蒸餾器結構設計要點

來源：　類別：技術文章　更新時間：2012-10-15　閱讀次

蒸餾器的結構示意圖如圖2所示。

圖2 蒸餾器設備示意圖
1　筒體設計
分子蒸餾器筒體的長徑比L/D通常應該根據物料性質與分離要求控制在3～6范圍內,但是最后還要通過結構設計予以調整,即通過加熱器與冷凝器的結構尺寸來決定。筒體必須控制圓度與表面粗糙度,以適應刮板運動和成膜的需要。夾套的長度與分段則根據提供能源的途徑、內部冷凝器結構以及刮板具體尺寸等參數來確定。如圖2所示,當能源為導熱油時,夾套內部可以考慮設置導流板,以強化加熱器的蒸發傳熱過程。筒體與上下封頭組成密閉空腔。連接處必須采用可靠的密封結構,以滿足分子蒸餾過程要求的極高真空度的嚴格要求。此外,還要根據結構需要,在筒體上開設必要的工藝儀表接口、冷卻水進出口和蒸出液、蒸余液出口管等。
2　傳動與密封設計
旋轉刮膜式分子蒸餾器的傳動設計尤其重要,其要點是:根據物料性質、刮板型式與轉速,計算出傳動裝置的裝機功率;根據物料性質與防爆要求選定電機類型;根據旋轉刮板要求的轉速與功率大小選定減速機;根據轉軸受力條件選擇支架型式;根據蒸餾器轉軸尺寸、考慮加工、安裝、檢修決定是否設置中軸承和底軸承。為了保證分子蒸餾器在極高真空度下工作的要求,通常選用雙端面機械密封結構。在特定條件下甚至考慮磁流體密封結構。如果系統有特殊要求時,也可以考慮磁力驅動設計,此時,轉軸處的動密封就轉變為靜密封,這將更好地保證極高真空度的要求。

圖3, 蒸餾器的刮板結構域尺寸
3　真空系統設計
     分子蒸餾系統一般要求操作壓力為0.1～1.33Pa以下,其要求非常高,為此,設計真空系統時必須注意:
(1)設置原料液除氣器,以便除去被設備內部吸附的空氣或揮發性不凝成分。除氣器應根據系統具體要求,可設計為多種形式:壁面反射式、層板式、噴射式、填料式、降膜式等;也有采用刮板薄膜蒸發器作為原料液除氣器的。
(2)采用真空泵組,即用油擴散泵和機械式刮板真空泵串聯,以便獲取系統的高真空度。
(3)設置冷阱。為提高極高真空系統的效率,必須在真空泵前設置冷阱,根據需要,有時還要設置二級冷阱。
4　冷凝器設計
     冷凝器是分子蒸餾器的重要部件,冷凝器與蒸發器之間的距離非常重要,設計前應進行計算,一般可以控制在20 cm之內;當要求很高時,可以控制在5 cm之內。但是,其間的距離往往受到刮板機構造型的限制,因此,刮板結構設計要求輕巧、靈活、具備足夠的強度和剛度,在實現刮板機構最小尺寸的前提下,要盡可能縮短冷凝器與蒸發器之間的距離。冷凝器的造型要求是:必須有足夠的冷凝面積、便于凝液的流動與排送、冷卻液體進出口管要不妨礙運動內件的動作、要設置可靠的冷凝器支撐等。如圖2所示,冷凝器上下部為環形管,上下環管之間布置眾多的垂直冷凝管,便于冷凝液向下流動至蒸出液收集槽。冷卻管穿過下封頭,其進口管與下環管連接,出口管與上環管接合,這樣才能保證冷卻液滿流,并與冷凝液呈逆流操作。
4.5　刮膜裝置及其支撐設計
(1)刮膜裝置
     分子蒸餾器的刮板一般設計成活動的形式,它借助于旋轉軸所產生的刮板塊離心力,使刮板緊貼于筒體內壁,因而在內壁上形成薄而均勻的液膜,從而大大減少了液膜的傳熱、傳質阻力,提高蒸發速率和分離效率。而對于筒體主要的要求是筒體圓度和表面粗糙度。刮板的形式很多,其選型是分子蒸餾器設計的關鍵問題之一。根據物料性能不同,特別是粘度的差別,刮板要設計成不同形式,這方面可以參考刮板薄膜蒸發器進行設計。最為常用的刮板形式為Smith式,其結構特征是:刮板開設一定數量的斜槽。設計時要根據刮板數量、處理液量和轉速開設足夠的槽口寬度與間距。根據物料特性,刮板材料可以選擇聚四氟乙烯、層壓板、石墨等。刮板末端的圓周線速度一般控制在1.5～5m/s,具體確定的線速度必須保證處理液體不因轉速過慢而發生“逃液”和不因轉速過快出現“干壁”。刮板的旋轉方向必須與刮板開設的斜槽方向相適應,即應該使料液產生向下的螺旋運動;如果反方向,則料液向上,液膜增厚,破壞流場,效果全無。刮板結構與尺寸見圖3。
(2)刮板支撐
     刮板支撐設計包括2個問題:刮板本身的支撐和刮膜裝置懸臂端的支撐技術。活動刮板通常支撐在一面敞開的刮板盒內,以便在旋轉離心力作用下,刮板滑出并緊貼筒體內壁。刮板盒的下端板用以停車時支撐刮板,刮板盒的上端板起著防止刮板工作時脫出的作用,以抵消刮板斜槽在向下刮送料液時產生的向上作用力。
由于內部冷凝器的阻擋,導致刮膜裝置下端存在懸臂問題,如圖2所示。為了改善懸臂刮膜裝置的旋轉剛度,在此處可采用“浮動圓環支撐機構”,如圖4所示。這是一個連接刮板盒的圓形環槽,內設離心力作用下可以張開的、開設斜槽的剖分環。

圖4 蒸餾器浮動圓環支撐機構
6　除沫裝置設計
分子蒸餾器是在極高真空度下工作的。如前所述,蒸發面上料液分子是以噴射的方式飛向冷凝器表面的,這種高速運動往往夾帶大量液滴,從而嚴重影響分離效率和分離精度。為此,在蒸發面和冷凝面之間的環形空間上應該設置“環式除沫器”,用以提高分子蒸餾設備的高純物質分離質量。