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蒸馏器结构设计要点

来源:  类别:技术文章  更新时间:2012-10-15  阅读

蒸馏器的结构示意图如图2所示。

图2 蒸馏器设备示意图
1 筒体设计
     分子蒸馏器筒体的长径比L/D通常应该根据物料性质与分离要求控制在3~6范围内,但是最后还要通过结构设计予以调整,即通过加热器与冷凝器的结构尺寸来决定。筒体必须控制圆度与表面粗糙度,以适应刮板运动和成膜的需要。夹套的长度与分段则根据提供能源的途径、内部冷凝器结构以及刮板具体尺寸等参数来确定。如图2所示,当能源为导热油时,夹套内部可以考虑设置导流板,以强化加热器的蒸发传热过程。筒体与上下封头组成密闭空腔。连接处必须采用可靠的密封结构,以满足分子蒸馏过程要求的极高真空度的严格要求。此外,还要根据结构需要,在筒体上开设必要的工艺仪表接口、冷却水进出口和蒸出液、蒸余液出口管等。
2 传动与密封设计
     旋转刮膜式分子蒸馏器的传动设计尤其重要,其要点是:根据物料性质、刮板型式与转速,计算出传动装置的装机功率;根据物料性质与防爆要求选定电机类型;根据旋转刮板要求的转速与功率大小选定减速机;根据转轴受力条件选择支架型式;根据蒸馏器转轴尺寸、考虑加工、安装、检修决定是否设置中轴承和底轴承。为了保证分子蒸馏器在极高真空度下工作的要求,通常选用双端面机械密封结构。在特定条件下甚至考虑磁流体密封结构。如果系统有特殊要求时,也可以考虑磁力驱动设计,此时,转轴处的动密封就转变为静密封,这将更好地保证极高真空度的要求。

图3, 蒸馏器的刮板结构域尺寸
3 真空系统设计
     分子蒸馏系统一般要求操作压力为0.1~1.33Pa以下,其要求非常高,为此,设计真空系统时必须注意:
(1)设置原料液除气器,以便除去被设备内部吸附的空气或挥发性不凝成分。除气器应根据系统具体要求,可设计为多种形式:壁面反射式、层板式、喷射式、填料式、降膜式等;也有采用刮板薄膜蒸发器作为原料液除气器的。
(2)采用真空泵组,即用油扩散泵和机械式刮板真空泵串联,以便获取系统的高真空度。
(3)设置冷阱。为提高极高真空系统的效率,必须在真空泵前设置冷阱,根据需要,有时还要设置二级冷阱。
4 冷凝器设计
     冷凝器是分子蒸馏器的重要部件,冷凝器与蒸发器之间的距离非常重要,设计前应进行计算,一般可以控制在20 cm之内;当要求很高时,可以控制在5 cm之内。但是,其间的距离往往受到刮板机构造型的限制,因此,刮板结构设计要求轻巧、灵活、具备足够的强度和刚度,在实现刮板机构最小尺寸的前提下,要尽可能缩短冷凝器与蒸发器之间的距离。冷凝器的造型要求是:必须有足够的冷凝面积、便于凝液的流动与排送、冷却液体进出口管要不妨碍运动内件的动作、要设置可靠的冷凝器支撑等。如图2所示,冷凝器上下部为环形管,上下环管之间布置众多的垂直冷凝管,便于冷凝液向下流动至蒸出液收集槽。冷却管穿过下封头,其进口管与下环管连接,出口管与上环管接合,这样才能保证冷却液满流,并与冷凝液呈逆流操作。
4.5 刮膜装置及其支撑设计
(1)刮膜装置
     分子蒸馏器的刮板一般设计成活动的形式,它借助于旋转轴所产生的刮板块离心力,使刮板紧贴于筒体内壁,因而在内壁上形成薄而均匀的液膜,从而大大减少了液膜的传热、传质阻力,提高蒸发速率和分离效率。而对于筒体主要的要求是筒体圆度和表面粗糙度。刮板的形式很多,其选型是分子蒸馏器设计的关键问题之一。根据物料性能不同,特别是粘度的差别,刮板要设计成不同形式,这方面可以参考刮板薄膜蒸发器进行设计。最为常用的刮板形式为Smith式,其结构特征是:刮板开设一定数量的斜槽。设计时要根据刮板数量、处理液量和转速开设足够的槽口宽度与间距。根据物料特性,刮板材料可以选择聚四氟乙烯、层压板、石墨等。刮板末端的圆周线速度一般控制在1.5~5m/s,具体确定的线速度必须保证处理液体不因转速过慢而发生“逃液”和不因转速过快出现“干壁”。刮板的旋转方向必须与刮板开设的斜槽方向相适应,即应该使料液产生向下的螺旋运动;如果反方向,则料液向上,液膜增厚,破坏流场,效果全无。刮板结构与尺寸见图3。
(2)刮板支撑
     刮板支撑设计包括2个问题:刮板本身的支撑和刮膜装置悬臂端的支撑技术。活动刮板通常支撑在一面敞开的刮板盒内,以便在旋转离心力作用下,刮板滑出并紧贴筒体内壁。刮板盒的下端板用以停车时支撑刮板,刮板盒的上端板起着防止刮板工作时脱出的作用,以抵消刮板斜槽在向下刮送料液时产生的向上作用力。
由于内部冷凝器的阻挡,导致刮膜装置下端存在悬臂问题,如图2所示。为了改善悬臂刮膜装置的旋转刚度,在此处可采用“浮动圆环支撑机构”,如图4所示。这是一个连接刮板盒的圆形环槽,内设离心力作用下可以张开的、开设斜槽的剖分环。

图4 蒸馏器浮动圆环支撑机构
6 除沫装置设计
     分子蒸馏器是在极高真空度下工作的。如前所述,蒸发面上料液分子是以喷射的方式飞向冷凝器表面的,这种高速运动往往夹带大量液滴,从而严重影响分离效率和分离精度。为此,在蒸发面和冷凝面之间的环形空间上应该设置“环式除沫器”,用以提高分子蒸馏设备的高纯物质分离质量。

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