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无法比拟的优点。
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中央的空间几乎无阻碍地离开蒸发器, 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
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浓缩器型号、规格 |
AK糖液 |
蔗糖晶 |
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WZ600 GXZ-6 |
GZ600 GXZ-6 |
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物料体积(L) |
2500 |
2500 |
500 |
500 |
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物料浓度(%) |
5 |
5 |
5 |
5 |
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加热蒸汽压力(MPa) |
0.30.1 |
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真空度(MPa) |
-0.90 -0.95 |
-0.95 -0.98 |
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物料温度(℃) |
128 |
108 |
108 |
95 |
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浓缩时间(min) |
300 |
200 |
260 |
120 |
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浓缩液体积(L) |
510 |
400 |
108 |
102 |
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浓缩液含量(%) 20.1 30.9 |
20.124.1 |
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可得产品(kg) |
100.6 |
123.6 |
20.924.6 |
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回收溶剂(L) |
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326 |
380 |
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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 :
