CN101797439B - 微波场强化分子蒸馏分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波场强化分子蒸馏分离装置。包括：进料口(1)、刮膜转速调节器(2)、蒸发筒体(3)、冷凝器(4)、刮膜转子(5)、蒸发面(6)、多模箱式微波发生器(7)、冷阱(8)、真空系统(9)、蒸出物收集口(10)、蒸余物收集口(11)、红外辐射测温仪(12)和温控装置(13)；其特征在于将微波场作用于刮膜式分子蒸馏器。由于微波不对硼硅玻璃材质的蒸馏筒体进行加热，且没有导热油循环设备，与现有的微波分子蒸馏装置相比，具有刮膜器，能均匀成膜，且在该成膜厚度下，微波加热更为均匀、快速，在整个液膜厚度内能形成整体同时加热，具有更高的分离效率和更大的处理量。

Description

微波场强化分子蒸馏分离装置

技术领域

本发明属于化工分离过程强化领域，特别涉及一种微波场强化分子蒸馏分离装置。

背景技术

分子蒸馏(Molecular Distillation)是一项国内外正在进行工业化开发应用的高新液-液分离技术，是一种在高真空下进行分离操作的非平衡蒸馏过程，它利用分子运动平均自由程的差别，在远低于沸点的情况下将物质分离。由于分子蒸馏内件简化，内部压降非常小，可以获得很高的真空度，使物料在远远低于其常压沸点的温度条件下进行分离，是一个没有沸腾的蒸发过程，特别适合于高沸点热敏性物质和天然产物的特殊分离。

目前不论何种形式的分子蒸馏设备，其分离基本原理是相同的。即利用液体分子受热会从液面逸出，而不同种类分子逸出后其平均自由程不同这一性质来实现的。

Langmuir根据理想气体的动力学理论提出了分子运动平均自由程的数学模型：

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{k}{\sqrt{2}\×\mathrm{\π}}\×\frac{T}{d^2\×p}---\left(1\right)$

式中：λ_m-分子运动平均自由程；d-分子有效直径；p-分子所处环境压力；T-分子所处环境温度；k-波尔兹曼常数。

由公式(1)可知，温度、压力及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素。在温度和压力一定的条件下，不同种类的分子，由于分子有效直径不同，其平均自由程亦不同，即不同种类分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的。轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，在距液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子的平均自由程之处设置一冷凝面，使得轻分子在冷凝面上被冷凝，而重分子因达不到冷凝面而返回液面，这样混合物即得以分离。

正是基于(1)式分子运动平均自由程的分离原理，在实际操作分子蒸馏设备时，温度和真空度的控制是分离物系的调控要素。

温度控制：根据(1)式在系统真空度一定时，理论上应选择一个最适温度使轻分子获得的能量足以使其落在冷凝面上，而重分子则达不到冷凝面，这个最适温度就是分离过程中的理想温度状态。

真空度控制：根据(1)式，当蒸馏温度一定时，压强越小(真空度越高)，分子运动平均自由程越大。对于高沸点、热敏性、高温易氧化的物料分离即可以靠提高真空度，相对降低温度而达到分离的目的，对这类提取物的分离真空度越高越好。即使对热不敏感的物料的分离也要尽可能在高真空低温度下进行。

分子蒸馏是在较低的温度(相对真空蒸馏而言一股约低50～100℃)、较高的真空度(0.1Pa数量级)和较短的时间(几十秒内)的条件即能使混合物得以分离的过程。分子蒸馏的分离能力可用液体中两种分子的摩尔蒸馏速率之比来表征，分离度可用相对挥发度α表示，即：

$\mathrm{\α}=\frac{G_A\·M_B}{G_B\·M_A}---\left(2\right)$

式中：G_A和G_B分别为轻、重分子蒸馏速率(Kg/h)；M_A和M_B分别为轻、重分子相对分子量(g/mol)。Langmuir研究了纯物质的蒸发现象，推导出绝对真空下，液体表面自由蒸发的速率为：

$G=P^{*}{\left(\frac{M}{2\mathrm{\πRT}}\right)}^{1/2}---\left(3\right)$

将(3)式代入(2)式，得到理想情况下的两组分分离因数α模型，即：

$\mathrm{\α}=\frac{P_A^{*}}{P_B^{*}}\sqrt{\frac{M_B}{M_A}}---\left(4\right)$

由于M_B＞M_A，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，因此分子蒸馏可以用来分离挥发度相近但分子量不同的混合物系。

随着分子蒸馏技术应用的不断深入，研究人员发现其基本理论有一定偏差。在混合液体的分子蒸馏过程中，Kawala利用增加活度系数γ的方法来校正(4)式，即：

$\mathrm{\α}=\frac{P_A^{*}{\mathrm{\γ}}_A}{P_B^{*}{\mathrm{\γ}}_B}\sqrt{\frac{M_B}{M_A}}---\left(5\right)$

在实际分子蒸馏过程中，由于加热面向液膜提供热量主要是通过热传导和热辐射传递到液膜内，而液膜存在一定的真实厚度，这难免造成热梯度的形成。此外，分子蒸馏过程存在液相主体传递阻力、汽液界面传递阻力以及冷凝液膜表面分子返回等阻力的影响，使液膜表面的温度和组成较液相主体发生很大变化。故实际分子蒸馏速率要小于以液膜主体温度和浓度为基准计算的理论分子蒸发速率，而实际分离因数也与理论分离因数有差别。

通过上述对分子蒸馏分离原理的分析，可知分子蒸馏分离过程中真空度、液膜厚度以及温度的控制是分离物系关键调控要素。国内外分子蒸馏研究机构、生产厂商也正是努力提高机械加工精密度，完善装置的密封性，使分子蒸馏系统获得高真空度，得以增加分子运动平均自由程；此外，还通过开发各型各式的刮片来强制成膜或高速转盘离心成膜，来调控液膜厚度和均匀度，从而提高传质和传热效率。这些努力在一定程度上提高了分子蒸馏的蒸馏效率，扩大了分子蒸馏设备的应用范围，同时也提高了分子蒸馏的投资成本。目前高真空的获得、成膜的质量等常规参数控制已经发展到较为理想的水平，但仍然无法大跨越地提高分子蒸馏的分离效率，其瓶颈为：

①提高真空度，即降低系统绝对压强P，由(1)式可知增大了分子运动平均自由程λ_m。对于分子有效直径d相近的轻、重组份(如天然产物中分子量接近的脂肪酸所组成的混合脂肪酸甘三酯的分离、石油化工中碳链接近的烷烃、高级醇分离等)，分子运动平均自由程的增幅相同，故而单纯追求分子蒸馏真空度是无法提高这些混合物系的分离效率的。

②温度控制，由(1)式可知提高温度也可增大分子运动平均自由程。目前分子蒸馏的加热系统，一股是电加热和导热流体(油、蒸汽等)夹套加热，液膜温度的获得是通过加热面的热传导和部分辐射作用。根据(1)式得到轻、重两种分子运动平均自由程之比为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mA}}/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mB}}=(\frac{k}{\sqrt{2}\×\mathrm{\π}}\×\frac{\mathrm{\Δ}{T}_A}{{d_A}^2\×p})/\left(\frac{k}{\sqrt{2}\×\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\Δ}{T}_B}{{d_B}^2\×p}\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_A}{\mathrm{\Δ}{T}_B}\frac{{d_B}^2}{{d_A}^2}---\left(6\right)$

式中：Δλ_mA和Δλ_mB分别为温度升高后轻、重分子运动平均自由程的增幅；d_A和d_B分别为轻、重分子有效直径。

此传热过程液膜中的轻、重分子升温相同，即ΔT_A＝ΔT_B，故从(6)式得出轻与重分子运动平均自由程的差距并没有随温度的升高而改变。

③降低液膜厚度，即提高传热效率、增加液膜湍流程度、降低液膜传质阻力。当液膜厚度达到一定数量级时(一股刮膜式0.25～0.76mm；离心式0.05～0.25mm)，液膜内的轻、重分子同时得到快速升温，两者在液膜内的传质阻力也同时得到了快速降低，故对混合物系分离度的提高并不十分显著。

针对当前制约分子蒸馏进一步提高分离效率的关键问题，本发明突破常规提高分离效率的思维方式，提出利用微波场作用液膜的加热原理，利用微波选择性加热液膜中的不同种类分子，使轻组分获得更高的能量，“拉”大轻、重分子运动平均自由程差距，提高轻、重组分的分离度。

微波是一种频率在300MHz至300GHz之间的电磁波，与传统加热以热传导、热辐射等方式由外向内传递热量不同，微波是通过偶极子旋转和离子传导两种方式内外同时加热，又称体积加热，并具有对物料介质加热的选择性。

微波从液膜表面进入并在液膜内部传播时，由于能量不断吸收并转化为热能，微波能量随着深入液膜表面的距离，以指数形式衰减。对于应用广泛的刮膜式和离心式分子蒸馏成膜厚度来说，微波能穿透液膜，形成对整体液膜同时加热的独特加热方式，即所谓无温度梯度加热。此外，根据介质在微波场中温升速率：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{8\×{10}^{-12}f\·E^2\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·\tan \mathrm{\δ}}{\mathrm{\ρ}\·C_P}$ (℃/min)                (7)

式中：f为微波频率(Hz)；E为电场强度(V/cm)；ε_r为介质介电常数；tanδ为介质损耗系数；ρ为介质密度(g/cm3)；C_P为介质的比热容(J/(g℃))。

可得出，在同一微波频率和电场强度下，介质的温升速率与介质密度、比热容、介电常数及介质损耗系数相关；即微波对液膜内不同种类的分子根据其介质物性的不同具有一定的选择性，在一定程度上能够实现不同物性混合物的分离。

一股而言，液体介质在微波场作用下升温幅度与介电常数成负相关，而与相对分子量成正相关，即在多数情况下，微波场中轻分子的温升大于重分子的温升。部分有机物在微波场(微波频率2450MHz，功率560W，时间15s)中的升温幅度见下表。

微波场强化分子蒸馏分离过程，提高混合液膜中轻、重分子分离度的关键机理如下：

(1)微波场对轻、重分子运动平均自由程的影响

因为轻、重分子的物性不同，根据(6)式在微波场中单位时间内两者温升ΔT_A≠ΔT_B，此时，两者分子运动平均自由程的增幅之比为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mA}}/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mB}}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_A}{\mathrm{\Δ}{T}_B}\frac{{d_B}^2}{{d_A}^2}---\left(8\right)$

微波场中轻分子的温升大于重分子的温升，即ΔT_A＞ΔT_B，则微波场实现了“拉”大轻、重分子平均自由程差距的目的。

(2)微波场对分子蒸馏分离度的影响

在微波场作用下，由于轻、重组分的温升不同，根据式(5)升温前后分离度的变化为：

$\mathrm{\Δ\α}=\mathrm{\α}(T_0+\mathrm{\ΔT})-\mathrm{\α}\left(T_0\right)=[\frac{P_A^{*}(T_0+\mathrm{\Δ}{T}_A)}{P_B^{*}(T_0+\mathrm{\Δ}{T}_B)}-\frac{P_A^{*}\left(T_0\right)}{P_B^{*}\left(T_0\right)}]\sqrt{\frac{M_B}{M_A}}---\left(9\right)$

微波场中轻分子的温升大于重分子的温升，使得升温后的轻、重组分饱和蒸气压之比大于升温之前，即

则Δα＞0，即微波场实现了提高轻、重分子分离度的目的，对分子蒸馏分离过程起到了强化作用。

实用新型200520022863.5公布了一种分子蒸馏器，其对常规分子蒸馏器进行改造，改善了蒸馏残余物堵塞管道、污染蒸馏液的情况，并使冷凝器易于清洗和维修。但是该分子蒸馏器仍然采用导热油加热蒸馏的方式，加热升温速度慢，热效率低下，热导热油对操作人员产生危害以及导热油需定时更换，存在环境污染问题。

发明专利89108479.7和实用新型91206331.9公布了一种真空分子蒸馏静态电加热器，其在加热夹套内布满传热片和套管，电热管插在套管内，加热夹套联接一个热油扩压器，其内充满导热油。该装置虽然免去了导热油循环设备，节省了投资，但是夹套内的导热油仍需定时更换，存在污染环境和危害人们身体健康等问题。

实用新型200820190518.6公布了一种微波分子蒸馏器，该装置采用微波作为分子蒸馏的热源，实现了快速、环保的加热，但是该装置采用自然降膜式蒸馏，单纯靠重力使料液成膜降下。该成膜方式在蒸发面上形成的液膜较厚且不均匀。微波具有一定穿透性，加热均匀，但重力自然成膜厚度并不均匀，而且由于重力作用下液膜更新速度缓慢，特别是当原料较为粘稠时容易因为物料流淌速度不一致互相叠加从而产生严重的温升不均匀现象。此外，液膜太厚除了影响传热效率，还会极大地影响传质效率。从工业化生产的角度来看，靠重力成膜会影响分子蒸馏装置处理量的进一步提高，因此该装置不易于实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种突破现有技术瓶颈的高效、环保的分子蒸馏装置，该装置不仅能给分子蒸馏提供一种快速、均匀、环保的加热方式，而且能提高分子蒸馏的分离效率，适合于工业化生产。

本发明的技术方案如下：

一种微波场强化分子蒸馏分离装置，包括：进料口1、刮膜转速调节器2、蒸发筒体3、冷凝器4、刮膜转子5、蒸发面6、多模箱式微波发生器7、冷阱8、真空系统9、蒸出物收集口10、蒸余物收集口11、红外辐射测温仪12和温控装置13；其特征是将微波场作用于刮膜式分子蒸馏器。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置，以多模箱式微波发生器7所覆盖蒸发筒体3的内表面部分作为分子蒸馏的蒸发面6，进料口1设置于蒸发筒体3上部靠近壁面处，刮膜转子5高度比蒸发面略高出约1～2cm，并与刮膜转速调节器2连接，冷凝器4位于蒸发面6环绕中心，蒸发筒体3的下部通过冷阱8连接真空系统9，红外辐射测温仪12及温控装置13通过电缆与多模箱式微波发生器相连。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置，多模箱式微波发生器采用的工作模式包括恒定微波功率模式、微波功率连续可调模式以及分段控温分离模式等。

所述多模箱式微波发生器，其微波功率为0.5KW～15KW(连续可调)，微波频率为2450MHz±50MHz。

所述红外辐射测温仪及温控装置，测温控温范围为10～450℃。

对于刮膜式分子蒸馏的成膜厚度来说，微波能穿透液膜，形成对整体液膜同时加热的独特加热方式。在此基础上，微波对轻重组分的选择性加热“拉”大了轻、重分子运动平均自由程差距，提高了轻、重组分的分离度；此外，刮膜器能进一步强化受微波加热物料的湍流程度以及促进轻组分物料的快速挥发，有利于工业化生产扩大处理量。综上所述，本发明能很好地达到强化分离的目的，同时易于实现工业化生产。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置具有以下优点：

1.由于微波不对硼硅玻璃材质的蒸馏筒体进行加热，且没有导热油循环设备，不具有加热惯性、不存在升温慢降温也慢的问题，不必对大量导热油进行加热，实现了大幅度节能，具有快速、高效加热的特点，；

2.本装置不引入导热油，没有由此带来的次生环境污染问题；

3.本装置与现有的微波分子蒸馏装置相比，具有刮膜器，能均匀成膜，且在该成膜厚度下，微波加热更为均匀、快速，在整个液膜厚度内能形成整体同时加热，具有更高的分离效率和更大的处理量。

附图说明

图1：微波场强化分子蒸馏分离装置结构示意图。

图中：1-进料口；2-刮膜转速调节器；3-蒸发筒体；4-冷凝器；5-刮膜转子；6-蒸发面；7-多模箱式微波发生器；8-冷阱；9-真空系统；10-蒸出物收集口；11-蒸余物收集口；12-红外辐射测温仪；13-温控装置。

具体实施方式

以下为本发明的具体实施方式，所述实施例是为进一步描述本发明，而不是限制本发明。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置，包括：进料口1、刮膜转速调节器2、蒸发筒体3、冷凝器4、刮膜转子5、蒸发面6、多模箱式微波发生器7、冷阱8、真空系统9、蒸出物收集口10、蒸余物收集口11、红外辐射测温仪12和温控装置13。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置，以多模箱式微波发生器7所覆盖蒸发筒体3的内表面部分作为分子蒸馏的蒸发面6，进料口1设置于蒸发筒体3上部靠近壁面处，刮膜转子5高度比蒸发面略高出约1～2cm，并与刮膜转速调节器2连接，冷凝器4位于蒸发面6环绕中心，蒸发筒体3的下部通过冷阱8连接真空系统9，红外辐射测温仪12及温控装置13通过电缆与多模箱式微波发生器相连。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置，多模箱式微波发生器采用的工作模式包括恒定微波功率模式、微波功率连续可调模式以及分段控温分离模式等。

所述多模箱式微波发生器，其微波功率为0.5KW～15KW(连续可调)，微波频率为2450MHz±50MHz。

所述红外辐射测温仪及温控装置，测温控温范围为10～450℃。

所述蒸发筒体3和冷凝器4均采用硼硅玻璃材质，而刮膜转子的材质则采用合成石墨或聚四氟乙烯，以使微波能顺利通过且具有良好的机械性能。

所述多模箱式微波发生器7是长方体腔体结构，其腔体中空部分安置刮膜式分子蒸馏器的蒸发筒体3。多模箱式微波发生器7具有磁控管温度保护、门开关保护等多重安全连锁保护装置，微波泄漏符合国家标准。多模箱式微波发生器7有多种用户工作模式可供选择，包括恒定微波功率模式、微波功率连续可调模式、分段控温分离模式等。

多模箱式微波发生器7可设定为恒定微波功率进行分离，此时红外辐射测温仪12正常测温，而温控装置13则被设置为不工作状态。

多模箱式微波发生器7也可设定为微波功率连续可调模式，此时红外辐射测温仪12把测温结果传输给温控装置13，温控装置13根据设定的温度调节微波功率对料液进行加热，从而实现在很短的时间内使料液达到设定温度。

多模箱式微波发生器7还可设定为分段控温分离模式，此时多模箱式微波发生器内需有1个以上的微波发生器，蒸发面自上而下分为两段或两段以上，每段可单独设定为恒定微波功率模式或微波功率连续可调模式。

本发明的微波场强化分子蒸馏分离装置在使用过程中，蒸馏的真空度由冷阱8和真空系统9进行控制。液膜厚度及液膜更新速率由刮膜转速调节器2进行控制。首先设定多模箱式微波发生器7的工作模式，然后从进料口1加入料液，刮膜转子5将其以较小的厚度(一股为0.25～0.76mm)均匀分布在蒸发面6上，启动多模箱式微波发生器7对物料加热并在高真空下进行分子蒸馏，蒸出物由冷凝器4冷却后从蒸出物收集口10排出，蒸余物则顺着壁面从蒸余物收集口11排出。

对于刮膜式分子蒸馏的成膜厚度来说，微波能穿透液膜，形成对整体液膜同时加热的独特加热方式。在此基础上，微波对轻重组分的选择性加热“拉”大了轻、重分子运动平均自由程差距，提高了轻、重组分的分离度；此外，刮膜器能进一步强化受微波加热物料的湍流程度以及促进轻组分物料的快速挥发，有利于工业化生产扩大处理量。综上所述，本发明能很好地达到强化分离的目的，同时易于实现工业化生产。

Claims (4)

1.一种微波场强化分子蒸馏分离装置，包括：进料口(1)、刮膜转速调节器(2)、蒸发筒体(3)、冷凝器(4)、刮膜转子(5)、蒸发面(6)、多模箱式微波发生器(7)、冷阱(8)、真空系统(9)、蒸出物收集口(10)、蒸余物收集口(11)、红外辐射测温仪(12)和温控装置(13)；其特征是将微波场作用于刮膜式分子蒸馏器，具体为：以多模箱式微波发生器(7)所覆盖蒸发筒体(3)的内表面部分作为分子蒸馏的蒸发面(6)，进料口(1)设置于蒸发筒体(3)上部靠近壁面处，刮膜转子(5)高度比蒸发面略高出1～2cm，并与刮膜转速调节器(2)连接，冷凝器(4)位于蒸发面(6)环绕中心，蒸发筒体(3)的下部通过冷阱(8)连接真空系统(9)，红外辐射测温仪(12)及温控装置(13)通过电缆与多模箱式微波发生器(7)相连。

2.如权利要求1所述一种微波场强化分子蒸馏分离装置，其特征是多模箱式微波发生器(7)采用的工作模式包括恒定微波功率模式、微波功率连续可调模式以及分段控温分离模式。

3.如权利要求1所述一种微波场强化分子蒸馏分离装置，其特征是所述多模箱式微波发生器(7)，其微波功率为0.5～15KW，微波频率为2450MHz±50MHz。

4.如权利要求1所述一种微波场强化分子蒸馏分离装置，其特征是所述红外辐射测温仪(12)及温控装置(13)，测温控温范围为10～450℃。

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