薄膜蒸發器的設計*

張曉峰，邢玉華

（中國有色（沈陽）冶金機械有限公司，遼寧沈陽 110141）

薄膜蒸發器的設計*

張曉峰，邢玉華

（中國有色（沈陽）冶金機械有限公司，遼寧沈陽 110141）

綜述了機械攪拌式薄膜蒸發器的基本結構、原理，并以1 m2機械攪拌式薄膜蒸發器為例論述了薄膜蒸發器的結構設計過程。機械攪拌式薄膜蒸發器是利用旋轉的刮板將料液分散成均勻的薄膜，以進行物料濃縮的一種新型高效蒸發設備。

薄膜蒸發器；機械攪拌式；石油化工；蒸發面積

常規的蒸發換熱設備不可能很好地適應某些物料的蒸發和反應，特別是熱敏性物料，粘性物料，有生垢發泡趨勢的物料。機械攪拌薄膜蒸發器與常規蒸發器相比，因其具有獨特的優點，特別適用于這類物料的蒸發分離。攪拌薄膜蒸發器廣泛應用與石油化工，食品，生化，醫藥等行業。

1 薄膜蒸發器的基本結構

薄膜蒸發器都是由驅動和蒸發濃縮兩大部分組成。以用途最廣的立式機械攪拌薄膜蒸發器為例。其結構簡圖（如圖1所示）。

圖1 薄膜蒸發器結構簡圖Fig.1 Membrane evaporator structure diagram

2 工作原理

預熱到一定溫度的物料自攪拌薄膜蒸發器上部進料口進入蒸發器，經轉軸中部的布料盤通過離心力均布在圓筒內壁上。再通過刮板的攪拌，驅動，分散在蒸發圓筒加熱內壁上形成均勻液膜。液膜吸收夾套中加熱介質（回執蒸汽或導熱油）供給蒸發表面（圓筒內壁）的熱量，在其表面進行物質的迅速蒸發，膜層受熱蒸發后會減薄。后進入的料液又被后繼而來的刮板掃刮，形成新膜，再蒸發，如此反復進行。料液漸被濃縮，最后由出料口排出。蒸發出來的蒸汽，經除沫器，出二次蒸汽出口排出。

3 設計條件

蒸發面積1 m2，由上述參數選擇設計進料量為0.386 m3/h，長徑比L/D=3.5。本文要設計的蒸發器工作要求參數：

進料物料濃度（w0）：30%；

進料物料溫度：45℃；

進料物料黏度：0.1 Pa·s；

進料量：0.386 m3/h；

出料物料濃度（w）：50%；

出料物料溫度：75℃；

加熱蒸汽壓力（表壓）：0.3 MPa；

加熱蒸汽壓力溫度：132.9℃；

蒸發器內壓力（絕壓）：0.01 MPa。

4 結構設計

4.1 蒸發器筒體與夾套設計

4.1.1 蒸發器筒體

蒸發器筒體長徑比的選取，參照立式薄膜蒸發器長徑比（L/D）選取原則一般為3～6，當筒體內徑小時，筒體長徑比取偏大值，進料粘度小時，也要求筒體長徑比取偏大值。而“0”間隙式的長徑比要較固定間隙式小些，同時考慮到長徑比大時，相應自由蒸汽通道小，不利于殘氣的排出。考慮多種因素，設計時其長徑比應取小值，取L/D=3.5，薄膜蒸發器的傳熱面積為1 m2，初步估算：πD×L＝1。

所以可得L=1.10 m，D=314 mm。傳熱筒體材料可先取無縫鋼管DN=300，壁厚δ=5.5。

利用圖算法計算外壓圓筒的許用壓力，因為：

查文獻[6]得到系數A=8，選用不銹鋼查表得設計溫度150℃時B=95 MPa。根據式：

由設計壓力P=0.3 MPa≤[P]=1.61 MPa知筒體安全。

4.1.2 加熱夾套

因設計溫度150℃，材料為Q235A，夾套設計D0=378 mm，δ=7 mm；

查文獻[6]得到系數A=8，選用不銹鋼查表得在設計溫度150℃時B=105 MPa。根據下式得：

由設計壓力P=0.3 MPa≤[P]=1.94 MPa，可知夾套安全。

4.2 刮板驅動功率

4.3 傳動裝置

薄膜蒸發器的轉子是由傳動裝置來帶動。傳動裝置通常設置在蒸發器的上部。根據所求得的刮板驅動功率42 W，選取合適的傳動裝置。

4.4 轉子部件

轉子設計是薄膜蒸發器設計的關鍵所在。本設計采用Smith轉子。1 m2的薄膜蒸發裝置中轉子部件由以下幾部分組成：主軸、刮板、刮板導槽、除沫器、物料分布器、及其它聯接部件。

4.4.1 主軸

主軸擬用45號鋼，根據算得的攪拌P=42 W來確定選用鋼的直徑，然后在機床上加工聯軸器段和軸承段。

本蒸發器中攪拌軸主要受扭矩作用，故忽略軸上彎扭等其他載荷作用。軸材料為45鋼，電機功率P=0.55 kW。

已知 n=160 r/min，取[τ]T=30 MPa。

考慮到軸比較長，故取最小軸徑為dmin=30 mm，軸承段直徑d1=40 mm。

4.4.2 刮板

刮板材質采用聚四氟乙烯，它是由一定配比（6︰1～12︰1）的玻璃纖維與聚四氟乙烯樹脂所組成的一種有機復合材料，具有良好的潤滑性和耐磨性、優異的化學穩定性，使用溫度為-180～250℃。本裝置工作溫度為45～132.9℃，此材料適合。

4.4.3 刮板導槽

刮板導槽采用“U”型槽，它將通過焊接固定在轉子支架上。

4.4.4 物料分布器

液體分布器置于刮板上方，將進料液體均勻地分布于筒體壁面上。

采用最常見的液體分布器，它是固定于主軸上的一個分布盤，當進料液流入分布盤時，隨軸回轉的分布盤將料液甩至筒體內壁、這種料液分布器適用于各種不同黏度的物料。

4.4.5 除沫器

物料在蒸發面蒸發時，由于固體顆粒的析出、過熱、熱分解等原因，會有霧沫夾帶現象，當蒸發強度越大，刮膜速度越快，霧沫夾帶現象越嚴重。在料液分布器上方，設置有除沫器，以除去二次蒸汽中可能夾帶的霧沫。本設計中采用氣濾式過濾網作為除沫器，此網層高100 mm。絲網是固定的，不隨軸轉動，軸與絲網接觸的部分有適當的密封，以防止二次蒸汽短路。工作時，氣濾式過濾網捕沫器形成一道屏障，將物料蒸發產生的二次蒸汽夾帶的液沫擋回去，只有二次蒸汽通過。

4.5 其他附件

薄膜蒸發器上還有許多其他附件，如設備接口、支座、底軸承、機械密封等。

4.5.1 設備接口

設備接口設計見表1。

表1 管口表Table 1 Pipe orifice table

4.5.2 機械密封

采用雙端面非平衡型機械密封，該段軸徑d2=30 mm，軸套直徑 d =40 mm。計算機械密封的密封接觸面內外徑，取面積比k=1.1，接觸面寬度取b=3 mm，查表知則

外徑：

內徑：D1=D2-2b=47-2×3=41

4.5.3 底軸承

根據本設計條件，軸瓦材料選用錫青銅，軸襯材料選用硬木，軸套材料選用碳鋼。軸瓦固定用銷釘固定在軸承支架上。

4.5.4 支座

攪拌式蒸發器為立式安裝，最常用的支座為耳式支座，標準耳式支座（GB/T 4725-92）分為A型和B型2種。當設備需要保溫或直接支承在樓板上時選B型，否則選用A型。根據本設備安裝條件選用4個A型耳式支座。

5 結束語

機械攪拌式薄膜蒸發器作為一種新型的蒸發設備，具有普通蒸發器無法比擬的突出優點，應該具有更廣泛的應用領域，為工業生產帶來巨大的社會效益。攪拌薄膜蒸發器特別適合于熱敏性、高沸點和高粘度物料的處理，其作用是通過蒸汽加熱物料，使其中水分蒸發，達到濃縮物料的目的。對于僅在某些領域成熟的工業設備，不僅應在結構方面，還需在傳質、傳熱性能方面作大量工作。

[1]汪蕊.薄膜蒸發器流體流動數值模擬及傳熱計算初探[D].南京：南京工業大學，2003.

[2]李佳.薄膜蒸發器傳熱性能分析與實驗研究[D].南京：南京工業大學，2004.

[3]丁昌勇.薄膜蒸發器蜂窩夾套結構強度研究[D].南京：南京工業大學，2005.

[4] 張鳳梧.機械攪拌式薄膜蒸發器[J].化工機械，1983（5）：9-26.

[5]韋佩英.新型實用旋膜蒸發器與流程[J].化學工程，1997（2）：30-32.

[6]陳國桓.化工機械基礎[M].北京：化學工業出版社，2006.

Design of Membrane Evaporator

ZHANG Xiao-feng，XING Yv-hua
（NFC(Shenyang)Metallurgical Machinery Co.，Ltd.，Liaoning Shenyang 110141，China）

Structure and principle of membrane evaporator with mechanical agitation were reviewed.Taking 1m2mechanical agitated membrane evaporator as an example，design process of the membrane evaporator was discussed.Mechanical agitated membrane evaporator uses rotating squeegee to disperse liquid materials to form film,which makes materials to be concentrated.

Membrane evaporator；Mechanical stirring；Petroleum chemical；Evaporation area

TQ051.6+2

A

1671-0460（2010）05-0614-03

2010-05-27

張曉峰（1974-），男，工程師，遼寧沈陽人，1996年畢業于中南工業大學有色金屬冶煉專業，主要從事制鋁設備的設計研發工作。E-mail：zhangxiaofeng0205@163.com，電話：024-25505555-6161。