一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法，属于医药生物化工设备领域。根据刮膜式分子蒸馏运行过程中的影响因素，利用进料流量、液体浓度、刮膜电机转速和蒸馏器尺寸之间的函数关系，结合刮膜式分子蒸馏器的刮膜器结构建立数学传质模型。通过设置刮膜式分子蒸馏器内部参数的初始值对传质模型进行MATLAB计算，依次调整各个参数的数值，使刮膜式分子蒸馏器达到预期目的。该方法有效地解决了刮膜式分子蒸馏器设计过程中单纯依靠经验设计的缺陷，缩短了分子蒸馏器设计周期，调高了分子蒸馏效率，降低了设计成本。
【专利说明】一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法，属于医药生物化工设备领域。
【背景技术】
[0002]分子蒸馏是在高真空或惰性气体的条件下，利用分子的平均自由程的差别，在低温(相对于沸点)的状态下针对闻沸点、闻粘度物质和热稳定差的有机混合物进行的一种闻效的液一液分离技术。刮膜式分子蒸馏器由于其结构简单，设备运行成本低，成为目前主流分子蒸馏器。刮膜式分子蒸馏器是对传统降膜式分子蒸馏器的有效改进，在降膜式蒸馏器内部设置了一个转动的刮膜器，使液体在蒸发面上刮成厚度均匀的液膜。
[0003]虽然刮膜器的引入使传质和传热效率得到了提高，但也增加液体的流动过程的复杂性。由于刮膜式分子蒸馏设备属于专用设备，其制备成本高昂、技术要求高，在设计过程中结构参数确定困难，设计时通常依靠工程师经验设定相关参数，蒸馏结果存在未知性，为达到预期结果需要重复多次调试安装，生产研发成本高，设备分离效果不理想，造成了极大的浪费。为改善刮膜式分子蒸馏过程中参数确定困难的问题，李国兵等人(论文文献I)运用龙格-库塔法和平均隐式差分法对头波和液膜变化方程进行数值求解，并且具有很好的稳定性，但是在计算过程中差分网格数η每前进一步需要求解4次头波离散化方程，计算量较大不便于结构参数的确定。许松林等人(论文文献2)对液膜停留时间分布进行了研究，明确了停留时间与各参数之间关系，为确定各个结构参数提供了依据。随着计算机仿真软件的应用，王燕飞等人(论文文献3)利用FLUENT软件分析了蒸发器上液体负荷、刮膜器旋转速度对蒸发器上液膜厚度变化及液膜中速度矢量的影响。FLUENT软件虽然能形象的描绘出液体流动速度矢量，液膜厚度变化，但是分子蒸馏过程中由于分子蒸馏导致的浓度变化，必然导致液体流动速度和流动方向发生变化，这是FLUENT软件无法仿真的。本发明从刮膜器的刮板结构特点出发，确定各个参数之间的函数关系建立数学传质模型，并利用MATLAB软件计算，计算量小，参数确定迅速、准确，与实际设备的运行状况基本相符，为刮膜式分子蒸馏器的设计提供了参考。
[0004]论文文献1:李国兵，许春建，周明.刮膜分子蒸馏传质和传热的数学模型[J].天津大学学报.2003, 36 (03)。
[0005]论文文献2:许松林，王玲，郭凯.刮膜式分子蒸发器上液体的停留时间分布[J].天津大学学报.2012，29 (01)。
[0006]论文文献3:王燕飞，许松林.分子蒸馏过程的计算流体力学模拟[J].化学工程.2010(01)。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服传统分子蒸馏器设计时只借助工程师经验设定相关参数，没有实际相关依据的不足，针对刮膜器的刮板结构特点建立数学传质模型，并设定计算初始值代入传质模型中进行MATLAB计算，通过计算结果调整相关参数使计算结果达到预期目标，从而最终确定结构参数，如图1所示。
[0008]本发明提供一种操作简便、设计快捷、调整方便的结构参数确定方法，其技术方案，如下。
[0009]步骤1，根据刮膜器的刮板结构特点，列出刮板数量、长度和倾斜角度等之间的函数关系。
[0010]步骤2，以一个刮板旋转一周所形成的液膜为一阶，同一高度相邻两个刮板所围成一段液膜为一段。
[0011]步骤2.1，根据流入第η阶的流入流速0s—1、流入浓度Cf—1、流出流速β】、流出浓
度C〗和蒸馏速率<，列出该阶的总质量平衡方程。
[0012]步骤2.2，在以一段内一点的液膜蒸馏流量通过这一段的面积计算出该段的总的蒸馏流量<。
[0013]步骤2.3，由于同一高度的刮板数和液膜的阶段数相同，可以算出该阶的蒸馏速率
。
[0014]步骤3.1，将第η阶的蒸馏速率< 代入该阶的质量平衡方程进行化简。
[0015]步骤3.2，由于上一阶流出的浓度δ1正好等于下一阶流入的浓度，将化简后
的质量平衡方程进行迭代，求出蒸馏器的传质模型。
[0016]步骤4.1，根据刮膜式分子蒸馏器的各个参数工作范围选取初始值。
[0017]步骤4.2，将初始值代入传质模型中进行MATLAB计算，并根据计算结果逐一调整相关参数，使蒸发器的尺寸达到预期结果，从而确定最终的结构参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法基本流程图。
[0019]图2刮板在蒸发器内部的结构安排。
[0020]图3倾斜刮板。
[0021]图4在第η段内的浓度变化。
[0022]图5刮膜式蒸发器内部结构基本参数工作范围。
[0023]图6刮膜式蒸发器内部结构初始参数。
[0024]图7不同流出浓度。
[0025]图8不同进料流量。
[0026]图9不同刮板数量。
[0027]图10不同刮板倾斜角度。
[0028]图11不同刮板长度。
[0029]图12不同蒸发器高度与直径的比。
[0030]图13刮膜式蒸发器内部结构确定参数。
【具体实施方式】[0031]本发明是一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法，【具体实施方式】如下。
[0032]步骤1，根据刮膜器的刮板结构特点，列出刮板数量、长度和倾斜角度等之间的函数关系。
[0033]将垂直连续的长刮板变换成离散的小刮板，如图2所示，液体在头波的交换速率随着刮板之间距离不断增加，当达到1.5~2cm时交换速率不发生改变。在图2中刮板分成两种类型:(1)垂直刮板；(2)倾斜刮板。垂直刮板有利于液体不断地混合更新形成液膜，通常情况下垂直刮板安放在刮膜器的上方，便于液膜快速形成，避免产生局部热点；倾斜刮板在原有垂直刮板功能基础上促使液体向下运动，为此倾斜刮板通常安放在刮膜器的下方。这种刮板的设计提高了传质的速率，并且缩短了液体在蒸发器内流动的时间。
[0034]刮板绕轴进行圆周运动，其中刮板外缘的水平切向速度它推动液体水平流动，在刮板外缘前端形成头波。在倾斜刮板的运动中刮板推动液体向斜下方向运动，如图3，其速度为I，轴向速度为Vd:
【权利要求】
1.一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法，其特征在于: 步骤1，根据刮膜器的刮板结构特点，列出刮板数量、长度和倾斜角度等之间的函数关系；将垂直连续的长刮板变换成离散的小刮板，液体在头波的交换速率随着刮板之间距离不断增加，当达到1.5~2cm时交换速率不发生改变；刮板分成两种类型:(1)垂直刮板，(2)倾斜刮板；垂直刮板有利于液体不断地混合更新形成液膜，通常情况下垂直刮板安放在刮膜器的上方，便于液膜快速形成，避免产生局部热点，倾斜刮板在原有垂直刮板功能基础上促使液体向下运动，为此倾斜刮板通常安放在刮膜器的下方；这种刮板的设计提高了传质的速率，并且缩短了液体在蒸发器内流动的时间； 刮板绕轴进行圆周运动，其中刮板外缘的水平切向速度它推动液体水平流动，在刮板外缘前端形成头波；在倾斜刮板的运动中刮板推动液体向斜下方向运动，如图3，其速度为K，轴向速度为Vd:
2.根据权利要求1所述的一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法，其特征在于:所述的建立刮模式分子蒸馏器的数学传质模型。
【文档编号】B01D3/12GK103845918SQ201410119562
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】李慧, 王珂鑫, 张德江, 李颖, 尤文 申请人:长春工业大学