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摘 要 真空技术在化学、制药行业应用广泛，介绍了真空蒸馏的过程、设备及应用。
关键词 真空 蒸馏 技术 装备
一、引言
在化工、制药等行业，真空技术得到广泛应用，常见的有真空蒸馏、真空蒸发、真空脱气、真空过滤以及真空冷冻干燥等。这些应用是利用了真空能使操作压力降低从而降低物质沸点这一特性，或者是利用它作为过滤动力、或脱气过程的辅助推动力等特性。
通常用实际压力和大气压的差额或绝对压力来定义真空条件。在绝对压力為1atm-1mmHg范围内，一般用其与大气压的差来衡量真空度。尽管绝对真空（即绝压为零）在现实中是做不到的，但可方便的把绝对真空作为真空测量的参考点。
对大部分涉及真空的过程，其操作压力（绝压，下同）通常为10～250mmHg，但对半导体加工行业，一般要求低至1mmHg以下，甚至要达到10-3mmHg水平。通常将绝压为760-1mmHg的操作称为粗真空操作，绝压为1-10-3mmHg的操作称为中真空操作，绝压为10-3-10-7mmHg的操作称为中真空操作，绝压为10-7mmHg的操作称为超低真空操作。
下面主要对真空蒸馏、蒸发过程及其装备做一简要介绍。
二、 真空蒸馏技术
化工生产中，当涉及到高沸点或热敏性化合物的分离或提纯，往往使用减压蒸馏，这就离不开真空操作。因为压力降低不但使蒸馏温度明显降低，还可以提高两种沸点接近的物料的相对挥发度，明显改善其共沸现象，有利于这些混合物的分离。
蒸馏操作的压力按照不同要求，既可略低于常压，也可达到像分子蒸馏这样的极端状况（小于0.001mmHg）;既可采用间歇操作形式，也可采用半间歇或连续操作形式。
真空蒸馏常用的是塔设备。真空蒸馏塔结构与常压蒸馏塔相似，但针对真空操作条件进行了优化。例如，对粗真空蒸馏操作（常压～5mmHg），既可以使用塔盘，也可以使用堆积填料或结构填料，其典型压力降为：3-5mmHg/塔盘，或1-3mmHg/理论板，而高效结构填料的压降甚至可低至0.1mmHg/理论板。
与常压蒸馏塔相比，真空蒸馏塔由于塔径较大且蒸汽密度低，在塔内获得良好液体分布的难度较高。为此，可采用带有定时器的喷咀增加对填料的有效湿润;或者先把部分蒸汽预冷下来再导向填料，而不是依靠冷凝回流液来湿润填料。
对间歇真空蒸馏系统，设计时必须重视搅拌动密封的选择问题。另外，蒸汽物流中不凝性气体或难凝性蒸气的存在，影响冷凝器的冷凝效果。如果难凝性蒸气数量较大，常利用一台二级冷凝器（或尾气冷凝器）去除初级冷凝器所去不掉的可凝性蒸气。
对中真空蒸馏，采用间歇式操作可达到最佳分离效率。设计适当的中真空间歇蒸馏设备，具有混合性能优异、压降低、产能大的优势。系统操作压力可低至0.01mmHg，蒸馏速率可高达1000kg/h。限制中真空蒸馏釜产能的因素是液体表面与冷凝器之间的截面积。
用真空间歇蒸馏设备处理既含有高挥发度物质，又含有低挥发度物质的进料有很多优势。要去除挥发性组分（如进料混合物中的水或溶剂），只需在中等真空和较低温度操作，就能将挥发度较高的组分分离出来。这同时还有利于挥发性馏出物的冷凝和提高回收效率，便于重新利用或排放。对不容许馏出物被进料污染的场合，中真空蒸馏是一个非常好的选择。
尽管由于存在较大压降使得中真空蒸馏塔通常不使用填料，但为适应超低压降而定制设计的填料还是可以使用的。这类专门设计的填料能改善中真空条件下汽-液之间的交互作用。
中真空间歇蒸馏可用来处理热敏性化合物如2-羟乙基甲基丙烯酸酯、三氯硅烷和香草醛提取物等。
三、真空蒸馏设备
1、降膜蒸发器
降膜蒸发器中的蒸馏操作是一个连续过程。料液自加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置均匀分配到各换热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。流动过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸气与液相共同进入蒸发器的分离室，气液经充分分离，蒸气进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出。液膜质量主要取决于进料粘度、密度和流率。降膜蒸发器特别适合于粘度很低进料中的挥发性组分与非挥发性组分的分离。缺点是分离效率很低，其分离效率通常比中真空间歇蒸馏低几个数量级。
2、刮膜蒸发器
刮膜蒸发器是为了克服降膜蒸发器设计上的局限性而开发的。通过旋转刮膜器强制成膜，并高速流动，真空压降小（真空度可达5mmHg）、操作温度低、受热时间短（约10～50秒）、蒸发强度高、操作弹性大，适宜于处理热敏性和要求平稳蒸发的、高粘度的及随浓度提高粘度急剧增加的物料，其蒸发过程也能保持相对平稳。
类似于降膜蒸发器，刮膜蒸发器的进料也是从顶部向下在受热器壁上流动的，但其液膜被旋转刮动装置进行机械铺展。蒸汽经刮板向上逆流进入一外设冷凝器。这种设计由于比降膜蒸发器有更好的汽-液交互作用，因此使分离效率得以提高，并具有较高的处理容量。
3、 短程蒸发器
短程蒸发器包括短程降膜蒸发器、离心分子蒸馏器和短程刮膜蒸发器三种形式。
之所以称之为短程蒸发器，是因为其蒸发器表面和冷凝器表面之间的距离被设计得尽可能短，故可达到最高的蒸馏速率。
（1）短程降膜蒸发器
这是三种形式的短程蒸发器中结构最简单的，特别适合于处理低粘度物料。真空条件下，进料从顶部引入并沿受热表面流动。冷凝器（或冷凝表面）与蒸发表面之间的距离设计的应尽可能近。由于不存在运动部件，所以不存在不会出现动密封问题。
（2）离心分子蒸馏器 分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，其原理不同于传统蒸馏，传统蒸馏是依靠沸点差进行分离，而分子蒸馏是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离，只要存在温度差就可以达到分离目的。分子蒸馏需要在高真空下操作，其真空度一般为0.001～0.5mmHg，蒸汽速度取决于分子温度。
在离心分子蒸馏器中，物料从蒸发器顶部被送入一个受热的旋转转子中心，然后均匀向边缘扩展。从加热面上逸出的轻分子，经过短的路线几乎未经碰撞就到内置冷凝器上冷凝成液，并沿冷凝器管流下，通过泵被抽入或借助重力进入一个大的收集器内。转子的速度（即停留时间）、温度和压力可控。多数系统还有一个集成进料脱气室。
离心分子蒸馏器的优点是能够处理具有轻微粘度的物料，停留时间、温度和压力易于控制，使用历史悠久，适合工业化连续生产。缺点是分离效率不高，结构复杂、制造及操作难度大，正逐渐被更先进的蒸馏装置所取代。
（3）短程刮膜蒸发器
与上述两种短程系统相比，短程刮膜蒸发器开发历史最短。短程刮膜蒸发器采用机械搅拌-刮膜模式，并与内置冷凝器相结合。如果进料处理量中等及以上，且对分离效率要求不高或物料粘度很高，推薦使用这类蒸发器。缺点主要是分离效率差，存在蒸馏产品被进料直接污染的可能性。
参考文献
[1] 余国琮 主编. 化工机械工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，2003. 13-150; 13-169
[2] Ryans J L， Roper D L. Process Vacuum System Design and Operation[M]. New York： McGraw-Hill， 1986. 116～120
[3] Eckles A J. When to use high vacuum distillation[J]. Chemical Engineering， 1991， 98（5）： 201～204
[4] Eckles A J， Benz P H. The basics of vacuum processing[J]. Chemical Engineering， 1992， 99（1）： 80～86
[5] Croll S W. Keeping steam ejectors on-line[J]. Chemical Engineering， 1998， 105（4）： 108
关键词 真空 蒸馏 技术 装备
一、引言
在化工、制药等行业，真空技术得到广泛应用，常见的有真空蒸馏、真空蒸发、真空脱气、真空过滤以及真空冷冻干燥等。这些应用是利用了真空能使操作压力降低从而降低物质沸点这一特性，或者是利用它作为过滤动力、或脱气过程的辅助推动力等特性。
通常用实际压力和大气压的差额或绝对压力来定义真空条件。在绝对压力為1atm-1mmHg范围内，一般用其与大气压的差来衡量真空度。尽管绝对真空（即绝压为零）在现实中是做不到的，但可方便的把绝对真空作为真空测量的参考点。
对大部分涉及真空的过程，其操作压力（绝压，下同）通常为10～250mmHg，但对半导体加工行业，一般要求低至1mmHg以下，甚至要达到10-3mmHg水平。通常将绝压为760-1mmHg的操作称为粗真空操作，绝压为1-10-3mmHg的操作称为中真空操作，绝压为10-3-10-7mmHg的操作称为中真空操作，绝压为10-7mmHg的操作称为超低真空操作。
下面主要对真空蒸馏、蒸发过程及其装备做一简要介绍。
二、 真空蒸馏技术
化工生产中，当涉及到高沸点或热敏性化合物的分离或提纯，往往使用减压蒸馏，这就离不开真空操作。因为压力降低不但使蒸馏温度明显降低，还可以提高两种沸点接近的物料的相对挥发度，明显改善其共沸现象，有利于这些混合物的分离。
蒸馏操作的压力按照不同要求，既可略低于常压，也可达到像分子蒸馏这样的极端状况（小于0.001mmHg）;既可采用间歇操作形式，也可采用半间歇或连续操作形式。
真空蒸馏常用的是塔设备。真空蒸馏塔结构与常压蒸馏塔相似，但针对真空操作条件进行了优化。例如，对粗真空蒸馏操作（常压～5mmHg），既可以使用塔盘，也可以使用堆积填料或结构填料，其典型压力降为：3-5mmHg/塔盘，或1-3mmHg/理论板，而高效结构填料的压降甚至可低至0.1mmHg/理论板。
与常压蒸馏塔相比，真空蒸馏塔由于塔径较大且蒸汽密度低，在塔内获得良好液体分布的难度较高。为此，可采用带有定时器的喷咀增加对填料的有效湿润;或者先把部分蒸汽预冷下来再导向填料，而不是依靠冷凝回流液来湿润填料。
对间歇真空蒸馏系统，设计时必须重视搅拌动密封的选择问题。另外，蒸汽物流中不凝性气体或难凝性蒸气的存在，影响冷凝器的冷凝效果。如果难凝性蒸气数量较大，常利用一台二级冷凝器（或尾气冷凝器）去除初级冷凝器所去不掉的可凝性蒸气。
对中真空蒸馏，采用间歇式操作可达到最佳分离效率。设计适当的中真空间歇蒸馏设备，具有混合性能优异、压降低、产能大的优势。系统操作压力可低至0.01mmHg，蒸馏速率可高达1000kg/h。限制中真空蒸馏釜产能的因素是液体表面与冷凝器之间的截面积。
用真空间歇蒸馏设备处理既含有高挥发度物质，又含有低挥发度物质的进料有很多优势。要去除挥发性组分（如进料混合物中的水或溶剂），只需在中等真空和较低温度操作，就能将挥发度较高的组分分离出来。这同时还有利于挥发性馏出物的冷凝和提高回收效率，便于重新利用或排放。对不容许馏出物被进料污染的场合，中真空蒸馏是一个非常好的选择。
尽管由于存在较大压降使得中真空蒸馏塔通常不使用填料，但为适应超低压降而定制设计的填料还是可以使用的。这类专门设计的填料能改善中真空条件下汽-液之间的交互作用。
中真空间歇蒸馏可用来处理热敏性化合物如2-羟乙基甲基丙烯酸酯、三氯硅烷和香草醛提取物等。
三、真空蒸馏设备
1、降膜蒸发器
降膜蒸发器中的蒸馏操作是一个连续过程。料液自加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置均匀分配到各换热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。流动过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸气与液相共同进入蒸发器的分离室，气液经充分分离，蒸气进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出。液膜质量主要取决于进料粘度、密度和流率。降膜蒸发器特别适合于粘度很低进料中的挥发性组分与非挥发性组分的分离。缺点是分离效率很低，其分离效率通常比中真空间歇蒸馏低几个数量级。
2、刮膜蒸发器
刮膜蒸发器是为了克服降膜蒸发器设计上的局限性而开发的。通过旋转刮膜器强制成膜，并高速流动，真空压降小（真空度可达5mmHg）、操作温度低、受热时间短（约10～50秒）、蒸发强度高、操作弹性大，适宜于处理热敏性和要求平稳蒸发的、高粘度的及随浓度提高粘度急剧增加的物料，其蒸发过程也能保持相对平稳。
类似于降膜蒸发器，刮膜蒸发器的进料也是从顶部向下在受热器壁上流动的，但其液膜被旋转刮动装置进行机械铺展。蒸汽经刮板向上逆流进入一外设冷凝器。这种设计由于比降膜蒸发器有更好的汽-液交互作用，因此使分离效率得以提高，并具有较高的处理容量。
3、 短程蒸发器
短程蒸发器包括短程降膜蒸发器、离心分子蒸馏器和短程刮膜蒸发器三种形式。
之所以称之为短程蒸发器，是因为其蒸发器表面和冷凝器表面之间的距离被设计得尽可能短，故可达到最高的蒸馏速率。
（1）短程降膜蒸发器
这是三种形式的短程蒸发器中结构最简单的，特别适合于处理低粘度物料。真空条件下，进料从顶部引入并沿受热表面流动。冷凝器（或冷凝表面）与蒸发表面之间的距离设计的应尽可能近。由于不存在运动部件，所以不存在不会出现动密封问题。
（2）离心分子蒸馏器 分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，其原理不同于传统蒸馏，传统蒸馏是依靠沸点差进行分离，而分子蒸馏是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离，只要存在温度差就可以达到分离目的。分子蒸馏需要在高真空下操作，其真空度一般为0.001～0.5mmHg，蒸汽速度取决于分子温度。
在离心分子蒸馏器中，物料从蒸发器顶部被送入一个受热的旋转转子中心，然后均匀向边缘扩展。从加热面上逸出的轻分子，经过短的路线几乎未经碰撞就到内置冷凝器上冷凝成液，并沿冷凝器管流下，通过泵被抽入或借助重力进入一个大的收集器内。转子的速度（即停留时间）、温度和压力可控。多数系统还有一个集成进料脱气室。
离心分子蒸馏器的优点是能够处理具有轻微粘度的物料，停留时间、温度和压力易于控制，使用历史悠久，适合工业化连续生产。缺点是分离效率不高，结构复杂、制造及操作难度大，正逐渐被更先进的蒸馏装置所取代。
（3）短程刮膜蒸发器
与上述两种短程系统相比，短程刮膜蒸发器开发历史最短。短程刮膜蒸发器采用机械搅拌-刮膜模式，并与内置冷凝器相结合。如果进料处理量中等及以上，且对分离效率要求不高或物料粘度很高，推薦使用这类蒸发器。缺点主要是分离效率差，存在蒸馏产品被进料直接污染的可能性。
参考文献
[1] 余国琮 主编. 化工机械工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，2003. 13-150; 13-169
[2] Ryans J L， Roper D L. Process Vacuum System Design and Operation[M]. New York： McGraw-Hill， 1986. 116～120
[3] Eckles A J. When to use high vacuum distillation[J]. Chemical Engineering， 1991， 98（5）： 201～204
[4] Eckles A J， Benz P H. The basics of vacuum processing[J]. Chemical Engineering， 1992， 99（1）： 80～86
[5] Croll S W. Keeping steam ejectors on-line[J]. Chemical Engineering， 1998， 105（4）： 108