（化工过程机械专业论文）kdl5型分子蒸馏器流场数值模拟及试验研究.pdf

摘要 摘要 分子蒸馏技术是一种新型、高效的液液分离技术，在天然产物中的应用越来越 受到重视。随着分子蒸馏技术的广泛应用和发展，人们对该技术的理论研究也越来越 深入。但在众多的研究项目中，利用c f d 模拟研究刮膜式分子蒸馏器流场特性的研 究较少。本文利用f l u e n t 6 o 对刮膜式分子蒸馏蒸发液膜流场进行模拟，并通过d b p ( 邻苯二甲酸二丁酯) 试验对分子蒸馏器的性能进行初步研究。主要内容如下： ( 1 ) 综述分子蒸馏技术的发展、基础理论、工业化应用以及近代学者对分子蒸 馏液膜流体力学的研究。 ( 2 ) 本文结合) l 5 型分子蒸馏试验装置，通过三点假设，对模型进行简化， 在旋转坐标系下，利用v o f 模型处理多相流，利用i 矾g 七一占湍流模型模拟湍流情 况，分别研究了不同转速、进料量和刮膜形状、尺寸情况下，计算区域内湍流流场的 变化，尤其流速的变化。 模拟结果表明：蒸发液膜的湍流状态主要出现在刮膜器后端；而且，随着转速增 大或者进料量减小，刮膜器后端湍流流场明显增强；各种情况下湍动能及耗散率的分 布表明，当转速小到一定值，或者进料量大到一定值，蒸发液膜的湍流程度减弱直至 消失。 在改变刮膜式分子蒸馏器刮板形状时，可以发现：长方体楔状刮膜器作用下的液 膜湍流流场更强烈，而圆柱型刮膜器( 可以做成均等的可绕其固定轴旋转的小圆柱状 的集合体) 因其自身的转动作用缓解了刮膜器与液膜的力作用，反而使得液膜湍流流 场减弱。这为实际应用中根据不同材质选择不同的刮板形状提供了一个依据。 ( 3 ) 对k d l 5 型刮膜式分子蒸馏器进行试验研究，从进料速率、刮膜转速和加 热温度三方面考察分离效果，得到了在利用分子蒸馏过程分离d b p 时，分离效果相 对较好工艺参数：进料速率2 0 3 3 5 9 l l ，加热温度1 0 5 ，转速3 0 0 r m 。 关键词：分子蒸馏，计算流体力学，湍流流场，邻苯二甲酸二丁酯 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l e c u i a rd i s t i l l a t i o ni san e w - t y p el i q u i d l i q u i ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hh a d b e e na 1 1 r e s t e db ym o r ea n dm o r er e s e a r c h e r si i ln a t l l r em a t e r i a l sa p p l i c a t i o n t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o nh 弱a l s ob e e nc 秭e do u tl a 培e l yw i t ht l l e 印p l i c a t i o na i l d d e v e l o p m e n to fm o l e c u l 甜d i s t i l l a t i o nt e c h n o l o g y h o w e v e r t h es t u d yf o rn o w6 e l do f w i p e df i h nm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o nb yc o m p u t e rf l u i dd y n 锄i c s ( c f d ) w a sl i m i t e d t h e n u me r i c a ls i l n u l a t i o nf o rn o w i l l gf i e l do fw i p e df i l mm o l e c u l 盯d i s t i l l a t i o nw 硒c a r r i e do u t b yf 【川吧n t 6 0 ，锄d l er e s e a r c hf o rc h a r a c t e 瑙o fw i p e df i l mm o l e c u l 盯d i s t i l l a t i o nb y d b p e x p e r 岫e n tw 弱i n v e s t i g a t e d t h em a i l lw o r k 锄dc o n c l u s i o n s 孤el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to fm 0 1 e c u l a rd i s t i l l a t i o nw 觞r e v i e w e d i i lr e s p e c to ft h ep r i n c i p l e ， i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 锄dc o m p u t a t i o n a ln u i dd ) ，n a m i c s ( 2 ) n en u m e r i c a lm o d e lw 嬲s i i i l p l i f i e dt l 啪u 曲t h r e eh ) ，p o m e s i sb 雒e d t l l ek d l 5 t e s t i l l ga p p a r 2 l m s v 0 l u m eo ff l u i d o f ) m o d e lw 弱a l s ob u i l tt o 仃a c ki i l t e m c eb e t 、) i r e e n l i q u i d 锄dg 弱豁m e t l l o dt o 如r t h e rd e a lw i 也n e 州 ，a uf l o w m o r e o v e r t l l et u r b u l tn o w f i e l d 锄dn o ws p e e dw e r ei i l v e s t i g a t e dl l i l d e rd i f f e r e n tw i p e rs p e e d ，f l o wf e e d ，t l l es h 印e 觚ds 娩eo fw i p e r si i lr o t a t i i l gc o o r d i n a t es y s t e m t h er e 卸l t ss h o wt l l a t ，t l l et u r b u l e n td i s 仃i b u t i o nl i e do nm eb a c k o fw i p e 璐t h en o w f i e l do nb a c ko fw i p e r sw 雒i l l t e n s i f i e dw i t hm ei i l c r e m e n to fw i p es p e e d 锄dt h e d e c r e m e n to ff l o wf e e d m o r e o v e r ，m ek 锄d占o ff l o wf i l mw 弱w e a k e n e dt i l l d i s a p p e a r 锄c ew i t l lt l l ed e c r e m e n to fw i p es p e e d 锄d t i l ei n c r e m e n to ff l o wf e e d i ti sa l s os h o w nt h a t ，w i mm ec h 锄g e so fm ew i p e rs h a p e ，t 1 1 et u r b u l e n td i s 仃i b u t i o n f l o wf i l mw 硒洒t e n s i f i e dw i mt h ea c t i o no fo b l o n gs p h e n o i dw i p e r f o rc o l u m n e dw i p e r ， m et u r b u l e n td i s t r i b u t i o nf l o wf i l mw 弱w e a k e n e db e c a u s eo ft h er o t a t i n gb yi t s e l ft o r e d u c et i l ea c t i o n ，w h i c hs h o w e d 锄e v i d e n c et os e l e c td i 行e r e n tw i p e rs h 印eb ym a t e r i a l ( 3 ) av 盯i e 秒o f t e s t sf o rk d l 5w i p e rd i s t i l l a t i o nw e r ec a r r i e do u tt o 洫v e s t i g a t et h e s e p a m t i o ne a e c t s 仔o m m r e ew a y so ff l o wf e e d v e l o c i 坝w i p e rs p e e d 锄dh e a t e d t e m p e 豫m r e t h e 跚i t a b l ep r o c e s sp a r 锄e t e r sw e r eo b t a i n e da tt l l ec o n d i t i o no ff l o wf e e d v e l o c i 妙i i l2 0 3 3 5 9 l l ，w i p e rs p e e di n3 0 0 叩m 肌dh e a t e dt e m p e 豫t u 他i l l10 5 d u r i n g a b s t r a c t d b p s 印a r a t i o np r o c e s s k e y w o r d sm o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n ；c f d ；t u r b u l e n td i s t r i b u t i o nf l o wf i l m ；d b p 硕士学位论文 第一章绪论 分子蒸馏( m o l e c u l 对d i s t i l l a t i o n ) 是一种高真空下进行分离操作的非平衡蒸馏过 程，由于分子蒸馏器内的蒸发面和冷凝面的距离小于被分离物系分子的平均自由程， 可以避免分子间的相互碰撞，从而大大提高蒸发效率，因此分子蒸馏又称作短程蒸馏 ( s h o n - p a t l ld i s t i l l a t i o n ) 或无阻尼蒸馏( u n o b s 仃u c t e dd i s t i l l a t i o n ) 【1 1 。我国对分子蒸 馏技术的应用研究起步比较晚，在上世纪6 0 年代有少量报道，到8 0 年代末，国内引 进了几套分子蒸馏生产线用于硬脂酸单甘脂等的生产。纵观大量国内外文献报道，发 现分子蒸馏技术现有的主要理论基础是基于气体分子运动论中分子运动平均自由程 的假设。在高真空条件下，不同分子运动的平均自由程差异变大，从而易于实现复杂 混合物系的分离、提纯乃至精制。此外，由于在远低于常压沸点的操作温度下进行分 离，因此，分子蒸馏特别适合处理大分子、高沸点、高粘度、热敏性及易氧化等难分 离的复杂物系【2 训，刮膜式分子蒸馏相对于其它分子蒸馏形式而言，其液膜的流动最 复杂，相应的流体力学研究报道也较少【5 】。 1 1 分子蒸馏技术的发展 分子蒸馏技术最早可以追溯到第二次世界大战以前，是一种伴随真空技术和真空 蒸馏技术发展起来的液一液分离技术。h i c l 锄锄博士【6 】是最早的发明人之一，早在 1 9 2 0 年，他就利用分子蒸馏设备做过大量的小试试验，并将该方法发展到中试规模。 当时的试验装置非常简单：在一块平板上将欲分离物质涂成薄层使其在高真空下蒸 发，蒸汽在周围的冷表面上凝结。操作时使蒸发面与冷凝面的距离小于气体分子的平 均自由程，从而气体分子彼此发生碰撞的几率远小于气体分子在冷凝面上凝结的几 率。因此，这种简单的蒸馏方法在美国首先以“分子蒸馏”的概念出现，并沿用至今。 至2 0 世纪6 0 年代，为适应浓缩鱼肝油中维生素a ( v a ) 的需要，分子蒸馏技 术得到了工业应用。在日、英、美、德及前苏联相继设计制造了多套分子蒸馏装置， 用于浓缩v a 等的生产。但当时由于客观条件的限制，应用面太窄，发展速度很慢。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着人们对天然物质的青睐，回归自然的潮流兴起，分子蒸馏 技术得到了迅速的发展，逐步形成研究热点。对分子蒸馏的设备，各国研制的形式多 种多样。目前，世界各国应用分子蒸馏技术纯化分离的产品达1 5 0 余种，特别是对于 1 第一章绪论 一些高难度物质的分离方面，该项技术显示了较好的效果。 我国对分子蒸馏技术的研究开始的比较晚，上世纪6 0 年代，樊丽秋【7 】首次在国 内进行了分子蒸馏相关研究：7 0 年代末，余国琮、樊丽秋8 1 发表了对降膜式分子蒸馏 研究的相关论文；8 0 年代，国内引进了几套国外的分子蒸馏装置，用于硬脂酸单甘 酯的生产。近年来，我国许多高校及科研单位加强了分子蒸馏技术的研发工作。分子 蒸馏技术在高沸点、热敏性物质的分离方面得到了迅速的发展，在石油、医药、食品、 精细化工和油脂等【9 ，1 0 】行业的应用及其广泛。 1 2 分子蒸馏技术的基础理论、过程及特点 分子蒸馏技术是依靠不同物质分子逸出后的运动平均自由程的差别来实现物质 的分离。普通蒸馏过程中，当形成的蒸汽分子离开溶液液面后，在运动中相互碰撞， 一部分进入冷凝器中，另一部分则返回溶液内。分子蒸馏技术的特点，在于溶液液面 与冷凝器的冷凝面间距离十分靠近，蒸汽分子离开液面后，在它们的分子自由程内未 经过相互碰撞就可到达冷凝面，直接冷凝不再返回溶液内【l i 】。 对液体混合物的分离，首先要加热提供能量，接受到足够能量的分子就会逸出液 面成为气相分子。不同质量的分子，由于分子有效直径不同，一般轻分子( 分子量小) 的平均自由程较大，重分子( 分子量大) 的平均自由程较小。若在远离液面( 小于轻 分子平均自由程而大于重分子平均自由程) 设置一个冷凝面，当轻分子到达冷凝面后 就被冷凝，从而使轻分子不断逸出；而重分子达不到冷凝面就会发生碰撞而返回溶液 中，很快与液相中重分子趋于动态平衡。通过这种方法可以实现轻分子和重分子的分 刚1 2 1 。 1 2 1 基础理论 1 2 1 1 分子平均自由程 分子平均自由程是指气体分子与其它气体分子发生碰撞所需要的平均距离。 l 锄舯u i r 【1 3 】根据理想气体的动力学理论提出了分子平均自由程的数学模型： 当只有一种分子时，分子平均自由程为： 尺r ( 1 1 ) 2 忑虿币 当体系中有两种分子存在时，分子平均自由程为： 2 硕士学位论丈 a = 尺丁 ( 1 2 ) 厶：一1 墨! ； ( 1 3 ) 铲而荔i 萼瓦而 u 。夕 分子平均自由程的分布规律为： 川一p m 4 ， f 为自由程小于或等于平均自由程的概率，旯和丸分别代表自由程和平均自由 程。 1 2 1 2 分子蒸发速率 分子蒸发速率是衡量分子蒸馏设备工作效率的一个重要标志。 l 锄肿u i r 和k n u d s e n 研究了高真空下纯物质的蒸发过程，理论上得出绝对真 空下表面自由蒸发的速率： g 。纠( 嘉) “2 5 ) 如果溶液中存在多种组分，在理想的情况下，混合物中组分i 的蒸发速率为： q 纠置( 蒜) 2 6 ) k a w a l a 在l 锄舯u i r 的多组分理想气体模型基础上，假设： ( 1 ) 进料温度与蒸馏温度相同； ( 2 ) 对流传热与热传导传热相比是可以忽略的，并且分子蒸馏只是表面现象。 得出了两组分理想混合物的蒸发速率模型： q 叫坨 1 - ( 1 胡p 门 7 ， 其中f 为冷凝系数，h 为蒸发面与冷凝面间距，n 通过实验获得，一般为4 5 。 上式中： 厂：兰l( 1 8 ) 4 + 4 第一章绪论 l o g 尼= o 2 + 1 3 8 ( 厂+ o 1 ) 4 ( 1 - 9 ) 总的蒸发速率为： g = 薯g ， ( 1 一l o ) 1 2 1 3 分离因数口 分离因数是衡量分子蒸馏技术分离效率的参数。温度和被分离物质的分子量对分 离因数的影响很大，有人提出了短程蒸馏理想情况下的两组分分离因数模型【1 5 1 6 】： 弘卺朦 m 口= 4 - ( 1 一1 1 ) 易、 k a w a l a 1 7 】利用增加活度系数的方法来校正上式： 弘舞膨 m p b y b m a 上式在理论上具有很重要的意义，但缺乏实用性。为了使分离因数公式具有实用 性，c v e n g r o s 【1 8 】通过对上式进行了交换： l i l 监q 二监! 舭h 淄 仆 ，( 1 一w ，) 1 2 2 分子蒸馏过程及特点 1 2 2 1 分子蒸馏过程 物料入口 残留物溜出物 图l - 1 分子蒸馏原理示意图 f i g l lt l l e o 可o fm o l e c u l 盯d i s t i l l e r 4 统 硕士学位论文 图1 1 中，轻组份首先获得足够的能量从液膜表面蒸发，由于其分子平均自由程 大于加热面和冷凝面间距，径直射向中间冷凝器后冷凝成液相，在重力作用下沿冷凝 器壁而向下流动，进入馏出组份接收器；而重组份由于其平均自由程小于加热面和冷 凝面之间的间隙，未能到达冷凝面沿加热面流下，进入残留组份接收器。 分子蒸馏过程主要分为四个步骤： ( 1 ) 分子从液相主体向蒸发面扩散； ( 2 ) 分子从蒸发面( 加热面) 上自由蒸发； ( 3 ) 分子从蒸发面向冷凝面飞射，在飞射过程中，可能与残存的空气分子碰撞， 也可能相互碰撞。但只要有一合适的真空度，使蒸发分子的平均自由程大于或等于两 面( 蒸发面与冷凝面) 之间的距离就可以完成分离； ( 4 ) 分子在冷凝面上冷凝。 1 2 2 2 分子蒸馏特点 ( 1 ) 普通蒸馏的蒸发与冷凝是可逆过程，液相和气相之间达到了动态平衡。分 子蒸馏中，从加热面逸出的分子直接射到冷凝面上，理论上没有返回到加热面的可能 性，所以分子蒸馏是不可逆过程。 ( 2 ) 蒸馏压强低。由于分子蒸馏是在高真空下操作，内部压降非常小，有利于 沸点温度降低，具有较好的分离效果。 ( 3 ) 分子蒸馏的操作温度。由分子蒸馏原理可知，混合物的分离是由于不同种 类的分子逸出液面后的平均自由程不同的性质来实现的，并不需要达到液面沸腾，所 以分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的。 ( 4 ) 受热时间短。由分子蒸馏原理可知，加热面与冷凝面间的间距小于轻分子 的平均自由程，轻分子几乎未经碰撞就到达冷凝面，所以受热时间很短。对易挥发、 热敏性物质的保存率高，从而降低了因受热时间长而造成某些组份分解或聚合的可能 性。 ( 5 ) 分离效率高。分子蒸馏是一个非平衡、不可逆的蒸馏过程，蒸汽分子从蒸 发面逸出后直接飞射到冷凝面上。提取物质纯度可达到9 5 左右。 常规蒸馏相对挥发度： 口：墨丝( 1 1 4 )口= 4 卫ll - 1 4 ) p 8y 8 5 第一章绪论 分子蒸馏的相对挥发度： 弘悟 1 5 ) 由于 鸠，可知口 ，所以对于同种物料，分子蒸馏技术较常规蒸馏操作 更易分离。 ( 6 ) 可得到高品质的产物。 ( 7 ) 操作工艺简便，设备少。 分子蒸馏的特点决定了它在实际应用中与传统技术相比有以下明显的优势： ( 1 ) 由于分子蒸馏真空度高，操作温度低且受热时问短，对于高沸点和热敏性 及易氧化物料的分离，与传统精馏相比有无可比拟的优点，能极好地保证物料的天然 特性，可被广泛应用于天然产物的提取。 ( 2 ) 分子蒸馏不仅能有效地分离液体中的低分子物质( 如：有机溶剂、臭味等) ， 而且有选择地蒸馏出目的产物，去除其它杂质，因此被视为天然品质的保护者和回归 者。 ( 3 ) 分子蒸馏能实现传统分离方法无法实现的物理过程。因此，在一些高价值 物料的分离上被广泛作为脱臭、脱色及提纯的手段。 表1 1 分子蒸馏与传统蒸馏方法的比较 1 3 分子蒸馏的工业应用 1 3 1 分子蒸馏工业化应用原则 大量的实践证明，分子蒸馏的工业化应用原则如下： ( 1 ) 分子蒸馏适用于不同物质分子量差别较大的液体混合物系的分离，特别是 同系物的分离，分子量必须要有一定差别。 6 硕士学位论文 由分子蒸馏的分离原理可知，分子蒸馏的分离是依据分子运动平均自由程的差别 进行的。不同物质的分子运动平均自由程差别越大则越易分离。 ( 2 ) 分子蒸馏也可用于分子量接近但性质差别较大的物质的分离，如沸点差较 大、分子量接近的物系的分离。 由常规蒸馏的分离原则可知，两种物质的沸点差越大越易分离，这一原则对分子 蒸馏也适用。对某些沸点相差较大而其分子量相差较小的物系，也可通过分子蒸馏方 法分离。原因在于，尽管两物质的分子量接近，但由于其分子结构不同，其分子有效 直径也不同，其分子运动平均自由程也不同，因而也适宜于应用分子蒸馏进行分离。 ( 3 ) 分子蒸馏特别适用于高沸点、热敏性、易氧化( 或易聚合) 物质的分离。 由分子蒸馏的特点可知，因其操作温度远远小于沸点( 操作温度低) 、加热时间 短，因此，对许多高沸点、热敏性物质而言，可避免在高温下、长时间的热反应。特 别适用于从天然物质中提取有效物质、中草药中分离有效成分、某些易分解或易聚合 的高分子物质的纯化等。 ( 4 ) 分子蒸馏适宜于附加值较高的物质的分离。 分子蒸馏全套装置除了分子蒸馏器，还要有整套的真空系统及加热、冷却系统等， 一次性投资较大，对那些尽管常规蒸馏分离不理想，但其附加值不高的产品，不宜采 用分子蒸馏。 ( 5 ) 分子蒸馏不适宜同分异构体的分离。 从分子蒸馏原理可知，由于同分异构体不仅结构类似，而且其分子量相等，分子 平均自由程相近，因此难于用分子蒸馏技术加以分离。 1 3 2 分子蒸馏工业化应用领域 1 3 2 1 石油化工 在石油化工生产中，研究者已经成功地利用分子蒸馏技术处理硅油、聚乙二醇、 聚乙二醇醚、醇类杀虫剂中的中间产品、丙烯腈、胺、双酚类、己内酰胺、过氧化异 丙苯、邻苯二甲酸二辛酯、环氧树脂、甘醇、松酯等。a l e x 鲫d e r 等利用分子蒸馏还 成功地实现了废机油的回收，从石油中获得高品位润滑剂的原料【1 9 2 0 】。r e s sg j 等利 用分子蒸馏技术成功地提取硅氧烷类化合物，蒸馏时间大大缩划2 1 1 。 1 3 2 2 油脂加工 高效食用乳化剂和表面活性剂：在食品加工中起乳化、分散、稳定、起泡、抗老 7 第一章绪论 化等重要作用，其消耗量巨大，占整个食用乳化剂总量的三分之二。其合成工艺是采 用油脂和脂肪酸酯化或油脂与甘油醇解两种方式制取，单甘油的含量仅4 0 4 5 。 由于油脂的沸点很高，要得到高纯度的单甘酯必须采用分子蒸馏才能进行分离，分离 出的产物中单甘酯的浓度高达9 5 。其工艺过程为：氢化动植物油脂与甘油进行酯 交换，再经过滤后，反应混合物被送入分子蒸馏装置；第一级1 4 0 ，5 0 0 p a 真空的 条件下进行脱水、脱气，除去部分甘油：第二级1 7 5 ，7 5p a 真空的条件下除去剩 余甘油和游离脂肪酸；第三级2 0 0 2 l o ，0 5 p a 真空的条件下蒸馏出单甘酯除去双 酯和三酯；最后液态蒸馏单甘酯进入喷雾系统进行制粉2 2 1 。 1 3 2 3 食品加工 b a t i s t e l l a 等 2 3 1 应用蒸馏技术从棕榈油中回收类胡萝卜素，钟耕等【2 4 】应用蒸馏技 术从脱蜡的甜橙油中提取胡萝卜素，产价和纯度高，较之传统的提取胡萝卜素的方法 ( 皂化萃取，吸附和酯基转移法) 效果更好。傅红等【2 5 】利用多级分子蒸馏技术从深海 鱼中提取多不饱和脂肪酸，得到了高碳链不饱和脂肪酸质量分数为9 0 9 6 的鱼油产 品。张忠义等【2 6 】采用超临界c q 流体萃取技术和分子蒸馏对大蒜化学成分进行萃取与 分离，在极低的温度下得到4 种主要成分，与普通蒸馏相比，分子蒸馏温度低，受热 时间短，更适合大蒜有效成分的分离。王宝刚【2 刀利用分子蒸馏技术从大豆油脱臭馏出 物中多级浓缩提纯天然维生素e 。植物油脂是天然维生素e 的主要来源，油脂脱臭时 所得到的馏出物是提取天然维生素e 的主要原料。而脱臭馏出物是油脂在精炼时的副 产物生产维生素e ，不仅可以变废为宝，而且可以提高油厂的经济效益，以满足医药、 食品等方面的要求。目前，天然维生素e 的提取方法有多种，利用分子蒸馏法提纯天 然维生素e ，设备简单，操作容易，效率高，不会引入其余杂质，具有广阔的应用前 景，栾礼侠等采用分子蒸馏法的工艺，进行天然维生素e 的提取。当进料速率2 5 0 m 忱；操作压力0 1 p a ；蒸馏温度1 3 0 1 6 0 ；搅拌速度1 3 0r m i n 。应用刮膜式分 子蒸馏设备对天然维生素e 粗产品原料进行提纯，经过三级分离操作就可以将原料中 的天然维生素e 由含量3 提高到8 0 【2 8 1 。 1 3 2 4 香精香料提纯 任艳奎等【2 9 】利用分子蒸馏技术对玫瑰精油的提纯进行了研究，优化了提取工艺， 得到了纯度达8 6 以上的玫瑰油。应安国等利用分子蒸馏技术对合成胡椒基丁醚 产物进行提纯得到了纯度为9 8 3 5 的胡椒基丁醚。胡海燕等【3 1 】利用分子蒸馏技术有 8 硕士学位论文 效提高广藿香油中广藿香醇和广藿的含量。黄敏等3 2 】利用分子蒸馏技术从天然香料山 苍子油，肉桂油中分离纯化柠檬醛、肉桂醛，获得了满意的工艺条件。王发松等【3 3 】 采用分子蒸馏技术对毛叶木姜子果挥发油中所含柠檬醛进行了分离纯化工艺的研究， 所得柠檬醛的纯度达到了9 5 。 1 4 分子蒸馏设备 完整的分子蒸馏过程操作系统主要包括：脱气系统、分子蒸馏器、真空系统和控 制系统。脱气系统的作用是将物料中所溶解的挥发气体组分尽量排出，避免由于高真 空度下引起物料爆沸，由于蒸发面和冷凝面的距离较短从而引起原料泡沫飞溅到冷凝 器上，影响产品含量。 根据分子蒸馏器的结构形式和操作特点，主要分为以下几类： ( 1 ) 间歇釜式分子蒸馏器： 该设备由蒸馏釜和内置冷凝器组成，在外置热源供热下，物料静止不动地进行分 子蒸馏操作。物料在蒸馏器内的停留时间比较长，液体内部的传质、传热阻力大，导 致分离能力低，容易热分解，并且只能间歇操作。所以间歇釜式分子蒸馏器一般适用 实验室及小批量生产，且不能用于热敏性混合物的分离。 ( 2 ) 降膜分子蒸馏器： 流体靠重力在加热壁面流动时形成一层薄膜，但其液膜厚度不均匀，容易形成热 点使组分分解，液膜流动一般呈层流，传质和传热阻力大。同时它的生产规模也非常 有限。 ( 3 ) 离心式分子蒸馏器： 该设备的蒸发表面是一高旋转的圆锥加热表面，在离心力作用下，物料在蒸发表 面上形成的液膜厚度远低于降膜分子蒸馏形成的液膜厚度，物料停留时间很短，雾沫 飞溅现象少，可分离热稳定性很差的混合物，分离效果好，在工业上应用也较广。 ( 4 ) 刮膜式分子蒸馏器： 在降膜式蒸馏器内部设置一个转动的刮膜器，使物料在刮膜器的作用下均匀覆盖 在加热表面上，同时使沿加热壁面向下流动的液层得到充分搅动，强化了传热和传质。 物料停留时间短且液膜厚度均匀，热分解可能性小，生产能力大，工业上应用较广。 9 第一章绪论 1 5 分子蒸馏液膜流体力学研究 1 5 1 降膜式分子蒸馏液膜流体力学研究 降膜式分子蒸馏器主要由圆柱形的蒸发面和冷凝面组成，在重力作用下沿蒸发表 面而形成连续更新的液膜，k a w a l a 利用表面蒸发速率、膜厚、流速、浓度分布和 温度分布等参数建立了降膜分子蒸馏器的数学模型，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，假设液膜表而光滑，膜内流动为充分发展的稳态层流， 在忽略垂直蒸发表而方向和切向流动速度的前提下，膜内轴向流速和液膜厚度可以分 别用以下方程描述： 甜= 等万2 l 字一三( 字) 2 7 i 万2 l 万 l 卅攻南一古g 吐) l ，3 m 其中，尺，尺+ 万。 对于降膜式分子蒸馏而言，蒸发液膜的厚度远小于蒸馏器的半径以及轴向距离， 研究中可以把蒸发液膜在器壁的流动假设成在无限垂直平面上的向下流动。 r - u c k e n s t e i n 和h 嬲s i i l 越3 5 】进一步假设液膜为稳态层流的牛顿型流体，从而推导出液膜 的轴向速度分布为： 甜= 等融( 别 m vl 万2l 万j l 由于在液体在蒸发面上的蒸发，沿着轴向液膜的厚度逐渐变薄，假如蒸发量与液 体的浓度成线性关系，液体的摩尔浓度之和不变的情况下，两组分理想液体混合物的 液膜厚度可以由下式求得( 3 6 】： 譬争卜倒+ 如 边界条件是在x = 处，万= 磊 s t e p h 肌【3 7 】假设蒸发过程为绝热，液膜为等温膜，且液膜仅在重力作用下作层流 流动，可以导出液膜速度和厚度的分布方程分别为： 1 0 硕士学位论文 甜= 等万2 字一三睁) 2l m 2 。， ，7 l 艿2l万 l 卟( 南一古g t ) l ，3 m 2 ， 其中，墨s ，r + 万。 1 5 2 离心式分子蒸馏液膜流体力学研究 离心式分子蒸馏器中液膜内流动的假设与降膜分子蒸馏器相同，忽略了重力的作 用，物料垂直进入蒸发圆盘的中间，在离心力的作用下在蒸发圆盘上形成很薄的液膜， 流动方向从轴向变为径向。在离心式分子蒸馏器内部有一个高速旋转的圆形或圆锥形 蒸发盘，物料垂直到达蒸发盘的中间后，在离心力的作用下扩散成极薄的液膜。 g r e e n b e 唱考虑到旋转是完全对成的，假设圆形蒸发盘水平放置，盘上液体不可压缩， 且呈层流流动时，液膜厚度为： ：砉= ：( 誓) 2 7 3 一( 鲁 矿 1 7 4 c 2 2 ， 其中为： 妒= 一 t 一订( ( 妄 2 一 制3 c 一2 3 ) 肛丽蒜 n - 2 4 ) b h 锄d a r k e r 提出了研究两组分情况下，考虑温度对物性的影响，采用稳态质量和 热量对流扩散方程对分子蒸馏器内的液膜流体进行数学建模，利用斜坐标建立理想分 子蒸馏的二维模型【3 8 】： 速度方程为： 宴+ 宴+ 兰一堕鲤：o ( 1 - 2 5 ) ：一+ i 一+ 一一巴= 0 ( 1 。2 5 ) = m 材罢+ y 娶：口f 窑+ ! 罢一型罢1 ( 1 - 2 7 ) 材一十1 ，一= 口i = - + o _ l ll - = z ， 缸 砂l 钞2 工缸x 砂 “坠+ v 坠：口f 姿+ 三坠一! 盟莘1 ( 1 2 8 ) 缸 砂 砂2 x 苏 x 砂j 哟= 譬嘲堋 2 9 ， 硕士学位论文 用于刮膜式分子蒸馏分离过程模型中，以l a n g i i l u r l ( n u d s n 蒸发理论为基础，研究了 进料速率和蒸发温度对多种物料分离的影响，对k 踟a l a 提出的蒸发系数进一步修正； 张旭斌采用b h a t n a g a r g r o s s k r o o d ( b g k ) 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，研究了惰性气体对高真空蒸发与冷凝过程的影响。 1 6 本文的研究目的和主要内容 本文研究目的：( 1 ) 利用f l u e n t 6 o 对刮膜式分子蒸馏液膜流场进行模拟，通 过改变转速，进料量及刮板尺寸、形状来考察对液膜流场影响；( 2 ) 通过d b p ( 邻 苯二甲酸二丁酯) 试验对分子蒸馏器的性能进行初步研究。 本文主要的研究工作包括下列内容： ( 1 ) 第一章绪论主要是介绍了分子蒸馏技术基础理论、发展、工业化应用及液 膜流体力学发展，由此得到研究刮膜式分子蒸馏液膜流场的必要性； ( 2 ) 第二章主要通过比较不同的计算模型来选取适宜于本课题的l 州g 鬈一占双 方程湍流模型、v o f 多相流模型及壁边界模型。 ( 3 ) 第三章针对l l 5 型分子蒸馏试验装置，通过三点假设，对模型进行简化， 在旋转坐标系下，利用v o f 模型处理多相流，利用r n g 七一s 湍流模型模拟湍流情 况，分别研究了不同转速、进料量和刮膜形状、尺寸情况下，计算区域内湍流流场的 变化，尤其流速的变化。 ( 4 ) 第四章通过对) l 5 型刮膜式分子蒸馏器进行试验研究，从进料速率、刮 膜转速和加热温度三方面考察分离效果，得到了在利用分子蒸馏过程分离d b p 时， 分离效果相对较好工艺参数：进料速率2 0 3 3 5 9 i i ，加热温度1 0 5 ，转速3 0 0 r m 。； ( 5 ) 第五章是全文的结论以及对今后研究工作的展望。 1 3 第二章c f d 计算流体力学模型的分析及选择 2 1 概述 第二章c f d 计算流体力学模型的分析及选择 计算流体力学( c 0 m p u t a t i o n a lf l u i dd ) ，i l 锄i c s ，简称c f d ) ，是通过计算机数值 计算和图像显示，对包含由流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。在 具体实践中，通常都需要对工程问题中的现象进行预测，比如速度、压力、温度、浓 度等的分布，预测的实质是在给定的物理条件下，求解出控制着物理过程的若干变量 在空间的分布和随实践分布的演变，从理论上来说，对流动现象的预测可以通过求解 n a v i e r - s t o k e s 方程来获得，但在工程上绝大多数流体力学问题都是高度非线性的，所 以单靠求解n s 方程是不可能获得解析解的，随着电脑技术的快速发展和数值计算方 法的发展，更多的人试图采用数值计算方法直接求解控制方程和边界条件来解决具有 强烈非线性特征的流动现象，进而形成计算流体力学这一学科分支，c f d 涉及到计 算机科学、流体力学、偏微分方程的数值计算、计算几何、数值分析等科学。 与传统的实验方法相比，c f d 的优势在于： ( 1 ) c f d 方法不受模型尺度的影响，可以进行全尺度比例模拟，克服实验中难 以满足雷诺数相似的困难。 ( 2 ) c f d 方法不用花费大量资金改变硬件配置便能灵活修改设计参数，费用低 于实验方法和现场实测方法。 ( 3 ) c f d 方法速度快、效率高。 ( 4 ) c f d 能利用丰富的可视化工具提供流场的全面信息，尤其在一些很难实测 的场合更具有优势。 c f d 方法也存在一定的局限性，相对来说还不成熟，在应用其对流动现象进行 预测时，需要对复杂的流体区域进行简化处理，然后用数学模型来描述它，计算结果 取决于计算方法和数学模型本身，假若数学模型的描述不够精确，甚至不恰当，计算 结果也没有任何价值而言。 计算流体力学软件的出现，大大减少了计算流体力学研究的工作量，扩大了计算 流体力学的应用范围，推动了流体力学更深入的发展，尽管存在一定的缺点，但是作 为一门新学科，计算流体力学将会随着技术的进步和发展而日趋成熟，并且在工程问 1 4 硕士学位论文 ， 题中将得到更广泛的应用。 2 2 计算流体力学模型 2 2 1 湍流模型 在实际问题中大部分流动都属于湍流，但是对湍流理论研究存在一定的局限性， 所以很多地方还需要半经验假设。b 0 u s s i n e s q 于18 8 7 年提出涡流粘性系数的概念奠 定了后来许多湍流模型的基础【4 3 1 。将雷诺应力写成如下形式： 丽铂睁丢 协) 式中，所是湍流粘性系数。 在求解过程中，按其本质可分为两类：一类是采用湍流粘性假定的“有效粘性” 模型；一类是直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力模型 。 目前，工程上应用最广泛的是七一占双方程模型就是属于有效粘性模型。下面具 体介绍七一g 湍流模型及其应用。 2 2 1 1 标准七一占双方程湍流模型 双方程模型最早由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的半理论经验公式，标 准七一占模型主要是基于湍流动能和扩散率。k 方程是个精确方程，占方程是个由经验 公式导出的方程。 七一占传递方程如下： 丢c 川+ 毒c 砌庐考陋+ 箦 考 + q + q 一声一+ & c 2 彩 丢c 伊，+ 毒c 胪约，= 毒陋+ 箦 考 + q 。妻c q + g 。g ，一g 。p 譬+ & c 2 h ：以譬 ( 2 - 4 ) 式中k 为湍动能，s 为湍动能耗散率，q 表示由层流速度梯度而产生的湍流动 能，g 是由浮力产生的湍流动能，是由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波 动，吼和c r l 是k 方程和占方程的湍流p r 锄d t l 数，方程中的各常数可使用l 猢d e r 和 第二章c f d 计算流体力学模型的分析及选择 s p a l d i n g 的推荐值： c i 骞= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，q = o 0 9 ，吼= 1 0 ，= 1 3 标准r s 模型采用了以下几种基本的处理： ( 1 ) 用湍动能k 反映了特征速度。 ( 2 ) 用湍动能耗散率占反映了特征长度尺度。 ( 3 ) 引进了鸬= 呜等的关系。 ( 4 ) 利用了b o u s s m e s q 假定进行简化。 ( 5 ) 假定流场完全是湍流。 ( 6 ) 分子之间的粘性可以忽略。 因此标准七一s 模型只对完全是湍流的流场有效。计算结果表明，它能很好的用 于很多复杂的流动，例如环流、渠道流、边壁射流、自由射流和剪切流动等， 但是标准七一占模型也有它的局限性，典型例子有：强旋流、浮力流、重力分层 流、曲壁边界流、低雷诺数流动和圆射流。所以一些学者对各向同性的标准r 一占模 型进行修正。 2 2 12 r n g ( 重整化群) 七一g 湍流方程 其k 和s 的传递方程为： 丢c + 丢c 盹，= 南- 物考 + q + q 一声一+ 吼 ( 2 引 丢c 胪，+ 毒c 胪坼，= 考一吻考 + q c q + c ，。g ，一q ，p 譬一足+ c 2 剐 在以上方程中，湍动能g 6 产生项和浮力产生项q 与标准r s 模型的相同，其中 足由下式求得： 尺= l + 矿 其中4 3 8 ，= 0 0 1 2 ，7 = 戥g 。 1 6 s 2 r ( 2 7 ) 硕士学位论文 式中的吼和是k 和g 有效p m d t l 常数的倒数，其值可由下式得到： i o 3 6 7 9 l ：丛吐 ( 2 8 ) l如 上式中= 1 o 。 有效粘度段疗可由下式求得： d - 1 7 2 焘d ； ( 2 - 9 ) 其中c ，1 0 0 ，；：垃。 r n g 七一s 模型与标准七一占模型的主要区别在于： ( 1 ) 标准七一占模型是通过传统的雷诺平均得到的，而r n g 茁一占模型是使用更 严格的统计方法得到的。 ( 2 ) l g 七一占模型考虑了湍流受层流中漩涡的影响。 ( 3 ) 由于i g 七一s 模型的s 方程里有一项专门考虑快速变形的流动，所以对 快速变形流动能够进行更加准确的预测。 ( 4 ) 在标准七一占模型中湍流p r a n d t l 数是一个常数，而在l g 七一s 模型中湍 流p m d t l 数是一个解析的公式。 ( 5 ) 标准七一占模型只适用于高雷诺流体流动的模拟，而l g 七一g 模型考虑了 低雷诺数的影响，所以也适用于低雷诺数流体流动的模拟。 从上面这些特点可以看出l g 七一g 模型比标准r 一占模型更加准确和可靠，特 别适用于模拟分层流、环流、在弯曲几何体里的流动、涡旋流、剪切层不稳定的流动、 低雷诺数流体流动或过渡流等。 2 2 1 3r e a i i z a b l e 七一占湍流模型 在f l u e n t 里除了标准七一占模型和l 酬g 七一占模型以外，还有r e a l i z a b l e 七一占模 型，r e a l i z a b l e 七一s 模型与标准七一占模型和l 矾g 七一占模型不同之处主要在于： r e a l i z a b l e 七一占模型对涡流粘度巴的表达方式与标准七一s 模型和r n g 七一占模型不 同；能量耗散方程不同。r e a l i z a b l e 七一占模型已被证实与i 州g 七一占模型一样，不但 l7 第二章c f d 计算流体力学模型的分析及选择 适用于模拟近壁处的流体流动、流线高度弯曲的流体流动、快速变形的流体流动、低 雷诺数的流体流动、过渡流、尾流和漩涡流等流动方式，而且使用于旋转坐标系下的 非均相剪切流、边界层的流动等流动方式的模拟。 2 2 2 多相流模型 对于多相流模拟来说，基本的湍流模型还不能满足，需要进一步寻找各相运动规 律及相间作用力规律，在多相流里，相的定义与物理上相的定义相比，具有更广泛的 意义，多相流模型的相可以定义为具有相同性质和相互作用规律的一类物质，如：不 同大小的固体颗粒可以定义为不同的相，因为不同大小的颗粒拥有不同的流动性质。 多相流一般可以分为连续一连续流动( c o n t i n u o u s c o n t i i l u o u sf l o w ) 和连续一离 散流动( c o n t i l l u o u s d i s p e r s e df l o w ) 【4 2 】两大类，相应的两相及多相流的数值模拟的 方法基本可以分为两大类：一类是把每一相均视为连续相，相与相之间相互渗透，共 同占据计算单元格，即所谓的欧拉一欧拉【4 2 】方法，欧拉一欧拉方法应用于连续一连续 流动系统，欧拉一欧拉方法对每一相通过求解相同的动量、能量和质量方程达到对速 度等流体力学参数的预测，相间的动量、能量和质量的交换用经验公式来关联，对于 粒子流来说，相间的动量、能量和质量的交换用动力学理论关联。另一类是将主体相 视为连续相，而将非主体相视为离散颗粒，在拉格朗日坐标下对其轨迹进行跟踪，即 所谓的欧拉一拉格朗日方法