刮膜式分子蒸餾裝置中的液膜狀態實驗

許松林，郭 凱

(天津大學化工學院，天津 300072)

刮膜式分子蒸餾是一種高效液體分離技術，操作在高真空下進行，通過轉子的高速刮擦在蒸發器壁面上形成連續的液膜，再利用不同物質間分子自由程的差別將混合物分離．其中，蒸發壁面上的液滴分布和液膜厚度對分離效率有很大影響，尤其對于進料速度低、表面張力大的物料[1]．形成連續均勻的薄膜有助于傳質和傳熱的進行[2]，提高分離效率，避免出現由于局部過熱而導致的熱分解．因此，研究分子蒸餾裝置蒸發面上液膜的連續性與液膜厚度對裝置設計和操作具有重要的意義．目前對于液體流動狀況的研究方法主要有電荷耦合器(charge coupled device，CCD)攝像法[3]、電學測量法[4]、光學測量法[5]和流體力學模擬計算法[6]等，各種方法均已取得了很好的結果．

為了客觀評價分子蒸餾裝置蒸發壁面上的液膜流動狀態，筆者提出使用電學測量法對壁面液膜連續性進行測量，并且按照中心復合設計確定連續液膜厚度測量的實驗方案，最后使用響應曲面法對實驗數據進行處理，歸納出液膜平均厚度與轉子轉速、進料速度之間的二階關聯式，并驗證了關聯式的可靠性．

1 實驗原理

1.1 液膜連續性的判定原理

以NaCl溶液作為原料，在轉子的作用下，當壁面形成連續液膜時，由于電解質溶液的導電性，測試段為通路狀態，電壓值非零且相對分布均勻，并在一定范圍內波動；而當壁面上不能形成連續穩定液膜時，測試段為斷路或不均勻狀態，該段的電壓值為零或分布極不均勻．因此可以根據測試段的電壓信號特征來判斷壁面液膜的連續性．

1.2 連續液膜厚度的測量原理

測量原理如圖1所示．當在長度為l的蒸發表面形成寬度為 w、厚度為 h的連續液膜時，液膜產生的電阻

式中：k為進料的電阻率；ε為兩電極間液膜不連續的修正系數．在圖 2所示電路中，已知電源電壓 Vk和變阻器電阻 Rk，測量液膜段的電壓降Vl．根據歐姆定律，則

聯立式(1)和(2)，得到液膜在長度l上的厚度

圖1 液膜厚度測量示意Fig.1 Chart of liquid film thickness measurement method

圖2 測量電路示意Fig.2 Chart of measured circuit

由于在操作過程中，轉子不斷地對壁面液膜進行刮擦，因此液膜厚度不會存在一個恒定值，而是存在一定的波動．實驗中A/D轉換器的頻率為1,Hz，記錄下5,min內的電壓波動值．

2 實驗裝置與步驟

2.1 液膜連續性實驗

實驗裝置如圖3所示，測試段的長度為150,mm，直徑為 60,mm，4個電壓測試點距電源正極 95,mm，呈90o分布，測試電壓為4.5,V．

采用一次因子法進行實驗，即固定轉子轉速，在不同進料速度下測量測試點與電源負極間的電壓值；然后固定進料速度，在不同轉速下測量該段電壓值；記錄壁面上出現連續液膜時的進料速度和轉速．

2.2 連續液膜厚度實驗

液膜厚度測試段長度為30,mm，電源電壓4.5,V，變阻器電阻為8,kΩ，轉子與壁面距離為0.7,mm．

根據液膜連續性實驗結果，在保證形成連續穩定液膜的前提下，使用可旋轉的中心復合設計進行實驗方案設計，測量不同條件下的電壓降Vl，并通過式(3)得到測試段的平均液膜厚度．

圖3 壁面液膜連續性實驗裝置Fig.3 Experiment device of liquid film continuity on evaporating wall

3 實驗數據處理與討論

3.1 液膜連續性的判定

進料為質量分數9.1%的NaCl溶液．隨機選擇5個不同的轉速和 6個不同的進料速度(見表 1)，采用一次因子法進行實驗．壁面未成膜和成膜狀態下的 4個不同位置的電壓信號對比及其概率密度函數(probability density function，PDF)如圖 4和圖 5所示．圖中，V和 Vmax分別為測試段的電壓平均值和電源電壓；Q為進料速度；ω為轉子轉速．

表2為液膜狀態分析．由表2可見，當壁面尚未形成連續液膜時，測量段電壓均值與電源電壓比值分別為 0.005,6、0.029、0.004 和 0.027，方差為 0.095×10-3、0.20×10-3、0.046×10-3和 0.23×10-3．而當壁面形成液膜時，電壓比值分別為 0.081、0.088、0.069和0.080，方差為 0.64×10-3、0.71×10-3、0.38×10-3和0.49×10-3．當形成連續液膜時，各測試點電壓均值較大，4個測量段電壓均在同一數量級，并且由于轉子的刮擦作用，壁面上液膜厚度變化較大，造成電壓信號波動較大；當壁面尚未形成連續液膜時，4個測量段電壓均值較小，且嚴重分布不均，造成電壓值相差較大，而且相對較小的電壓值處的方差也較小，波動不大，表明此處液膜幾乎不能覆蓋壁面．從PDF曲線上也可看出這一點，當連續液膜形成時，4個測量段的PDF曲線重合度較高，峰值也比未成膜時大．據此得到判斷壁面液膜連續性的標準如下：① 各點的電壓百分比必須非零(本文實驗中電壓百分比≥10-2)且分布較均勻(基本處于同一數量級水平)，波動較大(方差≥10-4)；② 不能出現電壓百分比分布不均(不在同一數量級)、個別測試點比值極小且方差也很小的情況．

表1 壁面成膜實驗數據Tab.1 Experimental data of film formation

圖4 壁面未成膜時的電壓波動及其概率密度曲線Fig.4 Voltage fluctuation and PDF curve before liquid film formation on evaporating wall

圖5 壁面成膜時的電壓波動及其概率密度曲線Fig.5 Voltage fluctuation and PDF curve during liquid film formation on evaporating wall

3.2 連續液膜厚度的測量

通過實驗考察影響壁面液膜流動的兩個因素：刮膜器轉速和進料速度．選擇壁面形成連續液膜時的操作條件，用 X＝(X1，…，Xm)表示其編碼形式，并根據Box等[7]的建議，液膜厚度測量實驗由4個因析設計點 nf(其中 Xi＝-1 或 1，i＝1，…，m)、4 個坐標軸點(其中Xi＝?α或α，i＝1，…，m)和5個中心點nc(其中 Xi＝0，i＝1，…，m)組成．其中 α = n1f/4，以保證中心復合設計是可旋轉的．

根據表 3，建立液膜厚度的二階響應曲面模型，即液膜厚度的自然變量為

表2 壁面液膜狀態分析Tab.2 Liquid film formation state analysis on evaporating wall

表3 液膜厚度實驗的中心復合設計Tab.3 Central composite design of liquid film thickness experiment

進料速度的規范變量

轉子轉速的規范變量

對表3中的值進行回歸，得到

由式(7)的等高線圖(見圖 6)可知，當進料速度較小時，液膜厚度受進料速度的影響較大，對于轉子轉速的變化并不敏感；當進料速度增大到一定值后，轉子轉速對壁面液膜厚度的影響逐漸加大．

將式(5)、(6)分別代入到式(7)，整理得

圖6 液膜平均厚度經驗關聯式的等高線Fig.6 Contour map of second-order empirical correlation for mean film thickness

3.3 連續液膜厚度二階經驗關聯式的驗證與分析

為了驗證關聯式的準確性，采用脈沖示蹤法[8]測量該裝置內的平均停留時間，計算出該裝置蒸發壁面上的平均液膜厚度．

采用蠕動泵進料，固定裝置的轉子轉速和進料速度，直至流動達到穩定狀態．此時(t＝0)向系統內部瞬間注入50,μL的示蹤劑(0.005,g/mL的亞甲基蘭溶液)，在裝置的出料處，每隔 10,s取一次樣，取樣 15份．然后，調節轉子轉速和進料速度，重復上述步驟．

在 600,nm 處測量樣品的吸光度值，根據相應的標準曲線計算出所取樣品中示蹤劑的質量 m．由于m(t)＝QC(t)/QM，分別已知 Q(示蹤劑進料速度)、QM(示蹤劑中亞甲基藍的質量流量)和 C(t)(示蹤劑的濃度)值，即可算出各時刻的m(t)值．

對于等時間間隔的離散型m(t)值，平均停留時間

而平均停留時間也可表示為

由表4可見，根據平均停留時間確定的平均液膜厚度式(10)與經驗關聯式(8)得出的液膜厚度在數量級保持一致，但相對誤差還是較大．導致較大偏差的原因是：① 實驗中采用時間間隔為 10,s，取樣時間也為10,s，采用10,s內的平均示蹤劑濃度代替某一瞬間的示蹤劑濃度，在整個實驗的末期示蹤劑濃度變化是很小的，這樣做是合理的；而在實驗初期，出料口處示蹤劑濃度變化非常大，同樣的處理會帶入較大誤差；② 由于使用脈沖法對液膜厚度進行測量，得到的是整個軸向上的平均液膜厚度，而不僅僅是測量段的液膜厚度，考慮到液膜厚度在軸向上存在一定差異，也會造成結果存在誤差．但是由兩式分別得到的液膜厚度在數量級上保持一致，考慮到上述誤差因素，經驗關聯式(8)還是具有一定的可靠性，使用電學測量法對壁面液膜狀態進行測量也是能夠滿足工程要求的．

表4 兩種方法預測連續液膜厚度的比較Tab.4 Comparison of continuous film thickness predicted with two methods

4 結 論

(1)進料速度和轉子轉速的增加都有助于提高蒸發壁面上液膜的連續性．

(2)實驗所用分子蒸餾裝置壁面上液膜厚度穩定在10-2,mm數量級．

(3)當進料速度很小時，進料速度是影響液膜厚度的主要因素；隨著進料速度的增加，轉子轉速對液膜厚度的影響越來越顯著．

［1］ Salvagnini W M，Taqueda M E S．A falling-film evaporator with film promoters[J]. Ind Eng Chem Res，2004，43(21)：6832-6835.

［2］ Batistella C B，Maciel M R W．Recovery of carotenoids from palm oil by molecular distillation[J]. Comput Chem Eng，1998，22(Suppl)：S53-S60.

［3］ Liu M Y，Tang X P，Jiang F．Studies on the hydrodynamic and heat transfer in a vapor-liquid-solid flow boiling system with a CCD measuring technique[J]. Chemical Engineering Science，2004，59(4)：889-899.

［4］ Jana A K，Das G，Das P K．Flow regime identification of two-phase liquid-liquid upflow through vertical pipe[J].Chemical Engineering Science，2006，61(5)：1500-1515.

［5］ Shedd T A，Newell T A．Automated optical liquid film thickness measurement method[J]. Review of Scientific Instruments，1998，69(12)：4205-4213.

［6］ Wang W，Lu B N，Li J H．Choking and flow regime transitions：Simulation by a multi-scale CFD approach[J].Chemical Engineering Science，2007，62(3)：814-819.

［7］ Box G E P，Hunter J S．Multi-factor experimental designs for exploring response surfaces[J]. Annals of Mathematical Statistics，1957，28：195-241.

［8］ 陳甘棠．化學反應工程[M].2版．北京：化學工業出版社，1990.Chen Gantang．Chemical Reaction Engineering[M].2nd ed. Beijing：Chemical Industry Press，1990(in Chinese).