基于化工蒸发领域设备生产实践,设计新型蒸发器——内置旋转蒸发器,探索处理粘稠、易结晶物料效果更好的设备形式,使蒸发设备结构更紧凑,能耗更低,方便控制。并以京昆油田项目为例阐述工业应用。

在化工生产过程中,常遇到需处理粘稠[1]或易结晶物料的情况,分析几种已知的传统蒸发器,在处理该类物料时各有不足:中央循环管式、升(降)膜式蒸发器易堵管;列文式蒸发器设备过高并要求较高温度的加热蒸汽;强制循环式蒸发器能耗大;刮板式搅拌薄膜蒸发器结构复杂、传热面积小,处理能力不大[2]。为此,思考是否可以设计一种新型蒸发器来弥补个中不足,优化蒸发环节的生产能力。江苏和诚制药设备制造有限公司自2008年以来一直致力于相关蒸发器的开发与研究,研制出的内置旋转蒸发器于2012年获得国家专利认可,在此原型基础上不断改进已在生产工业中成功投入使用,可广泛应用于石油、化工、 医药、食品及环保行业。

1 内置旋转蒸发器结构及原理

1.1 结构说明

内置旋转蒸发器的结构简图如图1 所示。主要由蒸发腔、加热转子、底盘、传动机构等组成。蒸发腔内置换热列管、蒸汽分配器,并装有抄板抄动物料,两端机械密封,保证设备密封性能;加热转子穿过蒸发腔,承载列管束,在电机的带动下可匀速转动,中间空心段收集蒸汽凝水集中排出;整套设备包括减速机、电机都安装在钢制底座上,方便吊装运输。

1.2 原理说明

进入蒸发工艺段时,先将物料打入蒸发腔内(区别于传统的蒸发设备,内置旋转蒸发器令蒸汽走管程,物料走壳程,彻底摆脱堵管的烦恼),再通入加热蒸汽、开启电机,让管束和抄板搅动物料的同时与其充分换热,加热蒸汽凝水从转子轴中收集排出,物料则升温持续蒸发浓缩,二次蒸汽进入汽液分离腔,液体回流,蒸汽排走,达到工艺要求浓度时从出料口打出浓缩液(可间歇操作或连续操作)。

系统真空度按照工艺设计的蒸发形式调整,适用于单效、多效、MVR[3]。由于装有抄板,可不断搅动物料,物料在换热界面线速度高,因此设备在处理高粘度、易结晶物料时游刃有余,换热效果极好。腔体内安装有多个旋转清洗头,在蒸发同时监测结晶情况,随时在线清洗,免停机、停产。汽液分离腔中还装有丝网除沫装置,物料起泡,保证蒸汽凝水纯度。

2 内置旋转蒸发器的设计依据

2.1 设备改进

相比传统蒸发器的主要改进特点:①蒸汽改走管程;②立式改卧式两个重要的改进将大大影响原来的设备生产工艺,但是创新性的设计能带来的优势是直观的。

2.2 设备优势

(1)电能消耗低

内置旋转蒸发器设计在腔体内持续蒸发至工艺目标浓度,是非循环型蒸发器,无需配备循环泵,其主要消耗的电能来自带动转子缓慢转动的电机,但由于设备的特点,管内走的是轻质气体,另外管束浸没于液体物料中,因此产生的浮力将大大降低电机负荷。

(2)生蒸汽消耗少

对于正常运行的蒸发器机组来说,生蒸汽的补给主要是弥补机组对外界的散热,机组的外表面积越大、管道流程越长、与外界温差越大,散热作用越强,则需要补充的生蒸汽就越多。

内置旋转蒸发器的加热蒸汽从管束走,管束浸没于物料中,热量只散发给物料,且整套设备与外界的热交换面只有外筒体,不通过任何管道,外筒体包有保温层,热损极低,蒸汽利用率高。该设备布管数据见表1。

(3)换热效果好

内置旋转蒸发器尤其适用于高粘度、易结晶的物料处理,首先因为管内不会堵管,不影响传热,其次管束在转动时,换热界面的切线速度高(可达12m/s,通常强制外循环蒸发器的循环速度为2~3.5m/s),物料不易结垢黏住外管壁,所以换热效果极好。

(4)土建投资低

内置旋转蒸发器是多个蒸发单元集合的设备,加热、蒸发、汽液分离一体化,整个机组放在一个钢架底盘上,机组总高5~6m,现场无需搭建钢架平台,可一次吊装到位,方便快捷。通过实例,一套10t/h的内置旋转蒸发机组对比同样规模的强制循环蒸发机组,光土建投资费用就可节省120 万左右。

2.3 设备计算

(1)筒体壁厚计算