， ，

(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， 山東 青島 266100)

分子蒸餾技術可在保證物料損失極低的前提下，有效保護原有物料的物質活性，特別適合于富集、純化操作和高沸點、高黏度物料的處理[1]，已在醫(yī)藥、化工、食品安全等領域獲得廣泛應用。理論上，分子蒸餾是根據(jù)分子平均自由程的差異而進行分離的。液體中的分子受熱時，其熱運動加劇，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后，輕分子會逸出液面并在冷凝面凝結，使輕重組分完成分離[2]。國內(nèi)外學者使用分子蒸餾技術處理高附加值物料，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，說明細胞的抗氧化性能越好。Onur Krtenoglu[4]進行了橄欖果渣油中多目標優(yōu)化生育酚和角鯊烯分子蒸餾實驗，對橄欖油渣中生育酚和角鯊烯的總質量分數(shù)進行了監(jiān)測。研究表明，在2 Pa和240 ℃條件下角鯊烯質量分數(shù)從初始的10 613.1×10-6降低到54.58×10-6。在同一條件，總生育酚質量分數(shù)從最初的204.93×10-6下降到20.2×10-6，在保護生育酚的同時去除角鯊烯，保證了物料的純度。

Li Liang等[5]使用分子蒸餾技術提純被氯化物污染的金屬鈦，發(fā)現(xiàn)海綿鈦中氯含量會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MgCl2在900～105 0 ℃下的揮發(fā)率可以更加有效地除去氯化物雜質。

根據(jù)分子蒸餾技術原理設計開發(fā)的分子蒸餾設備有多種，選擇能夠滿足原料特性、工藝要求和產(chǎn)品質量要求的設備對獲得最佳的分子蒸餾分離和提純效果至關重要。文中基于分子蒸餾技術原理，對刮膜式分子蒸餾設備的主要組成系統(tǒng)進行分析，對多個廠家生產(chǎn)的分子蒸餾設備進行比較，總結分子蒸餾設備結構設計、改進和優(yōu)化的針對性，以期為工業(yè)生產(chǎn)或實驗研究時的設備選用提供參考。

1 刮膜式分子蒸餾技術原理

刮膜式分子蒸餾技術原理示意見圖1。

與傳統(tǒng)分子蒸餾設備相比，刮膜式分子蒸餾設備構成上主要增加了機械刮板和布料盤。在高真空環(huán)境中，物料從布料器進入蒸發(fā)壁面，在設備的機械運動中，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

刮膜式分子蒸餾設備在強化物料傳熱、傳質，減小料液停留時間，避免物料變質、氧化等問題上有顯著優(yōu)勢，是目前應用最廣泛的分子蒸餾設備[7]。刮膜式分子蒸餾設備主要由進料系統(tǒng)、傳動系統(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。各個系統(tǒng)可進行模塊化設計，可針對物料進行應用選型。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包括，在設備開啟前，將導熱油通入加熱夾套內(nèi)，待油溫升至目標溫度并穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)針型閥開度，控制儲存在進料管中的物料緩慢流至分料盤中。分布盤連接著電機的主軸，電機帶動分布盤旋轉將物料均勻甩到蒸發(fā)壁面上，并帶動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到沸點后迅速蒸發(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 傳動系統(tǒng)結構

刮膜式分子蒸餾傳動系統(tǒng)的核心部件由上端負責傳動扭矩和密封的裝置和下端的轉子運動部件組成。傳動系統(tǒng)是物料成膜均勻性的關鍵所在，取決于設備所能達到的高真空技術水平。

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

3.2 蒸發(fā)分離系統(tǒng)結構

3.2.1液膜傳熱和傳質研究

蒸發(fā)分離系統(tǒng)以促使物料完成分子熱運動和冷凝分離為主要功能，該部分一般由蒸發(fā)壁面、布料器、刮板機構、轉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施，液膜成膜技術及液相擴散現(xiàn)象因此成為蒸發(fā)系統(tǒng)研究的一個方向。基于實驗數(shù)據(jù)的數(shù)值方法可以準確預測分子蒸餾擴散過程。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，研究結果表明頭波離圓周越遠，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構(圖3)，將刮板材料鑲嵌在刮板槽中。該設備在0.1 m2的蒸發(fā)面積中能夠實現(xiàn)3 kg/h的高處理能力，可適配高速刮板，憑借短暫的進料時間，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。斜槽結構可促使重組分加速向下流動，為后續(xù)進料騰出有效的空間，減少了滯留時間。該結構能夠有效降低刮板轉動時所產(chǎn)生的頭波帶來的影響。

圖3 POPE Smith刮板結構示圖

UIC公司[14]改進了分子蒸餾設備的成膜系統(tǒng)，在分料盤離心成膜基礎上增加了輥輪式(或刮板式)刮膜系統(tǒng)(圖4)。操作時，物料從頂部的進料裝置垂直添加到分料盤中，進行離心式成膜，再進行輥輪式(或刮板式)刮膜系統(tǒng)的加工。與側壁進料蒸發(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)生結焦現(xiàn)象。這是因為輥筒只是被動地將物料滾輾在蒸餾器壁上，不會使物料產(chǎn)生有效的活躍運動，而高速旋轉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)品質量失去控制。綜合來看，大型設備適宜采用刮板機構，小型設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，設計了不同材質(如彈簧石墨、高分子聚合物轉子等)和不同結構的轉子，配備專門設計的防濺罩，保護內(nèi)部冷凝器免受蒸汽流中的液滴影響。Filmtruder轉子(圖5)采用垂直鋼刀式設計，能夠得到更加均勻的液膜，但是用于處理高黏度物料時極易產(chǎn)生頭波。 Viscon轉子(圖6)采用的斜齒形刮板可以適配高轉速旋轉，能夠及時破壞頭波，適用于高黏度物料。

圖5 Filmtruder轉子

圖6 Viscon轉子

上述3個廠家成膜系統(tǒng)結構和應用特點匯總見表2。

表2 不同廠家成膜系統(tǒng)刮板比較

文獻[16]介紹了一種刮膜式短程蒸餾用轉子結構(圖7)，該轉子四周帶有梯形槽式布料盤，其將半圓形導槽直接與刮板相連，防濺的同時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子結構

3.3 冷凝系統(tǒng)結構

3.3.1POPE公司冷凝結構

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構。冷凝系統(tǒng)設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，當蒸發(fā)速率增大時，會引起溫度和濃度在三維方向上的劇烈變化，導致冷凝速率不會很高，主要原因是液膜的冷卻效應與擴散作用的同時作用[17]。

Batistella等[18]對分子蒸餾系統(tǒng)中分子熱運動的研究表明，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分子的碰撞，從而降低設備的分離效率。POPE公司根據(jù)此研究結論，設計了一套集分子蒸餾、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計，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公司冷凝結構

UIC公司設計的蒸餾裝置采用內(nèi)置列管式或螺旋式冷凝結構，真空抽氣口設置在主機頂部，真空系統(tǒng)配備冷井。這種設計縮短了加熱時間，可在更低的壓力下工作，更適合于高沸點熱敏性物質的分離與提純[19]。

江蘇力馬生產(chǎn)的DZQ系列大型分子蒸餾器，采用獨特的多管程管式或多層交錯盤管式冷凝器，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其他冷凝結構

文獻[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型盤管構造，并在底部設置有多個進出口。其特點是內(nèi)部冷凝面積大，溫度分布均勻，可以保證物料流動不受阻礙，使輕組分高效餾出。

圖9 內(nèi)置套管式冷凝器示圖

3.3.4冷凝結構比較

POPE公司、UIC公司和力馬公司冷凝系統(tǒng)結構和應用特點見表3。

表3 不同廠家冷凝系統(tǒng)比較

3.4 進料系統(tǒng)結構

分子蒸餾設備的進料系統(tǒng)主要由進料罐、進料閥、保溫夾套及進料管等組成。其中進料閥門和進料管是控制進料速度的主要部件。目前對進料系統(tǒng)的研究主要集中在進料速度及進料量對蒸發(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。

分子蒸餾設備是高真空設備，含有氣體的物料在流至蒸發(fā)壁面時，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，進料的脫氣因此成為一個研究方向。POPE等公司將薄膜蒸發(fā)器用作分子蒸餾設備的前期處理裝置，使物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)利用真空、低溫條件進行脫水、脫氣。與POPE公司不同的是，VTA的實驗室設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備，并在真空系統(tǒng)的冷井處遇冷凝結，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)，對夾套可以實現(xiàn)導熱油循環(huán)加熱，其加熱管設計了一定的長度和安裝角度，可以使少量的低沸點雜質脫氣，防止料液飛濺。其側面進料方式可以使設備易清潔，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料罐

3.5 多級蒸餾裝置

單級分子蒸餾裝置用于某些復雜物料的處理時，需要再經(jīng)過多次分離才可達到提純目標，操作繁復。針對這種情況，技術人員開發(fā)了多級分子蒸餾裝置(圖12)。此裝置由多個單級分子蒸餾器串聯(lián)而成，每一級分子蒸餾器的重餾分排出口連接到下一級分子蒸餾器的進料口，每一級的設備都是一個獨立的分子蒸餾設備。

圖12 多級分子蒸餾裝置

工業(yè)生產(chǎn)應用多級分子蒸餾裝置的過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。針對多級分子蒸餾設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]對多級分子蒸餾循環(huán)結構進行了優(yōu)化，提出利用源-匯聚分配的方法來確定回收結構。該研究以大豆油脫臭餾出物中分離游離脂肪酸為例，設計了循環(huán)流的同時也將逆流方案考慮在內(nèi)，優(yōu)化了兩段工藝的循環(huán)結構，得到了生育酚的濃縮物。這種優(yōu)化的多級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致成品油酸值過高、不易存放的問題。

4 結語

刮膜式分子蒸餾設備的研發(fā)圍繞促進物料有效、高質量成膜展開，涉及設備的傳動、蒸發(fā)分離、冷凝及進料等組成系統(tǒng)。目前分子蒸餾設備基本結構已經(jīng)定型，不同廠家的分子蒸餾設備各具特色?？傮w上，磁力密封效果優(yōu)于機械密封和填料密封，但仍需進一步改進優(yōu)化。Smith刮板用在小型設備中可以獲得更加優(yōu)質的液膜，用于大型設備則需要搭配布料器，二次成膜技術對液膜的穩(wěn)定更加有利。內(nèi)、外雙置冷凝系統(tǒng)使設備能夠執(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。分子蒸餾的級數(shù)與所提純物料的純度會隨著級數(shù)的增加接近于高純度臨界值，多級分子蒸餾裝置不是簡單的設備疊加，需要根據(jù)所提純出的物料重新進行系統(tǒng)的搭配。