高效內轉盤薄膜蒸發干燥機的研發及應用

過常樂

上海緣昌醫藥化工裝備有限公司(上海 200051)

關鍵字 高濃度鹽水 高效薄膜蒸發 蒸發干燥一體化 溶劑回收 廢水處理

綠水青山就是金山銀山。保護環境，是我國的基本國策之一，是我們的使命和責任。基于此，國家對化工企業的廢水排放有著嚴格的要求。溶劑回收和廢水處理等環保改造工程是推進污染物減排的重要措施。

目前，工業生產中主要的廢水處理方法是中和法和蒸發法。中和法主要是在酸堿廢水中添加酸或堿對廢水進行中和，通過在線檢測pH來確定中和效果。中和過程中如果生成固體，則通過過濾機過濾并處理使其達到排放標準后排放。但每個工廠的廢水品種很多，各不相同，特別是在制藥和精細化工等領域。這些工廠內除了含酸或堿離子廢水外，經常存在很多有機廢水，甚至有機廢水和無機廢水的混合廢水，它們無法進行中和處理。因此，中和法不具備通用性。

蒸發法即把廢水直接蒸發濃縮后排放。該方法有效降低了廢水排放總量(為處理前的1/5到1/10)，使用戶大大降低處理成本。中國化工行業主流的蒸發設備為蒸發反應釜、單效蒸發器、三效蒸發器和MVR(蒸汽機械再壓縮)蒸發器。這些蒸發器雖然蒸發了大量液體，但有一個嚴重的缺陷，即無法實現完全固體出料，還是會產生污水，治標不治本。

基于以上特點，發明了一種新型的高效內轉盤薄膜蒸發干燥機。它能夠實現高效薄膜蒸發，極大地提高了蒸發效率，同時能實現完全固體出料，使溶劑回收和廢水處理成本轉換為固廢處理成本，有效降低處理費用。該設備主要用于對三效蒸發器或MVR蒸發器排出的高濃度鹽水、膜過濾后的高濃度鹽水及精餾塔底部含有有機物的重組分進行繼續蒸發并將其直接干燥成固體排出，為用戶解決環保處理中的難題。

1 設備結構及工作原理

如圖1所示，設備為臥式圓筒型結構，兩端為平蓋結構。設備的一端設置有機架、軸承、機械密封或填料函密封、電動機和減速機驅動裝置，另一端設置機架、軸承、機械密封或填料函密封和特殊結構的熱媒進出旋轉密封裝置。該設備可實現變頻無極調速，電機可選用普通電機或防爆變頻電機，滿足客戶的工藝要求。

設備中間為加熱圓筒體，兩端為加熱端蓋。圓筒體可以設置加熱夾套或者加熱半圓管夾套對筒體進行加熱，加熱介質可使用熱水、導熱油或蒸汽；端蓋上也設置了加熱半圓管夾套對其進行加熱。設備的空心雙層主軸上安裝有幾十片空心加熱螺旋圓盤，熱水、導熱油或蒸汽從空心雙層主軸的外層進入空心加熱螺旋圓盤，在其內部進行強制循環，最后從空心雙層主軸的內層流出。在空心雙層主軸的末端安裝了加熱旋轉機封，實現主軸在轉動情況下的加熱介質進出。空心螺旋加熱圓盤頂部設置有螺旋推進刮刀，由于螺旋圓盤和主軸一起旋轉，刮刀可對筒壁和端蓋進行刮壁式攪拌。由于刮刀為螺旋式，液體和固體從設備端蓋一端隨著攪拌不斷地螺旋推進，從兩邊向中間再從中間向兩邊移動，最后從出料口排出。設備頂部設置有一條快開法蘭密封的快開方形長槽，方便對螺旋圓盤進行檢修。通常情況下，在設備頂部中間設置有真空粉塵過濾裝置，過濾裝置頂部設置有真空口，對整個設備進行抽真空。由于設置了粉塵過濾裝置，避免了干燥后的粉塵進入到真空系統中。在設備的底部設置有特殊結構無死角氣動或電動出料球閥，可以通過可編程邏輯控制器(PLC)控制。球閥的球面必須和設備殼體平齊，保證在球閥關閉的情況下沒有液體殘留，否則在加熱以后，可能會結塊從而堵住出料口。

在設備端蓋的兩端設置有機械密封，機械密封可以采用單端面或者雙端面結構。機械密封同樣經過特殊設計：首先，要保證當液體淹沒主軸時，廢水不會進入機械密封的密封面，否則蒸發時形成的結晶鹽會附著在密封面上，導致密封面極易損壞。其次，由于主軸為空心加熱結構，在加熱狀態下，主軸的伸長量和筒體的伸長量不一致，從而造成機械密封的動靜環伸長量也不一致，擠壓密封面并使其損壞。為了避免熱脹冷縮的影響，機械密封的動靜環都可以隨主軸一起伸長或縮短，從而保證密封面不會因為熱脹冷縮而受到擠壓。整個設備的外部可以設置不銹鋼保溫層，既美觀也起到保溫的效果。

圖1 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機的結構

2 工藝流程

根據不同的使用要求，可以把蒸發干燥機分成溶劑回收和廢水蒸發2種工況

2.1 連續溶劑回收工藝流程

高效內轉盤薄膜蒸發干燥機是一臺高效的薄膜蒸發器，可以對溶劑進行連續或分批高效蒸發回收。圖2所示為德國默克集團南通工廠溶劑蒸發的工藝流程。整套裝置包含2臺高效內轉盤薄膜蒸發干燥機(并聯運行)，一臺或多臺冷凝器、真空溶劑回收儲罐、真空機組以及加熱機組。

需要蒸發的母液通過計量泵被連續輸送到蒸發干燥機內，此時設備內部為高真空狀態(真空度一般控制在-0.095 MPa以上)，需要設置多級水環加羅茨真空機組。進料液位一般控制在攪拌軸之上的位置，隨著空心加熱圓盤的不斷旋轉，料液在表面張力的作用下形成一層薄膜吸附在圓盤上，形成薄膜蒸發。蒸發溫度一般設置為高于該真空度下的溶劑沸點10℃左右。通過熱量衡算，可以算出每小時蒸發所需要的蒸汽或熱水的流量。每小時的進料量和蒸發量通過自動控制保證基本持平，隨著母液的不斷蒸發，溶劑通過冷凝器冷凝回收到溶劑儲罐。同時，由于不斷蒸發，母液中的不溶固體會逐漸增多，達到一定濃度后，需要停止進料，切換到另一臺設備。切換后，排出的固液混合物進入離心機或過濾機進行離心或過濾。過濾后的固體到下一道工序烘干得到產品，濾液回流到設備繼續進行蒸發。

2.2 含鹽廢水環保蒸發及干燥工藝流程

高效內轉盤薄膜蒸發干燥機可用作蒸發器，對含鹽廢水進行蒸發得到干燥的結晶鹽。如圖3所示，整套裝置由單臺高效內轉盤薄膜蒸發干燥機、冷凝器、真空冷凝水儲罐、真空機組以及加熱機組組成。

需要蒸發的含鹽廢水通過進料口進入到蒸發干燥機內，此時打開真空機組對設備進行抽真空，真空度一般控制在-0.095 MPa以上。進料液位一般控制在攪拌軸之上的位置。隨著空心加熱圓盤的不斷旋轉，在液面之下的液體由于表面張力被帶到液面之上，形成一層薄膜吸附在圓盤上，由于液面下和液面上的真空度不同，形成薄膜蒸發。由于圓盤外部帶有螺旋形的攪拌漿葉，底部蒸發出的結晶鹽被翻轉到設備上部，整個設備內的固體與筒壁和加熱圓盤充分接觸，傳熱效果非常好。含鹽廢水逐漸被蒸發成過飽和水溶液，再變成含水率較高的結晶鹽，最后變成干燥的結晶鹽。當結晶鹽達到干燥要求后，打開設備自動出料球閥，通過攪拌刮刀把結晶鹽從球閥中刮出排料。排出的結晶鹽通過無害化處理，變成固廢統一回收。

蒸發干燥機除了可以對高濃度含鹽廢水進行蒸發干燥外，也可以直接對各類過濾機或離心機過濾后的濕濾餅進行干燥和溶劑回收。由于設備的干燥面積非常大(是普通耙式干燥機的3倍以上)，因此 其性能特別出色。

圖2 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機連續蒸發流程

圖3 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機廢水蒸發流程

3 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機的主要優點

(1)一機多用。不僅是一臺蒸發器，可以蒸發液體，也是一臺干燥機，可干燥濾餅，滿足不同的工藝需求。

(2)作為一臺蒸發器，加熱面積是普通釜式蒸發器的5～10倍，加熱面積大，蒸發速度快。設備內的攪拌加熱圓盤與物料直接接觸，因此傳熱系數也比普通間壁傳熱的蒸發器大很多，節能環保。

(3)設備內的攪拌加熱圓盤可以把待蒸發的液體通過旋轉帶出液體表面，形成蒸發薄膜，大大提高了蒸發速度。

(4)可以直接把需要蒸發的廢水蒸發干燥，變成固體，這是普通的單效或多效蒸發器無法做到的。不僅可以代替原有的單效蒸發器直接使用，也可以配合三效或MVR蒸發器一起使用。母液在普通多效蒸發器內被濃縮以后，繼續在高效內轉盤薄膜蒸發干燥機中進行濃縮蒸發干燥，最后變成固體排出設備，達到節能環保目的。

(5)旋轉軸的密封為機械密封，設備底部的出料球閥為特殊設計的無死角氣動出料球閥，攪拌加熱圓盤可實現變頻無極調速，整臺設備自動化程度高，可實現PLC自動控制加熱蒸發干燥進度；進出料也可做到編程后自動化，同時也可以連接DCS(分布式控制系統)，進行遠程控制。

4 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機應用實例

4.1 含鹽廢水蒸發

江蘇宿遷的某客戶于2018年采購了一臺4 000 L高效內轉盤薄膜蒸發干燥機用于處理含鹽廢水。采用蒸發干燥機后，廢水蒸發處理量約為500 kg/h，含鹽廢水通過流量泵被連續地輸送進設備，蒸發到一定濃度后，停止進料并進行廢鹽干燥。每天處理兩批次，每批次連進出料時間共計12 h，每天處理廢水10 t左右，固廢排放每次1 t，共計2 t。園區原廢水處理費用為4 500元/t，按照10 t/天計算，每天的處理費用為45 000元。每噸廢水蒸發共需要蒸汽600 kg左右，蒸汽按照250元/t計算，蒸發1 t廢水的蒸汽成本為150元。設備需要使用真空機組及攪拌電機，每小時大約需要50 kW·h電能，按工業用電價格1.2元/(kW·h)計算，則每小時電費60元。由于平均每小時蒸發約500 kg廢水，則處理1 t廢水的電費約為120元。每噸固廢的處理費用在1 000元左右，共產生2 t固廢，則每噸廢水產生的固廢為200 kg，折合處理費用為200元。綜上所述，利用高效內轉盤薄膜蒸發干燥機，每噸廢水的處理費用(含蒸汽、電費和固廢處理費)約為470元，加上人工、場地及維護成本，也不會超過500元。按每天10 t廢水計算，每天節省費用超過40 000元。兩周內即可收回投資成本。所以后期客戶又追加了2臺訂單。

4.2 溶劑回收蒸發

位于浙江紹興上虞園區的某制藥企業采購了4臺高效內轉盤薄膜蒸發干燥機(如圖4所示)用于溶劑回收，每2臺為一組，實現連續生產。蒸發的溶劑為甲苯，單臺設備的全容積為4 000 L，蒸發面積約為30 m2，設備達到高真空，真空度在-0.095 MPa以上。每小時進料量約為500 kg，蒸發溫度為95℃。當一臺設備連續蒸發到一定濃度后，切換到另一臺設備繼續進行蒸發。原設備打開出料底閥，排出濃漿，利用液位差排到自動離心機進行固液分離。分離出的母液繼續進行溶劑回收；分離出的固體作為廢渣，干燥后作為固廢處理。該藥企原來采用框式攪拌反應釜進行蒸發，由于普通反應釜加熱面積有限，蒸發效率差，很難達到高效蒸發，需要8臺設備同時進行蒸發，大量占用生產場地，并增加工人勞動強度。改造后，只需要4臺蒸發干燥機就能實現連續生產，全過程通過DCS遠程控制，極大地提高了生產效率，降低了工人勞動強度。

圖4 高效內轉盤薄膜蒸發干燥機溶劑蒸發回收現場

5 結語

隨著改革開放的不斷推進，人們越來越注重環保，化工生產企業的污染物排放標準也日趨嚴苛。化工生產企業對于高效節能、自動化程度較高的設備越發青睞。

高效內轉盤薄膜蒸發干燥機有效地解決了蒸發結晶過程中生成固體的問題，使蒸發和干燥2個工藝過程在一臺設備內完成，極大地簡化了很多醫藥化工產品生產的工藝流程，為客戶更好地完善和改進生產工藝提供了有效的解決方案。除此以外，該設備也可以用作一臺優秀的廢水處理設備，解決了三效蒸發器或MVR蒸發器無法蒸發的濃漿，及蒸餾塔底部的重組分等困擾水處理行業多年的問題。

該設備在醫藥化工行業的應用前景十分廣泛，具有極大的市場潛力，后續還需要不斷研發優化，使其更加完善。