一种毛细冷凝原理、工艺及其设备

本发明涉及一种毛细冷凝原理、工艺及其设备。该技术属于化学工程的热工传导分离工程及热工设备技术领域。 

本发明涉及一种毛细冷凝原理、工艺及其设备，即本发明依据于毛细管在液相中存在着毛细管上升即表面张力现象，借此液体固有毛细管上升现象及其表面张力现象，发明了一种溶液蒸发或精馏溶剂蒸汽毛细冷凝原理、工艺及其设备。 

众所周知，当干净的玻璃毛细管插入液体中时，若此液体能润湿毛细管壁，则因表面张力的作用，液体沿毛细管上升，直到上升的力被液柱的重力所平衡而停止上升，即称之为毛细管上升，此正是毛细管蒸发加速的原理与动力。此毛细力可以加速蒸发溶剂气相的分离！ 

液膜有自动收缩的趋势，这种收缩表面的力叫表面张力。其物理意义在于表面张力是沿着与表面相切的方向，垂直通过液体表面上任一单位长度收缩表面的力。任何液体，在一定的条件下均有一定的表面张力。如水在20℃是的表面张力为72.75mN/m。 

鉴于此，本发明实现了一种毛细冷凝器，其排液效果好，冷凝效率高，就热能的利用而言节能、低碳、高效。 

一种毛细冷凝原理、工艺及其设备，其特征在于包括以下步骤： 

本发明毛细冷凝原理即为毛细管自然上升法。 

我们知道，毛细管自然上升力其几乎是不受任何受力方向的作用与影响。当干净的玻璃毛细管插入液体中时，若此液体能润湿毛细管壁，则因表面张力的作用，液体沿毛细管上升，直到上升的力(2πγcosθ)被液柱的重力(πr2ρgh)所平衡而停止上升，即： 

2πγcosθ＝πr2ρgh    (1) 

整理(1)式，得到： 

$\mathrm{\γ}=\frac{r^2\mathrm{\ρgh}}{2\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

式中：γ为表面张力，r为毛细管直径，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液柱高， θ为接触角。 

液膜有自动收缩的趋势，这种收缩表面的力叫表面张力。其物理意义在于沿着与表面相切的方向，垂直通过液体表面上任一单位长度收缩表面的力，通常存在表面张力，其单位用mN/m表示。 

任何液体，在一定的条件下均有一定的表面张力。如水在20℃时的表面张力为72.75mN/m。 

本发明涉及一种毛细冷凝原理、工艺及其设备，即依据于毛细管在水相中存在的表面张力现象，并借助于液体的存在的表面张力发明、实现了溶液蒸发或精馏溶剂蒸汽毛细冷凝原理、工艺及其设备。 

本发明毛细冷凝工艺是依据于毛细管在水相中存在的表面张力现象，并借助于溶液蒸发或精馏溶剂固有的溶剂表面张力而加速溶剂的毛细组合、耦合化冷凝与分离。 

其工艺流程为：见图1。 

本发明的毛细冷凝工艺设备流程，主要包括：毛细蒸发再沸加热器①、耦合化汽液分离器②、毛细冷凝吸嘴管束③、毛细蒸发组合、耦合化冷凝器④、接管⑤、接管⑥、蒸汽、导热油等热媒⑦、空气或水等冷媒⑧、不凝性气体⑨等。毛细组合、耦合化冷凝器③主要由毛细冷凝吸嘴管束④及其冷凝管组⑩组成。 

本发明毛细冷凝工艺设备流程简单，适用能力强；冷凝原理清晰、合理，换热效能高，实现了高效、节能冷凝，特别适用于溶剂常压蒸发冷凝，实现了冷凝新原理、新工艺、新设备的科学与技术的创新。 

其工艺设备流程为：见图2。 

本发明毛细冷凝器，主要包括：毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管①、毛细管锥头管束②、上管板③、毛细蒸发冷凝管组④、下管板⑤、下封头⑥等。 

毛细冷凝器主要是通过溶液蒸发或精馏溶剂蒸汽的毛细管束其液体表面张力的作用实现冷凝液的不断冷凝和排除，溶液毛细管束冷凝、分离可以实现毛细组合、耦合化的冷凝分离。 

本发明毛细冷凝器冷凝排液效果好，冷凝效率高，就热能的利用而言节能、低碳、高效。 

图1本发明毛细冷凝工艺原理图； 

图2本发明毛细冷凝工艺设备流程图； 

图3是本发明卧式或斜式毛细冷凝器结构示意图。其图中1为毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管，2为毛细管锥头管束，3为上管板，4为毛细蒸发冷凝管组，5为下管板，6为下封头； 

图4是本发明立式毛细冷凝器结构示意图。其图中1为毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管，2为毛细管锥头管束，3为上管板，4为毛细蒸发冷凝管组，5为下管板，6为下封头； 

图5是本发明直接导引式毛细冷凝器结构示意图。其图中1为毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管，2为毛细管锥头管束，3为汽液分离室，4为液封及压力调节平衡槽，5为压力平衡管； 

图6是本发明毛细冷凝器单管毛细管结构示意图。其图中1为毛细管锥头段，2为毛细管过渡段，3为毛细管段，d内为毛细管锥头小端内径，mm；D内为毛细管锥头大端内径，mm；L1为毛细管锥头长度，mm；L2为毛细管过渡端长度，mm；L3为毛细管锥头+过渡端长度，mm；L4为毛细管直线段长度，mm。 

本发明的技术核心是发明了毛细冷凝原理及其毛细管表面张力应用于毛细溶剂蒸汽的冷凝，在溶液蒸发或精馏中实现了蒸发或精馏溶液溶剂蒸汽毛细吸嘴管束的毛细组合、耦合力及其技术用于毛细蒸发或精馏溶剂的冷凝原理、工艺及设备的应用与设计。 

本发明的毛细冷凝器的组成，主要包括：毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管①、毛细管锥头管束②、上管板③、毛细蒸发冷凝管组④、下管板⑤、下封头⑥等。 

本发明的实施例阐述如下： 

本发明毛细冷凝器第一实施例的溶液蒸发溶剂的毛细冷凝原理为毛细管自然上升法。主要公式为： 

2πγcosθ＝πr2ρgh    (1) 

$\mathrm{\γ}=\frac{r^2\mathrm{\ρgh}}{2\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

式中：γ为表面张力，r为毛细管直径，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液柱高，θ为接触角。 

本发明毛细冷凝器第二实施例的溶液蒸发溶剂的毛细冷凝工艺流程，如图1所示。溶液蒸发溶剂不断通过毛细蒸发管束其液体表面张力的作用实现冷凝液的不断冷凝和排除。溶液 蒸发溶剂的毛细管束冷凝、分离可以组合、耦合化成新的毛细管冷凝工艺。毛细冷凝可以通过诸多毛细冷凝管组合、耦合化的液体表面张力的作用实现溶剂蒸汽的自然直接或间接的风冷凝或直接或间接的水冷凝及其排除，进而实现溶液的溶剂毛细蒸发冷凝分离。 

本发明毛细冷凝器第三实施例的毛细冷凝工艺设备流程，如图2所示。主要包括：毛细蒸发再沸加热器①、耦合化汽液分离器②、毛细冷凝吸嘴管束③、毛细蒸发组合、耦合化冷凝器④、接管⑤、接管⑥、蒸汽、导热油等热媒⑦、空气或水等冷媒⑧、不凝性气体⑨等。毛细组合、耦合化冷凝器③主要由毛细冷凝吸嘴管束④及其冷凝管组⑩组成。 

本发明毛细冷凝工艺设备流程简单，适用能力强；冷凝原理清晰、合理，换热效能高，实现了高效、节能冷凝，特别适用于溶剂常压蒸发冷凝，实现了冷凝新原理、新工艺、新设备的科学与技术的创新。 

本发明毛细冷凝器第四实施例为卧式或斜式毛细冷凝器结构，如图3所示。主要由毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管1、毛细管锥头管束2、上管板3、毛细蒸发冷凝管组4、下管板5、下封头6组成。 

本发明毛细蒸发器第五实施例为立式毛细冷凝器结构，如图4所示。主要由毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管1、毛细管锥头管束2、上管板3、毛细蒸发冷凝管组4、下管板5、下封头6组成。 

本发明毛细蒸发器第六实施例为直接导引式毛细冷凝器结构，如图5所示。主要由毛细冷凝蒸汽导引封头及导引管1、毛细管锥头管束2、汽液分离室3、液封及压力调节平衡槽4、压力平衡管5组成。 

本发明毛细冷凝器第七实施例为毛细冷凝器单管毛细管结构，如图6所示。主要标识了毛细管锥头段1、毛细管过渡段2、毛细管段3、毛细管锥头小端内径d内、毛细管锥头大端内径D内、毛细管锥头长度L1、毛细管过渡端长度L2、毛细管锥头+过渡端长度L3、毛细管直线段长度L4。 

本发明毛细冷凝毛细管及其管束吸嘴椎度为：D内/L1＝0.20～0.28，吸嘴管径梯度比例为：d内/D内＝0.1～0.7。 

本发明毛细冷凝器可以并联或串联组合使用。 

本发明毛细冷凝器第八实施例为系列毛细冷凝效果对比实验，效果十分显著。主要结果如表1、2、3、4、5、6所示。 

表1乙酸乙酯提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

表2乙醇提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

表3正己烷n‑hexane提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

表4甲醇提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

表5丙酮提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

表6石油醚提取塔拉粉提取液蒸发溶剂蒸汽毛细冷凝试验结果 

以上所述仅是本发明的优选实施例，就本技术领域的科学技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。