用于乙酸乙酯蒸发的单效降膜式蒸发器的设计及应用

刘殿宇 翟志英

（1. 华禹乳品机械制造有限公司，黑龙江安达 151400；2. 上海昊宇机械有限公司，上海 201712）

茶多酚简称GTP，是茶叶中儿茶素类、丙酮类、酚酸类和花色类的化合物的总称，因其化学性质中有多个活性羟基，对人体的保健极为有利，且有抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗辐射等多项功能，作为医药和食品等的添加剂，开发和应用前景十分看好，茶多酚提取工艺其中之一为溶剂提取法，茶叶的浸渍→萃取分离→浓缩→喷雾干燥→成品包装。所用溶剂有乙酸乙酯、丙酮、乙醚、甲醇、乙烷等。浸渍后的溶剂最终需要经过浓缩将其蒸发与物料分离，冷凝收集后再返回至溶剂储罐内以备再利用。仅以YZJM01-3500型单效降膜式蒸发器在乙酸乙酯的蒸发、冷凝、回收上的应用为例阐述其设计过程及应用注意事项。

1 主要技术参数及工作特点

（1）物料介质：乙酸乙酯；

（2）物料处理量：4500 kg/h；

（3）进料质量分数：2%；

（4）出料质量分数：9%；

（5）进料温度：25℃；

（6）冷却水进入温度：30℃；

（7）装机容量：15kW。

结构特点，组成如图1所示，主要由蒸发器、汽液分离器、冷凝器、冷却器、泵、控制系统等组成。其结构特点是采用单效降膜式蒸发器蒸发，乙酸乙酯回收的方式采用间壁列管式冷凝器进行回收，第一段为冷凝段，第二段为冷却段（防止挥发），第二段壳程通以冰水进行冷却，效体作保温绝热处理。单效降膜式蒸发器的工作原理是，料液经过预热至沸点或沸点以上的温度即进入蒸发器内的液体分布器，由分布器将料液均匀的分配给每根降膜管，料液以膜状在自身的重力及二次蒸汽流的作用下自上而下的流动并与管外的加热蒸汽进行热与质的交换。其工作特点是，当设备蒸发参数稳定后即可实现连续进料连续出料，已蒸发的料液不再重复进入蒸发器内，从而缩短了料液在蒸发器中的停留时间，这对热敏性的物料来说是非常有利的，即料液中一些有益的元素最大限度的不被破坏。外循环，强制循环蒸发器则生产不连续间断出料重复进料，物料在设备内停留时间长，物料中一些有益元素容易被破坏，以本例为例物料在降膜式蒸发设备中停留的时间不到5min，而物料在外循环或强制外循环蒸发器中的停留时间每批次需要15-20min,控制不好又容易跑料，所以降膜式蒸发器在茶多酚生产中应用越来越多。

图1 YZJM01-3500型单效降膜式蒸发器

2 蒸发系统计算过程

2.1 蒸发器换热面积计算

表 蒸发器蒸汽状态参数表

2.1.1 总蒸发量

W=S(1-B0/ B1)=4500(1-2/9)=3500 (kg/h)

2.1.2 热量衡算

加热蒸汽耗量：

D = [Wr + SC（T-t）]q′/R

式中：D－蒸汽耗量(kg/h)；

W－水分蒸发量，kg/h，W=3500kg/h

S－进料量，kg/h，S=4500kg/h

C－物料比热，kj/kg · ℃，C = 1.92 kj/kg · ℃

T－预热后进料温度，℃，T=60℃

t－料液沸点温度，℃，t=60℃

R－加热蒸汽气化潜热，kj/kg

R=2283.1 kj/kg

r－料液蒸发气化潜热，kj/kg

r = 384.978 kj/kg

q′－热量损失，kj/h，这里按总热量的5%计算

B0－进料质量分数，%，这里B0= 2%

财政部门作为承担负责管理全国的会计工作、监督和规范会计行为、制定并组织实施国家统一的会计制度责任的主体，应从制度层面明确民办非营利医疗机构应执行的会计制度，明确行业主管部门在民办非营利性医疗机构的会计工作、监督和规范会计行为中应承担的职责，赋予行业主管部门财务监管职权。

B1－出料质量分数，%，这里B1= 9%

则：D = [3500×384.978+4500×1.92(60-25)] ×1.05/2283.1 = 758.8 kg/h

蒸发器在加热时采用蒸汽直接加热的方式，冷凝水返回至过锅炉。

2.1.3 蒸发器换热面积计算

式中：k－传热系数，kj/ m2·h·℃，k=1200 kj/ m2·h·℃

T ′ －加热温度℃，T ′ = 90℃

则：换热面积为：

F=3500×384.978×1.25/[1200(90-60)]=46.78 m2降膜管根数计算：

降膜管选择φ38×1.5×8000 mm规格管子，其长径比为210，则降膜管根数：

n=46.78/0.0365 π×7.95= 51.34根，取51根周边润湿量：

Q′ =4500/(0.035 π×51)=802.87 kg/m·h

乙酸乙酯比较容易蒸发，因此，其蒸发面积较小。

2.1.4 分离器计算

分离器直径按下式计算，

式中：V0－蒸汽比容，m3/kg，这里V0按6.201 m3/ kg选取。

W0－自由截面的二次蒸汽流速，m3/ m2·s，

分离器高度按下式计算：

式中：VS－允许的蒸发体积强度，m3/ m2·s；VS= 1.1～1.5 m3/ m2· s

则 h=4×3500×6.201/(π×1.62×1.3×3600) = 2.308 m，取2.3 m。

2.2 冷凝器计算

乙酸乙酯蒸发分离后即进入间壁式冷凝器、冷却器中进行冷凝冷却回收以便再次利用。

2.2.1 冷凝器换热面积计算

冷凝器换热面积按下式计算：

式中：Q－换热热量，kj/h · Q=Q1+Q2

这里Q1= 3500×384.978=1347423 kj/h

Q2= 3500×1.92×(60-50)=67200 kj/h

Q = 1347423+67200=1414623 kj/h

k－传热系数，kj/ m2·h·℃

这里k = 418 kj/ m2·h·℃

Δt－传热温差，℃。这里按对数温差计算，冷却水进入温度为30℃，排出温度为38℃

则60℃-----------------→60℃

30℃----------------- 38℃

Δt1=60-30=30℃，Δt2=60-38=22℃

Δt1=(30-22)/ln 30/22=25.79℃

则F=1418683×1.25/(418×25.79)=164.5 m2

2.2.2 冷却器的计算

乙酸乙酯沸点温度较低，77.1℃，易挥发，为了进一步冷凝降温便于储存设置二次冷却，将乙酸乙酯温度由50℃降至35℃左右，第二段冷却器冷却介质为冰水，冰水进入温度设为10℃，排出温度设为25℃，则冷却器的换热面积为，这里换热热量Q = 3500×1.92×(50-35)=100800 kj/h,传热系数k = 418 kj/ m2· h·℃，传热温差Δt = 21.6℃，则换热面积F=Q/k·Δt =11.16 m2，实际换热面积为11.16×1.25 = 13.96 m2。第二段冷却器采用间壁降膜管式换热器。乙酸乙酯蒸汽的冷凝比较困难，不同于水蒸汽的冷凝，水蒸汽的冷凝比较容易进行，因而冷凝器换热面积较小，而用于乙酸乙酯蒸汽的冷凝器换热面积却较大。

3 操作注意事项

单效降膜式蒸发器的工作过程是，进料给汽，开始进料要少约是实际进料量的70%，此后逐步递增，当进料量接近设计值时，蒸发参数接近稳定时料液在设备内循环结束即可连续进料连续出料。当参数稳定后要求进汽压力必须稳定，进料量不能随意调整。本设备在实际生产中运行正常，各项参数正常，需要特别说明的是当换热面积一定时，冷凝器中的冷却水量、水温是影响蒸发器蒸发的关键，降膜式蒸发器安装高度较高，因此，必须保证冷却水量，水量不足换热量降低，蒸发量降低，尤其是在冷却水量用量较大的生产线系统中更要注意降膜式蒸发器的给水量是否能达到设计值，如果难以保证应考虑单独供水。

4 结束语

乙酸乙酯的沸点较低易挥发，蒸发特别是在真空减压下蒸发较容易进行，因此，其蒸发面积较小。乙酸乙酯蒸汽的冷凝回收比较困难，其冷凝器的换热面积却较大。为了获得良好的冷却效果往往采用两级或多级的方式进行冷却回收。其次乙酸乙酯易燃易爆，设备上的电机、控制系统必须全部按防爆进行设计、选型、安装、调试并验收 。

[1] 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册.上册[M].北京.化学工业出版社，2008.

[2] 天津大学化工原理教研室姚玉英等编.化工原理.上册[M]. 天津.天津科学技术出版社，2005.