[发明专利]一种刮膜式分子蒸馏器的结构参数确定方法

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。

主权项

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v_t，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v_n，轴向速度为v_d：(1.1)式中，v_t为刮板外缘的水平切向速度，ω为刮膜电机转速，D为蒸发器的直径（实际为刮板外缘的运动直径）；刮板对头波的轴向速度为：(1.2)式中，v_d为垂直轴向速度，是倾斜刮板与轴向夹角；在连续的长刮板的带动下，液体在蒸馏器内是做螺旋向下运动，虽然在离散的小刮板带动下，液体也会螺旋向下运动，但由于垂直相邻的两个刮板之间添加了适当间隔，会在刮板的底部会形成一条液带；考虑到这种周期性现象，利用分阶分段的方法可以更加合理进行数学建模；即把在同一水平高度的两个连续的小刮板之间的液膜作为一个段，如图4，每一段的垂直高度设为H_s；在蒸发面上选择一指定点，以第一次刮板经过该点开始计时，液膜与头波进行混合更新，之后液膜继续进行分子蒸馏并且液膜状态保持相对稳定，直到下一个刮板经过该点计时结束，在液膜这段相对稳定的时间被称为间隔时间τ：(1.3)式中，N_b为该点所在水平面内刮板的数量；液体在头波的垂直轴向速度v_d在公式（1.2）可知，利用间隔时间τ，可以算出一个阶段的液膜高度H_s：(1.4)式中，H_s为第n段液膜的轴向高度；式（1.4）中H_s可以替代间隔时间τ；这样一个段的高度相对于刮板的长度是独立；即使一个段的范围超过两个刮板长度也不需要改变间隔时间或者改变蒸发器内的刮板的结构；如果通过让轴的旋转速度和分子蒸馏的过程保持同步，就可以假设在H_s范围内浓度不存在明显的垂直梯度场；在同一高度的段的数量正好等于这一高度的刮板数量，并且把同一水平高度的n个段称为一阶；这样就可以利用刮板的数量计算出刮板在蒸发器表面上的距离L_s：(1.5)式中，L_s为第n段液膜在蒸发器表面上的距离；蒸发器的高度H就可以用每阶的高度H_s与整个蒸发器内的总阶数N相乘，表示为：(1.6)式中，H为蒸发器的高度，N为整个蒸发器内的总阶数；为了便于计算总阶数N，定义蒸发器的高度H与直径D的比为，公式化简为：(1.7)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；步骤2.1，根据流入第n阶的流入流速、流入浓度、流出流速、流出浓度和蒸馏速率，列出该阶的总质量平衡方程；假设每一个刮板所过之处头波和液膜都得到充分混合；以第n阶为例，列出该阶蒸发器表面的质量平衡公式为：(2.1)式中，为第n阶的流入流速，为第n阶的流入浓度，为第n阶的流出流速，为第n阶流出浓度，为第n阶的蒸馏速率；在这个模型中，假设进入第n阶的溶液浓度等于从第n-1阶头波流出的浓度；测量每一阶的流出浓度，目的是为了估算出蒸馏速率；值得注意的是，每一阶的流出浓度是每一阶的平均浓度，因为蒸馏溶液一直处于搅拌当中；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；在推导传质方程时，必须假设液膜厚度非常的薄，与蒸馏器的直径相比可以近似为一个平面；此外还要忽略传质时的气相阻力并且蒸馏物在表面上达到浓度均匀，这样可以列出液膜表面蒸馏物在第n阶质量平衡方程：(2.2)式中是质量扩散系数，大多数情况下质量扩散系数大于静止状态下溶液的真正的分子扩散系数；当开始蒸馏的液膜被刮板完全搅拌时，它的浓度正好等于这个阶段的流出的浓度；起始条件和边界条件：(2.3)(2.4)根据上面的方程组可以很容易算出：(2.5)在液膜表面选取一点，该点的蒸馏流量F_v为：(2.6)根据每个段的长度定义，当刮板以恒定速度绕轴旋转时，公式中t可以替换为：(2.7)式中，x是液膜中一个点沿蒸发器表面到最近的刮板水平距离；通过该段的表面积S可以算出该段的蒸馏流量：(2.8)步骤2.3，由于同一高度的刮板数和液膜的段数相同，可以算出该阶的蒸馏速率；通过该段的蒸馏流量可以算出整个第n级总的蒸馏速率：(2.9)式中，为第n阶的蒸馏速率，N_b为第n段所在水平面内刮板的数量，为第n段的蒸馏流量；步骤3.1，将第n阶的蒸馏速率代入该阶的质量平衡方程进行化简；为了便于计算，引入一个参数用来代替，令(3.1)进一步假设在该阶段的流入流出的体积流速相对不变，质量平衡方程可改写为：(3.2)步骤3.2，由于上一阶流出的浓度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；由此，已知初始浓度C⁰，根据公式就可以迭代推导出相关的阶的浓度和最终浓度C^F：(3.3)液带的出现促进了蒸馏作用，所以在模型计算中不能忽略液纹的存在；由于电机转速不同，刮板旋转一圈所形成的液膜高度H_s与刮板的高度是独立的，当大于H_s时，就不是每一个阶都包括一个液带，相反当小于H_s时，每个阶至少有一个液带；当这个段不包括液带时，液体表面积正好等于液膜的面积，此时在每一阶参数值是恒定的，即(3.4)在包含液带的阶段中由于液带增加了液体的表面积，同时也增加了分子蒸馏的流量；如果在设备中同一高度的刮板安放的位置可以使液带长度L_B保持相同，可以推出：(3.5)液带中的流速可以等同于液体在头波中的流速，并且液带的间隔时间等于；液带的体积V_B可用带的间隔时间乘以液纹的流速算出，即：(3.6)液带可以近似为半圆柱，其长度可认为是L_B，宽度即半圆柱直径为H_B；利用的液带的体积V_B，可以算出：(3.7)此时，参数可以写成：(3.8)将参数代入式（3.3）中，就组成了刮膜式分子蒸馏器的数学传质模型：(3.9) 。