一、概述

  香料工業(yè)是精細(xì)化工的一個(gè)分支，其特點(diǎn)是質(zhì)量要求嚴(yán)格，理化指標(biāo)一般要達(dá)到氣相色譜含量95%以上，在理化指標(biāo)合格的同時(shí)，還必須經(jīng)過(guò)調(diào)香師聞香進(jìn)行香氣的鑒定。香料品種多，數(shù)量少，大多數(shù)是沸點(diǎn)較高的有機(jī)化合物，有些還是熱敏性物質(zhì)，香料長(zhǎng)時(shí)間在高溫下加熱，會(huì)導(dǎo)致分解或聚合，降低質(zhì)量和得率。為了得到質(zhì)量?jī)?yōu)良、價(jià)格低廉的香料產(chǎn)品，不但要通過(guò)精餾操作來(lái)提純，而且要盡可能在真空狀態(tài)下進(jìn)行，以期降低精餾溫度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。雖然目前對(duì)高沸點(diǎn)和熱敏性香料的生產(chǎn)可采用分子蒸餾技術(shù)，但這一技術(shù)由于成本和設(shè)備制造技術(shù)等原因尚未得到普及。國(guó)內(nèi)外香料工業(yè)生產(chǎn)普遍采用真空精餾方法。

  二、真空精餾原理和流程

  真空精餾是指分餾系統(tǒng)在真空狀態(tài)下，通過(guò)加熱裝置的連續(xù)不斷供給熱能，對(duì)混合液進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過(guò)程，這一過(guò)程可使混合液得到近乎完全的分離。分餾系統(tǒng)的真空度越高，混合液的分離溫度便越低，可使低沸點(diǎn)的組分完全分離，亦更好地保持了香料的物理化學(xué)性質(zhì)。由于香料多為多組分物質(zhì)，各組分的汽化溫度不同，因此，在精餾過(guò)程中，不同溫度且互不平衡的氣液兩相接觸時(shí)，必然會(huì)同時(shí)產(chǎn)生傳和傳質(zhì)的雙重作用，當(dāng)上一級(jí)的液相回流與下一級(jí)的氣相直接接觸時(shí)，就可發(fā)生低沸點(diǎn)組分的多次部分汽化和較高沸點(diǎn)組分的部分冷凝。通過(guò)如此的重復(fù)多次進(jìn)行，達(dá)到精餾提純的目的。

  真空精餾操作是在直立的圓柱形精餾塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)裝有一定高度的填料。填料表面是氣液兩相進(jìn)行熱交換的場(chǎng)所。在整個(gè)真空精餾系統(tǒng)中，為了保持系統(tǒng)真空，必須配置抽真空設(shè)備。此外還需配置釜液加熱裝置和塔頂冷凝器、餾出液接受器、回流比控制裝置等。目前較先進(jìn)的分餾系統(tǒng)，采用外回流方式。此方式是把塔頂冷凝器冷凝下來(lái)的液體全部通過(guò)管路引出塔外，引出管路上裝有回流比控制閥，將餾出液按生產(chǎn)工藝要求分為回流和蒸出兩部分?；亓鞑糠忠胩盍仙喜浚ㄟ^(guò)液體分布器將回流液均勻分布到填料上，蒸出部分進(jìn)入冷卻接受器，根據(jù)其在分餾的所在階段而成為不同的餾分。這種回流比控制方法可實(shí)現(xiàn)全回流和全蒸出的極限操作，也就是說(shuō)，可進(jìn)行回流比從0到無(wú)窮大的任意調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)回流比控制閥來(lái)調(diào)節(jié)蒸出和回流的分餾液數(shù)量，可有效控制分餾過(guò)程，得到高純度的產(chǎn)品。

  原料液由精餾釜加熱汽化后，沿塔上升進(jìn)入填料區(qū)，在填料表面，上升汽體與回流的液體互相接觸，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。汽化蒸汽沿填料層逐漸上升，在填料層與回流液進(jìn)行傳質(zhì)和傳質(zhì)時(shí)，回流液中易揮發(fā)組分吸收上升汽體中的難揮發(fā)組分放出的熱量而向汽相轉(zhuǎn)移，上升汽體中的難揮發(fā)組分放出熱量而向液相轉(zhuǎn)移，上升汽體中的易揮發(fā)組分進(jìn)入塔頂冷凝器中被全部冷凝。冷凝液經(jīng)管路引出，通過(guò)安裝在引出管上的回流比控制閥將部分準(zhǔn)凝液送回填料區(qū)作為回流液體，其余部分經(jīng)冷卻后作為餾出液。

  在不同的溫度段，所得到的餾出液含量不同，一般先餾出低沸點(diǎn)的頭子，其餾出溫度較低，在微負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行即可。整個(gè)分餾過(guò)程，真空度應(yīng)由低到高逐漸增加，隨著餾出液含量逐漸增高，真空度相應(yīng)提高，分餾溫度可保持相對(duì)穩(wěn)定，通常在產(chǎn)品分餾階段，加熱溫度和真空度會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，直至產(chǎn)品基本餾出。產(chǎn)品餾出后，繼續(xù)升高溫度，將餾出后產(chǎn)，其香氣會(huì)較差，含量降低。最后，殘留在釜內(nèi)的液體由釜底放出，稱為腳子。一般從餾出頭子開始到放出腳子，一個(gè)分餾過(guò)程即告結(jié)束。

  三、香料生產(chǎn)中塔器的選型

  分餾塔是真空精餾裝置的重要部件，氣液兩相物料在塔內(nèi)作相對(duì)方向流動(dòng)，進(jìn)行密切的接觸，從而達(dá)到傳熱和傳質(zhì)的目的。塔的型式一般來(lái)說(shuō)可分為二大類，即板式塔和填料塔。

  填料塔在香料工業(yè)上得到廣泛使用的重要原因是由于這種填料在間歇真空精餾操作中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。主要表現(xiàn)在如下幾方面：

  1. 填料的壓降小。填料塔中靠回流液在填料表面形成的液膜與

  上升的氣體來(lái)進(jìn)行傳質(zhì)，比板式塔要靠氣體穿過(guò)板上液層來(lái)傳質(zhì)的壓降損失小得多。整個(gè)塔身壓降小所帶來(lái)的好處是可以降低塔釜的操作溫度，從而節(jié)省加熱蒸汽與熱損失。此外，溫度降低可防止熱敏性香料在分餾過(guò)程中的變質(zhì)。

  2. 等板高度(HETP)值小。每米高度的填料層可相當(dāng)于十塊

  理論塔板。而板式塔在減壓狀況下的塔板距至少在0.5米左右，并且塔板效率只有60%左右。

  3. 滯留量少。填料上維持一層液膜，比板式塔中的滯留量少而

  且在停止操作時(shí)，滯留液容易漏完，便于清洗和更換產(chǎn)品。這點(diǎn)對(duì)間歇操作的塔來(lái)說(shuō)十分重要。

  4. 易于用耐腐蝕材料制造塔器。香料的價(jià)值較高，質(zhì)量規(guī)格十

  分嚴(yán)格。一般用不銹鋼材料以減少成品中的雜質(zhì)。

  填料的操作原理是靠物料具有的表面張力特性，在網(wǎng)孔內(nèi)形成一

  層0.1毫米厚的液膜，氣體在膜 的二面上升，回流液沿液膜下降，如此不斷地進(jìn)行質(zhì)量傳遞。由于氣液二相嚴(yán)格按規(guī)定的路線各走各的路，互不相干，液膜又薄,因此壓降特別小，流通量特別大。傳質(zhì)效率非常高。

  四、真空精餾管路系統(tǒng)

  真空精餾要正常操作，必須有一個(gè)設(shè)計(jì)合理的管路系統(tǒng)，因?yàn)槿绻苈废到y(tǒng)不合理，為了得到高真空度，必須選用真空度過(guò)于好的真空機(jī)組，從而造成投資浪費(fèi)。因此進(jìn)行管路設(shè)計(jì)非常重要。真空系統(tǒng)的管路，在真空精餾裝置中，主要是真空泵到塔頂冷凝器之間的管路。這段管路的長(zhǎng)度和管徑影響到壓降損失的大小。管路長(zhǎng)，壓降損失大，管徑太小，管內(nèi)氣流的線速度太大，會(huì)造成大的壓降損失。

  根據(jù)流體力學(xué)原理，系統(tǒng)的幾何形狀的變化，管路的彎曲和分支，由于氣體的分子對(duì)管壁和本身之間的撞擊，都會(huì)帶來(lái)一定的氣流阻力。這種阻力與管內(nèi)流量和真空度有密切的關(guān)系。在設(shè)定的真空機(jī)組進(jìn)口和塔頂冷凝器出口真空度下，真空管路的直徑與其長(zhǎng)度有一定的關(guān)系。根據(jù)資料介紹的簡(jiǎn)便計(jì)算方法，可以設(shè)計(jì)出真空管路的幾何尺寸。

  1. 公式：真空機(jī)組的抽氣流量：

  J0=P0*V0 mmHg –L/s

  V0---真空機(jī)組的抽氣速率L/s

  P0---真空機(jī)組的極限真空度mmHg abs

  管道中的壓力損失：

  當(dāng)l/d大于30時(shí)， △P=J/12.1(α)(d3/l)mmHg

  當(dāng)l/d小于10時(shí)， △P=J/12.1(β)(α)(d3/l)

  β=1/(1+1.34+d/l)

  l –管道長(zhǎng)度cm

  d--管道內(nèi)徑cm

  P—管道中平均壓力=1.2—1.6P。mmHg

  α----系數(shù)由表查得。

  五、真空精餾系統(tǒng)的密封性設(shè)計(jì)

  真空精餾系統(tǒng)的密封性對(duì)系統(tǒng)的安全性影響非常大，因?yàn)榭諝獾捏w積在真空狀態(tài)下將成百倍地?cái)U(kuò)大，會(huì)使真空度下降而無(wú)法操作。目前使用的填料塔中大多為網(wǎng)狀填料，比表面積很大，空氣漏到塔內(nèi)就很快與液體密切接觸，如果分餾醛類香料，便會(huì)立即發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被熱阻性很大的不銹鋼絲網(wǎng)吸收，整段的塔柱會(huì)被燒得通紅。絲網(wǎng)被融化結(jié)塊，這是非常危險(xiǎn)的。

  工業(yè)上以泄漏量來(lái)考核設(shè)備的密封性，以下式表示：

  L=△p*V/△t=(P2-P1) /T2-T1

  小于或等于0.1

  △p是在△t時(shí)間間隔內(nèi)的壓力降mmHg

  △ t是測(cè)量的時(shí)間間隔s(秒)

  V 是該系統(tǒng)的總體積L(升)

  西德Leybold Heraeus公司資料稱，對(duì)高真空系統(tǒng)的要求是

  L≤10-6認(rèn)為非常密封;

  L≤10-5認(rèn)為相當(dāng)密封;

  L≤10-4認(rèn)為不密封。

  1mmHg=1.33mbar(毫巴)

  香料生產(chǎn)的真空系統(tǒng)多數(shù)屬于中等真空系統(tǒng)，一般要求達(dá)到10-3毫巴的真空度，所以只要符合L≤01就可以認(rèn)為合格。但要達(dá)到這樣的要求亦不是輕而易舉的。精餾系統(tǒng)的密封性要在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)予以保證。為此，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要注意如下方面：

  1. 真空管路應(yīng)該采用焊接管材。因其壁薄省料、密封性好;

  2. 在必要的檢修處采用法蘭聯(lián)接，其密封性比螺紋聯(lián)接好;

  3. 設(shè)備的法蘭采用凹凸面法蘭，增加氣體泄漏阻力;

  4. 儀表接口盡量采用錐管螺紋;

  5. 精餾設(shè)備系統(tǒng)液位顯示選用板式玻璃液位計(jì);

  6. 真空檢測(cè)儀表管路與設(shè)備的聯(lián)接采用焊接，儀表管路采用焊接聯(lián)接;

  7. 真空系統(tǒng)的料液和產(chǎn)品的輸送選用雙機(jī)械密封的輸送泵;

  真空系統(tǒng)的輸送管路采用高精度的單向閥管件,防止系統(tǒng)外的空氣泄漏到真空系統(tǒng)內(nèi)。