CN105457322A - 一种微管蒸馏冷凝方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微管蒸馏冷凝方法和装置，该方法和装置能够实现常压下少量液体的蒸馏冷凝，与常规实验室中的加热冷凝条件一致，同时可以防止液体暴沸。本发明提供的微管蒸馏冷凝装置可以与自动蒸馏冷凝分析仪配合使用，实现常压下的蒸馏冷凝。微管蒸馏冷凝装置的加热管外壁设有隔点，便于电热丝的缠绕加热；气液分离球和鹰嘴状气液分离管的设计实现了气液分离，只有蒸汽可以进入冷凝管，能防止待蒸馏液体暴沸冲进收集管中污染馏分；加热管内壁的特征凹凸结构可以防止暴沸。

Description

一种微管蒸馏冷凝方法和装置

技术领域

本发明涉及蒸馏方法和装置，具体涉及一种微管蒸馏冷凝装置和利用该装置进行微管蒸馏冷凝的方法，该装置和方法可以用于挥发酚的微管蒸馏冷凝。

背景技术

在分析化学中，有一些包含蒸馏冷凝的测试方法的指标，如挥发酚等。当用在线自动分析仪器测量这类指标时，也要采用类似的蒸馏冷凝方法。

在实验室中的蒸馏冷凝方法，常常采用锥形瓶加热，再用水冷冷凝。该方法试剂消耗量大，操作麻烦，装置体积大而且易碎，因此不能直接应用于在线自动分析仪器中。在线自动分析仪器中采用的各种加热冷凝方法，如密封管加热膜分离等，都与实验室中的加热冷凝条件有较大的差距，测得的数据常常不准。

按照水质挥发酚光度法测量国家标准，需要取250ml样品预蒸馏。现有的挥发酚在线自动分析仪器中，有的采用加热膜分离，有的采用细管汽化分离。但是这些方法都和标准中规定的方法有着重大差别，因此有必要开发出一种与标准方法中高度近似的蒸馏冷凝装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种微管蒸馏冷凝方法和装置，该方法和装置可以用于挥发酚的微管蒸馏冷凝，旨在实现常压下的小体积蒸馏冷凝，并防止液体暴沸。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种微管蒸馏冷凝方法，包括微管加热单元、气液分离单元和冷凝收集单元，微管加热单元在气液分离单元下方，气液分离单元与冷凝收集单元之间用连接细管连接；所述微管加热单元的内壁设有特征凹凸结构，与微管加热单元中的蒸馏液体接触，加热时特征凹凸结构处优先产生气泡，并持续整个加热过程，抑制蒸馏液体中过热液体的积累，避免暴沸；微管加热单元外壁缠绕电热丝加热；气液分离单元用于将加热产生的蒸汽和液态的蒸馏液体分离；蒸汽经连接细管进入冷凝收集单元，冷凝收集单元上部对蒸汽进行冷凝，下部收集冷凝的液体。

进一步地，所述特征凹凸结构为凹槽或凹穴，所述凹槽的槽宽或所述凹穴的直径在0.1~100μm之间，所述特征凹凸结构在加热管内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。

一种微管蒸馏冷凝装置，包括加热管、气液分离球、冷凝管和收集管；所述加热管设有下端接口，下端接口设有过渡细管，加热管的内壁设有特征凹凸结构，加热管的外壁设有隔点和缠绕在隔点间的电热丝；所述气液分离球下部与加热管连通，顶部设有鹰嘴状的气液分离管，该气液分离管的鹰嘴部设有开口和曲面，开口向上并位于曲面的上方，曲面斜向下勾曲形成鹰嘴尖部，鹰嘴尖部贴在气液分离球内壁上，所述气液分离管的另一端通过斜向下的倾斜连接管与冷凝管的上端连接；所述冷凝管外管的下端设有入水口，上端设有出水口，内部设有螺旋冷凝内管，螺旋冷凝内管的上端与倾斜连接管连通，下端与收集管上端连通；所述收集管上端一侧设有大气连通管，下端设有馏分出液口。

进一步地，所述收集管还设有用于探测收集管内部液面位置的液位探测器。

进一步地，所述特征凹凸结构为凹槽或凹穴，所述凹槽的槽宽或所述凹穴的直径在0.1~100μm之间，所述特征凹凸结构在加热管内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。

进一步地，所述过渡细管内径0.5~3mm。

进一步地，所述加热管内径为0.5~5cm。

进一步地，该装置为石英材质。

进一步地，所述开口所在平面与水平面之间的角度为20°~45°。

一种利用上述微管蒸馏冷凝装置进行微管蒸馏冷凝的方法，待蒸馏液体通过加热管下端接口内的过渡细管进入加热管中，缠绕在加热管外壁隔点的电热丝对加热管加热；加热管内壁的特征凹凸结构与蒸馏液体接触，通过产生的气泡对蒸馏液体进行扰动搅拌防暴沸；加热产生的蒸汽和沸腾的蒸馏液体在气液分离球和气液分离管的鹰嘴部分离，蒸汽通过气液分离管、倾斜连接管进入冷凝管中，经冷凝水冷凝后流进收集管，最后经收集管下端的馏分出液口流出。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供的微管蒸馏冷凝方法能够实现常压下少量液体的蒸馏冷凝，与常规实验室中的加热冷凝条件一致，同时可以防止液体暴沸。

（2）本发明提供的微管蒸馏冷凝装置可以与自动蒸馏冷凝分析仪配合使用，实现常压下的蒸馏冷凝。微管蒸馏冷凝装置的加热管外壁设有隔点，便于电热丝的缠绕加热；气液分离球和鹰嘴状气液分离管的设计实现了气液分离，只有蒸汽可以进入冷凝管，能防止待蒸馏液体暴沸冲进收集管中污染馏分；加热管内壁的特征凹凸结构可以防止暴沸。

附图说明

图1为微管蒸馏冷凝装置结构示意图；

图2为鹰嘴状的气液分离管结构示意图；

图3为加热管内壁凹槽结构示意图；

图4为加热管内壁凹穴结构示意图；

图5为加热管内壁凹槽结构的显微镜图（400倍）；

图6为加热管内壁凹穴结构的显微镜图（400倍）。

其中，1、加热管；2、气液分离球；3、倾斜连接管；4、冷凝管；5、收集管；6、下端接口；7、过渡细管；8、隔点；9、气液分离管；10、鹰嘴部；11、鹰嘴尖部；12、螺旋冷凝内管；13、冷凝管外管；14、入水口；15、出水口；16、大气连通管；17、馏分出液口；18、液位探测器；19、开口；20、曲面。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。

一种微管蒸馏冷凝方法，包括微管加热单元、气液分离单元和冷凝收集单元，微管加热单元在气液分离单元下方，气液分离单元与冷凝收集单元之间用连接细管连接。微管加热单元的内壁设有特征凹凸结构，与微管加热单元中的蒸馏液体接触，加热时特征凹凸结构处优先产生气泡，并持续整个加热过程，抑制蒸馏液体中过热液体的积累，避免暴沸；微管加热单元外壁缠绕电热丝加热。气液分离单元用于将加热产生的蒸汽和液态的蒸馏液体分离，蒸汽经连接细管进入冷凝收集单元，冷凝收集单元上部对蒸汽进行冷凝，下部收集冷凝的液体。

如图1所示的一种微管蒸馏冷凝装置，包括加热管1、气液分离球2、冷凝管4和收集管5。加热管1设有下端接口6，下端接口6设有过渡细管7，加热管1内壁设有特征凹凸结构，特征凹凸结构为凹槽或凹穴，如图3-6所述。凹槽的槽宽或所述凹穴的直径在1~100μm之间，所述特征凹凸结构在加热管1的内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。加热管1外壁设有隔点8和缠绕在隔点间的电热丝。气液分离球2下部与加热管1连通，顶部设有鹰嘴状的气液分离管9。气液分离管9设有鹰嘴部10（如图2），鹰嘴部10设有开口19和曲面20，开口19向上并位于曲面20的上方，所述开口所在平面与水平面之间的角度为20°~45°，曲面20斜向下勾曲形成鹰嘴尖部11，鹰嘴尖部11贴在气液分离球2内壁上，气液分离管2的另一端通过斜向下的倾斜连接管3与冷凝管4的上端连接。冷凝管4外管下端设有入水口14，上端设有出水口15，内部设有螺旋冷凝内管12，螺旋冷凝内管12上端与倾斜连接管3连通，下端与收集管5上端连通。收集管5上端一侧设有大气连通管16，下端设有馏分出液口17。为了便于探测收集管5中的液面位置，收集管5还设有用于探测收集管内部液面位置的液位探测器18。过渡细管内径在0.5~3mm之间。加热管内径在0.5~5cm之间。为了提高装置的防腐蚀性能，该装置为石英材质。图3和图4中显示的凹槽或凹穴比较规则，实际上多数情况为不规则的，且本发明的效果与凹槽或凹穴是否规则并无关联。

一种利用上述微管蒸馏冷凝装置进行微管蒸馏冷凝的方法，待蒸馏液体通过加热管1下端接口6内的过渡细管7进入加热管1中，缠绕在加热管1外壁隔点的电热丝开始对加热管1加热；加热管1内壁的特征凹凸结构与蒸馏液体接触，在加热条件下产生气泡并持续整个加热过程，通过产生的气泡对蒸馏液体进行扰动搅拌，抑制蒸馏液体中过热液体的积累，避免暴沸；加热产生的蒸汽和飞溅的蒸馏液体在气液分离球2和气液分离管9的鹰嘴部分离，蒸汽通过气液分离管9、倾斜连接管3进入冷凝管4中，经冷凝水冷凝后流到收集管5中，最后经收集管5下端的馏分出液口17流出。

本发明的止暴原理：

根据本发明的一些基本特点，做如下一些假设：（1）加热管管径细，外壁电热丝缠绕较密集，可以假设加热管内液体都能够得到充分的加热，即没有因为加热不充分出现液体温度不均匀；（2）加热管垂直于水平面；（3）加热管内液体是均匀液体；（4）假设加热管各处温度几乎相同（宏观上表现为相同，微观上部分有微小的差异）。

特征凹凸结构需具备的特点及功能：特征凹凸结构内的液体不容易对流换热，相对于其他部分的蒸馏液体更容易汽化产生气泡，并且有利于气泡的成长，即特征凹凸结构局部受热相对于其他部分蒸馏液体局部受热更高、热流密度更大。为了实现这些功能，要求特征凹凸结构结构上具备如下特点：凹槽宽度或者凹穴直径在0.1~100μm之间（应该是在10μm附近，1-10的可能性较大），有效特征结构在加热管内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。当然特征凹凸结构的具体结构与蒸馏液体性质（粘度、比热容、汽化温度和润湿角等）和加热方式与强度相互影响，在实际工作中只有这三个方面相互配合好才能有效的止暴。

气泡的产生：（1）加热管中加入蒸馏液体后开始加热，刚开始由于表面张力等原因，在一些特征凹凸结构中有部分不凝气体，以这些不凝气体作为汽化中心，在周围达到沸点的液体中不断的有液体汽化产生蒸汽与汽化中心结合，促进汽化中心逐步成长为气泡，另一方面由于凹穴底部与气体接触，传热速率低于周边，热量聚集使得温度高与周边，从而促进气泡进一步膨胀，最终汽化中心成长为气泡，并脱离特征凹穴进入蒸馏液体中；（2）随着第一批气泡的产生，由于表面张力在凹穴中的不凝气体全部被蒸馏液体取代，同时由于在气泡成长的过程中隔离了部分凹穴底部与顶部的液体，从而使得特征凹穴底部的温度相对周边温度更高，形成热点，当气泡长大离开后气泡顶部的蒸馏液体取代气泡，这些接近、达到沸点温度甚至是过热的蒸馏液体与热点直接接触，更容易汽化产生汽化中心，汽化中心产生后的气泡形成过程则与（1）中的一样；（3）对于某些特征凹凸结构中没有不凝气体的情况，如凹槽状的特征凹凸结构、孔径较大等使得表面张力不足以支撑的情况和特征凹凸结构中有残余清洗液等，由于特征凹凸结构中的蒸馏液体相对于其他部分的蒸馏液体与加热管的接触面积更大，因此产生局部热流密度较大，又由于特征凹凸结构中的蒸馏液体体不容易发生对流换热，从而使得特征凹凸结构中的蒸馏液体热量积累、温度升高，从而先于蒸馏液体其他部分达到汽化条件并汽化（在沸腾前的状态可以假设为：宏观上蒸馏液体整体都达到了沸点温度，在微观上有微小的温度差异：在蒸馏液体柱中产生了若干过热液体团，并且过热液体团在热对流和热交换作用下不断的变化——合并、分裂、成长、缩小等，特征凹凸结构中的蒸馏液体有热交换而无热对流，因此该部分的过热液体团相对稳定，并且温度相对蒸馏液体中的其他部分温度最高，因此该部分蒸馏液体最先汽化产生微量气体），产生少量汽化气体，同时由于气泡成长的过程中隔离了部分凹穴底部与顶部液体，从而使得特征凹穴底部的温度相对周边温度更高，形成热点，当气泡长大离开后气泡顶部的蒸馏液体取代气泡，这些接近、达到沸点温度甚至是过热的蒸馏液体与热点直接接触，更容易汽化产生汽化中心，汽化中心产生后的气泡形成过程则与（2）中的一样。

气泡的运动过程与止暴：在沸腾时的状态可以假设为：宏观上蒸馏液体整体都达到了沸点温度，在微观上有微小的温度差异：在蒸馏液体柱中产生了若干过热液体团，并且过热液体团在热对流和热交换作用下不断的变化—合并、分裂、成长、缩小等。当过热液体团成长的过大或者过热液体团数量过多时，在微小的扰动作用下，过热液体团就好剧烈汽化产生大量小气泡，小气泡快速成长膨胀（合并、进一步汽化、受热膨胀等），最终形成暴沸，蒸馏液体在暴沸的作用下进入冷凝管甚至飞溅出管外。当特征凹凸结构中的蒸馏液体汽化产生气泡时，蒸馏液体柱中的液体虽然有过热液体团，但是数量不够多，还不能够形成大量小气泡，这时从特征凹凸结构中的脱离的小气泡开始在浮力的作用下向上运动，对气泡周围的液体由非常明显的扰动作用，从而使得气泡周围的过热液体团汽化，释放过热的热量，汽化产生的气体进一步的促进气泡的成长，并且在继续加热和压力减小的情况下，气泡快速成长，由于加热管内径小，气泡很快能对经过的液柱截面产生有效扰动，从而消除所经过截面的过热液体，从而有效抑制液体柱中过热液体团的积累，有效抑制暴沸的产生，从而实现止暴。在加热过程中，持续加热使得过热液体团持续产生和成长变化，所以要不断的产生气泡去抑制，而且要抑制作用大于成长变化，才能够保证在整个消解过程中不发生暴沸。由于气泡对液柱上端的抑制作用大于下端，使得下端过热液体团积累较强，同时相对更容易产生气泡，所以起气泡点也是最终稳定在加热管下端，最终能够有效的抑制整个液体柱中的过热液体团的积累和成长。

多孔表面强化传热的原理及与本发明的区别

多孔表面强化传热主要用于增强加热器与内部待加热液体之间的传热速率。多孔表面强化传热的基本原理：增大固液接触面积，促进固液接触面附近液体对流换热，增加固液接触面传热效率，常用于加热、散热领域。

相似点：都是具有表面凹凸结构，并通过该结构起作用。

区别：（1）目标不同，多孔表面强化传热是为了增加换热效率，同时孔径不能过小，以防止产生气泡，而本发明的特征凹凸结构最主要的目的是产生气泡，从而扰动蒸馏液体避免暴沸；（2）结构不同，该方法为了增加换热效率，增加表面对流换热，常常抑制气泡的产生，因此凹凸结构尺寸常常较大，而本发明中为了减小表面对流换热，促进气泡的产生，因此凹凸结构尺寸常常较小；（3）原理不同，该方法是通过凹凸结构，增加固液接触面，从而增加换热效率，而本发明是通过凹凸结构，使得凹凸结构内的液体首先汽化产生气泡；（4）材料的不同，该方法一般采用金属材料，而本发明中一般采用石英，材料的不同决定了凹凸结构加工方法也有差异。

沸石止暴的原理及与本发明的区别

在实验室蒸馏中，常常采用加入沸石来抑制暴沸，沸石止暴的基本原理是，沸石中有很多天然的空隙，并且其中有很多不凝气体，沸石在烧杯底部，加热沸腾过程中，不凝气体膨胀以气泡形式出来，进入蒸馏液体中，由于沸石在加热面上，沸石受热后温度也很高，空隙中的液体也汽化产生气泡，气泡运动抑制暴沸，原理同1中气泡的运动过程与止暴。

相似点：气泡运动产生扰动，抑制大量液体过热，从而止暴。

区别：（1）加热方法不同，该方法采用底部加热，沸石也是沉在底部，从而能够起作用，本发明中是在加热管管壁上加热，微管竖直放置；（2）气泡的产生不同，该方法中气泡是有沸石产生，在加热器底部，而本发明中是在微管管壁上产生；（3）液体汽化产生的气泡的原理不同，该方法中主要是过热液体进入缝隙中汽化，而本发明中是液体进入凹凸结构中，在被加热汽化。由于沸石沉在底部，在本发明中不能起止暴的作用，因为本发明中加热面是管壁而不是底部。

本发明中特征凹凸结构的加工方法

（1）凹穴型特征结构。直接采用石英玻璃管内壁磨砂工艺，在内表面形成大量石英砂凸起，由凸起组成凹穴。当然，这中办法做出来的内壁，真正起作用的凹穴比例较低。当表面粗糙度较高时，效果相对较好。

（2）凹槽型特征结构。调整加热电压，使电热丝微红，将乳白管加热至高温后快速向乳白管中通入冷水，通过热胀冷缩使得靠近内壁的气管壁破裂，形成凹槽型特征结构。要使得靠近内壁的气管壁充分破裂，就要保证乳白管内部有剧烈的温差变化。重复2~5次。

上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (10)

1.一种微管蒸馏冷凝方法，其特征在于：包括微管加热单元、气液分离单元和冷凝收集单元，微管加热单元在气液分离单元下方，气液分离单元与冷凝收集单元之间用连接细管连接；所述微管加热单元的内壁设有特征凹凸结构，与微管加热单元中的蒸馏液体接触，加热时特征凹凸结构处优先产生气泡，并持续整个加热过程，抑制蒸馏液体中过热液体的积累，避免暴沸；微管加热单元外壁缠绕电热丝加热；气液分离单元用于将加热产生的蒸汽和液态的蒸馏液体分离；蒸汽经连接细管进入冷凝收集单元，冷凝收集单元上部对蒸汽进行冷凝，下部收集冷凝的液体。

2.根据权利要求1所述的微管蒸馏冷凝方法，其特征在于：所述特征凹凸结构为凹槽或凹穴，所述凹槽的槽宽或所述凹穴的直径在0.1~100μm之间，所述特征凹凸结构在加热管内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。

3.一种微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：包括加热管、气液分离球、冷凝管和收集管；所述加热管设有下端接口，下端接口设有过渡细管，加热管的内壁设有特征凹凸结构，加热管的外壁设有隔点和缠绕在隔点间的电热丝；所述气液分离球下部与加热管连通，顶部设有鹰嘴状的气液分离管，该气液分离管的鹰嘴部设有开口和曲面，开口向上并位于曲面的上方，曲面斜向下勾曲形成鹰嘴尖部，鹰嘴尖部贴在气液分离球内壁上，所述气液分离管的另一端通过斜向下的倾斜连接管与冷凝管的上端连接；所述冷凝管外管的下端设有入水口，上端设有出水口，内部设有螺旋冷凝内管，螺旋冷凝内管的上端与倾斜连接管连通，下端与收集管上端连通；所述收集管上端一侧设有大气连通管，下端设有馏分出液口。

4.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：所述收集管还设有用于探测收集管内部液面位置的液位探测器。

5.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：所述特征凹凸结构为凹槽或凹穴，所述凹槽的槽宽或所述凹穴的直径在0.1~100μm之间，所述特征凹凸结构在加热管内壁分布密度为1~1000个/平方厘米。

6.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：所述过渡细管内径0.5~3mm。

7.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：所述加热管内径为0.5~5cm。

8.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：该装置为石英材质。

9.根据权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置，其特征在于：所述开口所在平面与水平面之间的角度为20°~45°。

10.一种利用权利要求3所述的微管蒸馏冷凝装置进行微管蒸馏冷凝的方法，待蒸馏液体通过加热管下端接口内的过渡细管进入加热管中，缠绕在加热管外壁隔点的电热丝对加热管加热；加热管内壁的特征凹凸结构与蒸馏液体接触，通过产生的气泡对蒸馏液体进行扰动搅拌防暴沸；加热产生的蒸汽和沸腾的蒸馏液体在气液分离球和气液分离管的鹰嘴部分离，蒸汽通过气液分离管、倾斜连接管进入冷凝管中，经冷凝水冷凝后流进收集管，最后经收集管下端的馏分出液口流出。