在化工、醫藥和食品工程中, 常涉及產品的濃縮 ,其中很多產品耐溫性差, 粘度高, 易結晶、結垢 , 給濃縮作業帶來難度。在這種情況下, 如采用傳統循環型蒸發器,由于物料在蒸發器中長時間受熱 ,一方面, 產品在加熱管管壁結晶, 影響傳熱 ,需要經常清洗而影響生產 ;另一方面, 產品受熱溫度高、時間長 ,有的分解比較嚴重, 影響產品品質和收率。采用高效旋轉薄膜蒸發器 ,能較好地解決上述問題。高效旋轉薄膜蒸發器的全名是機械攪拌式薄膜蒸發器
(英文為 MechanicalyAgitatedThinFilmEvaporator),
是一種通過旋轉刮板強制成膜, 在真空條件下進行降膜蒸發的新型高效蒸發器。自 1940 年瑞士蘇黎士的 HansMueler[1] 制造了**臺薄膜蒸發器樣機后 ,這種高效節能的蒸發器在多種行業中得到迅速的推廣和發展。筆者經過多年對薄膜蒸發器結構和性能的研究 , 將其用于糖液濃縮中, 取得了滿意的效果。1 薄膜蒸發器的結構和性能
[ 2]
1.1 薄膜蒸發器的結構
如圖 1所示為我們選用的 GXZ-6型薄膜蒸發器的結構示意圖。該設備的結構大致可分為 :減速電機、分離筒、蒸發筒身、轉子和刮板以及軸封和上下軸承等。
圖 1 薄膜蒸發器結構示意圖
1.2 薄膜蒸發器的性能
在性能方面 , 薄膜蒸發器具備以下常規蒸發器所無法比擬的優點。
1.2.1 極小的壓力損失, 真正的真空操作 在高效旋轉薄膜蒸發器中 ,物料 “流 ”與二次蒸汽 “流 ”是兩個獨立的通道。物料是沿蒸發筒體內壁降膜而下;而由蒸發面蒸發出的二次蒸汽則從筒體中央的空間幾乎無阻礙地離開蒸發器, 因此壓力損失是極小的。正由于二次蒸汽由蒸發面到冷凝器的阻力極小, 使得整個蒸發筒體內壁的蒸發面維持較高的真空度。由于真空度的提高 ,有效降低了被處理物料的沸點,大大減少了物料的分解。
1.2.2 高傳熱系數, 高蒸發強度 一方面 , 物料被布料器和轉動的刮板均勻地分布在蒸發壁面呈膜狀向下流動, 由于液膜厚度小 ,且在攪拌作用下產生強烈的湍流使液膜中物料不斷更新變化, 同時抑制物料在壁面結住、結垢 ,因而提高了蒸發筒壁的分傳熱系數 ;另一方面, 由于物料沸點的降低 , 加大了與加熱介質的溫度差,因而大大提高了蒸發強度, 可以達到
100～200kg/ m2 · h。
1.2.3 過流時間短 , 設備效率高 物料在蒸發器內過流時間很短,對于常用的活動刮板而言, 刮板螺旋角為 45°,流體流動時間僅 3s, 改變刮板螺旋角, 可以方便改變物料在蒸發器內的停留時間。由于停留時間短,可以有效抑制物料在加熱過程中聚合和分解等副反應。
1.2.4 適應性強, 操作方便 薄膜蒸發器對物料粘度適用范圍廣,可以處理粘度達 100Pa· s的高粘性液體,同時對物料濃度調節范圍寬, 可以處理濃度在10%～ 90%之間的物料。因此 ,只要真空度、加熱介質溫度穩定,通過調節物料流量可以方便地調節產品濃度,甚**可以實行自控, 整個工藝操作極其方便。
縮工藝進行改造 , 取得了滿意的效果。筆者分別對
AK糖糖液用外循環蒸發器和薄膜蒸發器濃縮 、蔗糖晶糖液用鍋式蒸發器和薄膜蒸發器濃縮進行對比,對比情況見表 1。
表 1 AK糖液及蔗糖晶的濃縮對比
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濃縮器型號、規格 |
AK糖液 |
蔗糖晶 |
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WZ600 GXZ-6 |
GZ600 GXZ-6 |
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物料體積(L) |
2500 |
2500 |
500 |
500 |
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物料濃度(%) |
5 |
5 |
5 |
5 |
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加熱蒸汽壓力(MPa) |
0.30.1 |
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真空度(MPa) |
-0.90 -0.95 |
-0.95 -0.98 |
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物料溫度(℃) |
128 |
108 |
108 |
95 |
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濃縮時間(min) |
300 |
200 |
260 |
120 |
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濃縮液體積(L) |
510 |
400 |
108 |
102 |
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濃縮液含量(%) 20.1 30.9 |
20.124.1 |
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可得產品(kg) |
100.6 |
123.6 |
20.924.6 |
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回收溶劑(L) |
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326 |
380 |
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清洗情況 |
半月 |
半年 |
半月 |
半年 |
2 薄膜蒸發器在糖液濃縮中的應用
2.1 薄膜蒸發器用于濃縮的工藝流程
旋轉薄膜蒸發器可廣泛用于物料的蒸發濃縮、脫氣脫臭、蒸餾提純、化學反應等化工單元操作, 其用于物料濃縮并回收溶劑的工藝流程如圖 2所示。預熱到一定溫度的物料自分離筒下端的入口切向進入蒸發器,并經布料器連續均勻地分布在蒸發筒身內壁,由刮板強制成膜并螺旋向下流動 ,揮發出來的二次蒸汽逆流上升**上部的分離筒, 它所挾帶的液滴或泡沫被氣液分離器分離而落回加熱段。二次蒸汽通過出口到外部冷凝器冷凝回收溶劑;非揮發組分在幾秒鐘內單程地流到蒸發器底部, 進而流到濃縮液接受罐。
圖 2 物料濃縮(回收溶劑)工藝流程圖
2.2 應用實例
近年來 ,廣東省食品工業研究所研究開發的多種食品添加劑產品投入生產 , 這些產品均要經過濃縮工序 ,采取傳統的鍋式蒸發器或外循環蒸發器 ,都不能達到實驗室用
旋轉蒸發儀作出的實驗結果。為此 ,采用薄膜蒸發器對 AK糖和蔗糖晶兩種糖液的濃
3 薄膜蒸發器在使用中出現的問題及改進
措施[ 3, 4]
3.1 蒸發器在運行中出現的問題及分析
高效旋轉薄膜蒸發器是一種新型高效蒸發器,它既具有轉動設備的特點 , 同時又具有靜設備的特點。從以上應用情況和性能特點分析 , 我們認為薄膜蒸發器的優點不容置疑 , 但在其實際運行過程中也出現了一些問題 ,影響了設備的正常運轉。
薄膜蒸發器在投入使用后的**初幾個月中運行平穩 ,各項工藝控制指標均達到甚**超過了預期水平。但在運行半年后, 發現該設備真空度下降 ,運轉聲音異常、振動嚴重。為此被迫對蒸發器進行拆檢,拆檢后發現:蒸發器下軸承的聚四氟乙烯軸套嚴重磨損 ,其磨損呈現偏心狀 ,軸與軸套**大間隙已超過10mm;刮板磨損,且磨損程度不太一致,個別刮板已經磨損到刮板槽;有較多固體結在筒壁和刮板上 ;筒體內壁有腐蝕和磨損現象 ;機械密封泄漏。該設備采用的是雙端面機械密封,用甘油作沖冼液,水作冷卻液,在運行中,經常出現甘油泄漏和甘油變質現象。
根據以上情況 , 我們對出現的問題進行了初步分析 , 原因如下:物料中固體鹽的含量高, 加上物料濃縮后的糖漿為粘性物質 , 使鹽更容易粘結在筒體內壁和刮板上, 一方面造成刮板和筒壁磨損和鹽腐蝕, 另一方面造成轉子因離心力不均而產生設備振動;蒸發器下軸承的聚四氟乙烯軸套雖然耐腐蝕, 但材質軟、傳熱慢、易磨損。軸套磨損后, 主軸易產生擺動 ,引起蒸發器頂部的機械密封漏氣。同時 ,造成筒體和刮板磨損不均勻。
3.2 薄膜蒸發器的改進措施
針對問題產生的原因 , 經過查閱大量相關技術資料 ,并在充分考慮了蒸發器當時的實際狀況后, 我們進行了以下改進 :
