刮膜薄膜蒸发器的特点和应用

1、第21卷第3期2001年3月现代化工Modern Che mical IndustryMar. 2001 #41#工艺与设备刮膜薄膜蒸发器的特点和应用皮丕辉 杨卓如 马四朋(华南理工大学化工所, 广州510640摘要:详细介绍了刮膜薄膜蒸发器的结构、操作原理、型式和分类、特点、操作参数以及刮膜薄膜蒸发器的应用。因刮板对液膜的刮擦作用使液膜呈不断搅动状态, 刮膜薄膜蒸发器有停留时间短、消除结焦结垢及处理粘度大等特点, 认为其是处理热敏性和高粘性物质蒸发浓缩的理想设备。关键词:刮膜薄膜; 薄膜蒸发器; 结构; 原理; 特点中图分类号:TQ05118文献标识码:AAdvantages and app

2、lications of wiped thin -film evaporatorsPI Pi -hui, Y ANG Zhuo -ru, MA Si -peng(South China University of Technology, Guan gzhou 510640, ChinaAbstract :Wiped thin -film evaporators are considerably described on the structure, basic functions, classification, advan -tages, process variables and high

3、 -viscous operati on. Because of liquid film . s turbulence due to blade . s wiping action, and con -sidered to be the ideal eq uipment, featuring short detained time, scale eliminatin g and hi gh viscosity handling, for specialized e -vaporati on and concentrati on applications for heatsensitive an

4、d viscous products.Key w ords :wiped thin -film; thin -film evaporator; structure; principle; characteristic刮膜薄膜蒸发器, 又称旋转薄膜蒸发器或搅拌薄膜蒸发器, 自20世纪40年代问世以来, 国内外对其优化设计、制造及应用进行了大量的研究, 近60年来得到了较大的发展。1940年, 瑞士苏黎士的Hans Mueller 1制做了第一台刮膜薄膜蒸发器样机。此后, 欧洲人使其发展成为了连续式刮膜薄膜蒸发器, 并于1960年在干燥工程和高分子反应工程中开始应用, 随之在化工、石油、染料、食品

5、、医药以及废水处理中的蒸发、分馏、脱水、脱臭、冷却、结晶和化学反应方面广泛应用。国外50年代开始对刮膜薄膜蒸发器的流动混合机理和传热性能进行研究, 提出了一些关于流体的传热传质模型。国内从60年代开始在化工、染料、食品等一些企业逐步采用中小型刮膜薄膜蒸发器。现在国内2, 4, 6, 8m 薄膜蒸发器系列产品的设计和应用日趋成熟, 对于大型刮膜薄膜蒸发器的设计和应用, 国内收稿日期:2000-11-23基金项目:广东省自然科学基金资助项目(No.990648 。2也进行了不少探讨。1970年, 北京向阳化工厂2自行设计了高1018m, 蒸发面积为14m 2的大型刮膜薄膜蒸发器用于苯酚-丙酮生产上

6、, 运行良好。1996年, 无锡市化工机械厂3又开发研制了18m 2高效旋转薄膜蒸发器, 并用于氯碱工业中。但与国外可以设计制造出蒸发面积40m 2以上的高效刮膜薄膜蒸发器相比, 国内在大型刮膜薄膜蒸发器的设计和应用方面还存在很大差距。1 结构旋转薄膜蒸发器的结构如图1所示。它是由上部的驱动部分和下部的蒸发浓缩部分组成, 内冷式旋转薄膜蒸发器下部还有内部冷凝器部分。驱动部分由电机-齿轮减速器或电机-带轮减速器组成。上部和下部的轴封处采用双面机械密封来保证设备的密封性。蒸发浓缩部分由带夹套的蒸发筒体和转子组成。转子带分布器、捕沫器、主轴、沟槽刮板及支, ,#42#现代化工第21卷第3期曳涡流,

7、刮板与壁面之间则形成库塔流, 而加热表面的其他地方, 由于重力的作用, 物料粘在壁面上慢慢垂直向下爬行流动, 形成薄膜流。由于刮板的旋转和搅动, 推动弓形波不断与薄膜流进行物质和能量的交换, 有利于物质在传热表面的蒸发, 所以刮膜薄膜蒸发器能够处理热敏性和高粘性物质。架等结构。内部冷凝器是一个从下部安装到蒸发圆筒中心的竖直多程管束, 如图2 。1 减速机; 2 轴承座; 3 机械密封; 4 捕沫器; 5 分布器; 6 夹套; 7 筒体; 8 主轴; 9 刮板1 转动刮板; 2 内部冷凝器; 3 旋转圆筒; 4 液膜; 5 加热表面内壁; 6 加热表面外壁; 7 夹套外壁图1 刮膜薄膜蒸发器图3

8、 刮板、液膜和加热表面位置关系图4 周向上流动状态的变化图2 内部冷凝器在实际生产应用中, 刮膜薄膜蒸发器和其辅助设备构成蒸发操作系统。辅助设备一般有预热器、预蒸馏和脱溶剂设备、真空设备、泵和贮罐等。在圆筒内的任一位置, 物料流速由两部分组成:由搅拌刮板推动作用和液膜重力引起。这两种作用使流体在加热表面上的停留时间非常短暂。对于高粘性流体, 刮板的推动作用是流体向下流动的主要作用。所蒸发的二次蒸汽直接到蒸发器的内冷凝器表面冷凝, 或通过二次蒸汽出口到外部冷凝器冷凝。冷凝器的冷却介质一般为常温下的水。因蒸发往往是带气泡和液体飞溅的沸腾蒸发过程, 二次蒸汽被冷凝之前, 需通过捕沫器和分离器(雾沫夹

9、带分离器 , 把所夹带的液滴除去。内外冷凝器的冷凝液流出到一个水平的精馏产品贮槽, 残液从蒸发器底部流出到残液贮槽。2 操作原理预热到一定温度的物料自刮膜蒸发器上部进口进入蒸发器, 被旋转的液体分布器分成四股物流流入圆筒内壁。每股物流被相应的夹板的搅动作用分散在蒸发圆筒加热内壁上形成均匀液膜。液膜吸收夹套中加热介质(加热蒸汽或导热油 传给蒸发表面(圆筒内壁 的热量, 在其表面进行物质的迅速蒸发, 如图3所示。与圆筒内壁有一定间隙的刮板转动时, 推动物料在其上面形成一个流体弓形波483 类型刮膜薄膜蒸发器现在已形成系列产品, 形式多样。一般按其安装形式可以分为立式和卧式两种。, (如图4所示 ,

10、 因刮板常是倾斜的, 或带有一定角度的沟槽, 弓 2001年3月皮丕辉等:刮膜薄膜蒸发器的特点和应用#43#蒸发圆筒体。而卧式薄膜蒸发器指蒸发器主体水平安装, 物料在水平方向上通过蒸发器蒸发表面。按刮板型式分类, 国外主要有3种型式:¹B uss 型, 即原来的Luwa 型(鲁瓦型 。转子和筒体间为固定间隙, 筒体需要精加工。它是销售量最大, 历史最悠久的产品。ºSa mbay 型(桑贝型 。转子上的刮板是活动铰链式或擦壁的软刮板, 其销售量不大。»Smith 型(史密斯型 。转子是一个十字架形, 架的四边开有沟槽, 沟槽内装有多组聚四氟乙烯或其他耐磨材料的活动滑

11、块。由于转子的离心作用, 活动滑块被抛到筒壁而使物料流体形成一层薄的液膜。此种产品筒体不需要精加工, 制造成本低, 以日本产量较大。国内将薄膜蒸发器一般分成固定刮板式和活动刮板式。如天津市化工设备厂生产的XZ 型薄膜蒸发器, 就是属于活动刮板式薄膜蒸发器, 其蒸发面积为018810m 2。生产中为了有效地提高薄膜蒸发器的蒸发效率, 常要对这些参数进行优化设计或者控制。(1 进料温度考虑进料温度时, 要满足物流在进入蒸发器后达到操作真空度下的沸点温度。进料温度高于蒸发组分在此真空度下所对应的沸点温度时, 就会导致液体的飞溅, 被蒸出的气体中夹带有大量的液体, 此时很难控制。温度低于组分的沸点温度

12、时, 就需要蒸发表面的一部分显热来加热物料使之达到沸点温度, 这就没有有效地利用加热表面。(2 进料量进料量的大小受蒸发器润湿比的影响。在蒸发过程中, 流体的流速在加热筒体的高度方向上不断变小, 使润湿比也不断减小。最小润湿比就是能保证在底部刮板区域内形成液体薄膜所对应的润湿比。润湿比低于最小值时, 在蒸发表面会出现干表面, 这样会导致物流结焦, 加大刮板的磨损, 增大动力消耗。如果是处理热敏性物料, 则产品质量也会受到影响。最大润湿比又叫液泛率, 指流体的流量高至不能在蒸发表面维持薄膜流, 此时下部或者整个刮板都被液体浸泡, 传热效率和蒸发效率下降, 蒸发速率减少到降膜蒸发同样的水平。薄膜蒸

13、发器必须在引起上部液泛的最大润湿比和引起下部干枯结焦的最小润湿比这两个极限之间操作。(3 传热温差在蒸发操作过程中, 温差的选择是很重要的。当温差$T 过小时, 在传热过程中所得到的热量不够, 使蒸发不能很好地进行。但温差过大时, 也会使传热系数下降。因此选用适当的温度差以保证有较大的传热系数来提高蒸发强度是很重要的。(4 真空度在处理热敏性物料时, 薄膜蒸发器需要在一定的真空度条件下操作, 以保证物料在蒸发表面时, 不会因温度高而发生热分解或热聚合而变质。所以选择的操作真空度要满足此真空度下物料所对应的沸点温度, 该温度低于物料发生化学反应所对应的热分解或热聚合温度。例如, 在聚氨酯涂料工业

14、中, HDI 或TDI 缩二脲中普遍存在单体含量过高的问题。采用带内冷式的薄膜蒸发器来分离单体, 因缩二脲在温度超过160e 时会发生较明显的聚合结焦, 所以操作温度必须控制在160e 以下, 这样所要求的操作压力必须在133132Pa 以下9。又如, 氯碱4 主要特点刮膜薄膜蒸发器具有如下特点:¹蒸发效率高。物料被分布器和转动的刮板均匀地分布在蒸发壁面呈薄膜状态向下流动, 由于液膜厚度小, 且在搅拌作用下产生强烈的湍流使液膜中物质不断更新变化, 传热系数高, 热通量大, 在蒸发温度下待蒸发组分逸出液膜的阻力较小, 因而分离效率高。º宽广的粘度加工范围。可以处理粘度达100

15、Pa #s 的高粘性液体, 出口物料对进口物料的粘度比可达1000以上。»停留时间短。物料在加热区内停留时间短, 最短时可在几秒内完成, 物料的热分解和热缩聚反应较少, 所以适宜处理热敏性物料。¼可消除结焦、结垢。在刮板的作用下, 物料液膜不断被更新, 使物料不致过热, 防止了由于局部过热而引起的结焦现象。½生产能力调节幅度大, 其能力可达到设计能力的10%。¾在蒸发区设备的贮液量低。¿操作方便, 产品指标易控制, 可以实行自控。5 操作参数刮膜薄膜蒸发器的主要操作控制参数有:进料, , ,#44#现代化工烧碱溶液高 醇苯乙烯单体合成树脂、橡胶

16、和纤维环氧树脂聚丙烯二烯橡胶尼龙-6尼龙-66聚酯纤维素对苯二甲酸盐聚碳酸树脂己内酰铵聚丁烯聚丁二烯聚乙烯第21卷第3期浓 缩精 馏精 馏去溶剂去溶剂去溶剂去溶剂去溶剂去溶剂浓 缩浓 缩精 馏精 馏浓 缩浓 缩到50%左右。因30%以上的烧碱具有极强的腐蚀性, 特别是在温度高于75e 以上时, 故采用真空操作来降低操作温度, 蒸发器内的真空度必须保持在能使出口温度低于75e 的水平上, 这样才能保证烧碱对设备的腐蚀性较小10。(5 刮板转速转子转动速度的改变使高粘度物流的蒸发速率有一个相应的改变。转子转速要能使蒸发圆筒内形成均匀液膜, 完成弓形波及液膜的物质和能量的完全交换。随着转速增大, 传

17、热速率也会增大, 但转速过高, 也增大了动力消耗。一般转子的转动最好能给刮板末端416m/s 的转速。6 应用从刮膜薄膜蒸发器的以上特点来看, 其特别适用于处理高粘度、高沸点和热敏性物料, 也可以用于含有微量固体颗粒的溶液, 或在蒸发过程中有微量结晶产品出现的过程。刮膜薄膜蒸发器一般用作制药、轻工、食品、石油、化工等工业中的蒸发浓缩蒸馏设备。其具体应用见表1。表1 薄膜蒸发器的应用情况11行业医药物料抗菌素溶液高粘性物料热敏性物料维生素食品饮 料凝胶体氨基酸蜂 蜜油 脂甘 油脂肪酸卵磷酯溶剂油化工及石油化工氯化石油脂三氯化钛氧化锰硅 油聚乙烯醇保险粉甲苯二异氰酸琥珀酸加工浓 缩浓 缩浓 缩浓

18、缩浓 缩浓 缩浓 缩脱 水精 馏精 馏脱 水脱 水蒸 馏蒸 馏蒸 馏蒸 馏浓 缩浓 缩浓 缩浓 缩刮膜薄膜蒸发器结构简单, 操作方便, 在实际生产中有广阔的应用前景, 特别是在处理热敏性和高粘性物质的蒸发浓缩时, 它是最为理想的设备选择。参考文献1 张凤梧. 机械搅拌式薄膜蒸发器J. 化工机械, 1983, 5:9252 马振寰. 十四平方米刮板式薄膜蒸发器的介绍J. 化学世界,1984, 1:17203 吴剑峰. 18m 2高效旋转薄膜蒸发器的研制J. 化工装备技术,1997, 4:8104 Godauflow H J. Process es i n Thin -film Evaporators J . InternationalChemical Engineeri ng, 1975, 15(3:4454495 Mutzenberg A B, Parker N, Fischer R. Agitated Thin Fil m Evaporat