分子蒸馏器内部物料停留时间的计算与验证

摘要

分子蒸馏器是一种高效的分离设备，广泛应用于化学、制药、食品等领域。物料在分子蒸馏器内部的停留时间是影响分离效率的重要因素，而物料的粘度和蒸馏器的转速则是影响停留时间的两个关键参数。本文选取上海德大天壹的DEA-DZL-10型分子蒸馏器，研究其内部物料停留时间与物料粘度及转速之间的关系，总结公式为优化分子蒸馏工艺提供理论依据。

关键词

分子蒸馏器；停留时间；粘度；转速；分离效率

1. 引言

分子蒸馏器是一种基于分子运动原理进行分离的设备，其主要特点是能够在低温条件下实现高效分离，适用于热敏性、高沸点物质的精制。物料在分子蒸馏器内部的停留时间直接影响蒸馏效率和产品质量，而该时间受物料的流动性及操作参数的显著影响。物料粘度决定了其流动阻力，而转速则影响刮膜形成和物料薄膜的均匀性，以及物料的停留时间。本文结合上海德大天壹DZL-10分子蒸馏器通过实验和理论分析，探讨上述因素与停留时间之间的定量关系，并总结了计算公式，来验证并计算停留时间。

DEA-DZL-10分子短程蒸馏器为不锈钢装置，该装置蒸发面积为0.1m2（筒体直径为108mm，加热段为350mm，最大转速415RPM，采用向上30°的四氟刮板），内置冷凝器换热面积为0.2m2。设备处理量为0.8～2.5KG/H（处理量因物料不同而不同），蒸发量（按照水来设计）为0.4～1.5 KG/H（蒸发量因物料不同而不同）。装置采用夹套导热油加热，最高加热温度可达300℃（最高使用温度为250℃）。装置真空系统采用真空机组（二级旋片真空泵+罗茨真空泵），成套系统空载极限真空为1~5Pa（1~5*10-2mbar）。分子蒸馏器进料方式有输送泵进料，输送泵进料适用于常温下为液态物料。系统采用DEA-DZLV5.1.05操作系统，实现自动化控制。

2. 计算方法概述

原料的黏度越大，原料在筒体内部停留时间越长。刮板采用导流槽式，转速越快，原料在导流槽内不断地被旋转的导流槽向上推动，筒体内部的停留时间变长。筒体越长，停留时间就越长。其计算公式如下：

实例分析：实验选取不同粘度的物料（如甘油、水、植物油等）作为研究对象，并使用一台实验型分子蒸馏器进行测试。通过调节刮膜器转速（范围为50 rpm至200 rpm），记录物料在蒸馏器内部的平均停留时间。同时，通过测量薄膜厚度和流动速度，进一步分析粘度与转速对停留时间的具体影响。

选择DZL-10分子短程蒸馏器，甘油、水、无水乙醇，秒表等。记录物料在蒸馏器内部的平均停留时间。DZL-10分子短程蒸馏器筒体直径为108mm，加热段为350mm，最大转速415RPM，采用向上30°的四氟刮板。

设定转速为180RPM，控制筒体加热温度为30℃，查表得到此时甘油黏度为500CP，水的黏度为1CP/20℃。

第一步：静止状态下，测定30℃时，甘油的停留时间约15S

第二步：计算理论滑落时间

t2=（2*0.35/9.8）1/2*（P甘油/P水）1/2

t2=17s

第三步：计算黏度系数的影响б=（△P测/△P）1/2

б=1.133

第三步：计算内筒转1圈需要的时间t

t=2.09s

第四步：计算停留时间T

T=64S

3. 测试结果和数据分析

附表1：甘油不同温度及转速下的停留时间

附表2：无水乙醇不同温度及转速下的停留时间

4. 结果与讨论

实验结果表明，物料粘度与停留时间呈正相关关系。当粘度从低到高变化时，停留时间显著延长。此外，刮膜器转速与停留时间呈正相关关系。当转速从120 rpm增加至240 rpm时，停留时间逐渐增大。进一步分析发现，在粘度较高时，转速对停留时间的影响更加显著。这表明提高转速可以有效缓解高粘度物料导致的停留时间过长问题。

实验还发现，当转速过高时可能导致液膜的不稳定性，从而影响分离效果。因此，在实际应用中需要综合考虑粘度和转速之间的平衡，以优化工艺参数。

5. 结论

本文系统地分析了分子蒸馏器内部物料停留时间与物料粘度及刮膜器转速之间的关系。结果表明，高粘度物料会显著延长停留时间，而提高刮膜器转速能够有效增大停留时间，但需避免过高转速导致液膜不稳定。未来研究可进一步结合数值模拟和实际生产数据，对复杂体系进行更精确的分析。本文为分子蒸馏工艺优化提供了重要参考。