旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器, 也稱刮板薄膜蒸發(fā)器或機械攪拌薄膜蒸發(fā)器, 近年來在石油、化工、醫(yī)藥、食品及環(huán)保等行業(yè)中獲得日益廣泛的應用。南京化工大學化工設備設計研究所于 1988 年與無錫大眾化工廠合作 ,研制了用于連二亞硫酸鈉溶液濃縮用的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器,取得成功。繼而又開發(fā)了將 30 %濃度燒堿(NaOH)溶液濃縮到 50 %以上的薄膜蒸發(fā)器^[ 1] 。目前,該薄膜蒸發(fā)器產(chǎn)品已形成兩個系列 7 種規(guī)格, 在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應用。
1 結構原理與性能參數(shù)
 
旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器結構如圖 1 所示。主要由上部的驅(qū)動部分和下部的蒸發(fā)濃縮部分組成。驅(qū)動部分由電機和減速機組成。軸封處上端采用機械密封, 下端采用軸承密封保證設備的密閉性。蒸發(fā)濃縮部分由轉(zhuǎn)子和裝有加熱夾套的筒體組成。轉(zhuǎn)子由分布器、捕沫器、主軸、溝槽刮板及其支架組成。設備底部為濃縮液出口, 上部側(cè)面為二次蒸汽出口。
 
旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器采用的是降膜真空蒸發(fā)。操作時,物料自進口進入蒸發(fā)器內(nèi) ,由旋轉(zhuǎn)的分布器均勻地分布在內(nèi)壁受熱面上, 被刮板涂布成薄而均勻的一層膜 ,并強制形成湍流 ,向下移動吸收夾套傳入的熱量,并迅速蒸發(fā)濃縮。濃縮液自出料口直接或通過冷卻

器進入接收器。二次蒸汽向上經(jīng)捕沫器去除夾帶的霧滴和泡沫后, 由二次蒸汽管口排出流**冷凝器或進入下一工序。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

	圖 1	旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器結構簡圖
1	———電機、減速機;2		———上端機械密封; 3		———分離筒;
4	———捕沫器;	5	———分布器;	6	———主軸;
7	———刮板;	8	———筒體;	9	———夾套;
10	———底封頭;	11	———下端密封;	12	———支座

 
目前開發(fā)的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器的規(guī)格及性

338

化

工

機

械

1997 年

能參數(shù)見表 1 。

表 1

薄膜蒸發(fā)器主要技術參數(shù)

項

目

GXZ-1

GXZ-2

GXZ-4

GXZ-6

GXZ-8

GXZ-10

HRZ-20

蒸發(fā)面積/ m2

1

2

4

6

8

10

20

設備內(nèi)真空度/ ×133 .32Pa

650

650

650

650

650

650

650

夾套內(nèi)壓力/ MPa

0 .25

0 .25

0 .25

0 .25

0 .25

0 .25

0 .25

設備內(nèi)

<100

<100

<100

<100

<100

<100

<100

夾套內(nèi)

<150

<150

<150

<150

<150

<150

<150

介

質(zhì)

設備內(nèi)

物 料

物

料

物

料

物

料

物

料

物

料

物

料

夾套內(nèi)

蒸 汽

蒸

汽

蒸

汽

蒸

汽

蒸

汽

蒸

汽

蒸

汽

材

質(zhì)

主 體

不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼

不銹鋼

夾 套

碳 鋼

碳 鋼

碳 鋼

碳 鋼

碳 鋼

碳 鋼

碳 鋼

直

徑/ mm

300

400

500

600

800

900

1 400

安裝高度/ mm

～ 3 500

～ 4 000

～ 5 000

～ 6 000

～ 7 000

～ 7 500

～ 10 100

表 1 中所列的 GXZ 系列采用的是剛性轉(zhuǎn)子 ,對筒體的圓度要求很高 ,筒身必須精加工來保證圓度。H RZ 系列采用撓性轉(zhuǎn)子 ,轉(zhuǎn)子上的刮板與筒體內(nèi)壁面接觸時具有較大的回轉(zhuǎn)余地, 在保證成膜的前提下降低了對筒身圓度要求,僅在卷板時控制卷板精度即可,筒身內(nèi)壁不需要再次精加工。此外, 考慮到
 
降低筒身壁面熱阻, 故筒身可采用不銹鋼-碳鋼復合板制造^[ 2] 。
2 性能特點
 
2.1 傳熱系數(shù)與蒸發(fā)強度由于轉(zhuǎn)子刮板的推動作用 ,使每一塊刮
 
板和器壁間隙的前方區(qū)形成湍流 ,湍流區(qū)的液體不斷地和液膜上的液體進行交換, 傳熱表面得到不斷更新, 因而具有很高的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)強度 ,傳熱系數(shù)可達 10 450kJ/(h· m²·K)左右^[ 3] 〔而一般的標準式碳鋼蒸發(fā)器
 
為 3 762 ～ 4 598kJ/(h·m²·K),強制循環(huán)蒸發(fā)器為 7 524 ～ 7 942kJ/(h·m²·K)〕, 蒸發(fā)強度可達 100 ～ 300kg/(m²·h),蒸發(fā)效率高。
 
2.2 對熱敏性物料的適應性處理熱敏性物料 , 可以采用降低蒸發(fā)溫
 
度(真空蒸發(fā))和縮短受熱時間(膜式蒸發(fā))兩種方法。為縮短受熱時間而開發(fā)的膜式蒸發(fā)器有升膜、降膜、旋轉(zhuǎn)薄膜等形式^[ 4] 。然而,
 

僅有較短的受熱區(qū)停留時間是不夠的 ,還需有較窄的時間分布。圖 2 示出了旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器與降膜蒸發(fā)器停留時間分布曲線之對比。圖中任一區(qū)間 t ～ t +Δt 內(nèi)曲線下的面積表示物料處于該區(qū)間的幾率(G 表示流量):
 
f (t)·Δt =ΔG/ G
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 2  物料停留時間分布曲線
 
可以看出 ,就物料在受熱區(qū)的平均滯留時間而言 ,兩者無明顯差別,但旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器具有更窄的時間分布, 這是其他膜式蒸發(fā)器難以企及的。
 
2.3  對粘稠、結垢和結晶物料的適應性旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器工作時 ,由于刮板在離心力作用下緊貼于蒸發(fā)器內(nèi)壁 , 膜的厚度極

薄, 約為 0 .03mm[ 4] 。正常情況下 , 料液成

膜、翻攪及流動均由刮板機械地強制進行。

刮板具有斜向溝槽,

刮動時對料液產(chǎn)生向下

的推力 ,即使處理高粘性物料也不致于出現(xiàn)

結焦和結垢等現(xiàn)象。

2.4

生產(chǎn)能力和成品濃度的可調(diào)性

旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器的成品濃度可調(diào)節(jié)幅度

很大, 可超過設計濃度的 20 %以上。而一般

蒸發(fā)器蒸發(fā)能力和成品濃度通常在工藝條件

確定后 ,只能在極小的范圍內(nèi)波動。生產(chǎn)實

踐證明 ,由南京化工大學化工設備設計研究

所開發(fā)研制的用于堿液蒸發(fā)的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)

器,其蒸發(fā)能力可在 80 ～ 150kgH O/(h·m2)

范圍內(nèi)調(diào)節(jié)

濃度可在 45

%～

2

60   W t 范圍

,

%( )

內(nèi)調(diào)節(jié)[ 2] 。

2.5

對操作條件的寬容性

旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器對操作條件有較大的寬

。

、

容性

當溫度 壓力比以及進出料量發(fā)生波

動時 ,容易調(diào)節(jié)恢復穩(wěn)定 ,在低負荷時也易于

操作?？捎玫蛪赫羝?<0 .25M Pa)加熱, 動
力消耗低[ 1, 4]	。
3  應用范圍	旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器在石油、化工、醫(yī)藥、食 品、環(huán)保等*域的應用大致可分為 4 類 : a .加工熱敏性物料 。樹脂和高分子材 料;在高真空和適當?shù)臏囟认?,物料要求停留 時間短的場合。         b .加工粘性流體 。濃的單體 、高分子和 其他的粘度為 500Pa·s 或更高的流體。 c .趨向結垢的物料 。由于轉(zhuǎn)子葉片給 予物料造成高度的湍流和局部混合 , 所以對 此類物料有良好的加工性, 即使是有機物鹽 類也可適用。                   d .蒸發(fā)和水蒸氣提取、化學反應、兩相   流體(不相混液體、醬狀物、懸浮液)同向流動 操作 , 高的平均裂化、多效蒸發(fā)、脫臭、脫氣 等。                               具體應用范圍見表 2 。

表 2

薄膜蒸發(fā)器應用情況

行業(yè)

物

料

加工

行業(yè)

物  料

加工

行業(yè)

物  料

加工

醫(yī)

抗菌素溶液

濃

縮

氯化石油脂

蒸

餾

環(huán)氧樹脂

去溶劑

高粘性物料

濃

縮

三氯化鈦

蒸

餾

聚丙烯

去溶劑

化

合

熱敏性物料

濃

縮

氧化錳

蒸

餾

二烯橡膠

去溶劑

藥

成

維生素

濃

縮

工

硅 油

蒸

餾

尼龍六

去溶劑

樹

飲

料

濃

縮

及

臘 油

蒸

餾

尼龍六六

去溶劑

食

脂

凝膠體

濃

縮

聚乙烯醇

濃

縮



聚脂纖維素

去溶劑

石

氨基酸

濃

縮

保險粉

濃

縮

橡

對苯二甲酸鹽

濃

縮

品

蜂

蜜

脫

水

油

甲苯二異腈酸

濃

縮

膠

聚碳酸樹脂

濃

縮

和

油

甘

油

精

餾

化

琥珀酸

濃

縮

己內(nèi)酰銨

精

餾

纖

脂肪酸

精

餾

燒堿溶液

濃

縮

聚丁烯

蒸

餾

工

維

卵磷酸

脫

水

高 醇

精

餾

聚丁二烯

濃

縮

脂

溶劑油

脫

水

苯乙烯單體

精

餾

聚乙烯

濃

縮

4  濃堿蒸發(fā)中的應用
	*內(nèi)大多數(shù)燒堿廠電解出的 10 %(Wt)
左右氫氧化鈉溶液 , 再經(jīng)三效蒸發(fā)濃縮成
30 %濃度的中堿;少部分廠家采用離子膜法
制燒堿 ,精制鹽水通過離子膜后堿液濃度達

到 30 %以上。由于 30 %以上的堿液具有極
強的腐蝕性 , 工藝要求蒸發(fā)須在較高溫度下
進行 ,	從而一般的濃效蒸發(fā)器都采用昂貴的
鎳材制造 ,投資巨大 ,而且效率不高?，F(xiàn)*內(nèi)
大多數(shù)氯堿廠生產(chǎn)的液堿濃度均只在 30 %

左右 ,其應用和銷售*域均受到限制。
 
旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器是在降膜真空蒸發(fā)的同時,利用轉(zhuǎn)子上的刮板,對沿筒身流下的堿液實現(xiàn)了液膜狀流動, 并給予膜層連續(xù)不斷的攪動和更新 , 因而具有很高的傳熱系數(shù)和蒸發(fā)強度, 從而可以在較低的蒸發(fā)溫度 (<75 ℃)下進行堿液的進一步濃縮, 降低能耗,使設備材質(zhì)可以選用不銹鋼代替鎳材。目前已在*內(nèi) 30 余家氯堿廠先后投入使用,應用效果良好。
4.1 工藝流程
 
液堿濃縮工藝流程如圖 3 所示。該流程是一連續(xù)操作過程, 物料由高位槽經(jīng)蒸發(fā)器后即達到所需濃度, 毋需循環(huán) ,出料成品濃度可由進料和閥門予以控制。該流程的特點是在不改變原來生產(chǎn) 30 %液堿流程的基礎上,采用旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器 ,利用低壓蒸汽(<0 .25 M Pa)作加熱源, 使得中小型企業(yè)將 30 %液堿進一步濃縮** 50 %或更高 ,從根本上解決了原來的濃效蒸發(fā)器在蒸發(fā)過程中的采鹽和管道與泵的堵塞以及需經(jīng)常洗罐等問題。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 3  薄膜蒸發(fā)器濃縮堿液工藝流程圖
 

1	———高位槽;	2	———流量計;	3	———蒸發(fā)器主機;
4	———三通管;	5	———視鏡;	6	———膨脹短節(jié);
7	———接受儲罐; 8		———冷凝器;	9	———水噴射器;
10	———涼水塔;	11	———清水泵

 
4.2 設備規(guī)格及生產(chǎn)能力目前,用于液堿蒸發(fā)的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器
 規(guī)格有 6m² 、8m ² 、10m² 及 20m² 4 種, 其生產(chǎn)能力見表 3 。

 
不能及時透過垢層, 導致垢層與金屬表面之
 
間溶液的 pH 下降。隨著點蝕的進行, 垢下溶液的 Cl^-濃度升高 , pH 下降^[ 10] 。這種強
 
侵蝕性的介質(zhì)條件, 使垢層下面的金屬保持著活性狀態(tài), 點蝕得以繼續(xù)發(fā)展。而補焊點由于 Mo 含量明顯高于母材, 因此不成為新的點蝕源。
5 討論
 
5.1 氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷是一個腐蝕性比較大的工藝方法 ,主要是氯氣、鹽酸及氯離子等含氯介質(zhì)引起的腐蝕。
 
5.2 氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷中涉及的腐蝕問題大都有可采取的對策, 如:聚四氟乙烯襯里管道、襯鈦設備(包括反應器及貯槽等)、鈦制換熱器、鈦制壓縮機等, 但是 ,防腐蝕的投入比較大。
 
5.3 從實際使用的情況看,*產(chǎn)聚四氟乙烯襯里管道完全可以取代日本進口的 Teflon 管道。*產(chǎn)的鈦制設備也能滿足生產(chǎn)工藝的需要。
 
5.4 氯醇反應器、氯醇貯槽 、氯醇輸送泵、氯醇換熱器采用全鈦或襯鈦制造,使用九年未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕, 選材得當。

5.5 金陵裝置的堿洗塔采用 316L 不銹鋼制造 ,成本較高 ,從使用的效果看也不太理想。同類裝置中的天津大沽裝置和山東辛店裝置則采用碳鋼制造, 表面噴涂聚偏二氟乙烯, 表面光滑似陶瓷 ,使用效果良好 ,值得推廣。