在化工、医药和食品工程中, 常涉及产品的浓缩 ,其中很多产品耐温性差, 粘度高, 易结晶、结垢 , 给浓缩作业带来难度。在这种情况下, 如采用传统循环型蒸发器,由于物料在蒸发器中长时间受热 ,一方面, 产品在加热管管壁结晶, 影响传热 ,需要经常清洗而影响生产 ;另一方面, 产品受热温度高、时间长 ,有的分解比较严重, 影响产品品质和收率。采用高效旋转薄膜蒸发器 ,能较好地解决上述问题。高效旋转薄膜蒸发器的全名是机械搅拌式薄膜蒸发器
(英文为 MechanicalyAgitatedThinFilmEvaporator),
是一种通过旋转刮板强制成膜, 在真空条件下进行降膜蒸发的新型高效蒸发器。自 1940 年瑞士苏黎士的 HansMueler[1] 制造了**台薄膜蒸发器样机后 ,这种高效节能的蒸发器在多种行业中得到迅速的推广和发展。笔者经过多年对薄膜蒸发器结构和性能的研究 , 将其用于糖液浓缩中, 取得了满意的效果。1 薄膜蒸发器的结构和性能
[ 2] 1.1 薄膜蒸发器的结构
如图 1所示为我们选用的 GXZ-6型薄膜蒸发器的结构示意图。该设备的结构大致可分为 :减速电机、分离筒、蒸发筒身、转子和刮板以及轴封和上下轴承等。
图 1 薄膜蒸发器结构示意图
1.2 薄膜蒸发器的性能
在性能方面 , 薄膜蒸发器具备以下常规蒸发器所的优点。
1.2.1 极小的压力损失, 真正的真空操作 在高效旋转薄膜蒸发器中 ,物料 “流 ”与二次蒸汽 “流 ”是两个独立的通道。物料是沿蒸发筒体内壁降膜而下;而由蒸发面蒸发出的二次蒸汽则从筒体的空间几乎地离开蒸发器, 因此压力损失是极小的。正由于二次蒸汽由蒸发面到冷凝器的阻力极小, 使得整个蒸发筒体内壁的蒸发面维持较高的真空度。由于真空度的提高 ,有效降低了被处理物料的沸点,大大减少了物料的分解。
1.2.2 高传热系数, 高蒸发强度 一方面 , 物料被布料器和转动的刮板均匀地分布在蒸发壁面呈膜状向下流动, 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料不断更新变化, 同时抑制物料在壁面结住、结垢 ,因而提高了蒸发筒壁的分传热系数 ;另一方面, 由于物料沸点的降低 , 加大了与加热介质的温度差,因而大大提高了蒸发强度, 可以达到
100～200kg/ m2 · h。
1.2.3 过流时间短 , 设备效率高 物料在蒸发器内过流时间很短,对于常用的活动刮板而言, 刮板螺旋角为 45°,流体流动时间仅 3s, 改变刮板螺旋角, 可以方便改变物料在蒸发器内的停留时间。由于停留时间短,可以有效抑制物料在加热过程中聚合和分解等副反应。
1.2.4 适应性强, 操作方便 薄膜蒸发器对物料粘度适用范围广,可以处理粘度达 100Pa· s的高粘性液体,同时对物料浓度调节范围宽, 可以处理浓度在10%～ 90%之间的物料。因此 ,只要真空度、加热介质温度稳定,通过调节物料流量可以方便地调节产品浓度,甚**可以实行自控, 整个工艺操作极其方便。
缩工艺进行改造 , 取得了满意的效果。笔者分别对
AK糖糖液用外循环蒸发器和薄膜蒸发器浓缩 、蔗糖晶糖液用锅式蒸发器和薄膜蒸发器浓缩进行对比,对比情况见表 1。
表 1 AK糖液及蔗糖晶的浓缩对比
| | | |
| 浓缩器型号、规格 | AK糖液 | 蔗糖晶 |
| WZ600 GXZ-6 | GZ600 GXZ-6 |
| 物料体积(L) | 2500 | 2500 | 500 | 500 |
| 物料浓度(%) | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 加热蒸汽压力(MPa) | 0.30.1 | | |
| 真空度(MPa) | -0.90 -0.95 | -0.95 -0.98 |
| 物料温度(℃) | 128 | 108 | 108 | 95 |
| 浓缩时间(min) | 300 | 200 | 260 | 120 |
| 浓缩液体积(L) | 510 | 400 | 108 | 102 |
| 浓缩液含量(%) 20.1 30.9 | 20.124.1 |
| 可得产品(kg) | 100.6 | 123.6 | 20.924.6 |
| 回收溶剂(L) | | | 326 | 380 |
| 清洗情况 | 半月 | 半年 | 半月 | 半年 |
2 薄膜蒸发器在糖液浓缩中的应用
2.1 薄膜蒸发器用于浓缩的工艺流程
旋转薄膜蒸发器可广泛用于物料的蒸发浓缩、脱气脱臭、蒸馏提纯、化学反应等化工单元操作, 其用于物料浓缩并回收溶剂的工艺流程如图 2所示。预热到一定温度的物料自分离筒下端的入口切向进入蒸发器,并经布料器连续均匀地分布在蒸发筒身内壁,由刮板强制成膜并螺旋向下流动 ,挥发出来的二次蒸汽逆流上升**上部的分离筒, 它所挟带的液滴或泡沫被气液分离器分离而落回加热段。二次蒸汽通过出口到外部冷凝器冷凝回收溶剂;非挥发组分在几秒钟内单程地流到蒸发器底部, 进而流到浓缩液接受罐。
图 2 物料浓缩(回收溶剂)工艺流程图
2.2 应用实例
近年来 ,广东省食品工业研究所研究开发的多种食品添加剂产品投入生产 , 这些产品均要经过浓缩工序 ,采取传统的锅式蒸发器或外循环蒸发器 ,都不能达到实验室用旋转蒸发仪作出的实验结果。为此 ,采用薄膜蒸发器对 AK糖和蔗糖晶两种糖液的浓
3 薄膜蒸发器在使用中出现的问题及改进
措施[ 3, 4]
3.1 蒸发器在运行中出现的问题及分析
高效旋转薄膜蒸发器是一种新型高效蒸发器,它既具有转动设备的特点 , 同时又具有静设备的特点。从以上应用情况和性能特点分析 , 我们认为薄膜蒸发器的优点不容置疑 , 但在其实际运行过程中也出现了一些问题 ,影响了设备的正常运转。
薄膜蒸发器在投入使用后的**初几个月中运行平稳 ,各项工艺控制指标均达到甚**超过了预期水平。但在运行半年后, 发现该设备真空度下降 ,运转声音异常、振动严重。为此被迫对蒸发器进行拆检,拆检后发现:蒸发器下轴承的聚四氟乙烯轴套严重磨损 ,其磨损呈现偏心状 ,轴与轴套**大间隙已超过10mm;刮板磨损,且磨损程度不太一致,个别刮板已经磨损到刮板槽;有较多固体结在筒壁和刮板上 ;筒体内壁有腐蚀和磨损现象 ;机械密封泄漏。该设备采用的是双端面机械密封,用甘油作冲冼液,水作冷却液,在运行中,经常出现甘油泄漏和甘油变质现象。
根据以上情况 , 我们对出现的问题进行了初步分析 , 原因如下:物料中固体盐的含量高, 加上物料浓缩后的糖浆为粘性物质 , 使盐更容易粘结在筒体内壁和刮板上, 一方面造成刮板和筒壁磨损和盐腐蚀, 另一方面造成转子因离心力不均而产生设备振动;蒸发器下轴承的聚四氟乙烯轴套虽然耐腐蚀, 但材质软、传热慢、易磨损。轴套磨损后, 主轴易产生摆动 ,引起蒸发器顶部的机械密封漏气。同时 ,造成筒体和刮板磨损不均匀。
3.2 薄膜蒸发器的改进措施
针对问题产生的原因 , 经过查阅大量相关技术资料 ,并在充分考虑了蒸发器当时的实际状况后, 我们进行了以下改进 :
