分子蒸餾技術(shù)在乳酸工業(yè)化應(yīng)用中的問(wèn)題探討

張興龍 張 鵬

（河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城 477150）

作為三大有機(jī)酸之一的乳酸，主要應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、新材料、飼料等諸多重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[l]。隨著社會(huì)的發(fā)展，這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)θ樗峒兌鹊囊笤絹?lái)越高，尤其是聚乳酸材料的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)乳酸的純度提出了更高的要求。而我們應(yīng)用傳統(tǒng)的分離提純工藝不能滿足這些行業(yè)的需要。因此，對(duì)于乳酸行業(yè)來(lái)說(shuō)迫切需要采用新的技術(shù)進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。分子蒸餾技術(shù)的出現(xiàn)，讓我們看到了曙光。

分子蒸餾（molecular distillation）也稱短程蒸餾（short-path distillation），是一種特殊的液－液分離技術(shù)，能在極高真空下操縱，它依據(jù)分子運(yùn)動(dòng)均勻自由程的差別，能使液體在遠(yuǎn)低于其常壓沸點(diǎn)的溫度下將其分離，特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物系的分離[2，3]。由于其具有蒸餾溫度低于物料的常壓沸點(diǎn)、蒸餾壓強(qiáng)低、受熱時(shí)間短、分離程度高等特點(diǎn)，因而能大大降低高沸點(diǎn)物料的分離成本，極好地保護(hù)了熱敏性物質(zhì)的特點(diǎn)品質(zhì)[4]。本文就分子蒸餾技術(shù)在乳酸行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析探討。

1 分子蒸餾原理

分子蒸餾技術(shù)是利用了不同種類分子逸出液面后直線飛行的距離不同這一性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的。液體混合物為了達(dá)到分離的目的，首先進(jìn)行加熱，當(dāng)被加熱的液體混合物沿加熱板活動(dòng)，輕、重分子會(huì)逸出液面而變成氣相，由于其中輕、重分子的自由程不同，因此，不同物質(zhì)的氣相分子移動(dòng)間隔不同，若能恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置一塊冷凝板，則輕分子達(dá)到冷凝板被冷凝并排出，而重分子達(dá)不到冷凝板，沿混合液排出。這樣，達(dá)到物質(zhì)分離的目的。

2 分子蒸餾技術(shù)在乳酸行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

分子蒸餾技術(shù)，作為一種對(duì)高沸點(diǎn)、熱敏性物料進(jìn)行有效的分離手段，自本世紀(jì)三十年代出現(xiàn)以來(lái)，得到了世界各國(guó)的重視。到本世紀(jì)六十年代，分子蒸餾技術(shù)在維生素等少數(shù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)應(yīng)用。在日、美、英、德、蘇相繼設(shè)計(jì)制造了多套分子蒸餾裝置，但當(dāng)時(shí)由于各種原因，應(yīng)用面太窄，發(fā)展速度很慢。人們一直在不斷地探索著這項(xiàng)新的液－液分離技術(shù)，對(duì)分離裝置精益求精、完善，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域不斷探索、擴(kuò)展，使分子蒸餾技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[5-7]。但在乳酸應(yīng)用領(lǐng)域，由于乳酸存在嚴(yán)重的腐蝕性，對(duì)分離純化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各構(gòu)件的材質(zhì)有較高的要求，并且分子蒸餾純化乳酸過(guò)程中嚴(yán)重存在收率低、效率低等問(wèn)題。分子蒸餾技術(shù)在乳酸應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

對(duì)分子蒸餾的設(shè)備，各國(guó)研制的形式多種多樣。發(fā)展至今，大部分已被淘汰，目前應(yīng)用較廣的為離心薄膜式和轉(zhuǎn)子刮膜式[8]。由于乳酸對(duì)分子蒸餾設(shè)備材料選擇和加工精度的高要求，而現(xiàn)有的裝備又存在真空度低、內(nèi)部加熱面至冷端物料捕集器的間距設(shè)置不精準(zhǔn)等技術(shù)問(wèn)題，致使分子蒸餾在乳酸應(yīng)用中的設(shè)備很難達(dá)到高產(chǎn)能，限制了乳酸和聚乳酸行業(yè)的發(fā)展。

3 分子蒸餾技術(shù)在乳酸行業(yè)的工業(yè)化應(yīng)用中的問(wèn)題探討

3.1 分子蒸餾裝置在乳酸應(yīng)用中的形式

分子蒸餾裝置以短程蒸發(fā)器為核心，含單級(jí)或多級(jí)蒸發(fā)器；通常帶有一級(jí)或多級(jí)冷阱；物料輸入輸出系統(tǒng)主要有計(jì)量泵和物料輸送泵，完成連續(xù)進(jìn)出料；加熱系統(tǒng)的加熱方式常用的有水蒸氣加熱、電加熱、導(dǎo)熱油加熱和微波加熱；真空系統(tǒng)是保證足夠真空度的關(guān)鍵部分；控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)行控制。分子蒸餾裝置的核心部件蒸發(fā)器從結(jié)構(gòu)上可以分為降膜式、離心式和刮膜式三大類[9]，對(duì)比分析如下：

3.1.1 降膜式：為早期形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于液膜厚、效率差，已經(jīng)淘汰。

3.1.2 離心式：離心力成膜，膜薄、蒸發(fā)效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造及操作難度大。該裝置將物料送到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中央，并在旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)展形成薄膜，同時(shí)加熱蒸發(fā)，使之在對(duì)面的冷凝面凝縮。該裝置要求有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，由于乳酸存在腐蝕性，對(duì)控制閥門制作工藝及精度要求極高，稍有磨損或腐蝕，就會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)漏、串料，使生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行。因此，該裝置主要應(yīng)用于沒(méi)有腐蝕性質(zhì)且黏度低的物質(zhì)提純，無(wú)法應(yīng)用于乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)。

3.1.3 刮膜式：形成的液膜薄，分離效率高，較降膜式結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，比離心式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。它采取重力使蒸發(fā)面上的物料變?yōu)橐耗そ迪碌姆绞?，但為了使蒸發(fā)面上的液膜厚度小且分布均勻，在蒸餾器中設(shè)置了一套耐腐蝕且耐磨損的、徑向間距自動(dòng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)刮板。該刮板不但可以使下流液層得到充分?jǐn)嚢?，還可以加快蒸發(fā)面液層的更新，從而強(qiáng)化了物料的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程。該裝置在操作溫度下停留時(shí)間短，熱分解的危險(xiǎn)性較小，蒸餾過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)能力大。

因此，在綜合分析研究了以上三種分子蒸餾裝置的結(jié)構(gòu)，我們選擇刮膜式分子蒸餾裝置進(jìn)行具體探討。

3.2 分子蒸餾設(shè)備材質(zhì)

由于乳酸對(duì)金屬具有腐蝕性，特別是分子蒸餾的薄膜蒸發(fā)過(guò)程，蒸發(fā)溫度達(dá)到110 ℃—120 ℃，一般的抗腐蝕金屬很難滿足分子蒸餾提純?nèi)樗岬墓I(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)，易損壞設(shè)備和污染乳酸。因此，對(duì)于分子蒸餾設(shè)備的材質(zhì)，特別是與乳酸液體接觸部分的材質(zhì)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行抗腐蝕性試驗(yàn)。

現(xiàn)有的材質(zhì)中，2205 雙相不銹鋼、316L 和317L 奧氏體不銹鋼在乳酸中抗腐蝕性能均非常好。而2205 雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的兩倍，并且它的熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高。比較而言，2205 雙相不銹鋼作為分子蒸餾設(shè)備與液體接觸部分的材質(zhì)性價(jià)比更高。

對(duì)于刮膜轉(zhuǎn)子，采用適用于食品和藥品生產(chǎn)的復(fù)合石墨為材質(zhì)，石墨材料是惰性的，不會(huì)對(duì)物料構(gòu)成污染。

3.3 分子蒸餾設(shè)備真空度

真空度的高低直接影響物料的沸點(diǎn)，而分子蒸餾乳酸過(guò)程中沸點(diǎn)的高低直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，由于液體汽化后在高真空度下氣體體積很大，以及設(shè)備系統(tǒng)可能存在泄漏，大型的分子蒸餾設(shè)備很難保持設(shè)計(jì)的真空度。目前國(guó)內(nèi)的分子蒸餾設(shè)備多為粗真空（“粗真空”101.323kPa～1.3332kPa，“中真空”133.2Pa～13.332Pa，“高真空”<13.332Pa），而目前一些工業(yè)化設(shè)備采用水環(huán)式真空泵和二級(jí)羅茨式真空泵三級(jí)聯(lián)合抽真空也才達(dá)到200Pa，為中真空。

如何提高設(shè)備的真空度，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從以下兩個(gè)方面考慮：

首先，整體設(shè)備布置按照單元化組合模式，所有部件緊湊布置，優(yōu)化管線走向、管道結(jié)構(gòu)及連接方式，使設(shè)備整體布局合理，管線短，漏點(diǎn)少。

其次，優(yōu)化真空機(jī)組和系統(tǒng)，不要僅限于常規(guī)機(jī)械抽真空，可以結(jié)合蒸汽抽真空，與其他真空泵多級(jí)聯(lián)用，可提高分子蒸餾設(shè)備的極限真空度。設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比試驗(yàn)，主要對(duì)比不同真空機(jī)組抽真空達(dá)到的真空度，配用動(dòng)力，消耗蒸汽以及噸產(chǎn)品能源消耗。綜合考慮，選擇性價(jià)比高的機(jī)組。

3.4 分子蒸餾內(nèi)部加熱表面至冷端物料捕集器的間距及其關(guān)聯(lián)因素

分子蒸餾是依據(jù)分子運(yùn)動(dòng)均勻自由程的差別來(lái)實(shí)現(xiàn)液體在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)溫度下的分離，因此，分子蒸餾設(shè)備內(nèi)部加熱表面至冷端物料捕集器的間距（以下簡(jiǎn)稱設(shè)備冷熱端間距）既分子均勻自由程直接影響著產(chǎn)品的收率和質(zhì)量。選擇合適的設(shè)備冷熱端間距是分子蒸餾技術(shù)能否在乳酸行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)分析可知，分子蒸餾設(shè)備冷熱端間距受蒸餾溫度、壓力、進(jìn)料流量、刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等因素的影響。目前由于設(shè)備制造企業(yè)和乳酸生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合不緊密，造成企業(yè)購(gòu)進(jìn)設(shè)備為已經(jīng)設(shè)計(jì)好的冷熱端間距，乳酸生產(chǎn)企業(yè)再對(duì)蒸餾溫度、壓力、進(jìn)料流量、刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行優(yōu)化，這樣優(yōu)化出的指標(biāo)并不是最優(yōu)指標(biāo)。

對(duì)于設(shè)備制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該聯(lián)合乳酸生產(chǎn)企業(yè)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，按乳酸生產(chǎn)企業(yè)要求的產(chǎn)能設(shè)計(jì)進(jìn)料流量，設(shè)備壓力根據(jù)真空機(jī)組確定，那么剩下的蒸餾溫度和刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速我們應(yīng)該與分子蒸餾設(shè)備冷熱端間距先進(jìn)行單因素優(yōu)化，再進(jìn)行組合優(yōu)化。在其他條件不變的情況下，單獨(dú)優(yōu)選出設(shè)備冷熱端間距、短程蒸餾溫度和刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的最佳三個(gè)值，再以設(shè)備冷熱端間距、短程蒸餾溫度、刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為自變量，乳酸產(chǎn)品收率和乳酸產(chǎn)品金屬離子總量（采用原子吸收光譜測(cè)定）為因變量，進(jìn)行正交試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)可以利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備進(jìn)行改造，從而降低成本。

3.5 刮膜轉(zhuǎn)子的精密度

薄膜蒸發(fā)器和分子蒸餾蒸發(fā)器的刮膜轉(zhuǎn)子是設(shè)備的核心部件，對(duì)于保證良好的傳熱傳質(zhì)效率起到非常重要的作用，所以轉(zhuǎn)子的加工精密度是設(shè)備制造的關(guān)鍵。刮膜轉(zhuǎn)子應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡測(cè)試，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中最底端金屬環(huán)的正負(fù)偏差盡可能低（德國(guó)的SKR型刮板式刮膜轉(zhuǎn)子可達(dá)±0.1 mm），減少轉(zhuǎn)子的徑向偏移度，從而可增加轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，并降低設(shè)備的磨損率。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)對(duì)高純度乳酸的需求量越來(lái)越大，以及聚乳酸的應(yīng)用越來(lái)越廣，分子蒸餾技術(shù)對(duì)高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物系的高效分離性質(zhì)決定了在乳酸行業(yè)將被廣泛推廣應(yīng)用。因而解決分子蒸餾技術(shù)在乳酸行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。對(duì)于我國(guó)分子蒸餾設(shè)備制造企業(yè)及乳酸生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合，聯(lián)合解決分子蒸餾技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用中問(wèn)題，提升我國(guó)乳酸行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為生物基降解材料聚乳酸的規(guī)模化推廣打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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