高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用

過常樂

上海緣昌醫(yī)藥化工裝備有限公司(上海 200051)

關(guān)鍵字 高濃度鹽水 高效薄膜蒸發(fā) 蒸發(fā)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(hù)環(huán)境，是我國的基本國策之一，是我們的使命和責(zé)任?；诖?，國家對化工企業(yè)的廢水排放有著嚴(yán)格的要求。溶劑回收和廢水處理等環(huán)保改造工程是推進(jìn)污染物減排的重要措施。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要的廢水處理方法是中和法和蒸發(fā)法。中和法主要是在酸堿廢水中添加酸或堿對廢水進(jìn)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(jī)過濾并處理使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。但每個(gè)工廠的廢水品種很多，各不相同，特別是在制藥和精細(xì)化工等領(lǐng)域。這些工廠內(nèi)除了含酸或堿離子廢水外，經(jīng)常存在很多有機(jī)廢水，甚至有機(jī)廢水和無機(jī)廢水的混合廢水，它們無法進(jìn)行中和處理。因此，中和法不具備通用性。

蒸發(fā)法即把廢水直接蒸發(fā)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(yè)主流的蒸發(fā)設(shè)備為蒸發(fā)反應(yīng)釜、單效蒸發(fā)器、三效蒸發(fā)器和MVR(蒸汽機(jī)械再壓縮)蒸發(fā)器。這些蒸發(fā)器雖然蒸發(fā)了大量液體，但有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，即無法實(shí)現(xiàn)完全固體出料，還是會產(chǎn)生污水，治標(biāo)不治本。

基于以上特點(diǎn)，發(fā)明了一種新型的高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)。它能夠?qū)崿F(xiàn)高效薄膜蒸發(fā)，極大地提高了蒸發(fā)效率，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)完全固體出料，使溶劑回收和廢水處理成本轉(zhuǎn)換為固廢處理成本，有效降低處理費(fèi)用。該設(shè)備主要用于對三效蒸發(fā)器或MVR蒸發(fā)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(jī)物的重組分進(jìn)行繼續(xù)蒸發(fā)并將其直接干燥成固體排出，為用戶解決環(huán)保處理中的難題。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，設(shè)備為臥式圓筒型結(jié)構(gòu)，兩端為平蓋結(jié)構(gòu)。設(shè)備的一端設(shè)置有機(jī)架、軸承、機(jī)械密封或填料函密封、電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，另一端設(shè)置機(jī)架、軸承、機(jī)械密封或填料函密封和特殊結(jié)構(gòu)的熱媒進(jìn)出旋轉(zhuǎn)密封裝置。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)變頻無極調(diào)速，電機(jī)可選用普通電機(jī)或防爆變頻電機(jī)，滿足客戶的工藝要求。

設(shè)備中間為加熱圓筒體，兩端為加熱端蓋。圓筒體可以設(shè)置加熱夾套或者加熱半圓管夾套對筒體進(jìn)行加熱，加熱介質(zhì)可使用熱水、導(dǎo)熱油或蒸汽；端蓋上也設(shè)置了加熱半圓管夾套對其進(jìn)行加熱。設(shè)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(dǎo)熱油或蒸汽從空心雙層主軸的外層進(jìn)入空心加熱螺旋圓盤，在其內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，最后從空心雙層主軸的內(nèi)層流出。在空心雙層主軸的末端安裝了加熱旋轉(zhuǎn)機(jī)封，實(shí)現(xiàn)主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的加熱介質(zhì)進(jìn)出?？招穆菪訜釄A盤頂部設(shè)置有螺旋推進(jìn)刮刀，由于螺旋圓盤和主軸一起旋轉(zhuǎn)，刮刀可對筒壁和端蓋進(jìn)行刮壁式攪拌。由于刮刀為螺旋式，液體和固體從設(shè)備端蓋一端隨著攪拌不斷地螺旋推進(jìn)，從兩邊向中間再從中間向兩邊移動(dòng)，最后從出料口排出。設(shè)備頂部設(shè)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(jìn)行檢修。通常情況下，在設(shè)備頂部中間設(shè)置有真空粉塵過濾裝置，過濾裝置頂部設(shè)置有真空口，對整個(gè)設(shè)備進(jìn)行抽真空。由于設(shè)置了粉塵過濾裝置，避免了干燥后的粉塵進(jìn)入到真空系統(tǒng)中。在設(shè)備的底部設(shè)置有特殊結(jié)構(gòu)無死角氣動(dòng)或電動(dòng)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(shè)備殼體平齊，保證在球閥關(guān)閉的情況下沒有液體殘留，否則在加熱以后，可能會結(jié)塊從而堵住出料口。

在設(shè)備端蓋的兩端設(shè)置有機(jī)械密封，機(jī)械密封可以采用單端面或者雙端面結(jié)構(gòu)。機(jī)械密封同樣經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)：首先，要保證當(dāng)液體淹沒主軸時(shí)，廢水不會進(jìn)入機(jī)械密封的密封面，否則蒸發(fā)時(shí)形成的結(jié)晶鹽會附著在密封面上，導(dǎo)致密封面極易損壞。其次，由于主軸為空心加熱結(jié)構(gòu)，在加熱狀態(tài)下，主軸的伸長量和筒體的伸長量不一致，從而造成機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)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(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)都可以隨主軸一起伸長或縮短，從而保證密封面不會因?yàn)闊崦浝淇s而受到擠壓。整個(gè)設(shè)備的外部可以設(shè)置不銹鋼保溫層，既美觀也起到保溫的效果。

圖1 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 工藝流程

根據(jù)不同的使用要求，可以把蒸發(fā)干燥機(jī)分成溶劑回收和廢水蒸發(fā)2種工況

2.1 連續(xù)溶劑回收工藝流程

高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)是一臺高效的薄膜蒸發(fā)器，可以對溶劑進(jìn)行連續(xù)或分批高效蒸發(fā)回收。圖2所示為德國默克集團(tuán)南通工廠溶劑蒸發(fā)的工藝流程。整套裝置包含2臺高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)(并聯(lián)運(yùn)行)，一臺或多臺冷凝器、真空溶劑回收儲罐、真空機(jī)組以及加熱機(jī)組。

需要蒸發(fā)的母液通過計(jì)量泵被連續(xù)輸送到蒸發(fā)干燥機(jī)內(nèi)，此時(shí)設(shè)備內(nèi)部為高真空狀態(tài)(真空度一般控制在-0.095 MPa以上)，需要設(shè)置多級水環(huán)加羅茨真空機(jī)組。進(jìn)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(zhuǎn)，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(fā)。蒸發(fā)溫度一般設(shè)置為高于該真空度下的溶劑沸點(diǎn)10℃左右。通過熱量衡算，可以算出每小時(shí)蒸發(fā)所需要的蒸汽或熱水的流量。每小時(shí)的進(jìn)料量和蒸發(fā)量通過自動(dòng)控制保證基本持平，隨著母液的不斷蒸發(fā)，溶劑通過冷凝器冷凝回收到溶劑儲罐。同時(shí)，由于不斷蒸發(fā)，母液中的不溶固體會逐漸增多，達(dá)到一定濃度后，需要停止進(jìn)料，切換到另一臺設(shè)備。切換后，排出的固液混合物進(jìn)入離心機(jī)或過濾機(jī)進(jìn)行離心或過濾。過濾后的固體到下一道工序烘干得到產(chǎn)品，濾液回流到設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行蒸發(fā)。

2.2 含鹽廢水環(huán)保蒸發(fā)及干燥工藝流程

高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)可用作蒸發(fā)器，對含鹽廢水進(jìn)行蒸發(fā)得到干燥的結(jié)晶鹽。如圖3所示，整套裝置由單臺高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)、冷凝器、真空冷凝水儲罐、真空機(jī)組以及加熱機(jī)組組成。

需要蒸發(fā)的含鹽廢水通過進(jìn)料口進(jìn)入到蒸發(fā)干燥機(jī)內(nèi)，此時(shí)打開真空機(jī)組對設(shè)備進(jìn)行抽真空，真空度一般控制在-0.095 MPa以上。進(jìn)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(zhuǎn)，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(fā)。由于圓盤外部帶有螺旋形的攪拌漿葉，底部蒸發(fā)出的結(jié)晶鹽被翻轉(zhuǎn)到設(shè)備上部，整個(gè)設(shè)備內(nèi)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(fā)成過飽和水溶液，再變成含水率較高的結(jié)晶鹽，最后變成干燥的結(jié)晶鹽。當(dāng)結(jié)晶鹽達(dá)到干燥要求后，打開設(shè)備自動(dòng)出料球閥，通過攪拌刮刀把結(jié)晶鹽從球閥中刮出排料。排出的結(jié)晶鹽通過無害化處理，變成固廢統(tǒng)一回收。

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

圖2 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)連續(xù)蒸發(fā)流程

圖3 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)廢水蒸發(fā)流程

3 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)

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

(2)作為一臺蒸發(fā)器，加熱面積是普通釜式蒸發(fā)器的5～10倍，加熱面積大，蒸發(fā)速度快。設(shè)備內(nèi)的攪拌加熱圓盤與物料直接接觸，因此傳熱系數(shù)也比普通間壁傳熱的蒸發(fā)器大很多，節(jié)能環(huán)保。

(3)設(shè)備內(nèi)的攪拌加熱圓盤可以把待蒸發(fā)的液體通過旋轉(zhuǎn)帶出液體表面，形成蒸發(fā)薄膜，大大提高了蒸發(fā)速度。

(4)可以直接把需要蒸發(fā)的廢水蒸發(fā)干燥，變成固體，這是普通的單效或多效蒸發(fā)器無法做到的。不僅可以代替原有的單效蒸發(fā)器直接使用，也可以配合三效或MVR蒸發(fā)器一起使用。母液在普通多效蒸發(fā)器內(nèi)被濃縮以后，繼續(xù)在高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)中進(jìn)行濃縮蒸發(fā)干燥，最后變成固體排出設(shè)備，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。

(5)旋轉(zhuǎn)軸的密封為機(jī)械密封，設(shè)備底部的出料球閥為特殊設(shè)計(jì)的無死角氣動(dòng)出料球閥，攪拌加熱圓盤可實(shí)現(xiàn)變頻無極調(diào)速，整臺設(shè)備自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制加熱蒸發(fā)干燥進(jìn)度；進(jìn)出料也可做到編程后自動(dòng)化，同時(shí)也可以連接DCS(分布式控制系統(tǒng))，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

4 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)應(yīng)用實(shí)例

4.1 含鹽廢水蒸發(fā)

江蘇宿遷的某客戶于2018年采購了一臺4 000 L高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)用于處理含鹽廢水。采用蒸發(fā)干燥機(jī)后，廢水蒸發(fā)處理量約為500 kg/h，含鹽廢水通過流量泵被連續(xù)地輸送進(jìn)設(shè)備，蒸發(fā)到一定濃度后，停止進(jìn)料并進(jìn)行廢鹽干燥。每天處理兩批次，每批次連進(jìn)出料時(shí)間共計(jì)12 h，每天處理廢水10 t左右，固廢排放每次1 t，共計(jì)2 t。園區(qū)原廢水處理費(fèi)用為4 500元/t，按照10 t/天計(jì)算，每天的處理費(fèi)用為45 000元。每噸廢水蒸發(fā)共需要蒸汽600 kg左右，蒸汽按照250元/t計(jì)算，蒸發(fā)1 t廢水的蒸汽成本為150元。設(shè)備需要使用真空機(jī)組及攪拌電機(jī)，每小時(shí)大約需要50 kW·h電能，按工業(yè)用電價(jià)格1.2元/(kW·h)計(jì)算，則每小時(shí)電費(fèi)60元。由于平均每小時(shí)蒸發(fā)約500 kg廢水，則處理1 t廢水的電費(fèi)約為120元。每噸固廢的處理費(fèi)用在1 000元左右，共產(chǎn)生2 t固廢，則每噸廢水產(chǎn)生的固廢為200 kg，折合處理費(fèi)用為200元。綜上所述，利用高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)，每噸廢水的處理費(fèi)用(含蒸汽、電費(fèi)和固廢處理費(fèi))約為470元，加上人工、場地及維護(hù)成本，也不會超過500元。按每天10 t廢水計(jì)算，每天節(jié)省費(fèi)用超過40 000元。兩周內(nèi)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(fā)

位于浙江紹興上虞園區(qū)的某制藥企業(yè)采購了4臺高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)(如圖4所示)用于溶劑回收，每2臺為一組，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。蒸發(fā)的溶劑為甲苯，單臺設(shè)備的全容積為4 000 L，蒸發(fā)面積約為30 m2，設(shè)備達(dá)到高真空，真空度在-0.095 MPa以上。每小時(shí)進(jìn)料量約為500 kg，蒸發(fā)溫度為95℃。當(dāng)一臺設(shè)備連續(xù)蒸發(fā)到一定濃度后，切換到另一臺設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行蒸發(fā)。原設(shè)備打開出料底閥，排出濃漿，利用液位差排到自動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行固液分離。分離出的母液繼續(xù)進(jìn)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(yīng)釜進(jìn)行蒸發(fā)，由于普通反應(yīng)釜加熱面積有限，蒸發(fā)效率差，很難達(dá)到高效蒸發(fā)，需要8臺設(shè)備同時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)，大量占用生產(chǎn)場地，并增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度。改造后，只需要4臺蒸發(fā)干燥機(jī)就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，全過程通過DCS遠(yuǎn)程控制，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖4 高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)溶劑蒸發(fā)回收現(xiàn)場

5 結(jié)語

隨著改革開放的不斷推進(jìn)，人們越來越注重環(huán)保，化工生產(chǎn)企業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)苛?；どa(chǎn)企業(yè)對于高效節(jié)能、自動(dòng)化程度較高的設(shè)備越發(fā)青睞。

高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)有效地解決了蒸發(fā)結(jié)晶過程中生成固體的問題，使蒸發(fā)和干燥2個(gè)工藝過程在一臺設(shè)備內(nèi)完成，極大地簡化了很多醫(yī)藥化工產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程，為客戶更好地完善和改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供了有效的解決方案。除此以外，該設(shè)備也可以用作一臺優(yōu)秀的廢水處理設(shè)備，解決了三效蒸發(fā)器或MVR蒸發(fā)器無法蒸發(fā)的濃漿，及蒸餾塔底部的重組分等困擾水處理行業(yè)多年的問題。

該設(shè)備在醫(yī)藥化工行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣泛，具有極大的市場潛力，后續(xù)還需要不斷研發(fā)優(yōu)化，使其更加完善。