基于CFD/MD模拟下短程蒸馏机理与实验研究

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短程蒸馏技术虽在工业生产中广泛应用,但其分离机理尚未得到确切的解释,操作条件及冷热面间距等条件的选择仍需依赖经验。为了探讨短程蒸馏传热传质机理,以复杂长碳链的DHA-EPA作为研究对象,通过流体力学和分子动力学理论指导宏微观模拟仿真分析,最后通过实验进行验证。在CFD数值模拟中,采用了三维系统模型与蒸发冷凝单元体的二维模型相结合的方法进行计算,对冷热面的液膜状态、液膜温度和浓度的变化规律以及传热传质机理进行分析,以蒸发冷凝效率为指导参数,得出最佳的制取条件为:进料速度3ml/min、转速为300rpm、蒸发温度为550K、冷凝温度为250K、初始压力为0.1Pa;以三维模拟结果为指导,使用二维模型对气液界面上对流和湍动对气液传质速率进行分析,得到了短程蒸馏过渡区内气液相体积分数和温度变化规律,结果表明:在短程蒸馏过渡区内,气液相体积分数与温度变化规律一致,过渡区属于稳定的对流区间;通过对传热系数和传质速率计算可知,二者主要受温度差和浓度差的影响,随着高度降低,蒸发面上传热系数和传质速率减少;冷凝面上传热系数和传质速率在一定的波动下增大,入口处的气液相转换较为强烈。以二维模拟结果为指导,采用MD方法对短程蒸馏过渡区内的气液相分布规律以及间距对蒸发效率的影响进行分析。模拟结果表明:过渡区的传质传热主要由对流换热来控制,间距的增大仅仅只是方向维度的加长,并不会影响其传质传热过程,温差和浓度差并没有产生剧烈变化。冷热面附近的温度和分子数密度波动均较大,是非稳态的过程;而过渡区内的温度和分子数密度处于一种动态平衡的传热传质过程,随着间距的增加,分子的数密度在过渡区内达到一种饱和动态平衡状态,且未对其蒸发效率产生影响。最后以FAX(262)268-9400型短程蒸馏设备制定了鱼油除酸的单因素实验方案,通过对馏出物进行酸值和气相色谱仪检测,并与国家标准GB/T 5530-2005《动植物油脂—酸值和酸度的测定》进行比较分析,按照数值模拟结果制取的鱼油能够达到国家标准。本文以CFD/MD数值模拟为研究手段,探讨短程蒸馏分离过程原理以及传热传质机理,分析了冷热面间距对蒸发冷凝的影响规律,为短程蒸馏精制长碳链等复杂物系提供了理论与实验指导。
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