刮板式薄膜蒸發(fā)器研究進展

張立群，崔建航，張萬堯

（1.浙江恒逸石化有限公司，浙江 杭州 311209；2.恒逸文萊實業(yè)有限公司；3.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

刮板式薄膜蒸發(fā)器又被稱作機械攪拌薄膜蒸發(fā)器，廣泛應(yīng)用于石化、食品和藥品等行業(yè)。刮板式薄膜蒸發(fā)器可以在真空條件下操作，具有傳熱系數(shù)高（1 500～6 000 W/（m2·K））、功耗低和物料停留時間短等特點[1]，主要用于熱敏性、高黏度、易結(jié)垢和易結(jié)晶的物料，如苯乙烯、糖液和乙酸的濃縮處理[2-3]和萃取等方面[4-6]。

刮板式薄膜蒸發(fā)器按照安裝形式分可為立式和臥式，按照冷凝器安裝位置可分為內(nèi)冷式和外冷式，按照刮板形式可分為固定刮板式和活動刮板式[7-8]。刮板式薄膜蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計和高效應(yīng)用對于節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1 刮板式薄膜蒸發(fā)器基本結(jié)構(gòu)與工作原理

刮板式薄膜蒸發(fā)器主要由傳動結(jié)構(gòu)與筒體兩部分組成，結(jié)構(gòu)示意見圖1[9]。物料由筒體上方進料口進入薄膜蒸發(fā)器，經(jīng)分布器被均勻分散到筒體內(nèi)壁上，再通過由電機驅(qū)動的刮板的攪拌，在筒體內(nèi)壁形成薄膜流，薄膜流吸收由筒體外夾套中蒸汽傳到筒體上的熱量，從而得到蒸發(fā)濃縮[10-12]。

圖1 刮板式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示圖

2 刮板式薄膜蒸發(fā)器研究進展

2.1 蒸發(fā)器流場研究

刮板式薄膜蒸發(fā)器液膜流態(tài)可分為3個區(qū)域，見圖2。在刮板前方，液體隨著刮板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，形成一個渦流的弓形波，此部分流體呈螺旋狀向下流動。刮板后方為高度湍流擠壓區(qū)，形成拖曳渦流。拖曳渦流與下一個弓形波區(qū)域為薄膜區(qū)，形成薄膜流[13-14]。

圖2 刮板式薄膜蒸發(fā)器液膜流態(tài)及分區(qū)示圖

刮板與傳熱壁面的間隙不能小于液膜厚度，否則刮板將不起作用。 John Cole[15]和 GODAU H J[16]根據(jù)N-S方程計算了重力作用下最佳的薄膜流厚度和薄膜流內(nèi)流速。MCKELVEY J M等[17]認(rèn)為薄膜蒸發(fā)器的關(guān)鍵在于弓形波的流動，在高黏流體條件下，薄膜流本身基本不流動，在刮板運行后形成弓形波，使得薄膜流更為均勻，同時弓形波與薄膜流相互作用可以增強物料交換。為了改善弓形波與薄膜流之間的混合，AZOORY S等[18]采用鐵網(wǎng)作為刮板，在同等條件下其傳熱效率比傳統(tǒng)平板提高了至少20%。但是鐵網(wǎng)刮板使用中會受到許多限制，比如不能應(yīng)用在液膜蒸發(fā)的場合。KOMORI S等開發(fā)了多板直列刮板[19]和多板傾斜刮板[20]。 試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的平直刮板相比，多板直列刮板使得物料交換有所增強，可以提高設(shè)備效率。

國內(nèi)外學(xué)者采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，對刮板式薄膜蒸發(fā)器流場進行了研究。盧長蘭等[21]利用CFD模型，對不同進料量條件下薄膜蒸發(fā)器形成的液膜湍流流場進行模擬，模擬結(jié)果表明，隨著進料量的不斷加大，刮板附近湍流流場的變化為先增大后減小，傳熱和傳質(zhì)有所加強，蒸發(fā)效率得到提高。模擬結(jié)果與計算值相似。

汪蕊[22]、 賀小華[23]利用流體分析軟件CFX4.4，對刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)刮板長度、刮板傾角、刮板轉(zhuǎn)速、物料黏度以及進料溫度等因素對液膜的影響進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果認(rèn)為，增大刮板轉(zhuǎn)速使液膜趨于均勻化，改變刮板傾角可以控制流體在蒸發(fā)器內(nèi)的平均停留時間，增大物料黏度對流動狀態(tài)影響顯著，物料黏度增大蒸發(fā)器內(nèi)流體速度有所減小，改變刮板長度蒸發(fā)器內(nèi)流體速度變化微小。

雷玲等[24]對精對苯二甲酸（PTA）裝置薄膜蒸發(fā)器在運行過程中存在的問題進行分析，利用MATLAB軟件進行模擬，得到了PTA裝置薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流體速度的分布圖。模擬分析發(fā)現(xiàn)，庫塔效應(yīng)是影響薄膜蒸發(fā)器分離效果的主要因素，通過調(diào)整參數(shù)并進行工業(yè)試驗，使薄膜蒸發(fā)器分離效果達到了要求。

Sanjay B Pawara 等[25]利用 ANSYS-CFX10.0軟件對刮板式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的流場進行分析，研究了弓形波的產(chǎn)生及其隨進料流量的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜區(qū)厚度等于刮板和內(nèi)壁之間間隙，弓形波沿蒸發(fā)器內(nèi)壁呈螺旋狀傳播，與理論分析一致。

Katharina Jascha 等[26]利用示蹤劑，研究了物料進料量、刮板速度及物料黏度對液膜停留時間分布的影響。該薄膜蒸發(fā)器分別安裝有彈簧式梳齒刮板和滾筒式刮板。在高物料載荷和高黏度情況下，滾筒式刮板的液膜停留時間短，這是由弓形波區(qū)域的垂直流速增大所致。使用彈簧式梳齒刮板，在高黏度下，隨著進料量的增大，物料分散性增大。

Appelhaus D等[27]采用基于方程的建模語言Modelica，提出了一個簡化模型來模擬刮板式薄膜蒸發(fā)器的流體動力學(xué)特征。該模型可以計算蒸發(fā)器的重要指標(biāo)（如液膜厚度、物料停留時間及液膜內(nèi)的速度分布），還可以評價不同工藝參數(shù)（如物料進料量和溫度）對蒸發(fā)器的影響。通過與實際試驗對比，發(fā)現(xiàn)該模型能夠很好地描述刮板式薄膜蒸發(fā)器系統(tǒng)的停留時間特性。

2.2 蒸發(fā)器傳熱研究

物料的復(fù)雜流動過程，導(dǎo)致刮板式薄膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程也非常復(fù)雜。流體主要在液膜層中發(fā)生蒸發(fā)，當(dāng)刮板掃過液膜時，會有氣泡形成而抑制蒸發(fā)，至今尚未能完全解釋此蒸發(fā)機理。許多學(xué)者研究了液膜的傳熱系數(shù)。早期的KERN D Q[28]和Lustenade L J[29]認(rèn)為，熱傳遞是通過液膜的導(dǎo)熱進行的，有：

式中，h 為傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；δ為液膜厚度，m。

KOOL J[30]則認(rèn)為傳熱速率更多取決于不斷更新的液層的瞬間導(dǎo)熱速率，而非通過整個液膜的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱速率，傳熱系數(shù)是流體物性、轉(zhuǎn)速和刮板數(shù)的函數(shù)，式（1）模型并未涉及設(shè)備尺寸、其他重要物性（如黏度等）及物料質(zhì)量。

式中，cp為比定壓熱容，J/（kg·℃）；ρ為流體密度，kg/m3；n 為刮板數(shù)；N 為刮板轉(zhuǎn)速，m/s。

AZOORY S等[18]根據(jù)試驗結(jié)果，提出了經(jīng)驗修正系數(shù)f，得到：

式中，Pr為普朗特數(shù)。

目前計算攪拌薄膜蒸發(fā)器中的液膜側(cè)傳熱系數(shù)仍主要采用式（3）。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多通過利用流體分析軟件對薄膜蒸發(fā)器的傳熱進行模擬。賀小華[31]、李佳[32]通過應(yīng)用 CFX 軟件建立了薄膜蒸發(fā)器內(nèi)不同密度物料的傳熱計算模型，獲得了薄膜蒸發(fā)器加熱段內(nèi)各種物料的溫度場及傳熱邊界層厚度，分析了弓形波內(nèi)流體截面的平均速度與液膜傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。模擬結(jié)果得出，液膜傳熱系數(shù)與刮板轉(zhuǎn)速、進料量均呈拋物線關(guān)系，在最佳刮板轉(zhuǎn)速和進料量條件下，不同密度物料在加熱段內(nèi)的液膜傳熱系數(shù)均達到最大。

李瑞民[33]通過FLUENT軟件模擬分析了薄膜蒸發(fā)器物料黏度及物料溫度等操作參數(shù)與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著物料黏度增大而減小，最初傳熱系數(shù)與黏度呈線性關(guān)系，當(dāng)黏度達到0.02 Pa·s時筒壁上已經(jīng)充滿了液膜，形成熱阻，傳熱系數(shù)達到最小值并且隨黏度增大不再變化。運用量綱分析法推導(dǎo)了含有物料流速、溫度及刮板末端線速度在內(nèi)的試驗關(guān)聯(lián)式，并根據(jù)MATLAB軟件進行多元線性回歸，得到努塞爾數(shù)Nu關(guān)聯(lián)式：

式中，T為物料進料速度，u為物料流速，v為刮板末端線速度，m/s；μ 為物料黏度，Pa·s；de為當(dāng)量直徑，m。通過與試驗數(shù)值對比，式（5）與試驗結(jié)果有較高的吻合度。

皮丕輝[34]以黏性流體甘油為物料，在內(nèi)冷式刮板式薄膜蒸發(fā)器裝置中進行試驗。發(fā)現(xiàn)夾套加熱溫度與壁面溫度和操作過程中溫度差直接相關(guān)，試驗中傳熱系數(shù)受到夾套加熱溫度的影響要大于進料流量、刮板轉(zhuǎn)速的影響。龐冠[35]以薄膜蒸發(fā)器的蜂窩夾套為研究對象，利用ANSYS軟件模擬了蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的溫度場分布。文獻[34]在試驗中推導(dǎo)出了如下液膜側(cè)傳熱努塞爾數(shù)Nu計算式：

3 刮板式薄膜蒸發(fā)器生產(chǎn)中存在問題及設(shè)計改進

阿力甫[36]將薄膜蒸發(fā)器上原有的電機在側(cè)面帶動皮帶傳動改為立式直連形式傳動（圖3），降低了轉(zhuǎn)子徑向受力，改善了軸承磨損。同時將底部短軸直徑、長度和軸承尺寸增大，短軸與支架的配合面采用錐度配合，并采用加備帽形式固定短軸。周力等[37]在底部軸承短軸下增設(shè)圖4所示唇封結(jié)構(gòu)，防止物料中的雜質(zhì)進入到軸承內(nèi)部。采用這些改造措施后，薄膜蒸發(fā)器運行平穩(wěn)，常規(guī)使用周期延長，維修次數(shù)減少。

圖3 刮板式薄膜蒸發(fā)器立式直連形式傳動結(jié)構(gòu)

圖4 刮板式薄膜蒸發(fā)器底部軸承唇封結(jié)構(gòu)

孫磊[38]對刮板式薄膜蒸發(fā)器設(shè)備布置和相關(guān)配管進行設(shè)計，并提出幾點建議：①刮板式薄膜蒸發(fā)器應(yīng)設(shè)置在裝置框架外側(cè)、框架頂層等易于吊裝的位置。②蒸發(fā)器底部液相出口處的根部閥需處于可操作區(qū)域。③應(yīng)在管道彎頭處設(shè)置幾處拆卸法蘭。④蒸汽管道不應(yīng)采用剛性連接，而應(yīng)采用柔性連接。⑤對儀表部件也應(yīng)進行外伴熱處理。

王旭海等[39]對薄膜蒸發(fā)器中物料在內(nèi)壁產(chǎn)生燒結(jié)、進料量過大、進料濃度過高及底部物料未及時排出等問題提供了解決方案，通過改進沖洗進料線，保持打漿罐出料泵出入口管線暢通解決內(nèi)壁燒結(jié)、底部物料未及時排出問題，通過加強對下游設(shè)備進口物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)監(jiān)控解決進料量過大、進料濃度過高問題。

杜科[40]、李華等[41]、任紅延[42]針對設(shè)備真空度下降、軸套磨損、刮板磨損、機械密封泄漏等問題，通過選用聚丙烯刮板材質(zhì)、將聚四氟乙烯軸套改為錫磷青銅材質(zhì)、工藝上增加物料冷卻結(jié)晶以及離心除鹽措施加以解決。王衛(wèi)星[43]提出將經(jīng)常發(fā)生泄漏的原機械密封改為干氣密封結(jié)構(gòu)，干氣密封為非接觸式密封，可以做到理論上不磨損。

徐建茹等[44]、李冠華等[45]、張捷[46]對使用TA2材料加工薄膜蒸發(fā)器刮板和哈式合金在薄膜蒸發(fā)器上的應(yīng)用做出了分析，對比了316L和1Cr18Ni9Ti材質(zhì)作為薄膜蒸發(fā)器筒體材料的區(qū)別。崔衍秋[47]對比了對苯二甲酸殘渣處理薄膜蒸發(fā)器外殼使用鈦復(fù)合層和整體不銹鋼S31603的優(yōu)劣，試驗表明，S31603比鈦復(fù)合層具有更好的耐腐蝕性，且不容易發(fā)生泄漏。

傳統(tǒng)薄膜蒸發(fā)器處理高黏度物料時有很大局限性，魯儲生[48]針對物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動特點，采用圖5所示螺旋式刮板來處理高黏度物料，使物料在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生沿軸向的剪切力，從而加快物料向下流動，避免物料停留時間過長和液膜區(qū)過厚。試驗證實，改造后的螺旋刮板式薄膜蒸發(fā)器可加快高黏度物料在蒸發(fā)器內(nèi)的流動，減小刮膜厚度和物料停留時間，提高脫水率、物料熱穩(wěn)定指數(shù)和產(chǎn)量，有效避免刮板損壞等問題。

圖5 螺旋刮板式薄膜蒸發(fā)器簡圖

尹俠等[49]編制了計算機軟件對薄膜蒸發(fā)器進行輔助設(shè)計。軟件中使用Visual Basic6.0、AutoCAD R14中的ActiveX Automation進行設(shè)計開發(fā)，集設(shè)備選型、設(shè)計計算、試驗數(shù)據(jù)處理與設(shè)備施工圖繪制于一體，操作便捷，結(jié)果具有一定的可靠性，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

4 結(jié)語

刮板式薄膜蒸發(fā)器在許多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且使用效果表現(xiàn)優(yōu)越，但對其內(nèi)部傳熱和流動特性尚未形成統(tǒng)一共識，需更深入的研究。

刮板式薄膜蒸發(fā)器的傳熱、傳質(zhì)過程涉及攪拌和蒸發(fā)，反應(yīng)過程復(fù)雜，理論支撐少，絕大多數(shù)的研究是在試驗基礎(chǔ)上進行的。近年來刮板式薄膜蒸發(fā)器數(shù)值模擬模型是在極為理想的條件下建立的，與實際生產(chǎn)條件有很大差別，有必要對相變傳熱的基礎(chǔ)理論進行深入研究。此外，現(xiàn)有試驗研究中所用工質(zhì)與工業(yè)實際應(yīng)用工質(zhì)幾乎不同。而蒸發(fā)沸騰過程不僅與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)密切相關(guān)，還與反應(yīng)物的物理性質(zhì)密切相關(guān)。這些試驗研究成果可能缺乏可靠的工業(yè)應(yīng)用指導(dǎo)，必須在實際操作條件下對特定工質(zhì)進行試驗研究和設(shè)計。在實際生產(chǎn)過程中，刮板式薄膜蒸發(fā)器會出現(xiàn)很多種類的結(jié)構(gòu)性損壞，目前的解決方法是對出現(xiàn)的問題進行單一改進，并沒有對整體結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，可能會再次出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)問題。要統(tǒng)一對刮板式薄膜蒸發(fā)器整體結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和改進，以利于薄膜蒸發(fā)器的推廣應(yīng)用。