度润滑油的制取、碳氢化合物的分离，残余焦油、基础油、光亮油、凡士林等的精制。( 3 ) 精细化工：化工中间体的精制及表面活性剂的提纯等，如脂肪酸、脂肪酸酰胺、脂肪醇、表面活性剂、二聚酸、聚酰胺树脂、酚醛树脂、聚胺酯、异氰酸盐、环氧油等。( 4 ) 医药食品：医药中间体的提纯及从天然物质中提取医药制品，如维生素e 、维生素a 、葡萄糖衍生物、氨基酸脂、卵磷脂、8 胡萝h 素等；混合油脂的分离，如硬脂酸单甘油脂、月桂酸单甘油脂、丙二醇脂等；从动植物中提取天然产物，如辣椒红色素、精制鱼油、e l l a 、d h a 、米糠油、小麦胚芽油、乳酸、天然或合成维生素等。( 5 ) 农药生产：农药及农药中间体的提纯与精制，如菊脂类、增效醚、氧化乐果、卡松等的提纯。( 6 ) 塑料工业：增塑剂型酯类的提纯，高分子物质的脱臭，树脂类物质的精制等，如树脂塑料、可塑剂、稳定剂、丙烯酸盐二甘酯、环氧树脂等。( 7 ) 香精香料：合成及天然香精香料的提纯，如玫瑰油、桂皮油、香根油、香茅油、山苍子油等的精制。1 8 短程蒸馏过程的传热和传质模型研究1 4 5 - 4 0 i目前，关于短程蒸馏的研究主要是通过对液膜流动、液膜内部的热量和质量传递过程的分析，建立描述主体和表面温度以及组成之间的关系的数学模型。短程蒸馏器的形式主要有间歇釜式短程蒸馏器、降膜式短程蒸馏器、刮膜式短程蒸馏器和离心式短程蒸馏器。1 8 1 间歇釜式短程蒸馏器间歇釜式短程蒸馏器是早期短程蒸馏研究中应用比较广泛的设备。i n u z u k a 【4 7 l 用“高质量流量下膜理论模型”描述了液体内部的传递过程对液相温度和组成分布的影响，很好地解释了混合物分离因数随搅拌速率增加而升高的现象，得出了传质、传热系数与搅拌速率及设备尺寸等参数的关系，与四川大学硕士学位论文试验结果拟合得较好。目前关于降膜式和离心式短程蒸馏器中液膜流动的研究比较多。k a w a l a 4 s l 汞j 用表面蒸发速率、流速、液膜厚度、温度分布和浓度分布等几个参数建立降膜短程蒸馏器的数学模型。k a w a l a 根据气体的动力学理论，考虑蒸汽分子各向异性的特点，采用如下方程计算某一组分i 的表面蒸发速率：g - 1 南计卜，( ih ：】m s ，式中，f 为蒸发面与冷凝面的面积比；j i l 为蒸发面与冷凝面间距；七为b o l t z m a n 常数，a 。为分子运动平均自由程；弹为液体混合物中的组分数。假设液膜表面光滑，膜内流动为充分发展的稳态层流，在忽略垂直蒸发表面方向和切向流动速度的前提下，膜内轴向流速脚和液膜厚度可以分别用以下方程描述：”等p 氟字) 2 】7 ，叶吖南一瓤( 矧出旷液膜内质量和热量传递过程，分别可以用稳态质量和热量对流扩散方程来描述，在忽略轴向质量和热量扩散基础上建立了降膜式短程蒸馏器液膜内传质和传热方程：_ 詈一d 腾+ 害1m 9 ，_ i 州1 7 i + 矿ju 母蚱i a c , 叫垮+ 监o r = 1( 1 - 1 0 )d zl ，d r，液膜表面边界条件由分子蒸发速率、液膜厚度变化及蒸发潜热来确定。第一章绪论采用适当的假设并根据合适的边界和初始条件、采用数值方法对上述方程进行求解，可以得到总的蒸发速率方程。进料温度是决定分子蒸馏器操作的一个重要技术参数，c v e n 孕。吾等研究了进料温度对降膜短程蒸馏器分离效率的影响，通过建立稳态系统的热量平衡方程，得到了液膜表面温度数学模型。假设蒸馏的馏分是单组分，液膜流动是稳态层流，并忽略分子间的碰撞和z 轴方向的对流传热，可得到膜表面温度表达式：瓦( ：) 巧+ 6 ( z ) 坐趔( 1 1 1 ) k式中。g 。竺f 坐坠( 1 - 1 2 ) r - - - -g - 二二卫一h e m 瓦i , z j ,模型计算结果表明，如果进料温度低于液膜表面温度，一部分蒸发面就会被用于加热料液，该区域的蒸发速率就会降低，而且进料量越大、迸料与膜表面之间的温差越大，用于加热料液的蒸发面所占比例越大。1 8 3 离心式短程蒸馏器对于离心式短程蒸馏器，液膜内流动的假设与降膜短程蒸馏器相同，并且忽略了重力的作用，b h a n d a r k c l 5 3 】采用稳态质量和热量对流扩散方程对分了蒸馏器内的液膜流动进行了数学建模，其采用斜坐标，得到如下方程。速度方程为：丝+ 翌+ 竺v c t g 妒0( 1 1 3 )缸缸善善液膜厚度用下述方程表示：6 ( x ) -m o - 鄯耋) s i n z + 到譬( 勉s i n 妒一s s 妒)3 “、根据热量衡算得到蒸馏器液膜中的温度分布关系：( 1 - 1 4 )婴型盔兰堕主兰堡丝苎h a t + ，堕口f 坚+ 一1a t a g o a t l ( 1 - 1 5 )h 一+ ，一_ 口l = - + 一一一l缸妙i 砂2 工i x工o yj根据质量衡算得到蒸馏器液膜中的浓度分布关系：h 堕+ v 里口f 姿+ 三堕一型堡1 ( i - 1 6 )缸砂i 砂。z 缸ja y b a t i s t e l l a 和m a c i e l 5 4 1 对降膜式短程蒸馏器和离心式短程蒸馏器已建立起的数学模型分别进行了模拟计算并对这两种分子蒸馏器在蒸发速率、分离因数和分离效率上作了对比研究。1 8 4 刮膜式短程蒸馏器刮膜式短程蒸馏器内液体的流动过程由于刮膜器机械作用的介入变得异常复杂，相应的传热和传质过程的研究也很不深入。n g u y e n 和g o f f i c l 5 9 1在假设刮膜器使得液膜流动完全达到湍流流动、液膜内不存在径向和轴向温度梯度和径向浓度梯度