刮板薄膜蒸发器的改进设计

林晓磊，焦 龙，崔庆虎，陈景环

（1. 山东科技大学 泰安校区， 山东 泰安 271019； 2. 山东科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266510）

刮板薄膜蒸发器的改进设计

林晓磊1，焦 龙2，崔庆虎2，陈景环2

（1. 山东科技大学 泰安校区， 山东 泰安 271019； 2. 山东科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266510）

为进一步提高效率，稳定产品质量，降低了维修成本，对刮板式薄膜蒸发器进行结构上的改进，并且结合现场及资料，对原有工艺参数优化，使其与实际现场情况进一步接近，经改进后可以控制最佳的进料量，稳定生产，显著增加设备寿命，设备维修及生产成本的降低。

刮板薄膜蒸发器；高效；产品质量；成本；参数优化

随着经济的快速发展，政府部门对环境的保护越来越重视，禁止焦化厂脱硫废液随意排放，因此焦化厂要兴建脱硫废液处理系统。在该系统中蒸发器是核心关键部位，它的工作情况直接决定整个系统的效率和稳定性，而刮板薄膜蒸发器是一种适应性强，能稳定工作，效率高的大型蒸发器，对于大型刮板薄膜蒸发器的设计和应用[1]，国内也进行了不少应用研究[2]。

1 工作原理

物料进入蒸发器以后,旋转的分布器把物料均匀的抛向加热桶内壁上，由于重力作用物料向下流动，然后通过旋转刮板强制成膜,在刮板的作用力下物料呈螺旋式向下移动，吸收夹套蒸汽传递的热量，迅速蒸发，二次蒸汽则上升经捕沫器除去液沫后排出，浓缩液从底部出口料放出。

2 性能特点

刮板薄膜蒸发器的主要性能特点：

（1）蒸发强度高，旋转的刮板可以迅速把物料薄膜厚度减小，降低了热阻，提高了传热系数。

（2）物料停留时间短，且在真空条件下，物料的沸点大大降低，因此对热敏性物料更为有利，可以保持各种成份不产生任何分解，保证产品质量[1]。

（3）对物料的适应性强，在封闭条件下，物料进行稳定的蒸发，可以连续性生产，操作更加方便。

（4）浓缩比高，能适应物料粘度范围广，底部与顶部物料粘度比可达到1 000，甚至更高[3]。

（5）蒸发段筒体内壁经过精密镗削并抛光处理，表面不易产生结焦、结垢。

3 结构改进

3.1 刮板薄膜蒸发器采用离心式滑动沟槽转子

该转子优点是在流量很小的情况下也能形成薄膜，提高产品质量，可迅速刮去附着在蒸发段内壁上的淤积物，沟槽转子旋转过程中，会迅速冲破物料表面产生的大量微小的气泡，强化了传热系数，有利于提高设备的蒸发效率[2]。

离心式沟槽转子与固定间隙的刮板蒸发器相比，在相同条件下蒸发量提高。

在沟槽转子的基础上，把转子做成组合形式，这样有利于降低维修成本，带有摇臂结构的转子可以适当的自动补偿，在物料浓缩要求不高的情况下，使用时间更长。如图1所示。

图1 刮板式薄膜蒸发器示意图Fig.1 Schematic diagram of scraper film evaporator

3.2 改进刮板结构

刮板和筒壁直接摩擦，损坏较快，需要经常更换，常用的连接方式为图2-a所示，刮板和刮板槽由两个螺栓固定在一起，更换时必须拆卸掉。为解决这一问题，我们采用悬挂式。如图2-b所示，在刮板上在原来的孔的位置开出两个L型槽，然后挂在刮板槽的螺栓上，这样拆卸更加方便，降低检修难度，如图2所示。

图2 刮板结构示意图Fig.2 Schematic diagram of scraper structure

3. 3 改进摇臂结构

在摇臂结构中，主要受力面是转架与刮板连接处，如图3所示，刮板与刮板架都作用在上下两个小管的端面上，因此此处摩擦力最大，损坏比较快。为增大其受力面，以减缓部件的损坏，提高使用寿命，在上下两个小管上分别增加一个锡磷青铜套和一个不锈钢套，如图4所示。

图3 改进前转子结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the rotor before the improvement

图4 改进后转子结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the improved rotor

3.4 改进轴承部分

（1）该设备多采用内部轴承，将其改为外部轴承，本次改进设计可以更好地润滑轴承，提高其使用寿命，拆卸方便。

（2）转轴上部密封采用多弹簧单端面平衡性机械密封。为确保组装严格同心，法兰全部采用带公差的凹凸面法兰，保持整个设备、壳体与转轴的对中性，转轴采用刚性轴。

（3）为解决外部轴承放置问题以及高粘度物料出料问题，采用侧面出料，增大出口面积，同时利用高速转动刮板的离心力甩向侧面出料口，这样出料效率更高。

4 工艺参数计算优化

4.1 薄膜厚度δ

文献[4]通过分析膜蒸发器内物料的流体力学行为，提出薄膜厚度计算方法，Komori等人[5]通过实验得出了膜厚与圈形波内流量及薄膜内流量相互关系表达式。流体通过刮板薄膜蒸发器内的体积流量V由圈形波中的流量fV和薄膜中的流量mV 组成。

根据公式：

文献[4,6]对高粘度流体进行了数值模拟，得出圈形波和薄膜内流体平均轴向速度与体积流量V的关系式：

联立上述公式（1）至（8），可求得液膜厚度δ。

式中：V体积流量，3m h；iD为传热筒内径，m；为液膜平均厚度，m ；δ为液膜厚度，m ； D为传热筒外径，m ；ρ为物料平均密度，3kg m ； L为蒸发器有效长度，m ；LRe为膜内雷诺数，无量纲；Γ为单位长度质量流率,kg(m s)· 。

4.2 液体滞留量LW及平均停留时间τ

根据文献[7],可以得出液体滞留量LW ：

料液在蒸发器内的平均停留时间τ：

式中：LW为液体停流量，3m ；R为刮板搅拌器半径，m；n为刮板搅拌器转速，r min；μ为物料粘度，Pa s·；g为重力加速度，g=9.82m s；τ为平均停留时间，s。

5 结 论

刮板蒸发器是一种高效蒸发器，在此基础上对其结构部分改进，产品质量更加稳定，生产效率明显提高。对物料的特性要求更小，适用范围更加广泛，提高适用率，同时也增加设备部件的使用寿命。同时，在工艺角度进行参数优化，确定最佳进料量，物料最适合的蒸发薄膜厚度，更有效的提高产品质量，废液处理系统运行更加稳定。

［1］杨翠娟，张玉平.刮板薄膜蒸发器的设计与应用探讨[J].化工管理，2013（08）：179.

［2］陈合，杨辉.刮板薄膜蒸发器的特性及其应用研究[J].西北轻工业学院学报，1998，16（2）：60-64.

［3］蔡金海，王凤翔.刮板薄膜蒸发器的性能与结构[J].中成药研究，1983（07）：36-37.

［4］贺小华.薄膜蒸发器蒸发过程数值模拟及其CAD系统开发[D].南京：南京工业大学，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］贺小华，李庆生，尹侠，等.基于CFD的刮板薄膜蒸发器工艺计算及辅助计算系统[J].食品与机械，2006，22(4):63-66.

［7］《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册（第9篇）蒸发与结晶[M].北京：化学工业出版社，1985.

表1 深水设备系列化构想Table 1 Deepwater equipment series conception

4 结束语

随着中国南海开发建设，以及中海油深水战略的推动，中国迫切需要掌握深水钻采核心技术和关键装备的制造和研发[5]。致力于系列高端固井设备国产化研发，实现国内这一领域零的突破，向国外技术垄断说“不”，具有非凡意义和价值。

参考文献：

［1］孙金庆.浅谈海洋石油钻井技术的更新发展趋势[J].科技风，2013（10）：15-16.

［2］[无].中海油服深水固井水泥浆体系试验成功[J].海洋石油，2011（2）：33-33.

［3］罗宏志，蒙占彬.国内深水自升式钻井平台发展概况[J].中国海洋平台，2010（4）：4-7.

［4］王瑞和，王成文，步玉环.深水固井技术研究进展[J].中国石油大学学报：自然科学版，2008（1）：77-81.

［5］李静杰.海洋深水固井水泥浆的难点问题及解决方法[J].石油和化工设备,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

林晓磊（1956-），男，山东泰安人，教授，硕士研究生导师，1982年毕业于原太原重型机械学院工程机械专业，研究方向：主要从事机械设计制造方面的教学和科研工作研，现任教于山东科技大学。曾主持国家重大技术装备项目两项，获山东省科技进步二等奖一项、三等奖一项，在各种学术期刊上发表论文39篇。E-mail：linxl2003@163.com。

焦龙（1989-），男，硕士研究生，硕士，主要从事化工机械的设计与工艺改进。E-mail：jiaolong1990317@。