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

        2021-06-25 01:13:08過(guò)常樂(lè)
        關(guān)鍵詞:溶劑回收干燥機(jī)球閥

        過(guò)常樂(lè)

        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(guó)的基本國(guó)策之一,是我們的使命和責(zé)任?;诖耍瑖?guó)家對(duì)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(duì)廢水進(jìn)行中和,通過(guò)在線檢測(cè)pH來(lái)確定中和效果。中和過(guò)程中如果生成固體,則通過(guò)過(guò)濾機(jī)過(guò)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(wú)機(jī)廢水的混合廢水,它們無(wú)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(guó)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(wú)法實(shí)現(xiàn)完全固體出料,還是會(huì)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(duì)三效蒸發(fā)器或MVR蒸發(fā)器排出的高濃度鹽水、膜過(guò)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(wú)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(duì)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(duì)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。空心螺旋加熱圓盤頂部設(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(duì)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?gòu)闹虚g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(kāi)法蘭密封的快開(kāi)方形長(zhǎng)槽,方便對(duì)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(guò)濾裝置,過(guò)濾裝置頂部設(shè)置有真空口,對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行抽真空。由于設(shè)置了粉塵過(guò)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(wú)死角氣動(dòng)或電動(dòng)出料球閥,可以通過(guò)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(méi)有液體殘留,否則在加熱以后,可能會(huì)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(guò)特殊設(shè)計(jì):首先,要保證當(dāng)液體淹沒(méi)主軸時(shí),廢水不會(huì)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(huì)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(zhǎng)量和筒體的伸長(zhǎng)量不一致,從而造成機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)伸長(zhǎng)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(zhǎng)或縮短,從而保證密封面不會(huì)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(tái)高效的薄膜蒸發(fā)器,可以對(duì)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(guó)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(tái)高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤薄膜蒸發(fā)干燥機(jī)(并聯(lián)運(yùn)行),一臺(tái)或多臺(tái)冷凝器、真空溶劑回收儲(chǔ)罐、真空機(jī)組以及加熱機(jī)組。

        需要蒸發(fā)的母液通過(guò)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(jí)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(guò)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(guò)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(guò)冷凝器冷凝回收到溶劑儲(chǔ)罐。同時(shí),由于不斷蒸發(fā),母液中的不溶固體會(huì)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(tái)設(shè)備。切換后,排出的固液混合物進(jìn)入離心機(jī)或過(guò)濾機(jī)進(jìn)行離心或過(guò)濾。過(guò)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(duì)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(tái)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(chǔ)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(guò)進(jìn)料口進(jìn)入到蒸發(fā)干燥機(jī)內(nèi),此時(shí)打開(kāi)真空機(jī)組對(duì)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(guò)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(kāi)設(shè)備自動(dòng)出料球閥,通過(guò)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(guò)無(wú)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(duì)高濃度含鹽廢水進(jìn)行蒸發(fā)干燥外,也可以直接對(duì)各類過(guò)濾機(jī)或離心機(jī)過(guò)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(tái)蒸發(fā)器,可以蒸發(fā)液體,也是一臺(tái)干燥機(jī),可干燥濾餅,滿足不同的工藝需求。

        (2)作為一臺(tái)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(guò)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(wú)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(wú)死角氣動(dòng)出料球閥,攪拌加熱圓盤可實(shí)現(xiàn)變頻無(wú)極調(diào)速,整臺(tái)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(gòu)了一臺(tái)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(guò)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(chǎng)地及維護(hù)成本,也不會(huì)超過(guò)500元。按每天10 t廢水計(jì)算,每天節(jié)省費(fèi)用超過(guò)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(tái)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(gòu)了4臺(tái)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(tái)為一組,實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。蒸發(fā)的溶劑為甲苯,單臺(tái)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(tái)設(shè)備連續(xù)蒸發(fā)到一定濃度后,切換到另一臺(tái)設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行蒸發(fā)。原設(shè)備打開(kāi)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(lái)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(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行蒸發(fā),大量占用生產(chǎn)場(chǎng)地,并增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度。改造后,只需要4臺(tái)蒸發(fā)干燥機(jī)就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),全過(guò)程通過(guò)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(chǎng)

        5 結(jié)語(yǔ)

        隨著改革開(kāi)放的不斷推進(jìn),人們?cè)絹?lái)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(duì)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(guò)程中生成固體的問(wèn)題,使蒸發(fā)和干燥2個(gè)工藝過(guò)程在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)完成,極大地簡(jiǎn)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(tái)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(wú)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(wèn)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(chǎng)潛力,后續(xù)還需要不斷研發(fā)優(yōu)化,使其更加完善。

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