在化工、醫(yī)藥和食品工程中, 常涉及產(chǎn)品的濃縮 ,其中很多產(chǎn)品耐溫性差, 粘度高, 易結(jié)晶、結(jié)垢 , 給濃縮作業(yè)帶來(lái)難度。在這種情況下, 如采用傳統(tǒng)循環(huán)型蒸發(fā)器,由于物料在蒸發(fā)器中長(zhǎng)時(shí)間受熱 ,一方面, 產(chǎn)品在加熱管管壁結(jié)晶, 影響傳熱 ,需要經(jīng)常清洗而影響生產(chǎn) ;另一方面, 產(chǎn)品受熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng) ,有的分解比較嚴(yán)重, 影響產(chǎn)品品質(zhì)和收率。采用高效旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器 ,能較好地解決上述問(wèn)題。高效旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器的全名是機(jī)械攪拌式薄膜蒸發(fā)器
(英文為 MechanicalyAgitatedThinFilmEvaporator),
是一種通過(guò)旋轉(zhuǎn)刮板強(qiáng)制成膜, 在真空條件下進(jìn)行降膜蒸發(fā)的新型高效蒸發(fā)器。自 1940 年瑞士蘇黎士的 HansMueler[1] 制造了**臺(tái)薄膜蒸發(fā)器樣機(jī)后 ,這種高效節(jié)能的蒸發(fā)器在多種行業(yè)中得到迅速的推廣和發(fā)展。筆者經(jīng)過(guò)多年對(duì)薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)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(fā)器的結(jié)構(gòu)和性能
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1.1 薄膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)
如圖 1所示為我們選用的 GXZ-6型薄膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)大致可分為 :減速電機(jī)、分離筒、蒸發(fā)筒身、轉(zhuǎn)子和刮板以及軸封和上下軸承等。
圖 1 薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 薄膜蒸發(fā)器的性能
在性能方面 , 薄膜蒸發(fā)器具備以下常規(guī)蒸發(fā)器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
1.2.1 極小的壓力損失, 真正的真空操作 在高效旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器中 ,物料 “流 ”與二次蒸汽 “流 ”是兩個(gè)獨(dú)立的通道。物料是沿蒸發(fā)筒體內(nèi)壁降膜而下;而由蒸發(fā)面蒸發(fā)出的二次蒸汽則從筒體中央的空間幾乎無(wú)阻礙地離開(kāi)蒸發(fā)器, 因此壓力損失是極小的。正由于二次蒸汽由蒸發(fā)面到冷凝器的阻力極小, 使得整個(gè)蒸發(fā)筒體內(nèi)壁的蒸發(fā)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(diǎn),大大減少了物料的分解。
1.2.2 高傳熱系數(shù), 高蒸發(fā)強(qiáng)度 一方面 , 物料被布料器和轉(zhuǎn)動(dòng)的刮板均勻地分布在蒸發(fā)壁面呈膜狀向下流動(dòng), 由于液膜厚度小 ,且在攪拌作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流使液膜中物料不斷更新變化, 同時(shí)抑制物料在壁面結(jié)住、結(jié)垢 ,因而提高了蒸發(fā)筒壁的分傳熱系數(shù) ;另一方面, 由于物料沸點(diǎn)的降低 , 加大了與加熱介質(zhì)的溫度差,因而大大提高了蒸發(fā)強(qiáng)度, 可以達(dá)到
100～200kg/ m2 · h。
1.2.3 過(guò)流時(shí)間短 , 設(shè)備效率高 物料在蒸發(fā)器內(nèi)過(guò)流時(shí)間很短,對(duì)于常用的活動(dòng)刮板而言, 刮板螺旋角為 45°,流體流動(dòng)時(shí)間僅 3s, 改變刮板螺旋角, 可以方便改變物料在蒸發(fā)器內(nèi)的停留時(shí)間。由于停留時(shí)間短,可以有效抑制物料在加熱過(guò)程中聚合和分解等副反應(yīng)。
1.2.4 適應(yīng)性強(qiáng), 操作方便 薄膜蒸發(fā)器對(duì)物料粘度適用范圍廣,可以處理粘度達(dá) 100Pa· s的高粘性液體,同時(shí)對(duì)物料濃度調(diào)節(jié)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(zhì)溫度穩(wěn)定,通過(guò)調(diào)節(jié)物料流量可以方便地調(diào)節(jié)產(chǎn)品濃度,甚**可以實(shí)行自控, 整個(gè)工藝操作極其方便。
縮工藝進(jìn)行改造 , 取得了滿意的效果。筆者分別對(duì)
AK糖糖液用外循環(huán)蒸發(fā)器和薄膜蒸發(fā)器濃縮 、蔗糖晶糖液用鍋式蒸發(fā)器和薄膜蒸發(fā)器濃縮進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比情況見(jiàn)表 1。
表 1 AK糖液及蔗糖晶的濃縮對(duì)比
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濃縮器型號(hào)、規(guī)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(shí)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(chǎn)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(fā)器在糖液濃縮中的應(yīng)用
2.1 薄膜蒸發(fā)器用于濃縮的工藝流程
旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器可廣泛用于物料的蒸發(fā)濃縮、脫氣脫臭、蒸餾提純、化學(xué)反應(yīng)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(yù)熱到一定溫度的物料自分離筒下端的入口切向進(jìn)入蒸發(fā)器,并經(jīng)布料器連續(xù)均勻地分布在蒸發(fā)筒身內(nèi)壁,由刮板強(qiáng)制成膜并螺旋向下流動(dòng) ,揮發(fā)出來(lái)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(guò)出口到外部冷凝器冷凝回收溶劑;非揮發(fā)組分在幾秒鐘內(nèi)單程地流到蒸發(fā)器底部, 進(jìn)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(yīng)用實(shí)例
近年來(lái) ,廣東省食品工業(yè)研究所研究開(kāi)發(fā)的多種食品添加劑產(chǎn)品投入生產(chǎn) , 這些產(chǎn)品均要經(jīng)過(guò)濃縮工序 ,采取傳統(tǒng)的鍋式蒸發(fā)器或外循環(huán)蒸發(fā)器 ,都不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室用
旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀作出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此 ,采用薄膜蒸發(fā)器對(duì) AK糖和蔗糖晶兩種糖液的濃
3 薄膜蒸發(fā)器在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題及改進(jìn)
措施[ 3, 4]
3.1 蒸發(fā)器在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及分析
高效旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器是一種新型高效蒸發(fā)器,它既具有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn) , 同時(shí)又具有靜設(shè)備的特點(diǎn)。從以上應(yīng)用情況和性能特點(diǎn)分析 , 我們認(rèn)為薄膜蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)不容置疑 , 但在其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題 ,影響了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
薄膜蒸發(fā)器在投入使用后的**初幾個(gè)月中運(yùn)行平穩(wěn) ,各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)均達(dá)到甚**超過(guò)了預(yù)期水平。但在運(yùn)行半年后, 發(fā)現(xiàn)該設(shè)備真空度下降 ,運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常、振動(dòng)嚴(yán)重。為此被迫對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行拆檢,拆檢后發(fā)現(xiàn):蒸發(fā)器下軸承的聚四氟乙烯軸套嚴(yán)重磨損 ,其磨損呈現(xiàn)偏心狀 ,軸與軸套**大間隙已超過(guò)10mm;刮板磨損,且磨損程度不太一致,個(gè)別刮板已經(jīng)磨損到刮板槽;有較多固體結(jié)在筒壁和刮板上 ;筒體內(nèi)壁有腐蝕和磨損現(xiàn)象 ;機(jī)械密封泄漏。該設(shè)備采用的是雙端面機(jī)械密封,用甘油作沖冼液,水作冷卻液,在運(yùn)行中,經(jīng)常出現(xiàn)甘油泄漏和甘油變質(zhì)現(xiàn)象。
根據(jù)以上情況 , 我們對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)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(zhì) , 使鹽更容易粘結(jié)在筒體內(nèi)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(zhuǎn)子因離心力不均而產(chǎn)生設(shè)備振動(dòng);蒸發(fā)器下軸承的聚四氟乙烯軸套雖然耐腐蝕, 但材質(zhì)軟、傳熱慢、易磨損。軸套磨損后, 主軸易產(chǎn)生擺動(dòng) ,引起蒸發(fā)器頂部的機(jī)械密封漏氣。同時(shí) ,造成筒體和刮板磨損不均勻。
3.2 薄膜蒸發(fā)器的改進(jìn)措施
針對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因 , 經(jīng)過(guò)查閱大量相關(guān)技術(shù)資料 ,并在充分考慮了蒸發(fā)器當(dāng)時(shí)的實(shí)際狀況后, 我們進(jìn)行了以下改進(jìn) :
