林曉磊，焦 龍，崔慶虎，陳景環(huán)

（1. 山東科技大學 泰安校區(qū)， 山東 泰安 271019； 2. 山東科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266510）

刮板薄膜蒸發(fā)器的改進設計

林曉磊1，焦 龍2，崔慶虎2，陳景環(huán)2

（1. 山東科技大學 泰安校區(qū)， 山東 泰安 271019； 2. 山東科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266510）

為進一步提高效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低了維修成本，對刮板式薄膜蒸發(fā)器進行結(jié)構上的改進，并且結(jié)合現(xiàn)場及資料，對原有工藝參數(shù)優(yōu)化，使其與實際現(xiàn)場情況進一步接近，經(jīng)改進后可以控制最佳的進料量，穩(wěn)定生產(chǎn)，顯著增加設備壽命，設備維修及生產(chǎn)成本的降低。

刮板薄膜蒸發(fā)器；高效；產(chǎn)品質(zhì)量；成本；參數(shù)優(yōu)化

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，政府部門對環(huán)境的保護越來越重視，禁止焦化廠脫硫廢液隨意排放，因此焦化廠要興建脫硫廢液處理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中蒸發(fā)器是核心關鍵部位，它的工作情況直接決定整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，而刮板薄膜蒸發(fā)器是一種適應性強，能穩(wěn)定工作，效率高的大型蒸發(fā)器，對于大型刮板薄膜蒸發(fā)器的設計和應用[1]，國內(nèi)也進行了不少應用研究[2]。

1 工作原理

物料進入蒸發(fā)器以后,旋轉(zhuǎn)的分布器把物料均勻的拋向加熱桶內(nèi)壁上，由于重力作用物料向下流動，然后通過旋轉(zhuǎn)刮板強制成膜,在刮板的作用力下物料呈螺旋式向下移動，吸收夾套蒸汽傳遞的熱量，迅速蒸發(fā)，二次蒸汽則上升經(jīng)捕沫器除去液沫后排出，濃縮液從底部出口料放出。

2 性能特點

刮板薄膜蒸發(fā)器的主要性能特點：

（1）蒸發(fā)強度高，旋轉(zhuǎn)的刮板可以迅速把物料薄膜厚度減小，降低了熱阻，提高了傳熱系數(shù)。

（2）物料停留時間短，且在真空條件下，物料的沸點大大降低，因此對熱敏性物料更為有利，可以保持各種成份不產(chǎn)生任何分解，保證產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

（3）對物料的適應性強，在封閉條件下，物料進行穩(wěn)定的蒸發(fā)，可以連續(xù)性生產(chǎn)，操作更加方便。

（4）濃縮比高，能適應物料粘度范圍廣，底部與頂部物料粘度比可達到1 000，甚至更高[3]。

（5）蒸發(fā)段筒體內(nèi)壁經(jīng)過精密鏜削并拋光處理，表面不易產(chǎn)生結(jié)焦、結(jié)垢。

3 結(jié)構改進

3.1 刮板薄膜蒸發(fā)器采用離心式滑動溝槽轉(zhuǎn)子

該轉(zhuǎn)子優(yōu)點是在流量很小的情況下也能形成薄膜，提高產(chǎn)品質(zhì)量，可迅速刮去附著在蒸發(fā)段內(nèi)壁上的淤積物，溝槽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，會迅速沖破物料表面產(chǎn)生的大量微小的氣泡，強化了傳熱系數(shù)，有利于提高設備的蒸發(fā)效率[2]。

離心式溝槽轉(zhuǎn)子與固定間隙的刮板蒸發(fā)器相比，在相同條件下蒸發(fā)量提高。

在溝槽轉(zhuǎn)子的基礎上，把轉(zhuǎn)子做成組合形式，這樣有利于降低維修成本，帶有搖臂結(jié)構的轉(zhuǎn)子可以適當?shù)淖詣友a償，在物料濃縮要求不高的情況下，使用時間更長。如圖1所示。

圖1 刮板式薄膜蒸發(fā)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of scraper film evaporator

3.2 改進刮板結(jié)構

刮板和筒壁直接摩擦，損壞較快，需要經(jīng)常更換，常用的連接方式為圖2-a所示，刮板和刮板槽由兩個螺栓固定在一起，更換時必須拆卸掉。為解決這一問題，我們采用懸掛式。如圖2-b所示，在刮板上在原來的孔的位置開出兩個L型槽，然后掛在刮板槽的螺栓上，這樣拆卸更加方便，降低檢修難度，如圖2所示。

圖2 刮板結(jié)構示意圖Fig.2 Schematic diagram of scraper structure

3. 3 改進搖臂結(jié)構

在搖臂結(jié)構中，主要受力面是轉(zhuǎn)架與刮板連接處，如圖3所示，刮板與刮板架都作用在上下兩個小管的端面上，因此此處摩擦力最大，損壞比較快。為增大其受力面，以減緩部件的損壞，提高使用壽命，在上下兩個小管上分別增加一個錫磷青銅套和一個不銹鋼套，如圖4所示。

圖3 改進前轉(zhuǎn)子結(jié)構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the rotor before the improvement

圖4 改進后轉(zhuǎn)子結(jié)構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the improved rotor

3.4 改進軸承部分

（1）該設備多采用內(nèi)部軸承，將其改為外部軸承，本次改進設計可以更好地潤滑軸承，提高其使用壽命，拆卸方便。

（2）轉(zhuǎn)軸上部密封采用多彈簧單端面平衡性機械密封。為確保組裝嚴格同心，法蘭全部采用帶公差的凹凸面法蘭，保持整個設備、殼體與轉(zhuǎn)軸的對中性，轉(zhuǎn)軸采用剛性軸。

（3）為解決外部軸承放置問題以及高粘度物料出料問題，采用側(cè)面出料，增大出口面積，同時利用高速轉(zhuǎn)動刮板的離心力甩向側(cè)面出料口，這樣出料效率更高。

4 工藝參數(shù)計算優(yōu)化

4.1 薄膜厚度δ

文獻[4]通過分析膜蒸發(fā)器內(nèi)物料的流體力學行為，提出薄膜厚度計算方法，Komori等人[5]通過實驗得出了膜厚與圈形波內(nèi)流量及薄膜內(nèi)流量相互關系表達式。流體通過刮板薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的體積流量V由圈形波中的流量fV和薄膜中的流量mV 組成。

根據(jù)公式：

文獻[4,6]對高粘度流體進行了數(shù)值模擬，得出圈形波和薄膜內(nèi)流體平均軸向速度與體積流量V的關系式：

聯(lián)立上述公式（1）至（8），可求得液膜厚度δ。

式中：V體積流量，3m h；iD為傳熱筒內(nèi)徑，m；為液膜平均厚度，m ；δ為液膜厚度，m ； D為傳熱筒外徑，m ；ρ為物料平均密度，3kg m ； L為蒸發(fā)器有效長度，m ；LRe為膜內(nèi)雷諾數(shù)，無量綱；Γ為單位長度質(zhì)量流率,kg(m s)· 。

4.2 液體滯留量LW及平均停留時間τ

根據(jù)文獻[7],可以得出液體滯留量LW ：

料液在蒸發(fā)器內(nèi)的平均停留時間τ：

式中：LW為液體停流量，3m ；R為刮板攪拌器半徑，m；n為刮板攪拌器轉(zhuǎn)速，r min；μ為物料粘度，Pa s·；g為重力加速度，g=9.82m s；τ為平均停留時間，s。

5 結(jié) 論

刮板蒸發(fā)器是一種高效蒸發(fā)器，在此基礎上對其結(jié)構部分改進，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，生產(chǎn)效率明顯提高。對物料的特性要求更小，適用范圍更加廣泛，提高適用率，同時也增加設備部件的使用壽命。同時，在工藝角度進行參數(shù)優(yōu)化，確定最佳進料量，物料最適合的蒸發(fā)薄膜厚度，更有效的提高產(chǎn)品質(zhì)量，廢液處理系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

［1］楊翠娟，張玉平.刮板薄膜蒸發(fā)器的設計與應用探討[J].化工管理，2013（08）：179.

［2］陳合，楊輝.刮板薄膜蒸發(fā)器的特性及其應用研究[J].西北輕工業(yè)學院學報，1998，16（2）：60-64.

［3］蔡金海，王鳳翔.刮板薄膜蒸發(fā)器的性能與結(jié)構[J].中成藥研究，1983（07）：36-37.

［4］賀小華.薄膜蒸發(fā)器蒸發(fā)過程數(shù)值模擬及其CAD系統(tǒng)開發(fā)[D].南京：南京工業(yè)大學，2005.

［5］Komori S，Takata K，Murakami Y. Flow structure and mixing mechanism in an agitated thin-film evaporato[J]. J. Chem. Eng. Japan，1998，21（6）：639-644.

［6］賀小華，李慶生，尹俠，等.基于CFD的刮板薄膜蒸發(fā)器工藝計算及輔助計算系統(tǒng)[J].食品與機械，2006，22(4):63-66.

［7］《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊（第9篇）蒸發(fā)與結(jié)晶[M].北京：化學工業(yè)出版社，1985.

表1 深水設備系列化構想Table 1 Deepwater equipment series conception

4 結(jié)束語

隨著中國南海開發(fā)建設，以及中海油深水戰(zhàn)略的推動，中國迫切需要掌握深水鉆采核心技術和關鍵裝備的制造和研發(fā)[5]。致力于系列高端固井設備國產(chǎn)化研發(fā)，實現(xiàn)國內(nèi)這一領域零的突破，向國外技術壟斷說“不”，具有非凡意義和價值。

參考文獻：

［1］孫金慶.淺談海洋石油鉆井技術的更新發(fā)展趨勢[J].科技風，2013（10）：15-16.

［2］[無].中海油服深水固井水泥漿體系試驗成功[J].海洋石油，2011（2）：33-33.

［3］羅宏志，蒙占彬.國內(nèi)深水自升式鉆井平臺發(fā)展概況[J].中國海洋平臺，2010（4）：4-7.

［4］王瑞和，王成文，步玉環(huán).深水固井技術研究進展[J].中國石油大學學報：自然科學版，2008（1）：77-81.

［5］李靜杰.海洋深水固井水泥漿的難點問題及解決方法[J].石油和化工設備,2013(8)：86-87.

Improved Design of Scraper Film Evaporator

LIN Xiao-lei1，JIAO Long2，CUI Qing-hu2，CHEN Jing-huan2

（1. Taian Campus, Shandong University of Science & Technology, Shandong Taian 271019，China； 2. College of Mechanical& Electronic Engineering, Shandong University of Science & Technology, Shandong Qingdao 266510，China）

In order to further improve the efficiency, stable product quality, and reduce the maintenance costs, the structure of scraper film evaporator was improved, and the original process parameters were optimized combining with field conditions and data, which could make these parameters further accord with the actual situation at the scene. After the improvement, the feeding amount could be well controlled, the production was more stable, the service life of equipment was significantly increased, and equipment repair and production costs were reduced.

Scraper film evaporator; High efficient; Product quality; Costs; Parameter optimization

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）03-0592-03

2015-01-13

林曉磊（1956-），男，山東泰安人，教授，碩士研究生導師，1982年畢業(yè)于原太原重型機械學院工程機械專業(yè)，研究方向：主要從事機械設計制造方面的教學和科研工作研，現(xiàn)任教于山東科技大學。曾主持國家重大技術裝備項目兩項，獲山東省科技進步二等獎一項、三等獎一項，在各種學術期刊上發(fā)表論文39篇。E-mail：linxl2003@163.com。

焦龍（1989-），男，碩士研究生，碩士，主要從事化工機械的設計與工藝改進。E-mail：jiaolong1990317@。