薄膜蒸发器技术简介

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：薄膜蒸发器中的物料通常认为受到两个力的作用，一个是由刮板提供的切向力，另一个则是物料自身的重力。物料在薄膜蒸发器中的流动是这两个力共同作用的结果。由于物料在蒸发器中停留时间很短，因此，Lyocell纤维生产中，为了达到较高的产量，薄膜蒸发器筒体的温度甚至可以高至150℃。薄膜蒸发器是目前最为先进的Lyocell纤维纺丝液制备的设备。

薄膜蒸发器（thin film evaporator）是一种常用的蒸发提浓设备，它是将一种液体物料沿加热管壁呈膜状流动而进行传热和蒸发的新型蒸发器，薄膜蒸发器具有传热效率高、蒸发速度快、物料停留时间短等优点，被广泛应用于制药、食品、化工等行业。

由于薄膜蒸发器特殊的蒸发形式，使它在处理易结垢物料和高黏度物料方面呈现了特别的优势，尤其是良好的传热效果和超大的蒸发面积，使物料能够在最短时间内完成加热和脱除低沸点物的过程，因此，对于加工热敏感的物质特别适宜。Lyocell纤维的纺丝溶液具有很高的黏度，纤维素和溶剂NMMO都具有对热敏感的特点，因此，薄膜蒸发器特别适宜于制备Lyocell纤维的纺丝溶液。薄膜蒸发器的机械结构如图5-8所示。

图5-8　薄膜蒸发器的基本结构

薄膜蒸发器通常由驱动电动机、变速器、钻子、刮板、进料口、布料器、分离筒、汽液分离器、蒸发筒体、出料口等组成。刮板通常由多组形状特殊的金属件构成，并按照一定的排列方法固定在转子上。物料由进料口导入，在分料器中均化后，送入薄膜蒸发器的上部，刮板将物料在筒体上铺成膜，筒体的高温使物料中的水分迅速蒸发，并由刮板不断向下推进，水分被蒸发后，形成的蒸汽流上升，经汽液分离器进行汽液分离，分离室有较大的空间，使气流速度迅速降低，部分被二次蒸汽夹带的纤维素细粒被分离并返回蒸发器的布料口，分离后的蒸汽流流向蒸发器的顶部进入外置冷凝器。薄膜蒸发器的工作原理如图5-9所示。

图5-9　薄膜蒸发器的基本结构及流体流动模型(https://www.chuimin.cn)

薄膜蒸发器中物料受到多种力的作用，因此，物料的流态十分复杂。Lyocell纤维制备中，由于进入薄膜蒸发器的纤维素尚未溶解，是一个液固共存的状态，因此，使其流动状态进一步复杂化。薄膜蒸发器中的物料通常认为受到两个力的作用，一个是由刮板提供的切向力，另一个则是物料自身的重力。物料在薄膜蒸发器中的流动是这两个力共同作用的结果。如图5-9所示，物料的流态可以分为3个区域：在刮板前形成的涡旋，特殊设计的刮板可以使物料呈螺旋状向下流动，向下流动的速度与形状取决于刮板的角度和转子的速度。Lyocell纤维制备中使用的刮板不是一个整板，而是由多块小板组成，上一块板形成的涡旋由下一块板接续；刮板的后缘则会形成紊流液膜。处于紊流状态的物料中的各个质点作无规则的运动，使物料得到充分的混合，由于薄膜紧贴着薄膜蒸发器的加热筒壁，充分混合的过程也将热量均匀地传导给物料。紊流液膜的行程并不长，刮板的切向力消失后，紊流就逐渐变成层流液膜，层流液膜会在重力作用下向下移动。形成涡旋对传热和传质都很重要，而形成涡旋需要刮板有一定的线速度，因此，Lyocell纤维制备过程中，转子速度必须控制在一定的范围内，它也是调节产能的一种手段。

为了保证物料在薄膜蒸发器中有足够的停留时间，薄膜蒸发器的蒸发筒体通常有较大的长径比，为了制造方便，筒体都是分段加工组装而成。分段加工的另一个目的是便于温度控制，每段独立温度控制可以适应于Lyocell纤维生产工艺的需求。由于物料经过每一段时的蒸发量有很大的差异，对于供热的要求也不同，采用分段加热可以有效控制物料的温度。刚进入蒸发器物料的含水量最大，因此，蒸发器的上部需要更多的热量以供蒸发，随着大量的水被蒸出，越往下，蒸发的水量就越小，同时，物料的黏度越来越高，高黏度的物料在机械力的作用下，会使物料温度上升，因此，在某些情况下，蒸发器的下部已经无需太多的外来热源，甚至需要降温。分段温度控制可以灵活调节工艺参数。由于物料在蒸发器中停留时间很短，因此，Lyocell纤维生产中，为了达到较高的产量，薄膜蒸发器筒体的温度甚至可以高至150℃。高温促使纤维素迅速溶解，缩短了溶解时间，物料在经受短暂高温后，再采用适当的降温方法，可以有效地利用薄膜蒸发器的能力。

将薄膜蒸发器应用在Lyocell纤维的溶液制备中是兰精公司首创，他们也在这一领域申请了多项专利，由于该项技术已经有二十多年的历史，其大多数专利已经过了保护期。薄膜蒸发器是目前最为先进的Lyocell纤维纺丝液制备的设备。它充分利用了薄膜蒸发器的优点，克服了Lyocell纤维纺丝液黏度高、传热困难、NMMO对热敏感等问题。该设备由于具有超大的蒸发面积和卓越的传热性能（以大的加热面加热薄膜状的物料），使得纤维素溶解过程可能在很短时间内完成（通常为几分钟到十几分钟）。即便是工业化的大型设备其持料量也非常少，因此，具有很高的安全性。运行可靠、高效也使该技术路线具有最好的技术经济性。

薄膜蒸发器技术简介

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